龐新坤，孫然好

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

城市公園景觀秋冬季動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)

龐新坤1,2，孫然好2,*

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

在北京市3個(gè)公園中選擇裸地、道路、林地、草地4種主要景觀類型，通過2013年10月、11月、12月的實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量揭示不同景觀類型地表溫度、近地表空氣溫度和濕度的日間變化特征，并分析日間溫濕度的均值、幅度大小、空氣溫濕度的匹配程度。4種景觀類型日間地表和空氣溫度均呈單峰變化趨勢(shì)，裸地、道路、林地、草地的地表溫度最高值分別出現(xiàn)在14:00、12:00、14:00、12:00，空氣溫度最高值則都在14:00，相對(duì)濕度最大值出現(xiàn)在8:00，最小值在14:00。從日間均值來看，地表溫度為裸地>道路>草地、林地，裸地的日均空氣溫度最高，4種景觀的相對(duì)濕度差異不顯著。從日間變化幅度來看，所有景觀類型的地表溫度均明顯大于空氣溫度，尤其是裸地和道路的日間變化比林地和草地更加明顯。通過定量分析4種景觀類型的日間熱環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，可以為城市熱環(huán)境改善、景觀設(shè)計(jì)和生態(tài)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

城市公園；熱環(huán)境；景觀格局；景觀設(shè)計(jì)

快速的城市化進(jìn)程使城市的景觀格局、景觀配置發(fā)生顯著改變，主要表現(xiàn)在高大、密集的建筑物取代綠色景觀，不透水面取代透水性地表，這些景觀類型和格局的改變使城市升溫，從而作用于地表-近地表間的熱力學(xué)交換過程，影響人體舒適度[1- 3]，危害城市生物棲息環(huán)境[4- 5]。城市公園是重要的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，除了能夠提供休憩娛樂、凈化空氣、維持生物多樣性等功能外，氣溫調(diào)節(jié)也是其重要的生態(tài)服務(wù)功能，從而緩解城市化帶來的熱環(huán)境問題[6- 10]。有學(xué)者通過監(jiān)測(cè)典型公園景觀的小氣候特征，從而比較城市熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化[11- 13]，也有學(xué)者以遙感影像為基礎(chǔ)，從區(qū)域甚至整個(gè)城市尺度探討公園斑塊的熱環(huán)境調(diào)節(jié)功能[6,14]?，F(xiàn)有研究多集中在夏季，對(duì)于其它季節(jié)的關(guān)注較少同時(shí)也多關(guān)注某些特殊景觀類型，如林地、水體等。隨著城市化快速發(fā)展，城市內(nèi)部不同景觀類型熱環(huán)境的變化特征、演變過程以及對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的影響也在發(fā)展變化，城市公園內(nèi)部不同景觀類型熱環(huán)境的日間動(dòng)態(tài)變化值得深入研究。

北京地區(qū)的秋末冬初，雨季之后冬季降雪之前這段時(shí)間，氣溫相對(duì)干燥和涼爽，是市民戶外活動(dòng)的最佳季節(jié)?，F(xiàn)有研究中對(duì)北京秋冬季的熱環(huán)境關(guān)注較少，它們與夏季熱環(huán)境特征有何不同？現(xiàn)有研究定性描述多，而定量監(jiān)測(cè)和研究較少，回答這些問題對(duì)于揭示城市公園氣溫調(diào)節(jié)功能至關(guān)重要。本文選擇北京市3個(gè)典型的城市公園，實(shí)地監(jiān)測(cè)獲取林地、草地、道路、裸地4種景觀類型的日間熱環(huán)境數(shù)據(jù)，定量揭示地表溫度、近地表溫度、相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)、幅度，探討各項(xiàng)指標(biāo)之間的相互關(guān)系。

1 研究區(qū)域和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)和樣點(diǎn)設(shè)置

研究區(qū)域選擇北京市五環(huán)內(nèi)的玉淵潭公園、朝陽公園、奧林匹克森林公園3個(gè)公園進(jìn)行。玉淵潭公園緊鄰西三環(huán)航天橋，是三環(huán)內(nèi)最大的公園，院內(nèi)植被覆蓋率大、大型人工水體、建筑物少，周圍建筑區(qū)以住宅、商業(yè)、行政為主。朝陽公園緊鄰東四環(huán)，是四環(huán)內(nèi)面積最大的公園，公園內(nèi)植被覆蓋率高，有大型人工水體，為周圍居民提供休憩、游玩的場(chǎng)地。奧林匹克森林公園是五環(huán)內(nèi)最大的公園，緊鄰北五環(huán)。這3個(gè)公園位于市區(qū)，周圍建筑密集，人類活動(dòng)頻繁,在已有城市景觀熱環(huán)境效應(yīng)研究中受關(guān)注[12- 13,15- 16]。本實(shí)驗(yàn)主要景觀類型包括林地、草地、裸地和道路；其中裸地是公園廣場(chǎng)、停車場(chǎng)，周圍環(huán)境開闊；道路地表是瀝青、石板，公園道路周邊有喬灌木、建筑物。林地樹種以楊樹、欒樹、銀杏為主，地表材質(zhì)是土地、草地或鋪裝地板。選取3個(gè)公園2013年10月、11月、12月3個(gè)月的3次日間測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取值1位小數(shù)[17]。

現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式地表紅外測(cè)溫儀(精度0.1℃)和Kestrel 3000手持氣象儀(空氣溫度精度±0.5℃，分辨率0.1℃；相對(duì)濕度：精度±3%)分別測(cè)量地表溫度和近地表溫度等。紅外測(cè)溫儀垂直地面10—30cm高度測(cè)量地表溫度，比輻射率0.95(測(cè)量的不同類型景觀比輻射率屬于0.94—0.99之間，選擇0.95滿足要求)；手持氣象儀以垂直方向距地面1.5m高度測(cè)量近地表氣象指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)30s 1次，平行重復(fù)3次，自日間8:00、10:00、12:00、14:00、16:00始依次測(cè)量各類型景觀的熱環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表1 監(jiān)測(cè)的城市公園景觀特征Table 1 Monitoring sites and landscape types

1.2 實(shí)地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的氣候背景

由于不同地區(qū)的實(shí)地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)不能在一天內(nèi)完成，監(jiān)測(cè)分成幾次，因此，選擇具有類似天氣背景的時(shí)間進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)。使用北京觀象臺(tái)的氣象數(shù)據(jù)(24 h監(jiān)測(cè)均值)代表實(shí)驗(yàn)當(dāng)天北京的氣象條件[18]，包括日最高氣溫、平均氣溫、最大相對(duì)濕度指標(biāo)?？梢钥闯觯M管監(jiān)測(cè)日期有差異，但是整體的天氣背景基本類似，從而最大限度的減少不同日期監(jiān)測(cè)可能造成的誤差(表2)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 不同景觀類型溫濕度的日間變化趨勢(shì)

圖2結(jié)果表明8:00的平均地表溫度依次是林地(6.0℃)>草地(5.6℃)>裸地(4.4℃)≈道路(4.3℃)，平均空氣溫度是裸地(7.4℃)、草地(7.2℃)、林地(7.0℃)、道路(6.1℃)，相對(duì)濕度是裸地(48.3%)、道路(51.4%)、林地(48.3%)、草地(48.3%)，4種景觀類型的空氣溫度大于地表溫度，相對(duì)濕度則是日間最高值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)林地、草地?zé)岘h(huán)境相似，道路、裸地溫濕度狀態(tài)近似。10:00地表溫度草地升溫最快，裸地、道路地表溫度相近，林地地表溫度最?。唤?jīng)歷較小幅度的變化后，4種類型景觀間空氣溫、濕度值差異變小。12:00，地表溫度大小為裸地(15.1℃)>道路(14.4℃)>草地(13.1℃)>林地(11.5℃)，空氣溫度是裸地(13.0℃)、道路(12.7℃)、林地(12.5℃)、草地(12.3℃)，4種景觀氣溫和相對(duì)濕度值保持近似相等。14:00—16:00，景觀的地表和空氣溫度溫度大小是裸地>道路>林地>草地。其中，14:00各景觀類型的相對(duì)濕度達(dá)到最小值， 16:00相對(duì)濕度是草地(41.0%)、林地(38.1%)、道路 (35.7%)、裸地(33.0%)。地表溫度主要取決于吸收的輻射能量，太陽輻射對(duì)地表的非均勻性照射，使不同景觀類型間地表溫度存在差異；氣溫和相對(duì)濕度則明顯地受周邊景觀和樹木陰影影響。秋冬季，經(jīng)歷正午較快速的溫濕度變化后，16:00林地、草地表現(xiàn)出明顯的地表溫度差異和相似的近地表熱環(huán)境特征。

表2 實(shí)地監(jiān)測(cè)日期的氣候背景Table 2 The climatic conditions of field observation

圖2 不同景觀類型的溫濕度日變化

2.2 不同景觀類型溫濕度的日間均值比較

日間平均地表溫度是裸地(11.9℃)>道路(10.7℃)>林地(9.5℃)≈草地(9.4℃)，平均空氣溫度依次是裸地(11.3℃)>林地(10.7℃)≈道路(10.6℃)=草地(10.6℃)，平均相對(duì)濕度則是裸地(35.7%)、道路(38.0%)、林地(37.5%)、草地(38.3%)(圖3)。地表溫度主要取決于太陽輻射的吸收情況，草地吸收輻射能力差，林地遮陰阻礙地表接收太陽輻射，裸地和道路吸收太陽輻射能多，地表溫度最高；空氣溫度的變化除受制于太陽短波輻射和地表長波輻射外，還受周圍環(huán)境狀況的影響。公園景觀中林地、草地和道路周圍的喬灌木發(fā)揮著遮陰、密閉空氣的作用，裸地開闊度高，受植被和建筑物影響小，空氣溫度最高；日間平均相對(duì)濕度大小順序與平均空氣溫度順序相反，秋冬季裸地平均空氣溫度高但相對(duì)干燥，是干熱環(huán)境；草地溫度低而空氣濕潤，是濕冷的環(huán)境狀況。

2.3 不同景觀類型溫濕度的日間變化幅度

日間變化幅度定義為測(cè)量時(shí)間內(nèi)溫、濕度的最大值與最小值之差，揭示4種景觀溫度、濕度曲線的波動(dòng)情況，反映其日間熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化范圍。地表溫度變化幅度呈裸地(13.5℃)>道路(10.1℃)>草地(7.5℃)>林地(5.9℃)(圖4)，公園占地面積大，環(huán)境開闊，建筑物和喬木的遮陰作用弱，景觀地表溫度主要受太陽輻射影響，因而地表溫度變化幅度差異顯著。從空氣溫度日間變化幅度與平均空氣溫度的關(guān)系看出(圖3，圖4)，裸地、道路變化幅度相等且明顯大于林地、草地；與日間均值不同，各類型景觀之間相對(duì)濕度的變化幅度差異均小于3%，公園景觀的相對(duì)濕度是在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。日間地表、空氣溫度的變化幅度差異明顯，能更好地突出景觀類型間的熱環(huán)境差異；相對(duì)濕度的日間變化幅度未達(dá)到明顯差異(圖3，圖4)。

圖3 不同景觀類型日間溫濕度均值變化

圖4 不同景觀類型溫濕度的日較差

2.4 不同景觀類型氣象因子的關(guān)聯(lián)性

圖5 不同景觀類型的氣象因子關(guān)系圖(不同景觀類型的地表溫度與空氣溫度比值圖和不同景觀類型的空氣溫度與露點(diǎn)溫度差異圖)

地表溫度和空氣溫度是熱環(huán)境的重要內(nèi)容；二者之間存在比較復(fù)雜的關(guān)系[19]，研究這一關(guān)系必須在同一時(shí)間獲取地表溫度和氣溫?cái)?shù)據(jù)。日間地表溫度和空氣溫度的關(guān)系可用于指示城市熱環(huán)境變化[20]。構(gòu)建地表溫度和空氣溫度的比值?T(圖5)，?T=地表溫度(℃)/空氣溫度(℃)。通過分析?T曲線而更詳細(xì)地探究二者間的關(guān)系。其中?T等于1時(shí)地表溫度等于空氣溫度。分析發(fā)現(xiàn)：1)草地、裸地和道路的?T曲線變化相似，裸地的變化幅度最大，林地變化幅度最小。這主要因?yàn)榱值厥芨叽髥棠镜恼谑a影響，減緩了地表溫度和空氣溫度的差異性，而草地、裸地、道路周圍環(huán)境相對(duì)開闊，受太陽輻射影響劇烈，因而?T變化大。2)不同景觀類型?T曲線的拐點(diǎn)不同，說明了景觀類型影響溫度的升降幅度，并存在時(shí)間差異。比如，林地?T始終小于1，波動(dòng)平緩；草地、道路、裸地的?T最大值依次出現(xiàn)在10:00、12:00、14:00。

露點(diǎn)溫度是反映空氣中水汽含量的一個(gè)重要物理量，選用空氣溫度和露點(diǎn)溫度的差值(ΔT)表示不同類型景觀的溫濕度狀況，ΔT大表示空氣干燥。發(fā)現(xiàn)：(1)日間4種景觀類型的ΔT平均大小是裸地>林地>道路>草地(圖5)，即空氣干燥程度大小依次是裸地、林地、道路、草地。溫度和濕度的這種關(guān)系與景觀周圍環(huán)境十分相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中與公園道路毗鄰的大型水體增加其空氣濕度，降低干燥程度。(2)5種景觀類型的空氣溫濕度之間關(guān)系隨時(shí)間變化規(guī)律相似，最高值都出現(xiàn)在14:00，是一天中最干熱的時(shí)間點(diǎn)，這與地表溫度、空氣溫度達(dá)到最高值的時(shí)間點(diǎn)不一致(圖2)。

3 討論

(1)從3個(gè)公園4種景觀溫濕度的日間均值可以看出，4種景觀的熱環(huán)境特征存在一定的空間差異(表3)。城區(qū)至城郊，玉淵潭公園、朝陽公園、奧林匹克森林公園的4種景觀的地表溫度、空氣溫度和相對(duì)濕度逐漸減小，林地、草地的這一現(xiàn)象最突出。其中，奧林匹克森林公園的裸地是停車場(chǎng)，受機(jī)動(dòng)車放熱影響而空氣升溫；朝陽公園裸地是廣場(chǎng)地面，用于體育、娛樂，奧林匹克森林公園裸地空氣溫度均值高于朝陽公園。

表3 3個(gè)公園不同景觀的日間溫濕度監(jiān)測(cè)平均值Table 3 Thermal characteristics of landscapes in 3 city parks

(2)裸地、道路的日間地表溫度高于空氣溫度，但8:00時(shí)地表低于空氣溫度，與林地、草地等綠色景觀不同。隨著氣溫降低，冬季景觀熱環(huán)境特征應(yīng)當(dāng)與秋季有區(qū)別。冬季，公園景觀的地表受降溫影響顯著，裸地、道路受季節(jié)作用明顯，日間出現(xiàn)地表溫度低于空氣溫度，林地、草地景觀的地表溫度高于裸地、道路。但是，這種現(xiàn)象是否顯著需要后續(xù)更多監(jiān)測(cè)，從而獲得準(zhǔn)確的定量揭示。

(3)相對(duì)于城市夏季較高的氣溫背景，秋冬季氣溫有其自身特點(diǎn)。城市熱環(huán)境的遙感反演多在夏季進(jìn)行，且多關(guān)注區(qū)域尺度。本研究針對(duì)小尺度氣象因子的實(shí)地監(jiān)測(cè)，更加靈活和有針對(duì)性，能夠揭示秋冬季不同景觀類型的熱環(huán)境空間特征和時(shí)間動(dòng)態(tài)。不足之處是，移動(dòng)監(jiān)測(cè)方法需要多人同時(shí)完成，后續(xù)研究中可以根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，提煉更加針對(duì)性的研究對(duì)象、時(shí)段和區(qū)域，從而更加高效的完成系列研究。此外，后續(xù)還要加強(qiáng)對(duì)公園大型水體、景觀斑塊大小、景觀配置等因素的研究，辨識(shí)景觀熱環(huán)境變化的景觀格局因子，從而更直接和客觀的為城市景觀設(shè)計(jì)和熱環(huán)境優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

通過秋冬季公園的4種景觀類型的熱環(huán)境實(shí)地監(jiān)測(cè)和分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)城市公園各景觀類型的地表和空氣溫度在8:00最低，但最高值的時(shí)間點(diǎn)不一致。裸地、道路、林地、草地的地表溫度最高值點(diǎn)為14:00、12:00、14:00、12:00，空氣溫度最高值點(diǎn)都出現(xiàn)在14:00。日間平均地表溫度為裸地和道路高于林地、草地，空氣溫度是裸地最高，林地、草地、道路近似相等。隨著太陽輻射增強(qiáng)，日間12:00之后不同景觀的熱環(huán)境變化差異減小。

(2)城市公園地表溫度和空氣溫度的關(guān)聯(lián)性在不同時(shí)間段有差異。地表溫度對(duì)太陽輻射反映最快，它與空氣溫度的比值變化受陽光輻射影響。林地地表溫度和空氣溫度日間變化幅度差異最小，草地、裸地和道路差異最大。

(3)城市公園各景觀類型的相對(duì)濕度在14:00最小，8:00最高。日間監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，相對(duì)濕度的逐時(shí)、均值、變化幅度沒有明顯的景觀類型差異?？諝鉁囟扰c露點(diǎn)溫度的差值反映空氣溫濕組合狀況，日間平均值是裸地>林地>道路>草地，4種景觀類型都在14:00達(dá)到干熱的最高值，與單純的溫度高值點(diǎn)不一致。

(4)通過實(shí)地監(jiān)測(cè)秋冬季不同景觀類型的溫濕度日間變化特征，可以定量揭示地表溫度、空氣溫度和濕度的日間變化趨勢(shì)、幅度，而且裸地與道路、林地與草地之間的熱環(huán)境特征存在差異；在評(píng)價(jià)公園中不同景觀類型熱環(huán)境特征時(shí)，地表、空氣溫度比相對(duì)濕度指標(biāo)更合適，景觀類型間的地表溫度差異最明顯；公園的裸地、道路地表與空氣溫度相互關(guān)系強(qiáng)于林地、草地。

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Diurnal variations of landscape thermal effect in city parks from the later autumn to early winter

PANG Xinkun1,2, SUN Ranhao2,*

1CollegeofGeographyScience,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

The urban landscape pattern is increasing changed as cities replace their natural land cover with impervious surfaces, buildings, and other infrastructure. The impacts of landscape changes have become a growing concern particularly for the ecosystem service in recent decades. It is well-known that city parks could provide multiple ecosystem services including temperature regulation services in different seasons. Some thermal characteristics of city parks may directly contribute to the degree of comforts for the mankind, such as the land surface temperature (LST), near-surface air temperature (NAT), and relative humidity (RH). Generally, landscape types and pattern in parks are responsible for the extent and degree of local thermal effects. In this study, three city parks were selected to analysis the diurnal variations of thermal effects in Beijing. We measured LST, NAT, and RH in the grassland, forest, road, and bare land for three months from the later autumn to early winter. The study aims to assess the variations of LST, NAT, and RH as well as their relationships among different landscape types. The results showed that: (1) the lowest LST and NAT are at 8:00 whereas the highest values are different according to the types of landscape. The highest values of LST and NAT are at 14:00,12:00,14:00,12:00, respectively. The relative humidity reaches its lowest value at 14:00 (2) In the daytime, the decreasing orders of mean LST, NAT, and RH are bare land>road>grassland≈forest, bare land>forest≈grassland=road, grassland≈road≈forest≈bare land, respectively. The LST and NAT are increasing with the decreasing RH for all landscape types. (3) The maximum difference in LST, NAT, and RH decrease as: bare land (13.5℃) > road (10.0℃) > grassland (7.5℃) > forest (5.9℃), bare land (7.4℃) ≈ road (7.3℃) > forest (6.3℃) > grassland (5.7℃), bare land (20.8%) = road (20.8%) ≈grassland (19.5%)≈forest (18.8%), respectively. (4) The relationship between LST and NAT are complex due to the various solar radiations in a day. Specifically, the daily variation of LST is greater than that of NAT for all the landscapes. The daily variation of LST and NAT is low in forest compared with the high variations in temperature of the grassland, bare land, and road. (5) The combination of temperature and humidity is represented by the difference between NAT and dew-point temperature. The hydrothermal environment reaches the driest and hottest conditions at 14:00. By quantifying thermal effects of different landscape types in city parks, this study can provide useful implication on the urban management to improve the thermal environment and related ecosystem services.

urban park; thermal environment; landscape pattern; landscape design

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471150;41230633); 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主項(xiàng)目(SKLURE2013- 1-02)

2014- 07- 15;

2015- 01- 27

10.5846/stxb201407151437

*通訊作者Corresponding author.E-mail: rhsun@rcees.ac.cn

龐新坤，孫然好.城市公園景觀秋冬季動(dòng)態(tài)熱效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):4196- 4202.

Pang X K, Sun R H.Diurnal variations of landscape thermal effect in city parks from the later autumn to early winter.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4196- 4202.