引言

全球變暖一直是當(dāng)前國際社會廣泛熱議的話題之一。研究顯示，全球變暖對區(qū)域氣候帶來影響，20世紀(jì)以來，截止到2020年，全球地表平均溫度上升1.2℃，是本世紀(jì)以來最暖的年份[1]。與此同時，城市化進(jìn)程的加快帶來土地利用模式與城市表面能量平衡改變，導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)加劇，嚴(yán)重危害城市可居住性。因此，如何緩解城市熱島效應(yīng)成為現(xiàn)今研究重點(diǎn)。冷島效應(yīng)最早出現(xiàn)在沙漠綠洲，即不論晝夜夏季綠洲上方不同高度層空氣溫度均低于周圍環(huán)境溫度，綠洲相較于周圍環(huán)境成為獨(dú)立“冷島”[2]。綠地自身具有蒸散作用、植物光合作用以及遮陽作用[3]，對緩解城市熱島尤為重要，也是當(dāng)下研究熱點(diǎn)。 近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞綠地冷島效應(yīng)在不同時間尺度上變化特征進(jìn)行大量研究，既往關(guān)于綠地冷島強(qiáng)度時間尺度上的研究主要包括瞬時時間點(diǎn)、有限時間片段及短暫的年時間尺度。一些學(xué)者選取特定時間點(diǎn)研究冷島效應(yīng)瞬時變化情況，Janet[4]基于遙感影像對比香港西部新城區(qū)不同土地類型晝夜冷島強(qiáng)度變化，閆偉姣[5]、高玉福[6]等也通過實(shí)測總結(jié)不同森林植被結(jié)構(gòu)冷島效應(yīng)晝夜變化規(guī)律。另一些學(xué)者則截選有限的時間片段研究冷島效應(yīng)季節(jié)化差異，Chang[7]和Hamada[8]結(jié)合遙感反演與實(shí)測縱橫對比冷島效應(yīng)在不同季節(jié)的變化特征。但少有學(xué)者進(jìn)行年時間尺度研究，Yu[9]等研究2000～2018年北京市五環(huán)內(nèi)水體冷島強(qiáng)度年際變化情況，Zhou[2]等研究黑河盆地綠洲冷島效應(yīng)季節(jié)性變化影響因素。

不論是瞬時時間點(diǎn)，還是有限的時間片段亦或是短暫的年時間尺度，當(dāng)前綠地冷島效應(yīng)時間尺度變化特征研究雖能直觀展現(xiàn)變化的現(xiàn)象性，仍不能全面概括變化的規(guī)律性，穩(wěn)定性也更不足以體現(xiàn)。雖有文獻(xiàn)提及冷島效應(yīng)也可能存在周期性變化特征[8-10]，擬合統(tǒng)計(jì)模型驗(yàn)證冷島降溫范圍與幅度[8]，但研究結(jié)果僅停留在預(yù)測層面。

文章對2010～2021年不同季節(jié)共計(jì)60幅遙感影像，采用遙感反演獲得地表溫度，并歸納時間與冷島強(qiáng)度之間關(guān)系，研究結(jié)果表明長時間尺度綠地冷島效應(yīng)存在較顯著周期性變化。研究也發(fā)現(xiàn)部分綠地季節(jié)出現(xiàn)“增溫”效應(yīng)。該研究既總結(jié)了綠地冷島效應(yīng)年周期變化規(guī)律，同時也對綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究區(qū)概況

夏熱冬冷地區(qū)因其氣候獨(dú)特，匯集南方濕熱與北方寒冷的氣候特征，且穩(wěn)定性好，因而是研究建筑室內(nèi)外風(fēng)熱環(huán)境能耗模擬的良好對象[11]。進(jìn)行冷島效應(yīng)研究時，研究對象尺度和下墊面類型對研究結(jié)果有一定程度影響，而公園綠地是中尺度城市綠地冷島效應(yīng)研究的良好載體，面積尺度適宜，下墊面類型豐富，水體與綠地占比合理[9，10]，且相關(guān)研究證實(shí)面積在10ha以上的公園綠地可有效發(fā)揮綠地冷島效應(yīng)[9]。因此，本文選取夏熱冬冷地區(qū)典型代表城市合肥市的花沖公園（圖1）為對象（117°19′49.18″E，31°51′48.66″N）。

圖1 研究區(qū)概況

花沖公園總面積約15ha，綠地面積約12ha，水體面積較小約為1ha。綠地內(nèi)植被種類豐富，以喬木為主，灌草為輔，苗木總數(shù)約3220余株，落葉大喬木數(shù)量約占65.4%，常綠樹種類雖少但數(shù)量多。該研究對象大小尺度相對適中[9]且植被豐富。通過初步研究發(fā)現(xiàn)，該綠地周圍熱島效應(yīng)較顯著（圖2），綠地周邊120m范圍建筑占比高達(dá)85%且均為老舊住區(qū)。對比2010～2019年研究區(qū)土地利用類型變化圖[12]（圖3），可見10年間公園內(nèi)部及周邊土地利用類型較為穩(wěn)定，地類穩(wěn)定在綠地、水體與不透水表面三種類型，但10年間綠地與水體面積逐步減少。除此之外，研究區(qū)遙感影像資料完善且數(shù)量較充足，不同歷史時期衛(wèi)星航片資料也易獲取。因此，該綠地是研究夏熱冬冷地區(qū)城市綠地冷島效應(yīng)的典型代表綠地，對相同尺度下同類型公園的冷島效應(yīng)研究具有借鑒意義。

圖2 2010～2021年不同年份相同季節(jié)研究區(qū)1200m范圍熱島強(qiáng)度變化對比

圖3 2010～2019年研究區(qū)土地利用類型變化[12]

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用2010～2021年Landsat系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)（表1），并用大氣校正法[13]對研究區(qū)進(jìn)行地溫反演。所有遙感影像數(shù)據(jù)均來源于地理空間云網(wǎng)站[14]。各季節(jié)遙感影像圖數(shù)目分布情況如圖4，方塊代表該月份至少存在一副Landsat衛(wèi)星影像，橫軸代表年份，縱軸代表月份。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各季節(jié)影像數(shù)量為春季18幅、夏季11幅、秋季17幅、冬季14幅，各季節(jié)影像圖數(shù)目較平均。整體研究思路如圖5所示。

圖4 研究選取的遙感影像季節(jié)分布圖

表1 部分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源

2.2 遙感影像反演

因影像反演法相較輻射傳輸方法、單窗算法和單通道算法反演過程更為簡便，操作容易，并且結(jié)果與單窗算法和單通道算法較為接近[15]，因此文章采用影像反演法對遙感影像進(jìn)行處理，具體步驟主要參照林平等[16]提出的Landsat衛(wèi)星大氣校正法進(jìn)行反演計(jì)算：

（1）輻射定標(biāo)[16]，式中Lλ為波段λ的大氣頂部光譜輻射值，ML和AL都是調(diào)整因子，Qcal為16位量化的DN值：

（2）大氣校正[16]：主要參考學(xué)者李海峰[17]提出的COST模型進(jìn)行大氣校正；

（3）植被覆蓋度計(jì)算[16]，其中NDVI為歸一化植被指數(shù)，取NDVIV=0.70和NDVIS=0.00，且有當(dāng)某個像元的NDVI＞0.70時，F(xiàn)V=1，當(dāng)NDVI＜0.00，F(xiàn)V=0：

（4）地表比輻射率計(jì)算[16]，其中ε surface和ε building分別代表自然表面像元和建筑像元的比輻射率：

（5）黑體輻射亮度[17]，其中Lλ為熱輻射強(qiáng)度，可以根據(jù)紅外波段DN值進(jìn)行計(jì)算，ε為地表比輻射率：

B（TS）為用Planck函數(shù)表示黑體熱輻射強(qiáng)度，其中TS是地表溫度LST（K），τ為大氣透過率，L↑和L↓分別是大氣上行輻射和大氣下行熱輻射強(qiáng)度[16]，地表溫度（TS）在紅外波段的黑體輻射亮度為[16]：度。本文研究區(qū)綠地為中尺度，因而采用此計(jì)算方法，計(jì)算公式為：

其中△T代表冷島強(qiáng)度，Tbuffer代表緩沖區(qū)內(nèi)平均地表溫度，Tin代表研究區(qū)內(nèi)平均地表溫度。

2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析

常見的用于定量研究長時間尺度城市室外環(huán)境熱效應(yīng)周期性變化數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型有：多項(xiàng)式函數(shù)、小波變換1）、年度溫度周期模型（ATC）2）及其他類型時間序列函數(shù)等。文章參照同類型城市綠地?zé)嵝?yīng)定量分析研究，結(jié)合綠地降溫機(jī)制規(guī)律，最終選擇多項(xiàng)式函數(shù)作為定量描述冷島效應(yīng)年周期變化的模型，并將研究結(jié)果與同類型研究結(jié)果對比分析。

2.5 遙感反演結(jié)果數(shù)據(jù)提取與處理

文章采用Arc GIS處理得到的遙感反演數(shù)據(jù)。在高德開放平臺獲取研究區(qū)范圍經(jīng)緯度POI數(shù)據(jù)，加工成研究區(qū)邊界點(diǎn)集。在Arc GIS數(shù)據(jù)管理中采用“點(diǎn)集轉(zhuǎn)線3）”，再對獲得的邊界線進(jìn)行“要素轉(zhuǎn)面”最終獲得研究區(qū)公園綠地邊界。采用鄰域分析，創(chuàng)建緩沖區(qū)4），結(jié)合區(qū)域分析“以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)”5），提取研究區(qū)與緩沖區(qū)內(nèi)平均地表溫度值，進(jìn)而獲取研究所需數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 綠地冷島效應(yīng)周期性變化特征

（6）反演地表溫度[16]，依據(jù)普朗克公式進(jìn)行反函數(shù)處理，求得地表真實(shí)溫度TS：

其中對于Landsat 4-5 TM，K1= 607.76W/（m-2×sr-1×μm-1），K2= 1260.56k，對 于Landsat 7 ETM+，K1= 666.09W / （m-2×sr-1×μm-1），K2= 1282.71k， 對 于Landsat 8 OLI_TIRS，K1= 774.8853W / （m-2×sr-1×μm-1），K2= 1321.0789k。

2.3綠地冷島強(qiáng)度計(jì)算

中尺度綠地冷島強(qiáng)度計(jì)算多采用緩沖區(qū)，用緩沖區(qū)范圍內(nèi)平均溫度與研究地范圍內(nèi)平均溫度差值代表冷島強(qiáng)度值，計(jì)算公式如下[18]：

其中To是指距研究區(qū)綠地500m范圍緩沖區(qū)內(nèi)的平均溫度，多以不透水下墊面為參考地，Ti則是指研究地內(nèi)平均溫

由部分年份四季熱島強(qiáng)度對比分布情況可知（圖6），各季節(jié)熱島現(xiàn)象均較為顯著。其中，夏季7月熱島強(qiáng)度最大，研究區(qū)內(nèi)最高溫度可達(dá)54.39℃，平均溫度明顯低于緩沖區(qū)，但冬季1月熱島強(qiáng)度最低，研究區(qū)內(nèi)最低溫度可達(dá)3.79℃，研究區(qū)與緩沖區(qū)平均溫度基本一致，此時綠地呈現(xiàn)非“冷”島現(xiàn)象。對于這種變化情況，相關(guān)研究也表明[19]，冷島效應(yīng)夏季為正效應(yīng)居多，冬季一般為負(fù)效應(yīng)，與文章研究結(jié)果一致。

圖6 2010～2021年部分研究區(qū)與緩沖區(qū)600m范圍四季地表溫度情況

由多幀影像計(jì)算獲得多年份綠地冷島強(qiáng)度，將多幀影像結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖（圖7）可知2010～2021年綠地冷島強(qiáng)度累年變化情況，10年間綠地冷島強(qiáng)度年周期變化情況非常明顯，全年綠地冷島強(qiáng)度變化區(qū)間為-0.5℃～1.8℃，整體趨勢較為平緩，曲線“波峰“出現(xiàn)在春末夏初時節(jié)，接近6月，冷島強(qiáng)度達(dá)1.8℃；而“波谷”出現(xiàn)在寒冷冬季，接近為2月，冷島強(qiáng)度達(dá)-0.5℃，可見綠地冷島效應(yīng)確實(shí)呈現(xiàn)“夏冷冬暖，夏強(qiáng)冬弱”的周期性變化，部分季節(jié)呈現(xiàn)局部熱島現(xiàn)象。

圖7 2010～2021年時間與逐月綠地冷島強(qiáng)度變化關(guān)系

在描述年變化周期基本趨勢前提下，進(jìn)一步分析時間與冷島強(qiáng)度間周期性特征。通過對比多種函數(shù)模型擬合結(jié)果及參考同類型研究[20，21]后，結(jié)果得知冷島強(qiáng)度與時間較有相關(guān)性，R方為0.62，并且可近似擬合成8階多項(xiàng)式函數(shù)，證實(shí)綠地冷島強(qiáng)度有周期性變化特征。與此同時，已有大量研究采用同類多項(xiàng)式函數(shù)模型歸納時間與熱島強(qiáng)度的關(guān)系，江學(xué)頂[20]等用多項(xiàng)式擬合熱島強(qiáng)度在不同時間尺度上變化，楊沈斌[21]等學(xué)者曾在2010年用多項(xiàng)式擬合城市熱島強(qiáng)度季節(jié)性變化曲線。以上研究結(jié)果與本文研究采用函數(shù)模型一致，多項(xiàng)式函數(shù)的極值到達(dá)一定范圍之后不再增加，或保持穩(wěn)定，或會降低，較符合綠地降溫機(jī)制，是較為理想的解釋模型，研究結(jié)果具有較強(qiáng)說服力。

為深入探究綠地冷島強(qiáng)度年周期變化，文章對比冷島強(qiáng)度在年與月時間尺度上平均差變化情況，通過對比綠地冷島強(qiáng)度在不同時間尺度上平均差值增減快慢情況深入分析綠地冷島強(qiáng)度周期性變化規(guī)律。各季節(jié)綠地冷島強(qiáng)度平均溫度變化趨勢（圖8）表明，各季節(jié)綠地冷島效應(yīng)均有明顯周期性變化，且不同季節(jié)冷島強(qiáng)度變化具體表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，其中夏季6～7月冷島強(qiáng)度最大，秋季9月與春季4月次之，冬季最弱，2月呈現(xiàn)略微“增溫”效應(yīng)。同時，不同季節(jié)冷島強(qiáng)度月平均溫度差值變化（圖8）也表明綠地冷島強(qiáng)度有較顯著周期性變化，差異大小依次是夏季＞春季＞秋季＞冬季，夏季6～7月冷島強(qiáng)度最大，春季4月與秋季9月次之，冬季呈現(xiàn)熱島效應(yīng)。該結(jié)果與Chang[6]、Sun[19]、張俊艷[22]等學(xué)者研究結(jié)論也較一致，均表現(xiàn)為夏季降溫效果最為明顯，冬季呈現(xiàn)微弱“增溫”效應(yīng)。

圖8 2010～2021年各季節(jié)綠地冷島強(qiáng)度平均溫度變化與月平均溫度差變化

3.2 綠地冷島效應(yīng)的“增溫”現(xiàn)象

文章通過研究還發(fā)現(xiàn)綠地在部分季節(jié)呈現(xiàn)“增溫”現(xiàn)象，其中圖9紅色部分為綠地呈現(xiàn)“增溫”效應(yīng)的季節(jié)，原因主要在于：

圖9 綠地“增溫”效應(yīng)

其一，與植被覆蓋度和葉面積指數(shù)相關(guān)。研究區(qū)內(nèi)夏季落葉大喬木居多，代表樹種有法梧（Platanus acerifolia）、水 杉（Metasequoia glyptostroboides）與 三 角 楓（Acer buergerianum Miq.）等，數(shù)量高達(dá)973余株，產(chǎn)生極強(qiáng)光合作用與蒸散作用，致使夏季冷島強(qiáng)度達(dá)到峰值1.8℃。而冬季研究地內(nèi)雖有桂花（Osmanthus fragrans (Thunb.) Loureiro）、女貞（Ligustrum lucidum Ait.）與欏木石楠（Photinia bodinieri Lévl.）等常綠樹種，數(shù)量較多，但冬季綠地仍然發(fā)揮“增溫”作用，原因在于此時研究地內(nèi)植被覆蓋度達(dá)到全年最低，落葉植物葉面積指數(shù)幾乎為零，此時植被覆蓋減少造成歸一化植被指數(shù)降低，大量低反射率不透水表面暴露，吸收較多太陽輻射，在場地聚集較多熱量[6，20]，導(dǎo)致冬季綠地反而“增溫”。同時，既往研究也表明冬季植被覆蓋度與冷島強(qiáng)度具有正相關(guān)性[20]，葉面積指數(shù)與地表溫度存在負(fù)相關(guān)性[23，24]，也是解釋綠地部分季節(jié)呈現(xiàn)“增溫”效應(yīng)的理由。

其二，伴隨周圍環(huán)境下墊面土地類型的變化，2010～2021年歸一化植被指數(shù)呈現(xiàn)“先增后減”的變化趨勢（圖10），也可解釋綠地為何出現(xiàn)局部“增溫”效應(yīng)。由于受到綠地冷島強(qiáng)度年際變化影響，該綠地在夏季雖能發(fā)揮較強(qiáng)降溫作用，但因周圍建成環(huán)境下墊面類型發(fā)生變化（圖11），該綠地在年周期上呈現(xiàn)“熱島”效應(yīng)，因而兩者變化趨勢有所差異。

圖10 2010～2021年研究區(qū)與緩沖區(qū)歸一化植被指數(shù)變化

圖11 合肥市瑤海區(qū)花沖公園谷歌衛(wèi)星航片

其三，由衛(wèi)星航片對比（圖11，紅色虛線框表示植被覆蓋發(fā)生變化的區(qū)域）分析可知，該地塊處于城市發(fā)展相對穩(wěn)定的區(qū)域，且近年來該范圍未曾有過大規(guī)模城市建設(shè)活動，由于周圍綠化率提升，導(dǎo)致冷島強(qiáng)度絕對差值相應(yīng)不再顯著；另外，周圍環(huán)境熱島效應(yīng)加劇，這也是導(dǎo)致綠地呈現(xiàn)“增溫”效應(yīng)的潛在原因[23，24]。

雖然既往針對綠地降溫效應(yīng)研究頗多，但從長時間尺度來看，綠地并非全年呈現(xiàn)降溫作用，部分季節(jié)會出現(xiàn)“增溫”作用，這對綠地冷島效應(yīng)周期性變化影響較大。Chang[6]等研究人員早在2007年提出“熱島公園”，并預(yù)測植被覆蓋與樹冠密度是可能的影響因素。學(xué)者張俊艷[22]等則依據(jù)城市公園不同季節(jié)降溫效應(yīng)進(jìn)一步將公園分為“四季綠島”（四季均呈現(xiàn)降溫）、“夏秋綠島”（只有夏季與秋季降溫）以及“夏季綠島”（只有夏季降溫）。由此可見，伴隨研究深入與發(fā)展，學(xué)者們對綠地“增溫”效應(yīng)的認(rèn)知逐漸客觀，有學(xué)者通過研究證實(shí)綠地通過蒸散作用，對周邊環(huán)境溫濕度起到季節(jié)性與周期性調(diào)節(jié)作用，具有“冬暖夏涼”特征[25]，與本文探究的綠地具有“增溫”作用有異曲同工之處。

綜上所述，從縱向年時間尺度來看，2010～2021年綠地冷島強(qiáng)度整體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。大量研究已表明城市化進(jìn)程、土地?cái)U(kuò)張、下墊面材質(zhì)改變及其他社會經(jīng)濟(jì)因素等均對綠地冷島強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度影響[26]，但本文綠地呈現(xiàn)局部“增溫”效應(yīng)的原因如下：其一是研究區(qū)內(nèi)冬季植被覆蓋減少，其二是周圍環(huán)境綠化覆蓋率提升造成溫差減小，與既往研究結(jié)論較有區(qū)別。從橫向季節(jié)時間尺度來看，2010～2021年綠地冷島強(qiáng)度各季節(jié)變化特征呈現(xiàn)“夏冷冬熱，夏強(qiáng)冬弱”的趨勢?？偠灾G地冷島效應(yīng)在較短時間尺度內(nèi)，通過合理搭配植物季相與協(xié)調(diào)下墊面比例和結(jié)構(gòu)，即可充分發(fā)揮其周期性變化特征，但從長時間尺度上看，仍難起到較大作用。因此，如何在城市化進(jìn)程加快的同時從長時間尺度上確保綠地充分發(fā)揮冷島效應(yīng)，解決城市主動式降溫需求，仍是亟需解決的問題。

4 針對綠地冷島效應(yīng)年周期變化特征的設(shè)計(jì)建議

全球變暖背景下，長時間尺度城市熱效應(yīng)年周期變化研究可全面捕捉綠地冷島效應(yīng)變化的現(xiàn)象性，從而更加客觀全面地概括綠地冷島效應(yīng)年周期變化規(guī)律，使得研究結(jié)果不僅更具科學(xué)性，也有可預(yù)測性。同時，伴隨對城市綠地?zé)嵝?yīng)研究不斷深入，長時間尺度年周期研究可探究城市綠地冷島效應(yīng)時間尺度變化作用機(jī)制及影響因素，從而更加全面深入地認(rèn)識綠地冷島效應(yīng)?；谏鲜鏊芯孔C實(shí)的城市綠地冷島效應(yīng)呈現(xiàn)“夏冷冬熱，夏強(qiáng)冬弱”的年周期變化特征，文章從城市熱環(huán)境改善、節(jié)能減排及城市景觀優(yōu)化三方面分別提出相關(guān)設(shè)計(jì)意見與參考。

4.1 城市熱環(huán)境改善

城市綠地冷島效應(yīng)年周期變化具體表現(xiàn)為綠地冷島效應(yīng)的季節(jié)性變化。而不同季節(jié)綠地冷島效應(yīng)對城市熱環(huán)境改善會起到協(xié)同或拮抗作用。因而，以年或累年為時間單位可較全面研究綠地?zé)嵝?yīng)對城市熱環(huán)境改善。

在綠地規(guī)劃布局中，有季節(jié)性變化的植被結(jié)構(gòu)和下墊面類型可極大發(fā)揮綠地夏季降溫作用。同時，選擇冠幅大和植被覆蓋度密集高的植物組團(tuán)也可極大緩解夏季城市高溫。已有研究者指出，溫帶氣候中落葉植被擁有讓周圍環(huán)境更好地接收太陽輻射和對周圍環(huán)境進(jìn)行加熱的條件，落葉樹是改善冬季微氣候的合適選擇，因而相對于常綠喬木，夏熱冬冷地區(qū)更喜用落葉喬木，這種偏好既可提升夏季熱舒適又可改善冬季低溫[27]。

此外，合理設(shè)計(jì)緩沖區(qū)內(nèi)綠地布局，保持良好通風(fēng)，提高緩沖區(qū)內(nèi)綠地對冷島效應(yīng)的擴(kuò)散作用，可充分發(fā)揮綠地冷島效應(yīng)“夏冷冬暖”的年周期特征。緩沖區(qū)內(nèi)綠地布局方向應(yīng)盡量與城市主導(dǎo)風(fēng)向平行。同時，緩沖區(qū)內(nèi)采用集中式綠地布局方式，可極大提高綠地冷島擴(kuò)散效率。研究表明，冷島擴(kuò)散的緩沖區(qū)內(nèi)采用集中式綠地布局，其降溫效率大于緩沖區(qū)中采用分散式綠地布局，有效提高通風(fēng)效率。緩沖區(qū)周邊區(qū)域樹種選擇也應(yīng)充分考慮季相變化，最大程度發(fā)揮冷島年周期變化特征，使城市綠地主動發(fā)揮“夏季主動降溫，冬季主動保溫”的作用[28]。 對城市規(guī)劃布局而言，城市不同功能分區(qū)因使用功能、下墊面材質(zhì)結(jié)構(gòu)和人為熱差異對城市地表溫度情況有不同影響，研究表明，城市地表溫度穩(wěn)定性受不同城市功能區(qū)復(fù)雜性和連接性的影響，因而對城市規(guī)劃管理而言，量化不同城市功能區(qū)組團(tuán)中不透水下墊面和植被組團(tuán)面積的比例，可為城市規(guī)劃者和管理者利用微氣候創(chuàng)造熱舒適適宜和能源低耗的景觀設(shè)計(jì)提供參考[19]。

合理利用綠地?zé)嵝?yīng)對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響對場地的季節(jié)性設(shè)計(jì)較有優(yōu)勢。場地使用者因季節(jié)性差異而對熱舒適度需求不同，規(guī)劃設(shè)計(jì)者可借用綠地夏季降溫與冬季“增溫”靈活布置活動場所[22]，對活動場地夏季采取遮陽處理，冬季發(fā)揮綠地“保溫”作用。冬季落葉樹種葉面積密度幾乎為零，此時公園整體植被覆蓋度為全年最低，較低溫度導(dǎo)致植物蒸騰作用與遮陽作用較弱，而草地與不透水表面吸收大量太陽輻射使得公園具有“保溫”效用，因此草地與不透水表明占比較大的公園可考慮布置使用者行為活動區(qū)，從而提高冬季場地使用者出行活動熱舒適性。學(xué)者張俊艷曾[22]提出當(dāng)冬季園內(nèi)草地與不透水表面占比之和超過80%時公園會成為城市“熱島”中心。規(guī)劃設(shè)計(jì)者可參考類似指標(biāo)對園路鋪裝類型進(jìn)行合理初步設(shè)計(jì)。

4.2 節(jié)能減排

從長時間尺度來看，綠地?zé)嵝?yīng)變化特征符合能量守恒，地表接收太陽熱量的季節(jié)性差異導(dǎo)致地表溫度起伏，其必然經(jīng)歷“由冷到熱”至“由熱到冷”變化過程。由于研究時間尺度進(jìn)一步拓展，綠地?zé)嵝?yīng)變化特征更為全面。因而，綠地冷島強(qiáng)度周期性變化的根源在于能量守恒。太陽輻射帶來短波輻射的季節(jié)性變化進(jìn)而影響綠地植被降溫增濕作用發(fā)揮，這對城市節(jié)能減排、空調(diào)使用與建筑能耗等方面有極大緩解作用。相關(guān)研究證實(shí)，一棵孤植大樹可代替以圍護(hù)結(jié)構(gòu)為主的建筑進(jìn)行夏季降溫增濕與冬季保暖，大型綠地則對其周圍建筑區(qū)有降溫影響，從而緩解城市熱島效應(yīng)產(chǎn)生的壓力[29]。該研究還表明，綠地和植被可為城市主動降溫，一定程度上可主動緩解城市因空調(diào)使用帶來的極大能耗[29]。還有研究指出，公園內(nèi)多植高大喬木可增大粗糙度，從而增加湍流強(qiáng)度，有利于公園內(nèi)小尺度對流作用，具有高大樹冠的城市公園白天可進(jìn)行最大程度降溫[27]，最大可降低3.5℃[29]。而對綠地冷島效應(yīng)年周期性變化而言，使得綠地降溫作用季節(jié)性差異最大化可極大優(yōu)化綠地主動降溫。孤植樹、有大樹冠的公園綠地，以及合理比例的“喬+草”植被垂直結(jié)構(gòu)，都可以增大冷島效應(yīng)季節(jié)化差異。對綠地自身而言，多植落葉樹種與季相分明的樹種，也使冷島效應(yīng)季節(jié)化差異更加鮮明。

相關(guān)研究還曾提出利用綠地葉面積密度和城市溫度呈反比關(guān)系以構(gòu)建回歸方程，規(guī)劃設(shè)計(jì)者能夠預(yù)測城市森林樹冠密度變化規(guī)律對城市地表溫度的影響，該研究也已證實(shí)城市葉面積密度在調(diào)節(jié)城市熱島方面的作用[23]。因而對城市規(guī)劃者而言，綠地冷島強(qiáng)度周期性變化及其影響因素變化情況，對預(yù)測將來城市地表溫度變化趨勢較有作用，采用多變量數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型可進(jìn)行有效預(yù)測。

4.3 城市景觀優(yōu)化

從植物物候角度來說，綠地冬季“增溫”作用可能會影響植物的生長周期。例如冬季時節(jié)對處于綠地冷島中心的植物而言，過冷將導(dǎo)致植物提前進(jìn)入休眠期，春季物候滯后；而處于綠地“熱島”中心的植物，過熱將導(dǎo)致植物春季物候提前，芽期或花期提前等現(xiàn)象[28]。不同類型植物對溫度的敏感程度也不同，這對城市引種馴化培育樹種而言是大有裨益的，不耐寒的植物可種植于綠地“熱島”中心，利用綠地冬季“保溫”作用使植物溫暖過冬。同時，充分發(fā)揮植物物候?qū)釐u效應(yīng)的感知，對未來觀測全球變暖趨勢有預(yù)測與預(yù)警作用。

對夏熱冬冷地區(qū)的植物而言，因夏熱冬冷地區(qū)氣候四季分明，植物生長發(fā)育對環(huán)境溫度、濕度及太陽輻射等需求較其他氣候類型地區(qū)更為敏感，氣候變化更容易影響此地區(qū)植物開花期與展葉期，相鄰物候期變化時間的快慢可反映植物受城市熱島的影響程度。植物物候期的前置或滯后對城市景觀而言可能較有優(yōu)勢，豐富城市景觀季相性變化，其他氣候區(qū)各類物種適宜生活的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，因而可引入其他地區(qū)物種以豐富本地區(qū)物種。例如，安徽地區(qū)常見的木蘭屬和含笑屬植物是較早從北方秦皇島和沈陽一帶引入的耐低溫植物[30]。來自熱帶的加拿利海棗（P. canariensis）在種源研究與引種技術(shù)的支持下成為長江以南園林綠化常用樹種[31]。但對植物生長和生態(tài)系統(tǒng)而言，也存在一定程度不足。氣候變化帶來溫濕度改變進(jìn)而影響干旱和降水到來的時間，對種子傳播不易的喬木而言，氣候變化影響其物種變遷，進(jìn)而造成該地區(qū)森林生態(tài)多樣性降低[32]。

結(jié)論與展望

長時間尺度綠地冷島效應(yīng)研究更容易全面概括綠地?zé)嵝?yīng)變化特征的規(guī)律性，也具有較高穩(wěn)定性與可預(yù)測性。文章主要研究結(jié)論如下：

①夏熱冬冷地區(qū)城市綠地冷島效應(yīng)存在顯著年周期變化特征，該變化特征主要表現(xiàn)為“夏冷冬熱，夏強(qiáng)冬弱”，各季節(jié)冷島強(qiáng)度大小依次為夏季＞秋季＞春季＞冬季；

②綠地并非四季均呈現(xiàn)降溫作用，部分季節(jié)會有“增溫”作用，并且該作用需被客觀對待；

③研究證實(shí)了城市綠地冷島效應(yīng)存在年周期變化特征，補(bǔ)充了當(dāng)下研究冷島效應(yīng)時間尺度變化特征的不足，既為長時間尺度微氣候數(shù)值模擬提供可行性依據(jù)，又對未來城市綠地設(shè)計(jì)可提供參考與指導(dǎo)。

但本文仍然存在一定問題與局限：

①文章由于遙感影像數(shù)據(jù)采集較少，可能導(dǎo)致呈現(xiàn)的周期性變化特征不明顯，時間與冷島強(qiáng)度相關(guān)性也僅有0.62；

②文章也沒有對比多種時間函數(shù)模型擬合差異，對于規(guī)律概括可能不夠貼切，未來研究有待進(jìn)一步提升；

③文章僅選擇一個研究樣本，未考慮不同形狀指數(shù)或其他綠地類型公園，未來研究中可考慮不同形狀指數(shù)與不同綠地類型對公園冷島效應(yīng)年周期變化影響；

未來在進(jìn)行冷島效應(yīng)長時間尺度研究時，既可分析綠地冷島效應(yīng)年周期變化特征影響因素，力求在規(guī)劃設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮這一特征，也可研究處于冬季綠地“增溫”中心的植被生長發(fā)育特征，為夏熱冬冷地區(qū)城市植物物候?qū)ξ磥沓鞘行夂蜃兓酥寥驓夂蜃兣厔莸捻憫?yīng)提供早期預(yù)警。

圖、表來源

圖6：分類體系使用GEE，并根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行繪制；圖11：作者通過谷歌地球截取底圖繪制；

其余圖、表均由作者自繪。

注釋

1）小波變換（Morlet Wavelet Transform）：小波變換是描述“時間與頻率”關(guān)系的函數(shù)，多用于信號波段分析，可分析在不同時間尺度下的周期振蕩情況，其研究結(jié)果相對穩(wěn)定，同時可進(jìn)一步分析各時間尺度影響發(fā)生周期性變化的各種因素，在長時間尺度大氣環(huán)境學(xué)研究中應(yīng)用較多。

2）年度溫度周期模型（Annual Temperature Cycle）：將年地表溫度周期性變化關(guān)系擬合成正弦函數(shù)，為實(shí)現(xiàn)城市級宏觀空間年時間尺度上地表溫度數(shù)值連續(xù)變化提供一種可行性方法，其優(yōu)勢在于可顯示太陽輻射對地表溫度周期性變化。

3）點(diǎn)集轉(zhuǎn)線：基于點(diǎn)創(chuàng)建研究區(qū)邊界線。

4）緩沖區(qū)分析：在輸入要素周圍某一指定距離內(nèi)創(chuàng)建緩沖區(qū)多邊形，采用歐式緩沖區(qū)計(jì)算笛卡爾表面上兩點(diǎn)之間的直線距離或歐氏距離，適合于分析投影坐標(biāo)系中要素周圍的距離，這些距離側(cè)重于相對較小的區(qū)域。5）以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)：匯總一個數(shù)據(jù)集區(qū)域內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)值并以表的形式顯示結(jié)果，如果區(qū)域輸入和值輸入均為具有相同分辨率的柵格，則可直接使用，如果分辨率不同，則可先應(yīng)用內(nèi)部重采樣以使其相一致，然后再執(zhí)行區(qū)域操作。