城市绿地空间与热环境效应的关系——以武汉市为例

冯 聪

（广州市天作建筑规划设计有限公司，广东 广州 510623）

1 研究背景与方法

1.1 研究背景

1.1.1 快速城市化背景下城市热环境问题日益严重

我国目前正处在快速城市化的阶段，城市规模不断扩大，城市人口迅速增加。随着城市的蔓延和扩张，城市周边的农田、湿地以及其他自然植被逐渐被建筑物、道路等取代，下垫面性质发生明显改变。人工构筑物如沥青、水泥和混凝土等具有热容量较小和吸热性较大的特点，比绿地或其他自然下垫面升温快，表面温度明显高于自然下垫面，在城市中形成以人工构筑物为中心的高温区域，即城市热岛。城市化进程影响着城市温度的变化使城市热岛现象加剧、城市热环境不断恶化。

1.1.2 城市绿地对改善城市热环境具有重要意义

绿色植物通过特有的生理活动，如蒸腾作用、光合作用等，可以从周围环境中吸收大量的热量和二氧化碳，并将水分以气态形式散发到大气中，带走热量，降低空气温度。研究表明，绿化覆盖率每增加10%，气温降低的理论最高值为2.6%，在夜间可达2.8%[1]。绿地覆盖的区域温度降低，空气冷却收缩下沉，地面气压升高，气压高的气流从绿地吹向非绿地，形成局部环流，从绿地中吹出的低温空气，客观上起到了降低周围环境温度的作用[2]。

1.2 研究方法

本文主要通过遥感图像处理与分析和数理统计等方法来进行绿地与热环境的空间特征及相互关系的研究。

（1）遥感图像处理与分析。利用ENVI4.0软件对Landsat-5 TM遥感图像进行处理和计算，获取植被指数和亮度温度数据。对GOOGLE EARTH图像进行目视解译，获取绿地与其他景观元素的空间组合关系。

（2）数理统计。将得到的初步结果利用EXCEL软件进行回归分析，研究城市绿地与热环境的相关性。

2 绿地空间与热环境特征分析

2.1 研究区域概况

研究区域为湖北省武汉市。武汉市位于东经113°41′-115°05′，北纬 29°58′-31°22′之间。 南北最长距离115km，东西最大距离134km，总面积8467km2，其中市区面积3963.6km2。武汉市位于江汉平原东部，长江与汉水交汇处，地形以平原为主，市内湖泊塘堰众多，水面面积占总面积的25%。武汉属于亚热带湿润季风气候，四季分明，常年雨量充沛，降水多集中于6-8月，年平均降水量1284mm，年平均气温16.4℃，平均无霜期250天以上。武汉市夏季高温持续时间长，被称为“火炉城市”，因此，研究武汉市的城市绿地空间特征与热环境效应的关系有非常重要的意义。

2.2 数据情况

本文采用经过预处理的武汉市2005年9月11日的Landsat-5 TM图像1。图像没有不连续条带，没有云层覆盖，质量良好。其中第1～5和第7波段的分辨率为30m，第6波段经预处理后分辨率为60m。

表1 Landsat 5卫星参数

2.3 绿地空间特征分析

绿地中的植被量是改善城市热环境的重要因素，本节通过植被指数的计算，提取出植被盖度，用来表示绿地的植被量。根据武汉市植被指数的空间分布状况，结合城市绿地面积统计，分析城市绿地的空间分布特征。

2.3.1 植被指数分析

利用植被指数可以从TM图像中提取植被信息。在目前已有的40多种植被指数中，归一化植被指数NDVI是应用最广的一种。由于NDVI可以消除大部分与仪器定标、太阳角、地形、云阴影和大气条件有关辐射照度的变化，增强了对植被的响应能力[3]，可以有效的表征植被生长态势和生产效率，并且对低密度植被覆盖也较敏感[4]，因此，本文采用归一化植被指数NDVI来进行植被信息的提取，其计算公式为：

在ENVI软件中分别对第3、第4波段进行辐射较正，将公式（1）带入计算，可以计算出武汉市归一化植被指数。在ENVI中用密度分割方法将计算出的植被指数划分为7个等级，如图1。

图1 归一化植被指数分级图

2.3.2 绿地空间分布

武汉市的山林地主要分布在远郊地区，尤其是黄陂区北部和新洲区的东北部，结合表2可知，黄陂和新洲是武汉市林地面积最大的两个区，分别占城市林地总面积的38%和24%。江夏区和汉南区的南部也有少量林地分布，而主城区内由于城市开发强度大，林地保存极少。

武汉市各区的绿地面积和绿地覆盖率相差较大，总体来看，中心城区的绿地覆盖较少，且主要分布在城区边缘地带，城市中心区绿地覆盖很少。主城区的绿地被建筑、道路等不透水面分隔，形成城区内的一个个“孤岛”。东西湖区、蔡甸区和汉南区3个郊区的绿地覆盖中等，并且主要分布在区域的西部。黄陂区、新洲区和江夏区3个郊区的绿地覆盖情况最好，绿地面积大，植被指数高。

表2 武汉市绿地面积统计表[5]

2.4 热环境特征分析

本文利用Landsat卫星第6波段数据来反演地表温度。第6波段数据反映的是地物热辐射特性，其特征表现为地物温度越高图像越亮，温度越低图像越暗。所反演出的亮度温度在数值上与地表温度并不相等，但二者存在很强的相关性。亮度温度略小于真实温度，由于城市区域范围有限，可认为区域内水汽状况基本一致，因而可直接用亮度温度来表征城市热环境；又由于热环境研究中关注的是温度的相对高低，因此本文用亮度温度近似代替真实地表温度进行热环境研究。

利用热红外亮温计算方法[6]，可以得到TM6图像数值（DN值）和像元亮温的定量关系。首先，将TM图像数值转换为辐射亮度值：

其中，Lmax、Lmin分别为该波段探测器可探测的最高和最低辐射值。对Landsat 5来说，Lmin=0.1238 m·W·cm-2·sr–1μm-1，Lmax=1.56m·W·cm-2·sr–1μm-1。因此，公式（2）可简化为：

将辐射亮度转化为亮度温度的计算公式为：

其中，T为TM6的像元亮度温度，K1和K2为常量，对于 Landsat5 来说，K1=60.776m·W·cm-2·sr–1μm-1，K2=1260.56K。

在ENVI软件的IDL中建模，带入上述公式进行反演计算，便可得到研究区域的亮温分布图，计算出的亮温分布在273.32～308.99K之间。在ENVI软件中用密度分割方法对得到的亮温图进行分级，共分为六级，分别是极高温区域（301.50～308.99K）、高温区域 （299.50～301.50K）、 较高温区域 （298.20～299.50K）、较低温区域（297.20～298.20K）、低温区域（296.00～297.20K）、极低温区域（273.31～296.00K）。如图2所示。

图2 武汉市亮度温度分布图

3 绿地空间与热环境相关性分析

在所有的城市景观中，绿地的热环境效应显著区别于其他景观元素。绿色植物的热惯性和热容量较大，同时热传导和热辐射率又较低。在同样的太阳辐射下，绿地储存的热量明显少于建筑表面、路面等储存的热量。因此，城市绿地所对应的地表温度要低于建筑、道路、裸地等景观元素，对城市热环境起着调节作用。

3.1 研究区域的划分

城市不同区域的下垫面状况不一样，其绿地特征与热环境特征也不同。主城区与郊区、以及各郊区之间都有比较明显的差异，本研究按行政区选取3个研究区域，分别是：主城区（包括江汉、江岸、硚口、汉阳、洪山、武昌、青山7个区）、黄陂区、江夏区。

3.2 相关性分析

在ENVI中同时打开植被指数图（图1）和亮温分布图（图2），打开geography link，在两张图上对应选点做相关性和回归分析。每个研究区域选取20个样点。有植被生长的区域，其NDVI值大于0，因此在样点选取时注意选取NDVI值大于0的样点，以避开人工构筑物和水体。

记录所选样点的NDVI与亮温值，在EXCEL中进行相关性分析及回归分析，计算各研究区域归一化植被指数NDVI与亮温的相关性系数并建立回归方程，式中x代表NDVI，y代表亮温。结果如下：

表3 NDVI与亮温的拟合方程和相关系数

从上表可以看出，武汉市整体的NDVI与亮温具有明显的负相关关系，其中，主城区的NDVI与亮温呈显著相关，其他各研究区域都呈极显著相关。

在各研究区域中，主城区的NDVI与亮温的相关系数最低，主要原因是主城区的下垫面以建筑和不透水铺装为主，城区内大部分是高密度建筑，包括居民生活区、繁华商业区以及工业区等，人口密度高且活动频繁，热量大量聚集，形成面积大、强度高的热岛中心。高密度建筑导致城区内通风不畅，热交换过程受阻，热量不易发散，整体温度明显高于其他几区。相对的，主城区的整体植被指数偏低，城区内绿地面积较小且分散，绿地的降温效果受周围建筑的影响而不能得到有效的发挥。

黄陂区NDVI与亮温的相关系数较高，都达到0.8以上。

江夏区NDVI与亮温的相关系数相对较低，在这样的区域，植被的整体覆盖状况较好，高温区域较少，与高温区域进行热交换的有效植被面积需求不大，因此植被指数的增加所带来的降温效果的增加就不是很显著。

3.3 小结

通过上述分析可知，在城市热岛效应显著的主城区和几乎没有热岛效应的江夏区，增加植被的量对降温效果的提升影响不大，然而其原因却并不相同。在主城区，下垫面主要由建筑物、水泥和沥青等铺装组成，绿地面积小且分散，难以平衡高密度的建筑和人口所产生的热量。因此，在主城区中单纯增加绿地面积并不能获得良好的降温效果，而应该通过绿地的合理配置来使其发挥更大的降温作用。在几乎没有热岛效应的江夏区，温度本来就比较低，所以，植被发挥作用而降低温度的空间不大，所以在远郊区不必盲目增加绿地面积。在高温区域面积较大，自然下垫面面积也较大的黄陂区，增加植被量可以明显提升降温效果，因此，这些区域在开发过程中应该注意对绿地系统的保留与构建，以减弱热岛效应的影响。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）武汉市绿地覆盖和热环境具有明显的区域差异

武汉市各区绿地面积和绿地覆盖率相差较大。主城区绿地覆盖较少，且主要分布在城区边缘地带，城市中心区只有孤立的条状或带状绿地斑块。东西湖、蔡甸和汉南三个郊区的绿地覆盖中等，并且主要分布在区域的西部。黄陂、新洲和江夏三个郊区的绿地覆盖状况最好，绿地面积大，植被指数高。武汉市极高温区域主要分布在工业区和老城区，最高温出现在东风汽车公司。黄陂、新洲、汉南等郊区有大面积高温区域和热岛中心出现，江夏区整体温度最低，无明显热岛出现。在郊区沿主要交通干道分布有线形的高温区域，并呈指状向郊区扩展。

（2）城市绿地与城市热环境呈现负相关

通过对各城区的植被指数与亮温值进行相关性分析，可以很好的验证城市绿地与热环境的负相关关系。主城区的植被指数与亮温值的相关系数达-0.615，呈显著相关；其他各研究区域都达到-0.78以上，呈极显著相关。

城市绿地与城市热场在空间上有很好的对应关系。城市绿地对应着城市中温度较低的区域，温度高的区域对应着建筑或植被指数低的地方。在工业区和老城区等极高温大面积出现的区域，绿地以块状或带状分布，在城市中形成了一个个的“冷岛”。

（3）不同下垫面及景观元素对绿地的热环境效应有不同的影响

主城区植被指数与亮温值的相关系数低于各郊区。主城区以人工下垫面为主，绿地的降温效果被削弱；郊区保留有一定的自然下垫面，绿地降温效果可以得到有效发挥。

4.2 讨论

（1）影响城市热环境的因素有很多，包括风速、气压、云层等暂时性天气因素，又包括绿地、人工构筑物的形式和材料等持久性因素，同时太阳辐射、人工热源、大气污染状况等因素也对城市热环境产生影响，研究城市热环境影响机制应综合以上几方面才能得到全面的结论。

（2）文中的数据基本上都来源于LANDSAT-5 TM影响，其中用来提取地表温度的热红外波段分辨率是60m，其余波段的分辨率是30m，图像的精度限制了研究的尺度。在今后的研究中，可利用多源图像（如MODIS、NOAA）并结合实地观测对绿地的热环境效应做进一步的解释。

参考文献：

［1］于志熙.城市生态学［M］.北京:中国林业出版社,1992.

［2］李延明,张济和,古润泽.北京城市绿化与热岛效应的关系研究［J］.中国园林,2004,(01):72-75.

［3］郭铌.植被指数及其研究进展.干旱气象,2003,(4):71-75.

［4］王宪礼,肖笃宁,布仁仓,等.辽河三角洲湿地的景观格局分析［J］.生态学报,1997,17(3):317-323.

［5］王捍卫.基于RS和GIS的武汉城市绿地景观格局分析［D］.华中师范大学,2009.

［6］覃志豪,ZHANG M H,ARNON K,等.用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法［J］.地理学报,2001,56(4):456～466.