城市綠地降溫效率時(shí)空分布特征綜述

魏博豪 李小馬 甘德欣

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

城市溫度顯著高于鄉(xiāng)村，形成城市熱島效應(yīng)。由于城市高速發(fā)展，城市熱環(huán)境逐漸惡化，給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)帶來(lái)了諸多問(wèn)題，極大限制了城市可持續(xù)發(fā)展。因此，如何緩解城市熱島效應(yīng)，提供良好的城市熱環(huán)境已經(jīng)成為城市氣候?qū)W和城市生態(tài)學(xué)的主要研究熱點(diǎn)[1]。通過(guò)增加綠地面積、提高綠地覆蓋率可以顯著改善城市熱環(huán)境，但由于城市用地緊張，需要在有限的土地上發(fā)揮綠地更高的降溫作用。有研究將一個(gè)單位植被豐度(如1%的綠地覆蓋率)增加所產(chǎn)生的溫度降低量定義為綠地降溫效率[2]。在時(shí)間尺度上，由于季節(jié)、晝夜的變化，城市綠地降溫效率會(huì)產(chǎn)生顯著差異；在空間尺度上，城市綠地降溫效率在不同城市間會(huì)有差異，城市內(nèi)部也會(huì)存在差異。深入認(rèn)識(shí)城市綠地降溫效率的時(shí)空特征，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化城市綠地提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 城市綠地降溫效率的評(píng)價(jià)

景觀尺度上對(duì)城市綠地降溫作用研究中，以綠地覆蓋為對(duì)象的降溫效率(CE)被定義為每1%綠地覆蓋率增加所產(chǎn)生的溫度降低量，一般通過(guò)估算一定區(qū)域內(nèi)溫度(因變量)與綠地覆蓋率(自變量)回歸分析的斜率來(lái)量化[3]。當(dāng)前城市綠地降溫效率的不同研究主要從地表溫度與空氣溫度2個(gè)方面開(kāi)展。

1.1 基于地表溫度的城市綠地降溫效率

綠地降溫效率的研究大多數(shù)利用熱紅外遙感影像反演的地表溫度數(shù)據(jù)開(kāi)展，根據(jù)反演得到的圖像計(jì)算每個(gè)像元網(wǎng)格的平均溫度。在對(duì)美國(guó)11個(gè)城市極端溫度條件下降溫效率的研究中[3]，使用了MODIS反演得到的LST影像，發(fā)現(xiàn)炎熱時(shí)期的平均降溫效率達(dá)到-0.202℃，比寒冷時(shí)期大得多，且炎熱時(shí)期綠地降溫效率隨著LST的增加而顯著增加。另一項(xiàng)對(duì)美國(guó)巴爾的摩與西雅圖的研究中[4]，選取了Landsat-8反演得到的LST，發(fā)現(xiàn)研究單元樹(shù)冠覆蓋面積會(huì)影響區(qū)域內(nèi)降溫效率，且中等樹(shù)冠覆蓋區(qū)域增加樹(shù)冠覆蓋，在降低地表溫度方面效果不如低覆蓋面積或高覆蓋面積增加時(shí)有效。Wang等為了研究美國(guó)不同群落城市綠地降溫效率的空間差異，選取Landsat-5反演LST得到了118個(gè)城市綠地降溫效率，發(fā)現(xiàn)以闊葉樹(shù)為主的生物群落的綠地降溫效率通常高于以針葉樹(shù)或稀疏樹(shù)為主的生物群落[5]。

利用遙感影像反演的LST開(kāi)展綠地降溫效率的研究，由于選擇的遙感影像的不同，分析單元會(huì)隨影像分辨率而改變。以LST開(kāi)展綠地降溫效率的研究，其優(yōu)勢(shì)在于：熱紅外遙感數(shù)據(jù)獲取容易；基于像元格網(wǎng)的溫度和綠地覆蓋率數(shù)據(jù)，降溫效率估算更直接。

1.2 基于空氣溫度的城市綠地降溫效率

地表溫度與空氣溫度在時(shí)空格局、驅(qū)動(dòng)機(jī)制等方面均存在較大差異[6]，城市綠地降溫效率更應(yīng)關(guān)注與自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)過(guò)程關(guān)系更直接的空氣溫度，但基于實(shí)地監(jiān)測(cè)的空氣溫度數(shù)據(jù)開(kāi)展的綠地降溫效率的研究較少。對(duì)西安市熱環(huán)境差異的研究中[7]，選取西安市不同土地利用類型的55個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行空氣溫度監(jiān)測(cè)，探究城市空間指標(biāo)值與空氣溫度的關(guān)系，證實(shí)了綠化覆蓋率可以解釋大約50%的西安市熱島強(qiáng)度變化。通過(guò)對(duì)香港市商業(yè)住宅混合區(qū)域的移動(dòng)監(jiān)測(cè)得到的空氣數(shù)據(jù)，結(jié)合ENVI-met模擬不同植被類型下的氣溫變化，發(fā)現(xiàn)氣溫降低約1℃所需的植物量占市區(qū)的33%，且樹(shù)木比草地降溫效果更強(qiáng)[8]。在北京奧林匹克公園的一項(xiàng)研究中[9]，在公園布置了4個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析4種土地利用類型與氣溫的關(guān)系，得到了樹(shù)木覆蓋增加10%，白天氣溫下降0.26°C，草坪覆蓋增加10%，夜間氣溫下降0.56°C的結(jié)論。

精確量化城市綠地對(duì)空氣溫度的降溫效率面臨2個(gè)主要挑戰(zhàn)：受儀器布置的限制，大范圍高密度空氣溫度數(shù)據(jù)十分缺乏；點(diǎn)狀空氣溫度與區(qū)域統(tǒng)計(jì)的綠地覆蓋率間的空間匹配與尺度閾值確定較為困難。但亦有研究可以解決這些問(wèn)題，大范圍高密度空氣溫度數(shù)據(jù)可以通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取[10]，而圍繞溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍一定半徑的緩沖區(qū)是匹配點(diǎn)狀溫度數(shù)據(jù)與面狀綠地覆蓋率數(shù)據(jù)的有效途徑[11]。

2 城市綠地降溫效率的時(shí)空特征

2.1 城市綠地降溫效率的時(shí)間變化特征

城市綠地的降溫效率是植被的蒸騰和遮蔭共同作用的結(jié)果，而這二者都會(huì)受到時(shí)間變化的影響。晝夜之間，季節(jié)之間都存在溫度、濕度和光照強(qiáng)度等差異，均會(huì)影響植被的蒸騰作用；不同季節(jié)間，植被覆蓋的光照條件、水熱條件和空間特征是多變的，因而不同季節(jié)的植被遮蔭也會(huì)存在很大差異[12]。

不同季節(jié)城市綠地的降溫作用差異還不清楚，在中國(guó)北京奧運(yùn)匹克區(qū)對(duì)不同季節(jié)2D/3D城市指標(biāo)對(duì)城市LST的研究發(fā)現(xiàn)[13]，以NDVI作為植被指數(shù)，春夏季節(jié)其降溫貢獻(xiàn)達(dá)到了45.5%與40%，遠(yuǎn)大于秋冬季節(jié)(降溫貢獻(xiàn)為21%與19%)，且NDVI在春夏季對(duì)LST具有整體負(fù)面影響，呈二次非線性下降曲線，但在秋季和冬季為正值，證實(shí)了以NDVI為指標(biāo)的城市綠地降溫效率在春夏最佳。而在對(duì)深圳市不同季節(jié)對(duì)LST的影響因素中[14]，NDVI則是在過(guò)渡季節(jié)(4月、5月、10月和11月)貢獻(xiàn)度最高達(dá)到47.84%，夏季對(duì)LST的貢獻(xiàn)最大的是NDBI，但林地比例對(duì)降溫的影響也達(dá)到了32.48%。在武漢開(kāi)展的城市景觀空間與LST的季節(jié)變化的研究[15]，發(fā)現(xiàn)部分植物覆蓋與LST的季節(jié)變化與Peng等的研究類似，植被覆蓋度在過(guò)渡季節(jié)與冬季的降溫影響達(dá)到最佳。

一些城市綠地降溫的研究著重于分析其晝夜變化，在南京利用地面激光掃描(TLS)描述樹(shù)冠和樹(shù)蔭分析植被的降溫效果的研究發(fā)現(xiàn)，城市綠地的降溫效率在白天較強(qiáng)，夜間變得很弱(有時(shí)在日出之前還會(huì)有輕微的保溫作用)，甚至?xí)円菇禍夭钅苓_(dá)到平均1.4℃，且在夏季10:00—15:00時(shí)段高溫會(huì)極大地抑制植被的蒸騰作用，此時(shí)遮蔭作用對(duì)降溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)率會(huì)更大[16]。在北京開(kāi)展的土地覆蓋對(duì)城市熱環(huán)境的影響的研究中[9]，發(fā)現(xiàn)白天氣溫與樹(shù)冠覆蓋率之間有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，但夜間氣溫的變化則是與草坪有顯著負(fù)相關(guān)性，且樹(shù)木覆蓋增加10%使白天氣溫下降0.26°C，每10%草坪覆蓋增加可以使夜間溫度下降0.56°C。在緬甸仰光土地利用對(duì)LST潛在影響的研究中[17]，發(fā)現(xiàn)綠地在白天夜間降溫效率都比較顯著，分析了農(nóng)業(yè)用地對(duì)LST的影響，得到了農(nóng)業(yè)用地與白天LST呈正相關(guān)，與夜間LST呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論。

2.2 城市綠地降溫效率的空間變化特征

城市綠地的降溫效率在空間上表現(xiàn)出明顯差異，這種差異源于城市溫度與城市空間形態(tài)的異質(zhì)性，且在不同城市之間，城市不同區(qū)域都存在差異。認(rèn)識(shí)城市綠地降溫效率的空間異質(zhì)性，可以幫助理解城市綠地與城市熱環(huán)境之間的關(guān)系。

城市綠地降溫效率在許多國(guó)家的不同城市都有研究。在不同城市之間，Wang等對(duì)美國(guó)大陸118個(gè)城市不同生物群落降溫效率進(jìn)行量化(從0.040～0.574°C)，美國(guó)西南部城市(如安納海姆0.574℃)降溫效率普遍較高，且常綠樹(shù)種分布區(qū)高于落葉樹(shù)種分布區(qū)，對(duì)比同緯度的不同群落類型的城市綠地降溫效率，則發(fā)現(xiàn)緯度對(duì)綠地降溫效率沒(méi)有顯著影響[5]。同樣在對(duì)美國(guó)11個(gè)大城市的研究表明，每增加1%樹(shù)木覆蓋比例，LST最高可降低1.336℃，且城市綠地降溫效率在11個(gè)城市呈現(xiàn)隨環(huán)境溫度升高而增加的趨勢(shì)[3]。另一項(xiàng)美國(guó)波士頓與巴爾的摩地區(qū)綠地降溫效率的研究中[18]，在類似的背景LST下，波士頓的降溫效率高于巴爾的摩，但巴爾的摩白天LST與降溫效率之間的回歸曲線的斜率大于波士頓，這種差異筆者認(rèn)為是風(fēng)速差異造成的，且當(dāng)平均LST增加時(shí)，兩地的降溫效率均迅速增加。美國(guó)鳳凰城和拉斯維加斯空間景觀配置對(duì)LST影響的研究中[19]表明，2個(gè)城市草地降低LST的作用均比樹(shù)木覆蓋要強(qiáng)，且在2個(gè)城市，綠地的總降溫效率都較高。單個(gè)城市對(duì)城市綠地降溫效率類似的研究也不少，如在中國(guó)北京研究綠地配置對(duì)LST的影響，得到了城市綠地對(duì)LST的降溫效率，樹(shù)木覆蓋率增加10%降低LST約0.86℃[20]。在沿海城市的研究有一些特殊發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)洛杉磯市研究沿海到沙漠氣候梯度植被降溫作用，發(fā)現(xiàn)隨著離海岸距離的增加，單元NDVI變化得到的降溫效率從6.06°C增加到31.77°C[21]。

目前城市(群)內(nèi)部綠地降溫效率空間異質(zhì)性的研究并不是很多。在京津唐城市群利用地理加權(quán)回歸模型得到京津唐城市群每增加1%林地覆蓋率，地表溫度降低0.077°C，且整體呈現(xiàn)出山區(qū)森林覆蓋率較高地區(qū)降溫效率高，而平原地區(qū)林地降溫效率低，并且從空間上表現(xiàn)為從林地內(nèi)部到林地邊緣的降溫能力呈逐步增強(qiáng)趨勢(shì)[22]。對(duì)蘭州的綠地降溫效率的研究中[23]，同樣利用地理加權(quán)回歸模型得到了蘭州主城區(qū)10%林地覆蓋增加的降溫效率為0.04°C，且降溫能力最高的地區(qū)也分布在林地相對(duì)集中的地帶，但受蘭州地理位置和氣候影響降溫效率較低。目前，在其他一些城市基于地表溫度(LST)的綠地降溫效率的研究也廣泛使用了地理加權(quán)回歸模型，美國(guó)鳳凰城的研究中[24]，得到了鳳凰城NDVI每增加0.1(或大約10%的覆蓋)，白天平均溫度在6月份會(huì)下降2.8°C，在10月份下降2.4°C；Zhao等的研究得到美國(guó)奧斯丁和圣安東尼奧NDVI每增加0.1，LST分別下降0.74°C和0.38°C的結(jié)論[25]。在這些不同城市開(kāi)展的研究也都表明城市綠地降溫效率在城市內(nèi)部存在著巨大空間異質(zhì)性。美國(guó)麥迪遜和紐約的研究均顯示植被對(duì)氣溫的降溫效率在植被覆蓋率超過(guò)一定閾值(30%～40%)后明顯增強(qiáng)[10,11]，這表明城市綠地對(duì)空氣溫度的降溫效率也存在明顯空間差異。

3 總結(jié)與討論

從景觀尺度精確量化城市綠地降溫效率目前主要以地表溫度開(kāi)展為主，城市綠地降溫效率更應(yīng)關(guān)注與自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)過(guò)程關(guān)系更直接的空氣溫度，解決量化城市綠地對(duì)空氣溫度的降溫效率所遇到的難題，能更好地理解城市綠地與城市熱環(huán)境的關(guān)系。

城市綠地降溫效率在時(shí)間上、空間上在許多地區(qū)均表現(xiàn)出較大的差異，目前，時(shí)間差異更多是由于氣候類型的不同，但空間上在相同氣候區(qū)仍表現(xiàn)出明顯差異，明確綠地降溫效率空間分布特征與規(guī)律是設(shè)計(jì)和優(yōu)化城市綠地的科學(xué)基礎(chǔ)，但目前對(duì)城市綠地降溫效率空間異質(zhì)性的認(rèn)識(shí)還十分有限。

如何優(yōu)化城市綠地空間布局，實(shí)現(xiàn)城市綠地降溫效率的最大化，更有效地應(yīng)對(duì)城市氣候變化，已經(jīng)成為城市綠地布局規(guī)劃與研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。城市綠地降溫效率研究在時(shí)間空間尺度上深入挖掘綠地景觀結(jié)構(gòu)對(duì)城市熱環(huán)境影響的機(jī)理，定量評(píng)價(jià)不同綠地景觀及其格局的降溫效應(yīng)差異，為解決這些熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)。