杭州公园绿地冷岛效应及其主要影响因素

钟秀惠 金荷仙 李 胜 季 睿 包泽辉

快速城市化造成了城市热岛效应，城市热岛的加剧致使人居环境产生诸多问题[1]。如何缓解由城市化及气候变化导致的城市热岛效应，成为当今城市发展面临的重大挑战[2-3]。城市公园中的绿地、水体作为一种城市景观，能够通过光合作用、蒸腾和蒸散作用降低地表温度，使城市公园的温度普遍低于周边环境，这种降温效应被称为“绿洲效应”或“冷岛效应”[4-7]。降温效应的大小被称为公园冷岛效应，即公园内部与其周边环境的温度差[8]。

目前国内外相关学者已对各个城市的公园冷岛效应做了大量研究。Sun等的研究结果表明，城市公园水体对降低其周边温度有着重要作用[9]；Jauregui在墨西哥城的研究中发现，绿地达到一定面积时会对周围建筑具有降温效应[8]；Spronke-Smith等通过研究美国加利福尼亚公园冷岛效应的影响因素发现，草本和乔木相结合的公园其降温效应较为明显[10]；朱春阳等[11]通过实地监测北京的带状绿地，发现草坪降温效应较低，绿地郁闭度超过44%时降温效应显著；吴菲等[12]对北京市玉渊潭公园内6种不同下垫面进行温度实测，发现水体在一年四季均起到降温作用；纪鹏等[13]在对城市河流宽度对温度影响的研究中提出，河流宽度会在不同季节影响河流的降温效应并产生温度差异；肖捷颖等[14]通过研究石家庄市区公园得出公园面积在32hm2时，降温效应最佳；杨宇翀等、张俊艳等、苏泳娴等[15-17]深入探讨了公园特征要素、不同时间尺度及公园形态参数对城市降温效果的影响。近几年来，景观生态学的发展也为城市冷岛效应的研究带来了新思路。结合景观格局指数的3个层次可对城市冷岛格局进行更为全面的描述[18-21]，并已在公园冷岛效应的研究中广泛应用[22-25]。岳文泽等通过分析上海市景观格局的空间尺度，揭示了景观格局具有尺度依赖性规律[26]；王海涛等对天津14个公园绿地降温效应的相关性分析表明，公园水体越集聚，降温效果越好[27]；江浏光艳等对成都市小区景观格局的研究表明，植被与硬质地表斑块越分散，对小区的降温效应越明显[28]。

多数研究仅对城市公园冷岛效应的单一影响因子进行讨论，缺少多因子的综合分析，如公园冷岛效应除受公园面积影响外，水体面积等其他因素是否会对其产生影响？公园降温效应研究中，大多仅关注公园内外平均温差及公园降温影响范围，缺乏对降温幅度与降温速率的定量研究。定量分析公园降温效应的主要影响因素，能在有限的城市土地资源供应量前提下，对城市公园进行合理布局和优化以达到对周围热环境的最佳降温效果。国内已有研究多集中于京沪穗等城市。杭州市作为浙江省会，伴随着城市的快速扩张和城市人口的急剧增长，城市热环境问题突出[29]。为了更好地对杭州市城市公园冷岛效应进行定量研究并分析其影响因子，本文基于Landsat8 TM影像反演杭州市地表温度(LST)，选取杭州市城区10个公园作为研究对象，分析公园周边整体温度情况，从降温范围、降温幅度和降温速率3个方面定量分析杭州市城市公园降温效应，结合3S技术及景观格局指数方法，进一步探讨公园景观特征指数与公园冷岛效应的相关性。

1 研究区概况

杭州(29°11 ′～30 ° 34 ′N，118°2′～120°37′E)是浙江省的省会城市，位于长江三角洲的南翼，同时也是长江三角洲地区的重要中心城市。近年来杭州市的平均气温上升明显，极端高温热浪事件频发。本文选取西湖、湘湖、八卦田公园、北山公园、东湖市民公园、六和文化公园、城北体育公园、万向公园、采荷文化公园和景芳公园共10个公园作为研究对象(图1，表1)。

表1 选取的10个公园信息

图1 研究区位示意

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文使用的遥感数据源为杭州市2013年7月13日的Landsat8 TM遥感影像数据和高分一号(GF-1)遥感影像数据，图像质量良好，无云，地面特征清晰，图像干扰较少(图2)。影像数据处理采用遥感图像处理软件平台ENVI，以及地理信息系统软件平台ArcGIS 10.3。

图2 2013年杭州市局部地表温度

2.2 研究方法

1)地表温度反演预处理。

地表温度反演是根据辐射传输方程法进行演算[30]，利用热红外通道辐射值对温度进行反演，地表温度的计算公式为：

T=K2/ln[K1/B(t)+1]

式中，K1、K2为系数；B(t)为黑体热辐射亮度。

冷岛强度方向的分析主要利用ArcGIS中的热点分析工具和标准差椭圆工具等。选取具有代表性的西湖、湘湖、景芳公园和采荷文化公园4个公园，计算公园内及其990m缓冲区范围内的冷热点，提取冷源点(Gi_Bin字段为-1～-3)并利用标准差椭圆进行公园冷岛效应方向性分析。

2.3 数据处理流程

根据地表温度反演结果，结合绘取的10个公园面域图(ArcGIS shp文件)，以10个公园为中心，在ArcGIS 10.3中以公园为中心作半径为30m的缓冲区，向外生成33个多级缓冲区，并通过叠置分析得出公园和各个缓冲带的地表温度。以公园周边缓冲带内平均温度与公园内部平均温度之差(△T)为因变量，缓冲带与公园边界的距离(L)为自变量，进入SPSS中回归分析得到方程，分析10个公园对周边环境的降温影响范围，并进一步分析公园降温效应(降温范围、降温幅度、降温效率)与公园内各类地物的相关性。在ENVI中对GF-1影像进行研究区范围裁剪，由于公园的尺度较小，故将地类归并为不透水面、植被和水体3类。研究技术流程如图3所示。利用ArcGIS与Fragstats工具定量描述城市公园的景观特征，分析其与公园对周边环境降温效应之间的关系。

图3 技术流程

3 结果与分析

3.1 各公园地表温度特征分析

由于杭州市城区公园周边多有水系穿插，同时高大楼房等建筑物的阴影和公路两边绿化带等都会对地表温度产生一定影响，因此在提取10个公园的周边温度时，结合高分辨率影像鉴别公园周边环境对温度影响因素较少的区域并提取温度点，以减小在分析公园对周边环境降温效应过程中的误差。通过提取各公园平均温度(表2)和公园各缓冲带内的温度数据，利用梯度差方法算出温差(△T)，并以其为因变量，以公园周边温度点远离公园边界点的距离(L)为自变量，计算得出如下拟合分析结果(图4)。1)公园均具有明显冷岛效应，体现在公园较周边环境平均温度低，并对一定范围内的周边环境起明显降温作用，但不同公园的降温范围存在差异，其中西湖的降温范围最大，达到690m，万向公园最小，仅120m。2)不同公园在一定范围内L和△T存在规律性变化，公园△T随L的增加先大幅上升后逐渐呈回落趋势，但图4中显示几处公园曲线变化异常，如八卦田公园与其他公园变化趋势存在明显差异。进一步发现，八卦田公园靠近钱塘江，刚开始公园对周边环境表现出明显的降温效应，随着外围缓冲带逐渐靠近钱塘江，周边环境温度不升反降，表明钱塘江作为另一处“冷源”影响了温度变化，也间接反映了水体对周边环境具有降温效应。城北体育公园和景芳公园附近有交叉水系，导致温度变化不稳定，但总体仍呈现出公园对周边热环境的降温效应。3)同一公园不同缓冲带的降温幅度不同，总体先随距离增加而增大，后逐渐趋于稳定。西湖与其630m缓冲带出现了15.8℃的最大温差，其次是八卦田公园与其360m缓冲带出现了14.5℃的最大温差，各公园中温差最小的是景芳公园，在270m缓冲带出现了2.0℃的最大温差。温差较小的公园其普遍特点是面积较小、水体较小或无水体，因此降温范围较小。

图4 公园对周围热环境的降温效应

不同公园内部平均温度存在差异(表2)，其中西湖温度最低，为29.67℃，景芳公园温度最高，为44.39℃，相差近15℃。为探究公园平均温度与公园内部景观构成之间的关系，以公园平均温度为自变量，公园内部各类景观构成面积为因变量作拟合分析。由图5可知，公园平均温度与公园内水体面积的R2为0.604 4，相关性较显著；与绿地面积的R2为0.530 5，相关性不显著；与不透水面面积的R2为0.315 3，相关性较弱。水体面积在20hm2以上(西湖、湘湖)的公园内部温度显著降低；绿地面积在30hm2以上(西湖、北山公园、湘湖)的公园内部温度显著降低；无水体的公园(万向公园、景芳公园)内虽有绿地，但公园温度明显高于其他有水体的公园，因此营造公园舒适小气候时要考虑水体和绿地的配置，可适当增加水体与绿地的面积。

图5 公园平均温度与内部景观构成的相关性分析

表2 公园内部平均温度

3.2 公园冷岛效应的定量分析

由图4可知，不同公园对周边自然环境的降温效应不同。本文综合选取水体比例、绿地比例、不透水面比例及公园面积等因子，分析其与公园降温范围、降温幅度和降温速率之间的关系。

由图6降温范围a～d可知，公园面积与降温范围相关性最显著，拟合决定系数R2为0.727 5，其次是绿地比例，R2为0.397 4，其他因素与降温范围的相关性较弱。公园降温范围随着公园面积的增加而增大，后逐渐趋于平缓，说明公园面积较大时，公园对周围热环境的降温范围也会相应增大，但公园面积达到100hm2左右时，降温范围不再增大；绿地比例在40%左右时降温范围最大。

由图6降温幅度e～h可知，公园降温幅度与公园面积相关性最显著，R2为0.909 8，水体比例与降温幅度的相关性也较高，R2为0.768 7。降温幅度随着公园面积的增加而增大，随着水体比例的增加而增大，随着不透水面比例的增加而降低，但随绿地比例的增大呈先增后降趋势，说明公园内并不是绿地比例越大对周围环境降温幅度越好，绿地比例在40%左右为佳。

由图6降温速率i～l可知，不透水面比例与公园降温速率相关性较强，R2为0.775 2，其次是水体比例，R2为0.589 6。拟合结果显示，公园降温速率随着不透水面比例的增加而减小，随着水体比例的增加而增大，因此适当减少公园内不透水面的比例，可使公园对周边自然环境的降温效率更显著。

图6 降温效应相关性因素分析

通过以上分析可知，公园对周边热环境的降温效应不是由单一因子决定的，各个因子间会互相影响且影响程度不同。由于西湖、八卦田公园和北山公园的面积及水体比例优势显著，因此降温效应较显著；在10个公园中，西湖面积和水体比例最大，万向公园面积最小且无水体，西湖与万向公园的降温范围差值达570m；湘湖面积与水体比例仅次于西湖，但降温效应却不如北山公园和八卦田公园，针对该异常情况分析其原因发现，在湘湖(长条形)较长边两侧均有大片林地，虽然湘湖内平均温度比周围环境低(水体比例较高，降温效应显著)，但由于两侧林地会影响湘湖外围缓冲区的地表温度，使之低于其他区域的地表温度，这在一定程度上影响了湘湖对周边热环境的降温效应。已有研究表明，城市公园周边景观格局与公园本身冷岛效应存在密切联系，西湖、八卦田和湘湖等公园周边均有较大面积的山林，亦会作为另一冷源增强样本公园的冷岛效应，而其增强的程度还有待进一步的研究验证。

3.3 景观格局指数分析

已有研究表明，景观指数与热环境存在一定的相关性[31-33]。本节利用SPSS软件的相关分析法探讨公园内部景观指数与公园地表温度之间的相关性。选取最大斑块指数(LPI)、景观分离度(DIVISION)、景观形状指数(LSI)和景观分散指数(SPLIT)4个景观特征指标(表3)与公园地表温度进行相关性分析。结果表明(表4)，绿地SPLIT与地表温度呈显著负相关(P＜0.05)，说明植被斑块越细化、在空间上分布越分散，公园内地表温度越低；绿地LSI与地表温度呈显著负相关(P＜0.05)，说明绿地斑块形状越复杂，对公园内降温效果越好。水体LSI与地表温度呈显著负相关，说明公园内水体斑块形状越简单，公园降温效应越弱；水体SPLIT与地表温度呈显著正相关(P＜0.05)，说明公园内水体的分散分布不利于公园的降温效应。不透水面LSI与地表温度呈显著负相关(P＜0.05)，不透水面SPLIT与地表温度呈负相关(P＞0.05)，说明不透水面斑块形状越不规则、斑块越集中，地表温度越高。而景观LPI指数与公园地表温度均未表现出显著的相关性关系(P＞0.05)。

表4 选取的景观指数定义

表5 公园内部景观指数与温度的相关性

3.4 公园冷岛强度的方向性分析

从10个公园中选取面积较大且有水体的西湖和湘湖、面积较小且无水体的景芳公园，以及面积较小且有水体的采荷文化公园，在ArcGIS中进行冷热点分析后引入标准差椭圆工具进行冷岛方向的研究。由图7可知，椭圆1的扁率比略大于椭圆2，说明缓冲区内的冷岛强度方向相较于公园内不明显。长轴方向是冷岛强度的主导方向，西湖内部的冷岛强度方向(椭圆1)与其990m缓冲区范围内(椭圆2)的冷岛方向均偏东北—西南方向，园内冷岛强度方向主要指向水体集中区域，水体周围的温度普遍低于林地周围的温度。由图8可知，椭圆3和椭圆4的冷岛强度方向几乎一致，沿着湘湖水体长轴方向偏东北—西南方向。湘湖内除少量绿化外几乎全为水体，长轴两边的缓冲区内多为绿地，水体零星分布，周边多为低矮建筑物，但湘湖缓冲区内冷岛方向强度仍与公园内方向大体一致。

图7 西湖冷岛强度方向

图8 湘湖冷岛强度方向

景芳公园面积为6.11hm2，园内无水体，采荷公园面积为3.33hm2，园内有水体。由图9可知，景芳公园内部冷岛强度方向性指向不明显，同时由于公园周边存在高层建筑，因此缓冲区内冷岛方向指向性也不明显，主要冷岛强度出现在缓冲区范围内的大面积水体区域。由图10可知，采荷公园的冷岛强度方向与缓冲区内一致(椭圆7与椭圆8重合)，冷岛强度方向偏西。因缓冲区范围内有其他公园和高层建筑，且公园内过小的水体面积对冷岛强度方向分布无明显影响，说明高层建筑会影响公园冷岛强度的主导方向，该结论与已有研究[34]结论一致。

图9 景芳公园冷岛强度方向

图10 采荷公园冷岛强度方向

4 结论与讨论

通过分析公园面积、绿地比例、水体比例和不透水面比例对公园冷岛效应的影响，得出如下结论。

1)10个公园的平均地表温度均低于其周边环境地表温度，说明公园都起到了冷岛作用。城市公园冷岛效应受多因素影响，公园温度随着公园面积的增加而降低。公园地表温度与公园水体面积的相关性相对显著，与公园绿地面积相关性相对不显著，与不透水面面积的相关性相对较弱。公园地表温度随着公园内不透水面面积的增加而升高，在10个公园中有4个公园温度在40℃以上，其中景芳公园不透水面占比最大，温度最高。

2)在对公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例与公园降温效应进行相关性分析的过程中发现，公园面积与降温范围的相关性相对最为显著，其中西湖对周边环境的降温效应最明显，降温范围达到690m，降温幅度为16℃；而万向公园对其周边环境的冷岛作用较弱，降温范围为120m，降温幅度为2℃。公园降温范围曲线随着公园面积的增加而增大，后逐渐趋于平缓，说明公园的降温范围存在阈值。对比西湖与湘湖，西湖公园面积较大，湘湖水体比例较大，二者公园内部温度相近，随着公园面积和水体比例的增大，公园的冷岛效应达到阈值：当公园面积达到100hm2左右，公园冷岛效应相对较佳；当水体比例达到30%以上，公园降温速率显著上升；当公园不透水面比例低于20%，降温速率较明显。分析相关研究发现，不同地区的城市公园发挥明显冷岛效应时的阈值存在差异。例如，对广州[17]、北京[32]等城市公园的研究发现，公园面积达54hm2左右时，公园降温效应的增加逐渐减缓；郑州市公园绿地在20hm2左右时具有较高冷岛强度[21]。而当公园面积低于2hm2时，大多数公园的冷岛效应不明显。这是由于不同城市公园的经纬度存有差异，各城市的气候类型也不同，且公园内部的景观组成比例、形状和排布等也不尽相同，均在一定程度上影响着公园的降温效应。此外，也有研究表明，风可借助城市通风廊道带走城市中的部分热量，因此城市中良好的空气流通条件也能对缓解热环境起到积极作用[35-36]。城区用地紧缺，建设公园时多有面积限制，若要使公园对周边热环境降温范围达到最佳，在规划建设时建议适当增加水体比例，其次增加绿地比例，适当减少不透水面，同时也需要考虑城市通风廊口的规划设计，避免过高过密的建筑造成挡风弊端。

景芳公园和万向公园内部平均温度分别为44.39和42.47℃，而八卦田公园和六和文化公园内部平均温度分别为35.17和34.49℃，由此可见，有水体的公园的降温幅度和降温范围均比没有水体的公园大，此发现与高玉福等[37]的研究结论一致。湘湖内部温度为31.41℃，北山公园内部温度为35.46℃，二者面积相近，而湘湖的水体比例高于北山公园，说明水体比例与降温幅度和降温速率的相关性均大于绿地比例。与水体相比，绿地对公园冷岛效应的影响较小，表明热容量更大的水体比热容量小的绿地对周边区域的降温效果更显著[38]。水体和绿地兼具的公园比下垫面种类单一的公园温度低[39]，且水体和绿地要达到一定面积时才会产生明显的冷岛作用。

冯晓刚等[40]、陈爱莲等[41]、李瑶等[25]亦得出公园面积及水体比例对公园冷岛效应的影响程度比绿地明显；也有部分学者指出，虽然水体比例在很大程度上影响着公园的地表温度，但公园面积及绿地覆盖度才是影响公园地表温度的主要因子[42]。而当水体比例高于30%时，公园降温效应整体相对较佳，这一结论与前人研究结论一致。由于公园冷岛效应受到多方面因素的影响，研究样本所在区域及选取数量的不同均会导致结论存在差异，因此以上结论仍有待深入探究。

3)公园景观特征指数对地表温度具有显著影响[37]。绿地和水体斑块形状越复杂、斑块优势越大，公园温度越低。在以往研究中，有学者提出当公园斑块形状较为复杂时，能促进物质间的能量交换速率，即促进公园内部承载的“冷源”与其周边热环境的能量流交换，能在一定程度上加强公园对其周边环境的降温影响[36，38]，因此公园对周边环境的降温效应也更明显。此外，增加不透水面的分离度，也能有效降低公园内部地表温度。

4)公园冷岛强度方向与其内部水体密切相关，通常沿着水体聚集方向或长轴方向延伸；公园面积越大，冷岛强度方向越明显；无水体公园的冷岛强度方向会受到周边建筑及水体的影响。这也从侧面说明水体对公园冷岛效应的影响程度相对较强，且公园冷岛效应与周围景观格局有着密切联系，这与潘泓君[31]、朱思媛[43]等的研究结论一致。

城市热环境的变化不仅受到城市蓝绿基础设施的影响，其与城市自身的形态特征亦息息相关，因此在选取公园时应考虑公园周边环境对公园内部温度的影响程度，以提高结果的精确度。由于本研究选取的公园数量有限，部分结论有待进一步分析验证，所得结果可能存在一定误差，因此在今后的研究中，应选取更多具有代表性的带状公园和块状公园进一步分析二者降温效应的差异性，也可以从公园周边景观格局对公园降温效应的影响角度进一步探索分析。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢浙江农林大学风景园林与建筑学院胡文浩老师和硕士生陈舟提供的帮助。