城市绿地对热岛效应缓解作用研究—以保定市中心城区为例

2018-12-05岳晓蕾林箐杨宇翀

风景园林 2018年10期

岳晓蕾林箐杨宇翀

产生城市热岛效应的主要原因是城市下垫面的改变，增加城市绿地是缓解城市热岛效应的重要措施。近些年，位于华北平原地区的保定市城市化发展呈现加速态势，大量的绿地被兴建的灰色设施取代，城市建成区面积不断增加，导致保定市的植被覆盖度逐年下降，城市的景观、生态功能减弱，城市热岛效应逐步加剧。同时，随着国家“京津冀协同发展”的提出及推进，生态承载区功能成为保定市重要功能定位之一，这使得其生态环境建设与保护问题更加凸显[1-2]，因而选取保定市中心城区作为研究对象具有一定的典型性。

1 研究空间范围示意图The scope of the research space

2 2007 2017年植被覆盖度时空演变图Spatio-temporal evolution of vegetation coverage (2007 2017)

目前，植被覆盖度和地表温度的相关研究是近年来学术界关注的热点，并已积累较为丰富的研究成果[3-7]。对于城市绿地与城市热岛效应之间的关系研究中，张昌顺[8]从城市绿地降温功能与绿地类型、绿地结构及管理措施角度进行了研究分析；杨伟、马腾耀[9]从绿地斑块自身的属性对绿地内部温度影响和绿地斑块对周边热环境影响进行了研究分析；陈芳敏[10]从公园斑块特征、绿地景观类型和周边用地结构的差异等方面对热岛效应的影响进行了分析等，除这些因素外，城市绿地的空间布局同样影响城市的热环境，应在城市规划时将其作为考虑因素，逐渐重视城市绿地缓解城市热岛效应的功能。本文基于GIS和RS技术[11-12]，对保定市中心城区内2007—2017年植被覆盖度与地表温度的相关性进行研究，定量分析城市绿地对城市热岛效应的缓解作用，研究城市绿地面积对降温范围的影响，并在前人研究的基础上，进一步探讨如何利用城市绿地空间布局减弱城市热岛效应的影响，所得结论可为保定市中心城区的城市规划提供科学的依据。

1 研究区域概况

研究的空间范围是保定市的中心城区，包括竞秀区和莲池区（图1），研究区总面积约为346km2。区域地理坐标为东经113°40′～116°20′，北纬 38°10′～40°00′。中心距北京140km。保定市属于暖温带大陆性季风气候区，近些年的夏季高温天气频繁，年高温日数总体呈增加趋势。

2 数据来源和方法

研究选取美国Landsat7 ETM卫星的3幅遥感影像作为基础遥感数据，其成像时间分别为2007年9月3日、2012年8月16日、2017年9月7日，卫星轨道号行号p124/r44，包括8个通用波段，其中第3、4波段用以提取研究区域的归一化植被指数（NDVI）与植被覆盖度信息，第6波段为热红外波段影像，用以研究区域的地表温度。卫星影像的空间分辨率除第6波段为60m×60m，其余均为30m×30m。卫星过保定市上方的时间约为上午8：50，这3个时期的图像时间段接近，具有可比性，遥感影像的质量良好，精度满足计算要求。

首先通过ENVI5.1对3个时期的影像数据作辐射定标和大气校正处理，消除因大气散射引起的辐射误差，然后利用保定市中心城区矢量边界裁剪图像得到保定市中心城区的影像数据，再选择相应波段的遥感图像进行归一化植被指数计算和地表温度的反演计算。最后利用ArcGIS10.2软件处理相关数据，比较与计算地表温度和植被覆盖度之间的相关性。

3 地表温度与植被覆盖度的相关性

3.1 植被覆盖度演化特征

遥感测量已成为大中区域尺度植被覆盖监测的主要途径[4,13]，利用遥感数据提取植被覆盖度的方法主要有经验模型法、植被指数法和混合像元分解法[14]，本文利用植被指数法对保定市中心城区植被覆盖度进行提取。为了计算植被覆盖度，首先需要对归一化植被指数进行计算。归一化植被指数应用研究最为广泛,常用于区域和全球性的植被动态监测研究[15]。其表达式为：

在归一化植被指数计算结果的基础上，对植被覆盖度进行计算。在植被覆盖度的计算中，采用像元二分模型法，其表达式为：

式中，NDVIveg代表纯植被的植被指数，NDVIsoil代表纯土壤的植被指数，NDVI代表所求区域或像元的植被指数。式中，取NDVIveg值为0.7，取NDVIsoil值为0。当某像元的NDVI＞0.7时，其FV取值为1；当NDVI＜0时，其FV取值为0。

研究所用的Landsat 7卫星影像中第3、4波段的影像分辨率为30m×30m，即绘制图像中单个像素点代表30m×30m范围内的植被覆盖度情况。研究通过ENVI5.1软件计算出保定市中心城区的植被覆盖度图像，再将结果导入ArcGIS10.2软件进行统计处理，得出研究区范围内2007年、2012年、2017年的3幅植被覆盖度图像（图2）。

由ArcGIS10.2软件统计的2007、2012、2017年3年的植被覆盖度的平均值0.709 5、0.673 8、0.666 4可以看出，2007—2017年间，保定市中心城区内的植被覆盖度总体呈下降趋势。结合保定市近些年发展可知，城市建设用地猛增，其中心城区的范围逐渐向郊区扩张，城市逐渐侵占部分农田与林地，导致2017年研究区的植被覆盖度较2007年有了明显的下降。

3.2 地表温度演化特征

地表温度是研究地表与大气之间能量与物质交换的重要参数[16]。目前，地表温度反演算法大致有大气校正法、单窗算法、劈窗算法和多通道多角度算法4种[17]，本文基于大气校正法反演地表温度。在计算地表温度前，需要先计算地表比辐射率与黑体辐射亮度。其中，植被和建筑的比辐射率结合通过计算得出，水体的比辐射率取常量0.995，其表达式为：

上述公式中的εgreen代表植被的比辐射率，εbuilding代表建筑的比辐射率。FV为上文计算得出的植被覆盖度。通过反演计算得到地表比辐射率。

基于地表比辐射率的结果，计算黑体在热红外波段的辐射亮度，其表达式为：

式中，Lλ为热红外的辐射亮度， L↑为大气向上辐射亮度，L↓为大气向下辐射到达地面后反射的能量，ε为地表比辐射率，B(TS)为由普朗克定律推导出的黑体的热辐射亮度，τ为大气在热红外波段的透过率。

在获取温度为TS的黑体在热红外波段的辐射亮度后，根据普朗克公式的反函数，求得真实的地表温度，表达式为：

在Landsat7遥感影像中，K1取值666.09，K2取值 1 282.71。

研究所用的Landsat7卫星影像中热红外波段（第6波段）的影像分辨率为60m×60m，即绘制图像中单个像素点代表60m×60m范围内的地表温度情况。研究通过ENVI5.1平台对保定市中心城区的地表温度进行反演计算，并导入ArcGIS10.2软件进行统计处理，得到保定市中心城区的2007年、2012年、2017年的3幅地表温度图像（图3）。

2007—2017年间，保定市中心城区的地表温度总体呈上升趋势，城市热岛效应呈现出不断升高的趋势，从中心城区逐渐向外扩展蔓延。2007年，中心区域的热岛效应较为明显，此时的郊区土地利用类型主要是农田和少量的村落，因此几乎没有表现出热岛效应。2017年，随着城市的快速发展，热岛效应的影响范围已经由中心区域向郊区快速蔓延。保定市的建成区范围逐渐扩大，郊区的大量土地利用类型由农田逐渐转变为建设用地，其下垫面的属性发生改变，因此城市热岛效应的覆盖范围逐步扩大。

3.3 不同时期地表温度与植被覆盖度相关性分析

3 2007 2017年地表温度时空演变图Spatiao-temporal evolution of land surface temperature(2007 2017)

4 2017年植被覆盖度和地表温度网格划分图Grid partition diagram of vegetation coverage and land surface temperature in 2017

为了全面提取数据信息，本文通过对研究区的植被覆盖度图像和地表温度图像的数据进行处理，用网格法取平均值对研究区进行详细分析。

首先对研究区域进行网格划分，每个网格的边长为900m×900m，共将研究区划分为565个网格，满足相关性分析的精度需求，网格覆盖研究区内所有地表温度和植被覆盖度的数据信息。植被覆盖度图像的空间分辨率30m×30m，因此其图像中每个网格包含900个原始栅格数据；地表温度图像的空间分辨率60m×60m，因此其图像中每个网格包含225个原始栅格数据。再通过ArcGIS10.2软件计算网格中的栅格数据的平均值，得到植被覆盖度和地表温度的网格划分图像（图4）。最后将所有网格的植被覆盖度和地表温度数据导入Excel软件，对两者间进行相关性研究，从而得出2007、2012、2017年3个时期地表温度和植被覆盖度之间的回归分析结果（图5）。

研究区内的地表温度与植被覆盖度两者之间具有明显的负相关关系，植被覆盖度越高，相应地点的地表温度越低。2007年、2012年、2017年回归方程的决定系数（R²），分别为0.877 084，0.612 018，0.823 626（图5），且在5%显著性水平上，3个总体模型均通过了检验，表明两者之间具有较强的相关性。2007年、2012年、2017年回归方程的斜率分别为-13.304，-8.984 6，-10.714，其绝对值范围为8.984 6～13.304。从这些数据可知，植被覆盖度的增加可有效改变区域的地表温度，保定市中心城区植被覆盖度指数每增加0.1，可使地表温度降低0.9～1.3℃。

4 城市绿地对热岛效应降温范围的影响

4.1 绿地面积对热岛效应的影响

以2017年9月7日的数据为例，在区域尺度下将保定市中心城区范围内的植被覆盖度高的城市绿地进行筛选，并用ArcGIS10.2软件进行数据统计。由于农田与水体对周边热环境也有降温效应，故筛选绿地外围的下垫面相同（即建筑与硬质铺装）的8个城市绿地（图6）。以8个绿地边界为起点，以60m为步长，共设置10个缓冲带，依次提取600m缓冲区范围内地表温度及降温范围数据进行对比研究。利用梯度差方法依次求出各缓冲带平均温度值与相邻的缓冲带的平均温度值的差（ΔT），将其对应缓冲带外围距绿地边界的距离（L），用Excel软件进行曲线拟合分析，得出各绿地对周围热环境的降温效应曲线（图7）。

绿地对周边热环境的降温效应随着距离增大逐渐减小（图7），在距离绿地200m内的降温速率最大，之后随距离增大，其降温速率趋缓；不同面积绿地的降温范围存在较大差异，东湖公园（含周边绿地）的降温范围最大，大约为420m，而祥和公园的降温范围最小，仅大约140m。从图中读出各个绿地的最大降温范围，列出表格（表1），将其与绿地面积之间的关系用Excel软件进行曲线拟合分析（图8）。

5 2007 2017年植被覆盖度与地表温度回归关系分析Analysis of relations between vegetation coverage and land surface temperature regression(2007 2017)

6城市绿地位置Urban green space location

7 不同城市绿地对周围热环境的降温范围The cooling range of different city green areas to surrounding thermal environments

表1 不同城市绿地地表温度相关数据对比Tab. 1 Comparison of surface temperatures of different urban green areas

城市绿地面积与降温范围呈对数函数关系，两者之间回归方程的决定系数R2为0.781 2（图8），且在5%显著性水平上其总体模型通过了检验，由此可知二者具有显著的相关性，即绿地面积越大，其对应的降温范围越大。但在一定范围内，增加单位面积的绿地，降温范围迅速扩大，而超过这一范围，增加单位面积的绿地，降温范围扩大的增长速度趋于平缓。通过求曲线的二阶导数，可得出此值为29hm2。当绿地面积大于29hm2时，拟合曲线的二阶导数值保持在-0.10左右。因此，在绿地空间布局时，考虑到降低城市热岛效应的因素，保定市中心城区的绿地建设面积的最佳数值在29hm2左右。

4.2 绿地布局对热岛效应的影响

在保定市未来城市的发展过程中，要平衡城市热岛与城市发展两者之间的关系。2017年保定市中心城区现有的植被覆盖度为40%，若在未来建设中无节制地进行城市扩张，则每减少10%的植被覆盖度，地表温度就会升高1℃，局部区域甚至可以升高5℃以上。在实际应用中，提高城市的绿化覆盖率即增加植被覆盖度，因此在城市发展中需要适当地提高城市的绿化覆盖率，对保定市的生态环境建设做出贡献。一方面，合理规划与利用土地，严守耕地保护、生态保护“红线”，控制城市发展边界，对荒地或拆除后短期不建设的土地进行覆绿。另一方面，在城市建成区中，见缝插绿，利用垂直绿化和屋顶绿化来增加城市的绿化覆盖率。

通过比对图3和保定市的现状谷歌卫星图可以得出，大面积的热岛效应主要集中在保定市中心城区的西部和南部，重点高温区域的用地性质普遍为工业用地。结合现有绿地可知，保定市中心城区西部和南部的绿地较少，因此，建议在规划时适量增加此区域的绿地面积来缓解热岛效应。具体在增加绿地的过程中，结合保定市用地现状和保定市城市总体规划（2011—2020年）中心城区用地布局规划图[18]，笔者建议在现有绿地的基础上增加部分绿地（图9），使绿地的空间布局更为合理，降低城市热岛效应的影响，提升城市小气候舒适性，服务城市居民生活。其中，位于西北部的1号绿地面积约为10hm2，周边规划用地性质为居住用地；位于西部2号绿地面积约为18hm2，周边规划用地性质为居住用地和工业用地；位于西南部的3号绿地面积约为29hm2，周边规划用地性质为工业用地和绿地；位于南部4号绿地面积约为29hm2，周边规划用地性质为居住用地、商业用地和工业用地；位于南部5号绿地面积约为29hm2，周边规划用地性质为居住用地。这5块绿地的现状均为城中村，建议将这些区域进行用地性质的改变，在重点高温区域或附近增加绿地面积。此外，根据上文研究可知，保定市绿地面积在29hm2左右为最佳数值，所以在有条件的情况下，尽量设置面积为29hm2的绿地。建议新增绿地和现有绿地的降温范围根据图8得出。通过增加城市绿地，在区域尺度上控制近些年保定市中心城区地表温度的持续升高，并且有针对性地降低重点高温区域的热岛效应，在减缓保定市中心城区的热岛效应的同时，完善其城市绿地的布局和建设。