植被覆蓋巖溶山峰對喀斯特城市小氣候的影響

王修信， 王愷寧， 王敏華， 畢 娟， 湯谷云， 羅漣玲， 孫 濤

(1.廣西師范大學計算機科學與信息工程學院，桂林 541004；2.廣西師范大學廣西多源信息挖掘與安全重點實驗室，桂林 541004；3.廣西師范大學生命科學學院，桂林 541004)

中國廣西、貴州和云南東部構(gòu)成世界面積最大的喀斯特地區(qū)之一，巖溶面積約5.136×105km2，占國土面積5.35%，其中廣西巖溶面積8.95×104km2，占全廣西面積37.8%。以“山水甲天下”美譽而聞名世界的桂林座落于廣西東北部巖溶盆地，大量巖溶孤峰和峰叢鑲嵌于城區(qū)之中，是典型的喀斯特城市，2014年獲準列入“中國南方喀斯特第二期”世界遺產(chǎn)名錄。近20多年來桂林城市快速擴展，呈現(xiàn)越來越明顯的熱環(huán)境問題，城市周邊農(nóng)田、林地、池塘等自然地表逐漸為建筑/道路等人工不透水地表所代替，同時進入城區(qū)的還有一些巖溶山峰，需定量研究自然植被覆蓋的巖溶山峰對調(diào)節(jié)喀斯特城市局地小氣候、緩解熱環(huán)境問題的作用。

城市較大面積的綠地、水體可產(chǎn)生較強的局地小氣候效應而影響周邊環(huán)境[1-2]，目前相關(guān)研究主要有地面觀測小尺度方式和遙感反演大尺度方式兩種。地面實驗主要觀測近地面的空氣溫濕度和地表溫度等數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)能準確、直觀地表征城市綠地、水體對周圍環(huán)境的動態(tài)影響關(guān)系，是校正模型、驗證遙感反演結(jié)果的基礎，但耗時耗力，受觀測站點的限制，研究覆蓋范圍有限。遙感技術(shù)提供了分析大面積城市區(qū)域綠地和水體信息的唯一經(jīng)濟、可行的方法，但只能獲取地表溫度信息。

迄今為止，不少研究通過觀測典型樣地的局地小氣候要素日變化特征，分析城市綠地的規(guī)模、結(jié)構(gòu)對環(huán)境小氣候的影響[3-10]。前人多采用遙感技術(shù)分析城市綠地空間分布對降低地表溫度、減緩熱島效應的影響[11-15]?？λ固爻鞘兄懈采w巖溶山峰的自然植被呈自低到高的垂直分布現(xiàn)象，植被的葉面積指數(shù)和局地小氣候調(diào)節(jié)作用明顯大于地面相同占地面積、平面分布的綠地植被，但迄今已有喀斯特城市熱環(huán)境相關(guān)的研究主要直接比較不同地物覆蓋的地表溫度，未見綜合地面點上觀測和遙感面上反演兩種尺度方式分析喀斯特城市中植被覆蓋巖溶山峰調(diào)節(jié)周邊環(huán)境局地小氣候作用的論文發(fā)表。因此，針對快速城市化背景中國南方喀斯特城市呈現(xiàn)的熱環(huán)境問題，在桂林城區(qū)觀測毗鄰和遠離茂密植被覆蓋巖溶山峰樣地的空氣溫濕度、地表溫度的日變化，遙感估算研究區(qū)茂密植被覆蓋的大型巖溶山峰和遠離巖溶山峰、較大水體的林地、草坪等植被覆蓋樣地地表溫度的差值，估算巖溶山峰周圍不同距離的建筑/道路地表溫度的差值，定量分析植被覆蓋巖溶山峰對喀斯特城市局地小氣候環(huán)境的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 地面觀測樣地

地面觀測對比樣地選取桂林城區(qū)七星公園內(nèi)受巖溶山峰植被小氣候影響的“華夏之光”廣場和遠離巖溶山峰的廣西師范大學育才校區(qū)。“華夏之光”廣場位于普陀山與月牙山之間，總面積1.352×104m2，由較大面積草坪和石板地面構(gòu)成，普陀山是七星公園的主體，是桂林城區(qū)較大型的喀斯特山體，由海拔265 m天樞、255 m天璇、248 m天璣、245 m天權(quán)4峰構(gòu)成。普陀山與月牙山上自然生長著以落葉闊葉林與常綠闊葉林混交林為主的喀斯特森林植被，受到人為長期保護，森林生長茂密，樹冠基本相連，山體面積5.15×105m2，喀斯特植被小氣候影響毗鄰的“華夏之光”廣場。廣西師范大學育才校區(qū)由水泥建筑/道路、石板小廣場、行道樹、綠化和運動場草坪、綠化灌木等構(gòu)成，校區(qū)內(nèi)和周邊無巖溶山峰。

1.2 地面觀測方法

考慮桂林所處石山地區(qū)，城區(qū)的廣場和人行道多使用石板地面，在“華夏之光”廣場草坪和石板地面設置兩個毗鄰巖溶山峰觀測點，距離普陀山山體約50 m；同時在廣西師范大學育才校區(qū)的草坪和石板地面設置兩個遠離巖溶山峰觀測點，觀測點周邊無較高建筑，能避開汽車尾氣、空調(diào)等人為熱源的干擾，校區(qū)的兩觀測點相近，使環(huán)境輻射影響基本一致。草坪觀測點無澆水或降雨出現(xiàn)水濕現(xiàn)象，石板地面是自然干燥的，避免表面積水蒸發(fā)吸熱對測量值的影響。2015年10月8:00—18:00在晴天天氣情況下同步觀測距地面1.5 m高度的空氣溫濕度和地表溫度，地表溫度觀測時間間隔為30 min。

近地面空氣溫度、濕度觀測使用TES-1360A溫濕度計，觀測范圍：空氣相對濕度10%～95%，分辨率0.1%，空氣溫度-20～60 ℃，分辨率0.1 ℃。

地表溫度觀測使用德國Raytek MX4TM手持紅外輻射儀，光譜范圍8～14 μm，視場角1°，測溫范圍-30～900 ℃，分辨率0.1 ℃。根據(jù)不同地表對輻射儀設置比輻射率，石板地面為0.960、植被為0.985，以精確測溫；輻射儀探頭垂直于被測地表，避免紅外輻射方向效應的影響。對樣地巡回測溫，取數(shù)據(jù)平均值作為樣地的地表溫度。

1.3 遙感反演方法

選取覆蓋桂林主城區(qū)的2015年10月地面觀測同步的Landsat 8遙感圖像，經(jīng)幾何校正、輻射校正、大氣校正等預處理，利用經(jīng)地面觀測數(shù)據(jù)驗證更適用于喀斯特城市的Qin單窗算法估算地表溫度[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 地面觀測數(shù)據(jù)分析

茂密植被覆蓋巖溶山峰旁“華夏之光”廣場和遠離巖溶山峰的廣西師范大學育才校區(qū)的地面觀測結(jié)果如圖1所示，計算兩個對比樣地中相同類型地表的地面觀測數(shù)據(jù)差值，結(jié)果如表1所示。

由圖1、表1可以看出，在太陽直接輻射下，四個樣點觀測的空氣溫度由低到高和空氣相對濕度由高到低依次為巖溶山峰旁草坪、石板地面，遠離巖溶山峰校區(qū)草坪、石板地面；地表溫度由低到高依次為巖溶山峰旁草坪、遠離巖溶山峰校區(qū)草坪、巖溶山峰旁石板地面、遠離巖溶山峰校區(qū)石板地面。

圖1 地面觀測數(shù)據(jù)日變化

上午隨著太陽高度角的逐漸增加，太陽熱輻射逐漸增強，地表溫度和空氣溫度逐漸上升，而空氣濕度逐漸下降，相同樣地不同類型下墊面的地表溫度和空氣溫度的差異逐漸加大，毗鄰和遠離巖溶山峰不同樣地相同類型下墊面的地表溫度和空氣溫度的差異也逐漸加大，在12:00～13:00時間段地表溫度達到日最高值而空氣濕度達到日最低值，空氣溫度達到日最高值的時刻明顯滯后于地表溫度。下午隨太陽高度角的逐漸減小，太陽熱輻射逐漸減弱，地表溫度和空氣溫度逐漸降低，上述的地表溫度和空氣溫度的差異也逐漸縮小。草坪植被覆蓋地表與石板地面非植被地表相比，地表溫度升溫速率較慢而降溫速率較快。

表1 毗鄰和遠離巖溶山峰樣地相同類型地表觀測數(shù)據(jù)差值

毗鄰巖溶山峰的草坪和石板地面空氣溫度和地表溫度低于遠離巖溶山峰的校區(qū)相同類型地表的觀測值，而空氣濕度高于遠離巖溶山峰的校區(qū)相同類型地表的觀測值，在早晨最大差值接近11.0%。

毗鄰和遠離巖溶山峰石板地面的空氣溫度差最大值接近3.0 ℃，空氣溫度差在9:00—16:00時間段達到1.0～3.0 ℃，較大，而在8:00—8:30和16:30—18:00早晚時間段低于1.0 ℃，較??；地表溫度差最大值發(fā)生在午后，接近4.0 ℃，地表溫度差在11:30—15:30中午和午后太陽直接輻射較強時間段處于2.0～4.0 ℃，較大，而在8:00—11:00和16:00—18:00時間段不高于2.0 ℃，相對較小。

毗鄰和遠離巖溶山峰草坪的空氣溫度差最大值也接近3.0 ℃，在9:00—15:30時間段的數(shù)值較大，處于1.0～3.0 ℃，而在8:00—8:30和16:00—18:00早晚時間段的數(shù)值較小，不高于1.0 ℃；地表溫度差最大值3.0 ℃發(fā)生在午后，在11:00—16:00中午和午后太陽直接輻射較強時間段的數(shù)值較大，處于2.0～3.0 ℃，而在8:00—10:30和16:30—18:00時間段的數(shù)值相對較小，不高于2.0 ℃。

[19]B?V?nhóa(chǎn)Th?thaovà Du l?chVi?t Nam, “V?x?yd?ngvàpháttri?nn?nv?nhoáVi?t Nam tiênti?n, ??m?àb?ns?cd?nt?c”, http://bvhttdl.gov.vn/vn/vb-qly-nn/5/595/index.html, 1998年7月16日。

計算4個觀測點相同觀測值之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2～表4。

表2 各觀測點空氣溫度的相關(guān)系數(shù)

表3 各觀測點空氣相對濕度的相關(guān)系數(shù)

表4 各觀測點地表溫度的相關(guān)系數(shù)

各觀測點空氣溫度之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.95，極顯著正相關(guān)(P<0.01)；空氣相對濕度之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.85；地表溫度之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.80，顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明各觀測點的局地小氣候環(huán)境均受太陽輻射等外界大氣候的明顯影響。

2.2 遙感反演地表溫度分析

利用與地面觀測同步的Landsat遙感圖像反演桂林主城區(qū)的地表溫度和巖溶山峰植被覆蓋度，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 地表溫度

圖3 巖溶山峰植被覆蓋度

編程估算大型巖溶山峰的地表溫度均值，這些山峰的植被覆蓋度較高，主要為自然生長的落葉闊葉林與常綠闊葉林混交林所覆蓋，同時估算主城區(qū)中遠離巖溶山峰和漓江等較大水體的林地、草坪等植被覆蓋樣地的地表溫度均值，結(jié)果見表5。普陀山等大型巖溶山峰的地表溫度均值較低，在25.0～27.0 ℃；桂林園林植物園是主城區(qū)最大面積的人工林地，占地面積47.9 hm2，所種植林地的規(guī)模接近于大型巖溶山峰森林植被，其地表溫度均值接近于巖溶山峰；廣西師范大學王城校區(qū)林地的規(guī)模相對較小，地表溫度均值比巖溶山峰森林植被高約2.0～3.0 ℃；地面大面積草坪的地表溫度均值在30.0～32.0 ℃，比巖溶山峰森林植被高約3.5～6.0 ℃。

考慮遙感圖像的地面分辨率為30 m，利用圖2地表溫度、圖3巖溶山峰的范圍編程估算山峰邊緣植被像元、距離山峰邊緣外1～5個建筑/道路(夾雜部分綠化植被)像元的地表溫度均值和相鄰像元地表溫度差，獲取離開山峰距離依次增加30 m的建筑/道路的地表溫度均值和溫差，結(jié)果見表6?？梢钥闯鼋ㄖ?道路的地表溫度均值隨離開巖溶山峰邊緣距離的增加而升高，當離開距離增加30 m時，在距離90 m范圍內(nèi)升溫幅度相對較顯著，達到約0.5 ℃，而超過此范圍距離達到90～150 m時升溫幅度甚微，約0.1～0.2 ℃。

表5 巖溶山峰與遠離巖溶山峰植被覆蓋樣地的地表溫度均值

表6 巖溶山峰周圍不同距離的建筑/道路地表溫度

3 討論

在太陽直接輻射下，植被接收的太陽輻射熱能一部分被葉片反射掉，一小部分透過葉面，剩余的被葉片吸收，葉片吸收的熱量約2%用于植被光合作用，其余用于植被蒸騰和使葉溫升高。桂林城區(qū)巖溶山峰生長著以灌叢和闊葉林為主的自然植被，由于受到人為保護，加上亞熱帶氣候區(qū)的水熱條件有利于植被生長，植被覆蓋度普遍較高，茂密的喀斯特植被沿山體高度呈垂直分布，整體的葉面積較大、蒸騰作用較強，而植被蒸騰過程水分升華，吸收較多的熱量，具有較強降溫的作用，蒸騰的水汽輸送影響周邊氣溫和濕度，呈現(xiàn)顯著的城市涼島效應，形成局地小氣候環(huán)境，對調(diào)節(jié)喀斯特城市熱環(huán)境具有重要作用。如果巖溶山峰的自然植被遭受人為破壞，由于巖石間的土壤較瘠薄且不連續(xù)，巖石的滲漏性強使得土壤含水量較低，臨時性干旱頻繁，植被的生長速度非常緩慢，巖溶山峰很難在短時間內(nèi)恢復植被覆蓋，容易誘發(fā)土壤侵蝕、大面積山體基巖裸露的石漠化現(xiàn)象。大面積裸露的巖石是嚴密不透水分的，不存在水分蒸發(fā)降溫，在太陽直接輻射下表面溫度較高，熱容量較大而儲存大量太陽輻射熱量，使得植被覆蓋遭受破壞的巖溶山峰的城市涼島效應減弱甚至轉(zhuǎn)變?yōu)闊釐u效應，因此巖溶山峰植被保護對喀斯特城市氣候環(huán)境的改善至關(guān)重要。

紅外輻射儀在測量時除了主要接收到所測物體自身發(fā)射紅外輻射外，還接收到地表反射周邊環(huán)境的紅外輻射。樣地周邊無高大建筑等障礙物，環(huán)境輻射只有天空大氣向下長波輻射與地表間的多次散射。在太陽直接輻射下，太陽短波輻射遠大于大氣向下長波輻射，石板地面和植被的比輻射率分別為0.960、0.985，因此地表反射周邊環(huán)境的紅外輻射數(shù)值較小，使得毗鄰和遠離巖溶山峰樣地觀測的地表溫度受周邊環(huán)境的紅外輻射影響較小，具有可比性。

以有限個地面觀測點數(shù)據(jù)較難準確地描述某個大面積巖溶山峰對周邊環(huán)境的小氣候影響，更難以同時觀測喀斯特城市全部巖溶山峰的小氣候效應，遙感技術(shù)提供了解決該問題的一種快速、經(jīng)濟、可行的方法。地面觀測是驗證遙感反演的基礎，遙感反演通過構(gòu)建地面觀測數(shù)據(jù)與遙感參數(shù)的數(shù)學方程將地面實驗結(jié)果的小尺度方式擴展到遙感大尺度方式，兩者相互支撐，缺一不可。

遙感反演地表溫度已利用地面觀測數(shù)據(jù)進行了驗證，而且遙感方法估算的是巖溶山峰周圍不同距離建筑/道路地表溫度的差值，估算的是巖溶山峰和遠離巖溶山峰、較大水體的林地、草坪等樣地地表溫度的差值，因此遙感反演地表溫度數(shù)值可能存在的系統(tǒng)誤差對研究結(jié)果影響甚微。

4 結(jié)論

(1)各觀測點的局地小氣候環(huán)境均受太陽輻射等外界大氣候的明顯影響，但毗鄰巖溶山峰草坪和石板地面的空氣溫度和地表溫度低于遠離巖溶山峰校區(qū)相同類型地表的觀測值，毗鄰和遠離巖溶山峰石板地面之間的空氣溫度差、地表溫度差最大值分別接近3.0、4.0 ℃，毗鄰和遠離巖溶山峰草坪之間的空氣溫度差、地表溫度差最大值均接近3.0 ℃，發(fā)生在午后，而空氣濕度高于遠離巖溶山峰校區(qū)相同類型地表的觀測值，最大差值接近11.0%。

(2)喀斯特城市中茂密森林植被覆蓋的大型巖溶山峰的地表溫度與地面園林植物園大面積人工林地的數(shù)值接近，但比面積相對較小的綠化林地的地表溫度低2.0～3.0 ℃，比遠離巖溶山峰和較大水體的大面積草坪的數(shù)值低約3.5～6.0 ℃。

(3)喀斯特城市中在巖溶山峰周圍的建筑/道路的地表溫度隨離開巖溶山峰邊緣距離的增加而升高，在距離90 m范圍內(nèi)隨離開距離增加30 m的升溫幅度相對較顯著，達到約0.5 ℃，而超過此范圍距離達到90～150 m時增加30 m的升溫幅度甚微，為0.1～0.2 ℃。