成 實 牛宇琛 王魯帥

建成環(huán)境由自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)共同構成，兩者自成系統(tǒng)且相互作用[1]。城市熱島效應的產(chǎn)生主要是由于城市下墊面的改變，增加城市綠地是緩解城市熱島效應的重要措施[2]，以綠地、水體為主體的開放空間形成良好的網(wǎng)絡格局，貫穿整個城市建成區(qū)域，可有效緩減市區(qū)熱島效應[3]。隨著城市化的高速進程，位于粵港澳大灣區(qū)核心的深圳建成區(qū)面積不斷增加，導致綠地面積不斷壓縮，城市的景觀、生態(tài)功能減弱，“熱島效應”逐步加劇。同時，隨著國家粵港澳大灣區(qū)建設的提出及推進，“綠色發(fā)展、保護生態(tài)”成為深圳城市發(fā)展的重要目標之一[4]，其生態(tài)環(huán)境建設愈發(fā)凸顯。

過往研究表明，植被覆蓋率的高低對于城市熱島效應具有決定性影響。因此，城市綠地與熱島效應的關聯(lián)研究是學術界關注的熱點之一，并已積累較為豐富的研究成果。岳曉蕾以保定為例，基于不同時期保定中心城區(qū)地表溫度和植被覆蓋率的時空演變圖，從時間維度定量研究城市綠地面積及其降溫范圍之間的關系[2]；梁保平聚焦于綠地植被覆蓋率與城市熱場的時空變化規(guī)律，以及兩者之間的內(nèi)在作用機制，結合桂林1991—2006共15年的TM影像數(shù)據(jù)加以分析論證[5]；張昌順以北京為例，分別選取中心城區(qū)、衛(wèi)星城區(qū)及郊區(qū)作為研究對象，試圖揭示出城市綠地降溫功能與綠地類型、綠地結構及管理措施角度的內(nèi)在關系[6]；陳方敏以上海為例，從植被群落、景觀斑塊、城鄉(xiāng)樣帶等多尺度入手，研究城市公園綠地斑塊屬性及其結構與熱環(huán)境效應之間的聯(lián)系[7]；楊偉以太原為例，研究綠地斑塊對其周邊熱環(huán)境的影響[8]。綜合而言，目前對于城市綠地與城市熱島效應之間的關系研究中主要存在2點不足：1)研究多關注宏觀尺度，聚集在不同時期或不同季節(jié)變化下城市綠地系統(tǒng)與熱島效應的關聯(lián)性，而對于中微觀尺度下空間形態(tài)層面的關注則相對較少；2)影響因素方面研究多關注公園和綠地的形態(tài)指標和植被指標，而對水體相關指標考慮不足。

圖1 深圳市域范圍內(nèi)公園分布情況及相關空間數(shù)據(jù)

本文以深圳建成區(qū)范圍內(nèi)的40個城市公園為案例，通過分析公園、公園內(nèi)綠地與公園內(nèi)水體的各指標與地表溫度的相關性，得出城市熱島效應緩解的關鍵因子及具體的相關關系。與此同時，基于公園的熱島效應消減特征得出城市公園的模式分類，進一步探討熱島效應緩解目標下的城市公園設計路徑，以期對未來深圳的城市公園規(guī)劃建設提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究案例

本文從中觀尺度上研究深圳公園綠地的溫度削減效應，探討公園本身的特征、不同綠地類型對公園自身及其周邊城市空間溫度效應的影響。選取深圳建成區(qū)內(nèi)的公園綠地作為重點研究對象，并在其中選出40個面積、周長、植被覆蓋度、水體面積不同的公園實例，具體公園分布及相關空間數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1)地表溫度與歸一化植被指數(shù)提取。

本研究選取Landsat8多光譜波段遙感影像和熱紅外波段遙感影像作為基礎數(shù)據(jù)，條帶號為122-44，成像時間為2017年10月23日，云量為0.05%，成像條件較好。利用ENVI 5.1對影像進行輻射定標和大氣校正，消除因大氣散射造成的輻射誤差。利用遙感影像第10波段，采用大氣校正法反演得到研究區(qū)域地表溫度(LST)，利用第4、5波段提取研究區(qū)域歸一化植被指數(shù)(NDVI)。

2)公園與緩沖區(qū)參數(shù)提取。

本研究在深圳公園綠地分布矢量數(shù)據(jù)的基礎上，結合Google Earth等高分辨率衛(wèi)星影像，利用ArcGIS 10.3進一步識別案例公園內(nèi)部的綠地和水體，統(tǒng)計案例公園整體及其內(nèi)部綠地與水體的面積、周長、周長面積比、地表溫度和歸一化植被指數(shù)等參數(shù)。同時，分別對每一個案例公園設置100～800m、間隔為100m的緩沖區(qū)，提取各緩沖區(qū)內(nèi)建成區(qū)的地表溫度。

1.3 研究方法

1)特征參數(shù)選取。

過往研究表明，城市公園對熱島效應的緩解作用與公園面積等形態(tài)特征密切相關，同時也受到植被生長狀況的強烈影響[9]。本研究選取面積、周長及周長面積比來體現(xiàn)公園的形態(tài)特征，選取NDVI表征公園的植被生長狀況。為分別考察公園內(nèi)綠地和水體對溫度的影響，將以上參數(shù)進一步擴展為公園、綠地和水體3個層次，其中水體層次不包括NDVI參數(shù)。

圖2 綠地NDVI平均值與公園內(nèi)部溫度的相關關系

圖3 綠地周長面積比與公園內(nèi)部溫度的相關關系

利用ArcGIS 10.3計算各公園邊界內(nèi)部的LST平均值作為公園內(nèi)部平均溫度。為考察公園對周邊緩沖區(qū)的降溫效應，用各緩沖區(qū)內(nèi)的平均溫度減去公園內(nèi)部平均溫度作為累計降溫，單位為℃；用800m緩沖區(qū)的累計降溫與公園內(nèi)部平均溫度的比值作為總降溫幅度，單位為%。

2)分析方法。

采用皮爾森相關系數(shù)進行相關性分析，分析過程利用SPSS 22.0完成。利用梯度差方法計算公園的降溫范圍，即依次求出各緩沖帶平均溫度值與內(nèi)側相鄰緩沖帶的平均溫度值的差，并與對應緩沖帶外緣距公園邊界的距離進行曲線擬合分析。

2 城市公園削減熱島效應的因子分析

2.1 公園特征參數(shù)分析

本研究選取的40個城市公園形態(tài)特征、植被狀況、內(nèi)部溫度和降溫效果差異明顯。面積最大的公園為龍城公園，面積達到182.92hm2，軟件大廈社區(qū)公園面積最小，為5.01hm2；公園周長最大的是燕子嶺公園，周長為13.68km，最小的是軟件大廈社區(qū)公園，為1.05km；周長面積比最大的為兒童公園，最小的為蓮花山公園。公園的植被覆蓋狀況各異，綠地的NDVI平均值差異較大，最大的為證券山公園，最小的為松坪山公園。公園內(nèi)部平均溫度范圍為24.00～28.12℃，總降溫幅度最大的為八仙嶺公園，達到16.33%；最小的為名商高爾夫球會，僅為1.08%(表1)。

2.2 公園內(nèi)部溫度與公園特征參數(shù)的相關性

選取公園、綠地、水體的NDVI、周長、面積、周長面積比等參數(shù)，與公園內(nèi)部平均溫度進行相關性分析，結果如表2。

相關性分析表明，公園內(nèi)部平均溫度與公園NDVI平均值、綠地NDVI平均值及綠地面積呈顯著負相關，與公園及綠地的周長面積比呈顯著正相關。過往研究認為，公園面積越大則內(nèi)部溫度越低[9]，本研究聚焦于高密度建成區(qū)中的城市公園，所選取出的40個城市公園面積處于5.0～182.9hm2不等，根據(jù)研究所涉及的各項空間參數(shù)與公園內(nèi)部溫度的相關性，發(fā)現(xiàn)公園面積與公園內(nèi)部溫度的相關性不顯著，但公園內(nèi)綠地面積對其內(nèi)部溫度的影響較大，而水體對公園內(nèi)部溫度的影響則較小。

為進一步探討公園內(nèi)部溫度與公園內(nèi)綠地特征參數(shù)之間的關系，需進行函數(shù)擬合。綠地NDVI平均值與公園內(nèi)部溫度呈顯著的負相關關系，擬合直線的決定系數(shù)R2為0.451 2。若綠地NDVI平均值上升0.1，地表溫度有望下降0.894℃(圖2)。公園內(nèi)綠地的周長面積比與地表溫度呈顯著的正相關關系，且對數(shù)函數(shù)的擬合效果較好，決定系數(shù)R2達到0.434 4。隨著綠地周長面積比的增加，公園內(nèi)部溫度上升的幅度逐漸減小(圖3)。

表1 公園特征參數(shù)統(tǒng)計結果

表2 綠地NDVI平均值與公園內(nèi)部溫度的相關關系

圖4 水體面積與緩沖區(qū)溫度的相關關系

圖5 3類公園參數(shù)比例關系(以荔枝公園為100計算)

2.3 緩沖區(qū)溫度與公園特征參數(shù)的相關性

選取公園、綠地、水體的NDVI、周長、面積、周長面積比等參數(shù)，與100～800m緩沖區(qū)內(nèi)的累計降溫和總降溫幅度進行相關性分析，結果如表3。

通過相關系數(shù)考察公園特征參數(shù)與緩沖區(qū)內(nèi)累計降溫的相關性，結果表明公園內(nèi)水體面積與200～800m緩沖區(qū)累計降溫以及總降溫幅度顯著相關，其他參數(shù)與緩沖區(qū)累計降溫的相關性不顯著。有研究認為，水體的降溫效應明顯，水體面積越大，降溫效果越好[10]。本研究中公園水體的各項參數(shù)與公園內(nèi)部溫度的相關性不顯著，但水體面積與緩沖區(qū)內(nèi)的溫度顯著負相關，表明水體面積主要影響公園周邊區(qū)域的溫度。水體周長和周長面積比與累計降溫和總降溫幅度的相關性不顯著，表明水體形狀對公園周邊的降溫效果影響較小。

為進一步探討公園周邊降溫效果與水體面積之間的關系，進行函數(shù)擬合。水體面積與公園總降溫幅度呈顯著的正相關關系，擬合直線的決定系數(shù)R2達到0.317 2。若水體面積提高10hm2，總降溫幅度有望提高1%(圖4)。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)部溫度主要與公園NDVI、公園周長面積比、綠地NDVI、綠地面積、綠地周長面積比有關，而緩沖區(qū)溫度主要與水體面積有關，造成這種現(xiàn)象的原因可能是公園形態(tài)、綠地植被等參數(shù)在較短距離上的降溫效果較強，主要作用于公園內(nèi)部，而在較大范圍上的降溫效果則弱于水體。

3 城市公園模式分類

公園的內(nèi)部溫度較低有利于游人舒適地游覽和進行各項活動，而較大的降溫范圍則有利于改善微氣候、緩解熱島效應，從而提高城市宜居性。根據(jù)各公園內(nèi)部溫度及降溫范圍的差異性，本文提出3種城市公園模式，并分別選取一處公園進行實證研究。第一種為周邊效能最大型公園，即公園對周邊地區(qū)的降溫效應最大化，以立新湖公園為例；第二種為自身效能最大型公園，即公園內(nèi)部的降溫效果最大化，以蓮花山公園為例；第三種為內(nèi)外效能平衡型公園，即公園兼顧周邊地區(qū)和內(nèi)部的降溫效果，以荔枝公園為例。3處公園的內(nèi)部溫度、降溫范圍和特征參數(shù)的比例關系如圖5。

表3 公園特征參數(shù)與緩沖區(qū)內(nèi)累計降溫的相關性

圖6 立新湖公園遙感圖及對周邊的降溫范圍

圖7 蓮花山公園遙感圖及對周邊的降溫范圍

圖8 荔枝公園遙感圖及對周邊的降溫范圍

3.1 周邊效能最大型公園

根據(jù)公園內(nèi)部溫度、降溫距離與公園特征參數(shù)的相關關系，周邊效能最大型公園應具有較大的水體面積。立新湖公園依托立新水庫建設，水體面積達92.80hm2，降溫范圍為770m。公園內(nèi)綠地NDVI平均值為0.66，綠地周長面積比為55.72，內(nèi)部平均溫度26.19℃，略高于選取的40個公園的平均值。立新湖公園水域面積較大，具有良好的區(qū)域降溫效果，但公園內(nèi)植被較少，內(nèi)部溫度相對較高。周邊效能最大型公園的降溫效果與水體形狀關系較小，在城市建設中，可利用湖泊、水庫等水體，順應其自然形態(tài)建設公園綠地，在提高水體景觀游憩價值的同時，能夠有效降低周邊地區(qū)的熱島效應，取得良好的環(huán)境效益。為獲得較大的降溫覆蓋范圍，在條件允許時，應盡量構建周邊效能最大型公園組成的公園體系，通過嚴格保護自然水體，或在地勢低洼處建設人工湖泊濕地的方式增加周邊效能最大型公園的分布范圍(圖6)。

3.2 自身效能最大型公園

自身效能最大型公園具有綠地面積較大、NDVI平均值較高、周長面積比較小等特征。蓮花山公園依托蓮花山山體建設，公園邊界形狀較為簡單，大部分區(qū)域為植被生長良好的綠地，綠地NDVI平均值為0.82，周長面積比為30.63。公園內(nèi)部平均溫度為24.91℃，在選取的40個公園中處于較低水平。公園內(nèi)部有一處水體，即蓮花湖，面積4.21hm2。公園降溫范圍相對較小，為200m。在深圳等高密度城市中，存在部分被建設用地包圍擠壓的中小型山體，或因道路布局等其他原因分割出形狀較為規(guī)整的公園綠地，這些山體和綠地的周長面積比較小，適合建設成為自身效能最大型公園。為了創(chuàng)造舒適的公園內(nèi)部熱環(huán)境，應注重對原始植被的保護和恢復，同時對綠地進行合理布局和植被群落營造。在用地有限的情況下，將綠地集中布置，營造喬灌草搭配的植物群落，形成植被覆蓋良好、形態(tài)連續(xù)完整的小生境，有利于提高土地利用效率，實現(xiàn)公園內(nèi)部降溫、生物多樣性保護等多種生態(tài)環(huán)境效益(圖7)。

3.3 內(nèi)外效能平衡型公園

內(nèi)外效能平衡型公園結合了以上2種類型的特點，具有較為適中的公園內(nèi)部溫度和降溫范圍。荔枝公園內(nèi)部平均溫度為25.89℃，降溫范圍為370m，介于立新湖公園和蓮花山公園之間。公園整體結構為綠地環(huán)繞一處水體，綠地NDVI平均值為0.70，水體面積為9.72hm2。公園綠地的周長面積比較高，達到325.49，不利于內(nèi)部溫度的降低，但在多因素的共同作用下，仍維持較低的內(nèi)部溫度。荔枝公園是較為常見的城市公園類型，具有適中的綠地和水體面積，在內(nèi)部溫度較低的同時也具有一定的區(qū)域降溫效果，具有較好的綜合效益。在內(nèi)外效能平衡型公園的設計中，應統(tǒng)籌考慮綠地和水體的布局。為獲得良好的內(nèi)部降溫效果，可將部分綠地集中布置，減小周長面積比，適當提高植被郁閉度，水體則可利用剩余空間靈活布局，并達到一定的總面積以保證周邊區(qū)域的降溫效果(圖8)。

4 結論

本文以深圳為例，基于遙感和GIS工具，通過分析公園、公園內(nèi)綠地及公園內(nèi)水體的各指標與地表溫度的相關性，得出城市熱島效應緩解的關鍵因子、具體的相關關系以及基于熱島效應消減特征得出城市公園的模式分類。研究主要結論如下。

1)公園周長面積比、公園NDVI以及綠地面積、綠地周長面積比、綠地NDVI是影響公園內(nèi)部溫度的主要因子，其中公園和綠地的周長面積比與公園內(nèi)部溫度正相關，公園和綠地的NDVI、綠地面積與公園內(nèi)部溫度負相關。

2)水體面積是影響公園周邊區(qū)域降溫效果的主要因子，并與公園周邊緩沖區(qū)的溫度負相關。

3)公園面積和周長對于內(nèi)部和周邊溫度的影響較小，不存在顯著的相關關系。

4)根據(jù)各公園內(nèi)部溫度及降溫范圍的差異性，提出3種城市公園模式，分別是周邊效能最大型公園、自身效能最大型公園、內(nèi)外效能平衡型公園，并結合實際案例探討了3類公園綠地和水體的空間結構組合。

由于方法所限，通過遙感反演和計算的地表溫度、NDVI等參數(shù)仍存在誤差，在以后的研究中，應結合實地調(diào)查和氣象資料減小數(shù)據(jù)誤差，并將更多影響城市公園降溫作用的因子加入分析過程，以便更為準確細致地分析城市公園對熱島效應的緩解作用。

注：文中圖片均由作者繪制。