鐘秀惠 金荷仙 李 勝 季 睿 包澤輝

快速城市化造成了城市熱島效應，城市熱島的加劇致使人居環(huán)境產(chǎn)生諸多問題[1]。如何緩解由城市化及氣候變化導致的城市熱島效應，成為當今城市發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)[2-3]。城市公園中的綠地、水體作為一種城市景觀，能夠通過光合作用、蒸騰和蒸散作用降低地表溫度，使城市公園的溫度普遍低于周邊環(huán)境，這種降溫效應被稱為“綠洲效應”或“冷島效應”[4-7]。降溫效應的大小被稱為公園冷島效應，即公園內(nèi)部與其周邊環(huán)境的溫度差[8]。

目前國內(nèi)外相關學者已對各個城市的公園冷島效應做了大量研究。Sun等的研究結(jié)果表明，城市公園水體對降低其周邊溫度有著重要作用[9]；Jauregui在墨西哥城的研究中發(fā)現(xiàn)，綠地達到一定面積時會對周圍建筑具有降溫效應[8]；Spronke-Smith等通過研究美國加利福尼亞公園冷島效應的影響因素發(fā)現(xiàn)，草本和喬木相結(jié)合的公園其降溫效應較為明顯[10]；朱春陽等[11]通過實地監(jiān)測北京的帶狀綠地，發(fā)現(xiàn)草坪降溫效應較低，綠地郁閉度超過44%時降溫效應顯著；吳菲等[12]對北京市玉淵潭公園內(nèi)6種不同下墊面進行溫度實測，發(fā)現(xiàn)水體在一年四季均起到降溫作用；紀鵬等[13]在對城市河流寬度對溫度影響的研究中提出，河流寬度會在不同季節(jié)影響河流的降溫效應并產(chǎn)生溫度差異；肖捷穎等[14]通過研究石家莊市區(qū)公園得出公園面積在32hm2時，降溫效應最佳；楊宇翀等、張俊艷等、蘇泳嫻等[15-17]深入探討了公園特征要素、不同時間尺度及公園形態(tài)參數(shù)對城市降溫效果的影響。近幾年來，景觀生態(tài)學的發(fā)展也為城市冷島效應的研究帶來了新思路。結(jié)合景觀格局指數(shù)的3個層次可對城市冷島格局進行更為全面的描述[18-21]，并已在公園冷島效應的研究中廣泛應用[22-25]。岳文澤等通過分析上海市景觀格局的空間尺度，揭示了景觀格局具有尺度依賴性規(guī)律[26]；王海濤等對天津14個公園綠地降溫效應的相關性分析表明，公園水體越集聚，降溫效果越好[27]；江瀏光艷等對成都市小區(qū)景觀格局的研究表明，植被與硬質(zhì)地表斑塊越分散，對小區(qū)的降溫效應越明顯[28]。

多數(shù)研究僅對城市公園冷島效應的單一影響因子進行討論，缺少多因子的綜合分析，如公園冷島效應除受公園面積影響外，水體面積等其他因素是否會對其產(chǎn)生影響？公園降溫效應研究中，大多僅關注公園內(nèi)外平均溫差及公園降溫影響范圍，缺乏對降溫幅度與降溫速率的定量研究。定量分析公園降溫效應的主要影響因素，能在有限的城市土地資源供應量前提下，對城市公園進行合理布局和優(yōu)化以達到對周圍熱環(huán)境的最佳降溫效果。國內(nèi)已有研究多集中于京滬穗等城市。杭州市作為浙江省會，伴隨著城市的快速擴張和城市人口的急劇增長，城市熱環(huán)境問題突出[29]。為了更好地對杭州市城市公園冷島效應進行定量研究并分析其影響因子，本文基于Landsat8 TM影像反演杭州市地表溫度(LST)，選取杭州市城區(qū)10個公園作為研究對象，分析公園周邊整體溫度情況，從降溫范圍、降溫幅度和降溫速率3個方面定量分析杭州市城市公園降溫效應，結(jié)合3S技術及景觀格局指數(shù)方法，進一步探討公園景觀特征指數(shù)與公園冷島效應的相關性。

1 研究區(qū)概況

杭州(29°11 ′～30 ° 34 ′N，118°2′～120°37′E)是浙江省的省會城市，位于長江三角洲的南翼，同時也是長江三角洲地區(qū)的重要中心城市。近年來杭州市的平均氣溫上升明顯，極端高溫熱浪事件頻發(fā)。本文選取西湖、湘湖、八卦田公園、北山公園、東湖市民公園、六和文化公園、城北體育公園、萬向公園、采荷文化公園和景芳公園共10個公園作為研究對象(圖1，表1)。

表1 選取的10個公園信息

圖1 研究區(qū)位示意

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的遙感數(shù)據(jù)源為杭州市2013年7月13日的Landsat8 TM遙感影像數(shù)據(jù)和高分一號(GF-1)遙感影像數(shù)據(jù)，圖像質(zhì)量良好，無云，地面特征清晰，圖像干擾較少(圖2)。影像數(shù)據(jù)處理采用遙感圖像處理軟件平臺ENVI，以及地理信息系統(tǒng)軟件平臺ArcGIS 10.3。

圖2 2013年杭州市局部地表溫度

2.2 研究方法

1)地表溫度反演預處理。

地表溫度反演是根據(jù)輻射傳輸方程法進行演算[30]，利用熱紅外通道輻射值對溫度進行反演，地表溫度的計算公式為：

T=K2/ln[K1/B(t)+1]

式中，K1、K2為系數(shù)；B(t)為黑體熱輻射亮度。

冷島強度方向的分析主要利用ArcGIS中的熱點分析工具和標準差橢圓工具等。選取具有代表性的西湖、湘湖、景芳公園和采荷文化公園4個公園，計算公園內(nèi)及其990m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的冷熱點，提取冷源點(Gi_Bin字段為-1～-3)并利用標準差橢圓進行公園冷島效應方向性分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)地表溫度反演結(jié)果，結(jié)合繪取的10個公園面域圖(ArcGIS shp文件)，以10個公園為中心，在ArcGIS 10.3中以公園為中心作半徑為30m的緩沖區(qū)，向外生成33個多級緩沖區(qū)，并通過疊置分析得出公園和各個緩沖帶的地表溫度。以公園周邊緩沖帶內(nèi)平均溫度與公園內(nèi)部平均溫度之差(△T)為因變量，緩沖帶與公園邊界的距離(L)為自變量，進入SPSS中回歸分析得到方程，分析10個公園對周邊環(huán)境的降溫影響范圍，并進一步分析公園降溫效應(降溫范圍、降溫幅度、降溫效率)與公園內(nèi)各類地物的相關性。在ENVI中對GF-1影像進行研究區(qū)范圍裁剪，由于公園的尺度較小，故將地類歸并為不透水面、植被和水體3類。研究技術流程如圖3所示。利用ArcGIS與Fragstats工具定量描述城市公園的景觀特征，分析其與公園對周邊環(huán)境降溫效應之間的關系。

圖3 技術流程

3 結(jié)果與分析

3.1 各公園地表溫度特征分析

由于杭州市城區(qū)公園周邊多有水系穿插，同時高大樓房等建筑物的陰影和公路兩邊綠化帶等都會對地表溫度產(chǎn)生一定影響，因此在提取10個公園的周邊溫度時，結(jié)合高分辨率影像鑒別公園周邊環(huán)境對溫度影響因素較少的區(qū)域并提取溫度點，以減小在分析公園對周邊環(huán)境降溫效應過程中的誤差。通過提取各公園平均溫度(表2)和公園各緩沖帶內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，利用梯度差方法算出溫差(△T)，并以其為因變量，以公園周邊溫度點遠離公園邊界點的距離(L)為自變量，計算得出如下擬合分析結(jié)果(圖4)。1)公園均具有明顯冷島效應，體現(xiàn)在公園較周邊環(huán)境平均溫度低，并對一定范圍內(nèi)的周邊環(huán)境起明顯降溫作用，但不同公園的降溫范圍存在差異，其中西湖的降溫范圍最大，達到690m，萬向公園最小，僅120m。2)不同公園在一定范圍內(nèi)L和△T存在規(guī)律性變化，公園△T隨L的增加先大幅上升后逐漸呈回落趨勢，但圖4中顯示幾處公園曲線變化異常，如八卦田公園與其他公園變化趨勢存在明顯差異。進一步發(fā)現(xiàn)，八卦田公園靠近錢塘江，剛開始公園對周邊環(huán)境表現(xiàn)出明顯的降溫效應，隨著外圍緩沖帶逐漸靠近錢塘江，周邊環(huán)境溫度不升反降，表明錢塘江作為另一處“冷源”影響了溫度變化，也間接反映了水體對周邊環(huán)境具有降溫效應。城北體育公園和景芳公園附近有交叉水系，導致溫度變化不穩(wěn)定，但總體仍呈現(xiàn)出公園對周邊熱環(huán)境的降溫效應。3)同一公園不同緩沖帶的降溫幅度不同，總體先隨距離增加而增大，后逐漸趨于穩(wěn)定。西湖與其630m緩沖帶出現(xiàn)了15.8℃的最大溫差，其次是八卦田公園與其360m緩沖帶出現(xiàn)了14.5℃的最大溫差，各公園中溫差最小的是景芳公園，在270m緩沖帶出現(xiàn)了2.0℃的最大溫差。溫差較小的公園其普遍特點是面積較小、水體較小或無水體，因此降溫范圍較小。

圖4 公園對周圍熱環(huán)境的降溫效應

不同公園內(nèi)部平均溫度存在差異(表2)，其中西湖溫度最低，為29.67℃，景芳公園溫度最高，為44.39℃，相差近15℃。為探究公園平均溫度與公園內(nèi)部景觀構成之間的關系，以公園平均溫度為自變量，公園內(nèi)部各類景觀構成面積為因變量作擬合分析。由圖5可知，公園平均溫度與公園內(nèi)水體面積的R2為0.604 4，相關性較顯著；與綠地面積的R2為0.530 5，相關性不顯著；與不透水面面積的R2為0.315 3，相關性較弱。水體面積在20hm2以上(西湖、湘湖)的公園內(nèi)部溫度顯著降低；綠地面積在30hm2以上(西湖、北山公園、湘湖)的公園內(nèi)部溫度顯著降低；無水體的公園(萬向公園、景芳公園)內(nèi)雖有綠地，但公園溫度明顯高于其他有水體的公園，因此營造公園舒適小氣候時要考慮水體和綠地的配置，可適當增加水體與綠地的面積。

圖5 公園平均溫度與內(nèi)部景觀構成的相關性分析

表2 公園內(nèi)部平均溫度

3.2 公園冷島效應的定量分析

由圖4可知，不同公園對周邊自然環(huán)境的降溫效應不同。本文綜合選取水體比例、綠地比例、不透水面比例及公園面積等因子，分析其與公園降溫范圍、降溫幅度和降溫速率之間的關系。

由圖6降溫范圍a～d可知，公園面積與降溫范圍相關性最顯著，擬合決定系數(shù)R2為0.727 5，其次是綠地比例，R2為0.397 4，其他因素與降溫范圍的相關性較弱。公園降溫范圍隨著公園面積的增加而增大，后逐漸趨于平緩，說明公園面積較大時，公園對周圍熱環(huán)境的降溫范圍也會相應增大，但公園面積達到100hm2左右時，降溫范圍不再增大；綠地比例在40%左右時降溫范圍最大。

由圖6降溫幅度e～h可知，公園降溫幅度與公園面積相關性最顯著，R2為0.909 8，水體比例與降溫幅度的相關性也較高，R2為0.768 7。降溫幅度隨著公園面積的增加而增大，隨著水體比例的增加而增大，隨著不透水面比例的增加而降低，但隨綠地比例的增大呈先增后降趨勢，說明公園內(nèi)并不是綠地比例越大對周圍環(huán)境降溫幅度越好，綠地比例在40%左右為佳。

由圖6降溫速率i～l可知，不透水面比例與公園降溫速率相關性較強，R2為0.775 2，其次是水體比例，R2為0.589 6。擬合結(jié)果顯示，公園降溫速率隨著不透水面比例的增加而減小，隨著水體比例的增加而增大，因此適當減少公園內(nèi)不透水面的比例，可使公園對周邊自然環(huán)境的降溫效率更顯著。

圖6 降溫效應相關性因素分析

通過以上分析可知，公園對周邊熱環(huán)境的降溫效應不是由單一因子決定的，各個因子間會互相影響且影響程度不同。由于西湖、八卦田公園和北山公園的面積及水體比例優(yōu)勢顯著，因此降溫效應較顯著；在10個公園中，西湖面積和水體比例最大，萬向公園面積最小且無水體，西湖與萬向公園的降溫范圍差值達570m；湘湖面積與水體比例僅次于西湖，但降溫效應卻不如北山公園和八卦田公園，針對該異常情況分析其原因發(fā)現(xiàn)，在湘湖(長條形)較長邊兩側(cè)均有大片林地，雖然湘湖內(nèi)平均溫度比周圍環(huán)境低(水體比例較高，降溫效應顯著)，但由于兩側(cè)林地會影響湘湖外圍緩沖區(qū)的地表溫度，使之低于其他區(qū)域的地表溫度，這在一定程度上影響了湘湖對周邊熱環(huán)境的降溫效應。已有研究表明，城市公園周邊景觀格局與公園本身冷島效應存在密切聯(lián)系，西湖、八卦田和湘湖等公園周邊均有較大面積的山林，亦會作為另一冷源增強樣本公園的冷島效應，而其增強的程度還有待進一步的研究驗證。

3.3 景觀格局指數(shù)分析

已有研究表明，景觀指數(shù)與熱環(huán)境存在一定的相關性[31-33]。本節(jié)利用SPSS軟件的相關分析法探討公園內(nèi)部景觀指數(shù)與公園地表溫度之間的相關性。選取最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀分離度(DIVISION)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和景觀分散指數(shù)(SPLIT)4個景觀特征指標(表3)與公園地表溫度進行相關性分析。結(jié)果表明(表4)，綠地SPLIT與地表溫度呈顯著負相關(P＜0.05)，說明植被斑塊越細化、在空間上分布越分散，公園內(nèi)地表溫度越低；綠地LSI與地表溫度呈顯著負相關(P＜0.05)，說明綠地斑塊形狀越復雜，對公園內(nèi)降溫效果越好。水體LSI與地表溫度呈顯著負相關，說明公園內(nèi)水體斑塊形狀越簡單，公園降溫效應越弱；水體SPLIT與地表溫度呈顯著正相關(P＜0.05)，說明公園內(nèi)水體的分散分布不利于公園的降溫效應。不透水面LSI與地表溫度呈顯著負相關(P＜0.05)，不透水面SPLIT與地表溫度呈負相關(P＞0.05)，說明不透水面斑塊形狀越不規(guī)則、斑塊越集中，地表溫度越高。而景觀LPI指數(shù)與公園地表溫度均未表現(xiàn)出顯著的相關性關系(P＞0.05)。

表4 選取的景觀指數(shù)定義

表5 公園內(nèi)部景觀指數(shù)與溫度的相關性

3.4 公園冷島強度的方向性分析

從10個公園中選取面積較大且有水體的西湖和湘湖、面積較小且無水體的景芳公園，以及面積較小且有水體的采荷文化公園，在ArcGIS中進行冷熱點分析后引入標準差橢圓工具進行冷島方向的研究。由圖7可知，橢圓1的扁率比略大于橢圓2，說明緩沖區(qū)內(nèi)的冷島強度方向相較于公園內(nèi)不明顯。長軸方向是冷島強度的主導方向，西湖內(nèi)部的冷島強度方向(橢圓1)與其990m緩沖區(qū)范圍內(nèi)(橢圓2)的冷島方向均偏東北—西南方向，園內(nèi)冷島強度方向主要指向水體集中區(qū)域，水體周圍的溫度普遍低于林地周圍的溫度。由圖8可知，橢圓3和橢圓4的冷島強度方向幾乎一致，沿著湘湖水體長軸方向偏東北—西南方向。湘湖內(nèi)除少量綠化外幾乎全為水體，長軸兩邊的緩沖區(qū)內(nèi)多為綠地，水體零星分布，周邊多為低矮建筑物，但湘湖緩沖區(qū)內(nèi)冷島方向強度仍與公園內(nèi)方向大體一致。

圖7 西湖冷島強度方向

圖8 湘湖冷島強度方向

景芳公園面積為6.11hm2，園內(nèi)無水體，采荷公園面積為3.33hm2，園內(nèi)有水體。由圖9可知，景芳公園內(nèi)部冷島強度方向性指向不明顯，同時由于公園周邊存在高層建筑，因此緩沖區(qū)內(nèi)冷島方向指向性也不明顯，主要冷島強度出現(xiàn)在緩沖區(qū)范圍內(nèi)的大面積水體區(qū)域。由圖10可知，采荷公園的冷島強度方向與緩沖區(qū)內(nèi)一致(橢圓7與橢圓8重合)，冷島強度方向偏西。因緩沖區(qū)范圍內(nèi)有其他公園和高層建筑，且公園內(nèi)過小的水體面積對冷島強度方向分布無明顯影響，說明高層建筑會影響公園冷島強度的主導方向，該結(jié)論與已有研究[34]結(jié)論一致。

圖9 景芳公園冷島強度方向

圖10 采荷公園冷島強度方向

4 結(jié)論與討論

通過分析公園面積、綠地比例、水體比例和不透水面比例對公園冷島效應的影響，得出如下結(jié)論。

1)10個公園的平均地表溫度均低于其周邊環(huán)境地表溫度，說明公園都起到了冷島作用。城市公園冷島效應受多因素影響，公園溫度隨著公園面積的增加而降低。公園地表溫度與公園水體面積的相關性相對顯著，與公園綠地面積相關性相對不顯著，與不透水面面積的相關性相對較弱。公園地表溫度隨著公園內(nèi)不透水面面積的增加而升高，在10個公園中有4個公園溫度在40℃以上，其中景芳公園不透水面占比最大，溫度最高。

2)在對公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與公園降溫效應進行相關性分析的過程中發(fā)現(xiàn)，公園面積與降溫范圍的相關性相對最為顯著，其中西湖對周邊環(huán)境的降溫效應最明顯，降溫范圍達到690m，降溫幅度為16℃；而萬向公園對其周邊環(huán)境的冷島作用較弱，降溫范圍為120m，降溫幅度為2℃。公園降溫范圍曲線隨著公園面積的增加而增大，后逐漸趨于平緩，說明公園的降溫范圍存在閾值。對比西湖與湘湖，西湖公園面積較大，湘湖水體比例較大，二者公園內(nèi)部溫度相近，隨著公園面積和水體比例的增大，公園的冷島效應達到閾值：當公園面積達到100hm2左右，公園冷島效應相對較佳；當水體比例達到30%以上，公園降溫速率顯著上升；當公園不透水面比例低于20%，降溫速率較明顯。分析相關研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的城市公園發(fā)揮明顯冷島效應時的閾值存在差異。例如，對廣州[17]、北京[32]等城市公園的研究發(fā)現(xiàn)，公園面積達54hm2左右時，公園降溫效應的增加逐漸減緩；鄭州市公園綠地在20hm2左右時具有較高冷島強度[21]。而當公園面積低于2hm2時，大多數(shù)公園的冷島效應不明顯。這是由于不同城市公園的經(jīng)緯度存有差異，各城市的氣候類型也不同，且公園內(nèi)部的景觀組成比例、形狀和排布等也不盡相同，均在一定程度上影響著公園的降溫效應。此外，也有研究表明，風可借助城市通風廊道帶走城市中的部分熱量，因此城市中良好的空氣流通條件也能對緩解熱環(huán)境起到積極作用[35-36]。城區(qū)用地緊缺，建設公園時多有面積限制，若要使公園對周邊熱環(huán)境降溫范圍達到最佳，在規(guī)劃建設時建議適當增加水體比例，其次增加綠地比例，適當減少不透水面，同時也需要考慮城市通風廊口的規(guī)劃設計，避免過高過密的建筑造成擋風弊端。

景芳公園和萬向公園內(nèi)部平均溫度分別為44.39和42.47℃，而八卦田公園和六和文化公園內(nèi)部平均溫度分別為35.17和34.49℃，由此可見，有水體的公園的降溫幅度和降溫范圍均比沒有水體的公園大，此發(fā)現(xiàn)與高玉福等[37]的研究結(jié)論一致。湘湖內(nèi)部溫度為31.41℃，北山公園內(nèi)部溫度為35.46℃，二者面積相近，而湘湖的水體比例高于北山公園，說明水體比例與降溫幅度和降溫速率的相關性均大于綠地比例。與水體相比，綠地對公園冷島效應的影響較小，表明熱容量更大的水體比熱容量小的綠地對周邊區(qū)域的降溫效果更顯著[38]。水體和綠地兼具的公園比下墊面種類單一的公園溫度低[39]，且水體和綠地要達到一定面積時才會產(chǎn)生明顯的冷島作用。

馮曉剛等[40]、陳愛蓮等[41]、李瑤等[25]亦得出公園面積及水體比例對公園冷島效應的影響程度比綠地明顯；也有部分學者指出，雖然水體比例在很大程度上影響著公園的地表溫度，但公園面積及綠地覆蓋度才是影響公園地表溫度的主要因子[42]。而當水體比例高于30%時，公園降溫效應整體相對較佳，這一結(jié)論與前人研究結(jié)論一致。由于公園冷島效應受到多方面因素的影響，研究樣本所在區(qū)域及選取數(shù)量的不同均會導致結(jié)論存在差異，因此以上結(jié)論仍有待深入探究。

3)公園景觀特征指數(shù)對地表溫度具有顯著影響[37]。綠地和水體斑塊形狀越復雜、斑塊優(yōu)勢越大，公園溫度越低。在以往研究中，有學者提出當公園斑塊形狀較為復雜時，能促進物質(zhì)間的能量交換速率，即促進公園內(nèi)部承載的“冷源”與其周邊熱環(huán)境的能量流交換，能在一定程度上加強公園對其周邊環(huán)境的降溫影響[36，38]，因此公園對周邊環(huán)境的降溫效應也更明顯。此外，增加不透水面的分離度，也能有效降低公園內(nèi)部地表溫度。

4)公園冷島強度方向與其內(nèi)部水體密切相關，通常沿著水體聚集方向或長軸方向延伸；公園面積越大，冷島強度方向越明顯；無水體公園的冷島強度方向會受到周邊建筑及水體的影響。這也從側(cè)面說明水體對公園冷島效應的影響程度相對較強，且公園冷島效應與周圍景觀格局有著密切聯(lián)系，這與潘泓君[31]、朱思媛[43]等的研究結(jié)論一致。

城市熱環(huán)境的變化不僅受到城市藍綠基礎設施的影響，其與城市自身的形態(tài)特征亦息息相關，因此在選取公園時應考慮公園周邊環(huán)境對公園內(nèi)部溫度的影響程度，以提高結(jié)果的精確度。由于本研究選取的公園數(shù)量有限，部分結(jié)論有待進一步分析驗證，所得結(jié)果可能存在一定誤差，因此在今后的研究中，應選取更多具有代表性的帶狀公園和塊狀公園進一步分析二者降溫效應的差異性，也可以從公園周邊景觀格局對公園降溫效應的影響角度進一步探索分析。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝浙江農(nóng)林大學風景園林與建筑學院胡文浩老師和碩士生陳舟提供的幫助。