環(huán)境景觀格局對(duì)綠地冷島效應(yīng)的影響

杜紅玉

快速城市化導(dǎo)致城市景觀格局和過程的演變，造成城市地表覆被類型變化，進(jìn)而導(dǎo)致城市地表熱力學(xué)性質(zhì)改變，催生了城市熱島效應(yīng)等生態(tài)后果[1-2]。城市熱島效應(yīng)已從一般的氣候現(xiàn)象變?yōu)橛绊懗鞘猩鷳B(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的八大環(huán)境問題之一[3]。城市熱島效應(yīng)會(huì)給城市氣候和居民的生產(chǎn)生活帶來一系列的危害，如：加快光化學(xué)煙霧的形成，產(chǎn)生霧霾天氣，導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化[4-5]、增加城市能源消耗[6-7]、危害居民健康[8-9]等。城市綠地能夠有效降低地表溫度，具有顯著的冷島效應(yīng)[10-12]，如何優(yōu)化城市綠地的規(guī)劃設(shè)計(jì)以發(fā)揮其最大冷島效應(yīng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

綠地產(chǎn)生冷島效應(yīng)的基礎(chǔ)是能通過植物的光合作用和蒸騰作用吸收太陽(yáng)輻射[13]。同時(shí)通過植物遮蔽功能攔截太陽(yáng)輻射，增加氣流交換等來降低周圍地表溫度[14-15]。綠地的冷島效應(yīng)受綠地的大小、形狀、類型等因素影響[16-17]。Mikami等[18]通過研究日本不同大小的森林發(fā)現(xiàn)，森林面積超過20hm2時(shí)，其冷島強(qiáng)度不再增加。趙芮等[19]研究發(fā)現(xiàn)，公園面積控制在20hm2左右能產(chǎn)生較高冷島強(qiáng)度?；ɡ业萚20]研究公園冷島強(qiáng)度由公園綠地面積、公園建筑面積和面積-周長(zhǎng)形狀指數(shù)(P/A)3個(gè)因子決定。除了對(duì)綠地的大小和形狀進(jìn)行比較外，還有學(xué)者對(duì)綠地的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。如：石蕾潔等[21]研究發(fā)現(xiàn)城市公園降溫效果和公園面積、形狀指數(shù)、綠地面積、水體面積、水體形狀指數(shù)存在正相關(guān)，和綠地平均鄰近度存在極強(qiáng)的正相關(guān)。雷金睿等[22]對(duì)不同景觀格局綠地的冷島效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：綠地的冷島效應(yīng)與綠地所占景觀斑塊面積比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、聚集度指數(shù)(AI)呈顯著正相關(guān)。

但當(dāng)前大部分研究?jī)H局限于綠地自身特性對(duì)綠地冷島效應(yīng)的影響，而綠地內(nèi)外部的環(huán)境景觀格局對(duì)冷島效應(yīng)的影響研究較少。因此，本研究以此為重點(diǎn)，探討綠地的面積、形狀及其內(nèi)外部環(huán)境景觀格局對(duì)其冷島效應(yīng)的影響。

1 研究區(qū)域概況

上海市位于東經(jīng)120°51′～122°12′和北緯30°40′～31°53′，地處長(zhǎng)江三角洲東沿，中國(guó)南北海岸的中心點(diǎn)。東臨東海，北界長(zhǎng)江，南臨杭州灣，地理位置優(yōu)越，交通便利；全市轄16個(gè)區(qū)，總面積約為6 340.5km2，南北長(zhǎng)約120km，東西寬約100km。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，上海市多年平均氣溫15.2～15.7℃，最冷月(1月)平均氣溫4.8℃，最熱月(7月)平均氣溫28.6℃；多年平均降雨量1 097.3mm，平均日照時(shí)數(shù)1 493.8h，無霜期269d[23]。

2 研究方法

2.1 綠地冷島效應(yīng)的定義

綠地冷島效應(yīng)(Green-space Cooling Island，GCI)可定義為綠地內(nèi)部的溫度低于周邊環(huán)境溫度的現(xiàn)象。在本研究中綠地冷島效應(yīng)包括以下三方面的內(nèi)容：降溫范圍[Lmax(g)]、降溫幅度[ΔTmax(g)]和降溫梯度[Gtemp(g)]。將綠地周圍地表溫度與其距綠地邊緣的距離繪制成地表溫度曲線，如圖1所示。

圖1 綠地冷島效應(yīng)示意圖

降溫范圍：地表溫度曲線第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置到綠地邊緣的距離，單位為m。

降溫幅度：地表溫度曲線第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度與綠地內(nèi)部溫度之差，單位為℃。

降溫梯度：?jiǎn)挝痪嚯x內(nèi)的平均降溫幅度，單位為℃/km。

2.2 地表溫度反演

本研究選擇2015年8月3日的上海市Landsat 8衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源進(jìn)行地表溫度反演。根據(jù)前人研究可知，輻射傳輸方程法雖然計(jì)算過程較為復(fù)雜，但反演精度較為準(zhǔn)確，精度達(dá)0.6℃[24]。因此本研究選用輻射傳輸方程法反演上海市地表溫度，反演的地表溫度結(jié)果如圖2所示。

圖2 上海市地表溫度反演結(jié)果

2.3 綠地內(nèi)外部景觀格局指數(shù)的選擇及提取

由于遙感影像熱紅外波段的空間分辨率為100m，因此本研究所選取的綠地面積均大于1hm2。本研究共篩選了68塊面積大于1hm2的綠地作為研究對(duì)象(圖3)。根據(jù)前人研究可知，景觀形狀指數(shù)和景觀聚集度指數(shù)對(duì)綠地的降溫效應(yīng)影響最明顯[25]。本研究從綠地內(nèi)外的景觀構(gòu)成、景觀形態(tài)和空間布局三方面選取12個(gè)景觀指標(biāo)定量描述綠地的空間特征，如表1所示。綠地面積和綠地內(nèi)外各用地類型面積比例作為景觀構(gòu)成的指標(biāo)。景觀格局指數(shù)的計(jì)算在軟件Fragstats 4.2中完成。

表1 綠地景觀格局指標(biāo)選擇

圖3 上海市外環(huán)線內(nèi)地表溫度及綠地樣點(diǎn)位置

2.4 數(shù)據(jù)處理分析

首先應(yīng)用ArcGIS 10.1軟件分別做出68個(gè)綠地周邊0～2 000m范圍的緩沖區(qū)，在這2 000m范圍內(nèi)無其他綠地。然后與溫度圖層相互疊加，得到2 000m范圍內(nèi)緩沖區(qū)的地表溫度圖像。然后應(yīng)用MATLAB 2014軟件提取出寬度為10m的各緩沖環(huán)的平均地表溫度，并繪成如圖1所示的地表溫度曲線。其中，橫軸代表緩沖區(qū)距離綠地邊緣的距離，縱軸代表地表溫度。根據(jù)前人的研究可知，溫度曲線的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為最大的降溫范圍[26]。最后選擇溫度曲線劇烈變化或者達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的位置為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)分析過程則在SPSS 19.0軟件中完成。Pearson相關(guān)性分析用來探究各影響因子之間的相關(guān)性，剔除相關(guān)性強(qiáng)的影響因子；多元回歸分析用來定量研究綠地冷島效應(yīng)與各影響因子間的定量關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠地冷島效應(yīng)特征

根據(jù)地表溫度反演結(jié)果可知，上海市中心城區(qū)綠地2015年8月3日的平均溫度為38.63℃，低于上海市外環(huán)線內(nèi)的平均溫度(40.7℃)。根據(jù)表2可知，各綠地對(duì)周邊環(huán)境的降溫特征均表現(xiàn)為：地表溫度隨其距綠地距離的增大而逐漸升高，當(dāng)距離達(dá)到一定值后，地表溫度的變化趨緩。這一現(xiàn)象說明綠地的冷島效應(yīng)存在一定的有效范圍，本研究中綠地樣本的降溫范圍為0.09～1.61km，平均降溫范圍為0.57km；降溫幅度為0.78～5.20℃，平均降溫幅度為2.63℃；降溫梯度為1.44～18.71℃/km，平均降溫梯度為5.86℃/km。

表2 綠地樣點(diǎn)特征及其冷島效應(yīng)

3.2 綠地冷島效應(yīng)影響因素研究

表1列出的綠地內(nèi)外部景觀格局指數(shù)均作為本研究的綠地冷島效應(yīng)影響因素，在進(jìn)一步研究綠地內(nèi)外部景觀格局對(duì)其降溫范圍、降溫幅度以及降溫梯度的影響前，首先對(duì)各影響因素間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，以排除影響因素間的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

各影響因素間的相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。由該結(jié)果可知PGgi與Sg存在正相關(guān)關(guān)系。其原因是本文選擇的綠地類型為高植被覆蓋率的街頭綠地和城市公園綠地純植物和城市公園綠地，這類綠地面積越大，園路等不透水面的面積占比就越小，內(nèi)部植物群落占比就越高，即Sg增大，PGgi也相應(yīng)提高。在后續(xù)研究中可去除PGgi這一因素，僅保留Sg。此外，PCgo與PGgo存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其原因是綠地周圍環(huán)境主要由植被、不透水面和水體3種景觀元素組成，其中水體相對(duì)其他景觀元素較少，因此PGgo與PCgo存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，所以可在后面的研究中排除PGgo，保留PCgo。MNNgi與MNNci、MNNgo與MNNco存在顯著正相關(guān)關(guān)系，但由于綠地內(nèi)外部環(huán)境中主要由植被、不透水面和水體3種景觀元素組成，其中水體相對(duì)其他景觀元素較少，因此當(dāng)某一景觀分布較分散或較聚集時(shí)，另一景觀類型也存在同樣趨勢(shì)，為了統(tǒng)一，在后面的研究中排除MNNgi和MNNgo，保留MNNci和MNNco。

表3 綠地冷島效應(yīng)影響因子的相關(guān)性分析

3.3 環(huán)境景觀格局配置對(duì)綠地冷島效應(yīng)的影響

3.3.1 景觀格局配置對(duì)綠地降溫范圍的影響

由表4可知，Lmax(g)與Sg具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，即Sg越大，Lmax(g)越遠(yuǎn)。其原因是Sg越大，綠地自身溫度越低，且與周圍環(huán)境的接觸面積越大，Lmax(g)越遠(yuǎn)。

表4 綠地降溫范圍與其影響因子之間的相關(guān)關(guān)系

Lmax(g)與綠地內(nèi)部環(huán)境景觀構(gòu)成的相關(guān)性不顯著(P>0.05)，表明綠地斑塊內(nèi)部環(huán)境景觀構(gòu)成對(duì)綠地的降溫范圍影響不顯著。其原因可能是由于綠地內(nèi)部以植被為主，不同綠地間各景觀構(gòu)成的百分比相差不大，故綠地內(nèi)部環(huán)境景觀構(gòu)成對(duì)其降溫范圍影響不大。

Lmax(g)與綠地外部環(huán)境構(gòu)成關(guān)系顯著。外部環(huán)境中PCgo越小，Lmax(g)越遠(yuǎn)，其原因?yàn)椋喝艟G地周圍存在大量不透水面，會(huì)增加太陽(yáng)輻射能的吸收，提高綠地周邊環(huán)境的溫度，由于綠地可吸收周圍環(huán)境的熱量，因此綠地自身溫度也會(huì)提高，從而使得Lmax(g)變小。PWgo對(duì)綠地降溫范圍的影響較小，其原因可能是由于綠地周邊存在水體的樣本太少，無法從統(tǒng)計(jì)上發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。

Lmax(g)與綠地內(nèi)外部環(huán)境中景觀的空間格局具有較顯著的相關(guān)性，與MNNci和MNNco顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明綠地內(nèi)外部不透水面景觀分布越分散，綠地的降溫范圍越遠(yuǎn)。該結(jié)論與前人的研究結(jié)論相一致[27]。

根據(jù)上述研究可知，Sg越大、PCgo越小，綠地內(nèi)外部不透水面景觀分布越分散，綠地的降溫范圍越遠(yuǎn)。大面積綠地的降溫范圍大于小面積綠地；若要增大綠地的降溫范圍，可采取適當(dāng)減少周邊環(huán)境中不透水面斑塊面積或分散布置綠地內(nèi)外部不透水面景觀等措施 。

3.3.2 景觀格局配置對(duì)綠地降溫幅度的影響

通過對(duì)ΔTmax(g)與其內(nèi)外部環(huán)境指標(biāo)間的相關(guān)性研究(表5)可知，ΔTmax(g)除與Sg呈顯著正相關(guān)(P<0.05)外，與其他影響因素間的相關(guān)性均不顯著，由此可知，綠地降溫幅度主要受綠地斑塊面積大小的影響。其他影響因素與綠地降溫幅度間相關(guān)性雖不顯著，但仍對(duì)ΔTmax(g)有一定的影響。ΔTmax(g)與LSIg、PWgi、MNNci、MNNco正相關(guān)；與綠地外部PWgo正相關(guān)，與PCgo負(fù)相關(guān)。表明綠地斑塊的形狀越復(fù)雜，綠地內(nèi)外部水體斑塊面積越大，綠地內(nèi)外部環(huán)境中不透水面景觀越分散，ΔTmax(g)越大。

表5 綠地降溫幅度與其影響因子之間的相關(guān)關(guān)系

Sg越大、PWgi越高、PCgi越低，綠地自身溫度越低，可增大綠地與周邊環(huán)境的溫差，進(jìn)而增大ΔTmax(g)。

LSIg越大，ΔTmax(g)越大。其原因是形狀復(fù)雜的綠地，可增強(qiáng)與周邊環(huán)境的接觸和氣流交換，進(jìn)而增大了Lmax(g)。距離綠地越遠(yuǎn)處的環(huán)境地表溫度越高，進(jìn)而綠地與環(huán)境間的溫差越大，ΔTmax(g)越大。

綠地的外部環(huán)境中，PWgo越大，外部環(huán)境的Lmax(g)越大，距離綠地邊緣越遠(yuǎn)，環(huán)境的溫度越高，ΔTmax(g)越大。而綠地的外部環(huán)境中當(dāng)PCgo較高時(shí)，縮短了綠地的降溫范圍，進(jìn)而減少了綠地內(nèi)外環(huán)境的溫差，使ΔTmax(g)降低。

MNNci和MNNco越大，即不透水面的景觀空間分布越分散，綠地內(nèi)部的自身溫度越低，進(jìn)而增大了綠地內(nèi)外部的溫度差，增大了ΔTmax(g)[27]。

在未來的綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)中，若要增大ΔTmax(g)，則應(yīng)適當(dāng)增大綠地面積；若在綠地面積一定的條件下，應(yīng)盡量使綠地邊緣形狀復(fù)雜化，增加內(nèi)外環(huán)境中的水體面積，減少不透水面面積。在空間配置上，盡量使綠地內(nèi)外部景觀中的不透水面景觀分散分布，增大ΔTmax(g)。

3.3.3 景觀格局配置對(duì)綠地降溫梯度的影響

本研究所指的降溫梯度[Gtemp(g)]是指每千米內(nèi)的降溫幅度，即表示為單位距離的降溫效率。Gtemp(g)越高，說明其降溫效率越高。根據(jù)表6可知，Gtemp(g)與綠地斑塊面積、綠地形狀指數(shù)和綠地內(nèi)外部水體斑塊面積相關(guān)性較為顯著，與其他環(huán)境要素之間相關(guān)性不顯著。Gtemp(g)與Sg呈負(fù)相關(guān)(R=-0.212)；與LSIg呈顯著正相關(guān)(R=0.494，P<0.01)；與PWgi、PWgo均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。即綠地的面積越大、綠地的形狀越復(fù)雜、綠地內(nèi)外環(huán)境中水體斑塊面積越大，綠地的降溫效率越高。

表6 綠地降溫梯度與其影響因子之間的相關(guān)關(guān)系

根據(jù)上述研究可知，一個(gè)大面積的綠地降溫效率，小于多個(gè)小面積綠地的降溫效率。因此在進(jìn)行綠地景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，為了增大短距離內(nèi)綠地的降溫效果，可設(shè)計(jì)多個(gè)小面積的綠地來替代大面積綠地斑塊。

根據(jù)上述研究可知，綠地斑塊的形狀對(duì)綠地降溫幅度的影響強(qiáng)于對(duì)綠地降溫范圍的影響。即綠地的形狀越復(fù)雜，對(duì)綠地降溫范圍的影響不顯著，但卻顯著地增大了綠地的降溫幅度，因此綠地的降溫效率越高。

同理，綠地內(nèi)外環(huán)境中水體面積的大小對(duì)綠地降溫幅度的影響呈顯著正相關(guān)，而對(duì)其降溫范圍的影響并不顯著。因此，綠地內(nèi)外環(huán)境中水體面積越大，其降溫效率越高。

4 結(jié)論

本研究以上海市中心城區(qū)68個(gè)面積大于1hm2的綠地為研究對(duì)象，探討了綠地冷島效應(yīng)的空間規(guī)律及其影響因素，這對(duì)未來城市管理和規(guī)劃者進(jìn)行城市綠地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和園林綠地設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。綜合上述研究，本文將分別從綠地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和園林綠地設(shè)計(jì)2個(gè)層面梳理討論能夠增強(qiáng)綠地冷島效應(yīng)的優(yōu)化策略。

4.1 城市綠地系統(tǒng)優(yōu)化策略

根據(jù)上述研究可知，綠地的斑塊面積越大、形狀越復(fù)雜、綠地外部環(huán)境中不透水面景觀分布越分散，其冷島效應(yīng)越強(qiáng)。因此，應(yīng)將城市內(nèi)外的大型綠地及小面積零星分布的綠地整合起來，構(gòu)建大型的綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，這將有助于增大綠地面積，使綠地形態(tài)更為復(fù)雜，且同時(shí)能夠有效打破外部環(huán)境中不透水面景觀的連通性，使其分散分布，進(jìn)而增強(qiáng)綠地的冷島效應(yīng)。

4.2 城市綠地景觀優(yōu)化策略

對(duì)于單塊園林綠地而言，在進(jìn)行綠地景觀設(shè)計(jì)時(shí)，為增強(qiáng)一定面積綠地的冷島效應(yīng)，可通過適當(dāng)提高綠地邊界形態(tài)的復(fù)雜度、適當(dāng)提高綠地內(nèi)外部環(huán)境中水體斑塊的面積、降低不透水面斑塊面積或分散布置綠地內(nèi)外部環(huán)境中的不透水面景觀等措施來實(shí)現(xiàn)。

綠地可通過光合作用、蒸騰作用和改變氣流交換等手段降低周邊環(huán)境溫度，而其內(nèi)外部的環(huán)境配置亦可直接影響其冷島效應(yīng)。通過探究環(huán)境景觀格局要素對(duì)綠地冷島效應(yīng)的影響，可更為全面地了解環(huán)境格局對(duì)響綠地冷島效應(yīng)的影響，彌補(bǔ)當(dāng)然相關(guān)研究的空缺，這對(duì)提升有限土地空間內(nèi)的綠地冷島效應(yīng)具有重要意義。

注：文中圖片均由作者繪制。