城市綠地的熱島效應緩解作用
——以常德市城市公園為例

□ 喬瑋潔

城市下墊面的改變使城市市區(qū)溫度高于周邊郊區(qū)或者更偏遠區(qū)域的溫度，形成城市熱島效應，也成為城市熱環(huán)境惡化的主要原因，不利于居民生活健康[1]。研究表明，城市公園在緩解城市熱島效應方面有顯著作用，建設系統(tǒng)的城市公園綠地系統(tǒng)，將是緩解極端城市氣候、提高居民生活幸福指數(shù)的重要途徑。而當城市綠地被“灰色”基礎設施侵占時，對應區(qū)域的地表溫度將會升高，且影響地表濕度指數(shù)[2]。過往研究顯示，綠地面積、歸一化植被覆蓋指數(shù)（NDVI）、植被覆蓋度（FVC）等綠地基本特征值對降低地表溫度有決定性影響[3]。岳曉蕾等通過對保定中心城區(qū)的城市綠地不同的時間序列進行分析，對綠地面積與降溫效率進行定量研究，結果表明不同城市綠地類型對于城市地表溫度有不同的降溫效率[4]；佟華等以北京為例，對綠地規(guī)劃形態(tài)對于夏季城市熱島緩解影響進行了分析論證，證明城市綠地的形態(tài)將影響自然風向，同時對周邊區(qū)域有降溫作用[5]。綜上所述，學界對于城市公園的內部基本特征及其周邊環(huán)境的降溫效率研究還不夠深入，對地表參數(shù)指標與降溫效率的關系的研究還可進一步加強。本文在前人研究基礎上，通過對湖南省常德市夏季城市公園的遙感數(shù)據(jù)進行分析，探究公園內部基本特征與地表溫度的關系，同時進一步研究其綠地面積、水體面積、NDMI與公園周邊緩沖區(qū)的地表溫度的關系，旨在為城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供一定的參考策略。

1 研究區(qū)域及研究數(shù)據(jù)

本研究范圍為湖南省常德市武陵區(qū)，其地處大陸性亞熱帶季風氣候區(qū)，總面積約29.53km2。本研究集中對武陵區(qū)中心5個面積較大、使用人員密集的城市公園進行分析，分別為濱湖公園、屈原公園、白馬湖公園、丁玲公園以及詩墻公園。該5個公園內部特征參數(shù)、地理位置以及周邊用地性質均有異質性，其研究結果具有一定的代表性。

本次研究數(shù)據(jù)選取2017年8月Landsat 8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m，該數(shù)據(jù)云量少、影像清晰，同時包含熱紅外波段（SWIR）。研究首先利用ENVI5.4軟件對遙感數(shù)據(jù)進行前期處理，通過熱輻射定標、大氣校正、影像矢量圖形裁剪等基本處理后，對常德市武陵區(qū)5個城市公園內部的綠地面積、水體面積進行測量，并用ArcGIS劃分出間隔100m、總計寬度為500m的公園周邊緩沖區(qū)，進一步提取公園內部的FVC、NDMI以及LST，并對緩沖區(qū)的基本地表參數(shù)與LST進行擬合分析，研究公園特征以及緩沖區(qū)對城市熱島效應的降溫影響。

2 研究方法

2.1 地表特征參數(shù)提取

通過ENVI5.4將遙感數(shù)據(jù)進行反演，分別對城市公園與周邊緩沖區(qū)的地表特征參數(shù)進行提取。

（1）選擇TM5和TM4波段得出歸一化植被指數(shù)（NDVI）（如公式1），在此基礎上進一步計算植被覆蓋率（FVC）（如公式2）：

（2）利用TM5和TM6波段進行歸一化濕度（NDMI）地表特征參數(shù)的運算（如公式3）：

（3）經(jīng)過計算地表比輻射率、黑體在熱紅外波段的輻射亮度［B（TS）］（如公式4），根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)求得真實的地表溫度（LST）（如公式5）：

其中：公式4中，ε為輻射率，τ為大氣透過率，TS為地表真實溫度。公式5中，Landsat8 ETM+遙感圖像中，K1=774.89，K2=1321.00。

2.2 分析方法

第一，計算公園內部的植被覆蓋度、歸一化濕度指數(shù)、地表溫度等基本地表特征參數(shù)ASCII數(shù)據(jù)的平均值，通過對公園基本特征參數(shù)的測量與提取，進行內部各特征指數(shù)的相關性分析，同時分析其p值，并進行各參數(shù)的回歸分析，對比R2系數(shù)；采用皮爾遜相關系數(shù)分析，取值范圍為[-1,1]。第二，通過對緩沖區(qū)內的地表基本參數(shù)進行計算，運用SPSS 20完成相關性分析，并進行曲線擬合分析。

3 結果與分析

3.1 城市公園地表參數(shù)與內部溫度的關系

研究范圍中的公園擁有不同的下墊面占比構成（如水體面積、綠地面積等）參數(shù)特征，其中城市公園綠地面積排序為屈原公園＞白馬湖公園＞丁玲公園＞濱湖公園＞詩墻公園（0.13km2＞0.12km2＞0.11km2＞0.10km2＞0.01km2），水體面積大小為濱湖公園＞白馬湖公園＞丁玲公園＞屈原公園＞詩墻公園（0.19km2＞0.15km2＞0.10km2＞0.03km2＞0km2）。經(jīng)過ENVI軟件對遙感影像的分析，發(fā)現(xiàn)各個公園地表溫度如下：丁玲公園＞詩墻公園＞白馬湖公園＞屈原公園＞濱湖公園（39.65℃＞38.24℃＞38.18℃＞37.56℃＞36.31℃），其中屈原公園周長最長，為4.8km，白馬湖公園為武陵區(qū)范圍內總面積最大的城市公園?；跀?shù)據(jù)的相關性分析可得（如表1所示），研究范圍內的城市公園的總面積、周長、綠地面積以及水體面積等固有屬性參數(shù)，與公園內部溫度無顯著相關性，但其綠地面積、水體面積依舊對降低城市地表溫度有積極影響。其他特征參數(shù)如NDMI以及FVC與LST呈顯著負相關，其中NDMI相關性系數(shù)為-0.96，低于0.01，與內部溫度呈強顯著負相關。

表1 公園特征參數(shù)與內部地表溫度相關性

通過線性回歸分析，公園內部FVC隨著植被面積增加而升高，與前人研究中提到綠地面積與FVC呈正相關的研究結果一致，同時對熱環(huán)境有一定的降溫作用[6]。此外，分析結果顯示NDMI與水體面積呈正比關系，當公園內部或周邊有大面積水體時，其對LST的降溫影響指數(shù)高于綠地面積，即在緩解城市熱島效應中，水體比綠地作用更為明顯。

3.2 緩沖區(qū)特征參數(shù)對城市熱環(huán)境的影響

緩沖區(qū)內部地表參數(shù)與降溫幅度的相關性分析結果顯示，城市公園周邊緩沖區(qū)對城市地表溫度存在一定的降溫效果，緩沖區(qū)內的FVC與降溫幅度呈現(xiàn)顯著正相關，可增強城市公園的降溫效應，而數(shù)據(jù)顯示NDMI與降溫幅度呈負相關，某些學者的研究成果相左。通過對緩沖區(qū)的整體研究發(fā)現(xiàn)，由于屈原公園以及詩墻公園的特殊濱河地理位置，其周邊緩沖帶多為水體，而研究證明，NDMI受其影響較大。為進一步探討緩沖區(qū)內歸一化濕度指數(shù)與降溫之間的關系，本研究選取以屬性參數(shù)相似、公園內部溫度差異較大的屈原公園與丁玲公園的緩沖區(qū)為例，通過采用線性函數(shù)、二次函數(shù)、立體函數(shù)指數(shù)函數(shù)進行相關數(shù)據(jù)擬合分析，結果顯示NDMI與累計降溫為非線性函數(shù)關系，丁玲公園周邊緩沖區(qū)NDMI與累計降溫的回歸函數(shù)表達式為：y=-0.037x+0.007x2+0.131，R2=0.112；屈原公園的回歸函數(shù)表達式為：y=-0.027x+0.042x2+0.14，R2=0.741。通過進一步對比，屈原公園在周邊水體影響下，比所處內陸的丁玲公園的累計降溫速度更快，效果更明顯。從圖示中可看出，濱河的屈原公園曲線擬合的R方系數(shù)為0.741，證明研究具有較好的代表性。該結果表明在城市規(guī)劃過程中，通過合理的城市公園周邊環(huán)境設計，適當提高植被覆蓋度以及歸一化濕度指數(shù)，將能增強城市公園緩解熱島效應的效率。

4 結論

本文以湖南省常德市武陵區(qū)中大型城市公園為例，對公園內部，如綠地面積、水體面積、總面積、總周長等基本公園特征以及LST、NDMI、FVC等基本地表特征指數(shù)進行相關性分析，并通過進一步研究城市公園周邊500m緩沖區(qū)的地表參數(shù)，得出城市綠地在緩解城市熱島效應中的重要性。基本結論如下。

（1）公園內部的綠地面積與水體是影響地表溫度的重要因素，與地表溫度變化雖無顯著相關性，但是對改善熱環(huán)境有積極影響。

（2）公園的部分內在屬性，如總面積、周長，對地表溫度無明顯影響，在進行城市公園規(guī)劃設計時，不能一味追求公園面積，而應更重視其內在結構設計。

（3）提高公園周邊緩沖區(qū)內部的植被覆蓋度以及歸一化濕度指數(shù)有助于調控地表溫度，可考慮在城市綠地規(guī)劃與建設中可增加綠地與水體面積，以降低城市地表溫度。

此外，本研究由于研究方法以及研究場地具有一定的局限性，遙感數(shù)據(jù)存在一定的時間誤差，且由于為夏季時期數(shù)據(jù)，無法解釋冬季時期的城市公園地表參數(shù)對降溫效率的影響，同時還應充分考慮城市公園以及周邊環(huán)境的其他溫度影響要素，如植被的種類與高度、鋪裝類型以及周邊建筑占地面積等，在將來的城市綠地相關研究中，還需更系統(tǒng)、更量化地探究城市熱島效應的影響因素，以更直觀、有效地為城市設計者提供價值參考。