葉家慧,葉露鋒,2,劉 輝,韓永偉,*

1 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012 2 蘭州大學(xué),蘭州 730000

城市熱島效應(yīng)(UHI)是很多城市共同面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,中國(guó)大多數(shù)城市在過(guò)去的幾十年中都表現(xiàn)出UHI效應(yīng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1—2]。UHI引起的氣候變化對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成影響,具體表現(xiàn)有：改變物種的組成和分布[3]、增加城市居民水和能源的消耗量[4]、增加地面臭氧的產(chǎn)生[5]、影響城市居民的熱舒適度并增加健康風(fēng)險(xiǎn)[6]等。氣候因素[7]、人口密度[8]、居民生產(chǎn)生活釋放的人為熱[9]、下墊面性質(zhì)的改變[10]等都會(huì)對(duì)熱環(huán)境造成影響,如何減緩城市熱島效應(yīng)造成的負(fù)面影響已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。地表溫度(LST)可以反映城市城市冠層氣溫,相較于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、連續(xù)性和多尺度等特點(diǎn),現(xiàn)有很多學(xué)者將其作為研究城市熱環(huán)境的度量因子。而綠地和水體作為維持城市中自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的藍(lán)綠空間,綠地的蒸騰散熱作用、植被冠層的削減太陽(yáng)輻射作用、水體的顯著蒸發(fā)作用和熱交換能力[11—12]都能夠有效改變城市環(huán)境的能量傳輸,達(dá)到熱消減的效果[13—14],因此藍(lán)綠空間對(duì)于改善城市群熱環(huán)境問(wèn)題和提高居民熱舒適度意義重大。然而城市可利用土地資源有限,藍(lán)綠空間不能無(wú)限度擴(kuò)張,在規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中會(huì)受到諸多限制,研究如何規(guī)劃才能使藍(lán)綠空間的熱消減功能最優(yōu)化具有重要意義。

2017年4月1日中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)通知,決定設(shè)立國(guó)家級(jí)新區(qū)河北雄安新區(qū)。作為北京非首都功能集中承載地,探索人口經(jīng)濟(jì)密集型優(yōu)化開(kāi)發(fā)新模式,打造優(yōu)美生態(tài)環(huán)境,構(gòu)建合理城市空間布局是新區(qū)的重要任務(wù)。雄安新區(qū)的城市建設(shè)目前處于起步階段,快速城市化特征明顯,快速增加的人口和高強(qiáng)度土地開(kāi)發(fā)在我國(guó)城市化發(fā)展中具有典型性。近幾年有多位學(xué)者從長(zhǎng)時(shí)間序列尺度研究雄安新區(qū)的氣候特征發(fā)現(xiàn),城市熱島效應(yīng)呈現(xiàn)由弱變強(qiáng)的增長(zhǎng)趨勢(shì),在未來(lái)規(guī)劃建設(shè)中有必要考慮高溫風(fēng)險(xiǎn)[15—16]。劉原嘉等[17]探究NDVI對(duì)雄安新區(qū)熱環(huán)境的影響發(fā)現(xiàn),NDVI與LST為負(fù)相關(guān)關(guān)系,LST上升區(qū)主要分布在人口密集的市中心和熱加工場(chǎng)集中地區(qū)。馬瑞明等[18]識(shí)別城市熱島的“源匯”景觀并分析景觀降溫效率發(fā)現(xiàn)綠色空間降溫能力較高,且降溫效果隨著溫度和形狀指數(shù)的增加均成先上升后下降的趨勢(shì)。目前關(guān)于自然生態(tài)系統(tǒng)的熱消減作用相關(guān)研究主要集中在不同類(lèi)型綠地和水體[19—21]、不同時(shí)間段的降溫功能研究[22]、景觀格局與溫度的耦合關(guān)系[23—24]等方面,從城市尺度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)熱消減功能進(jìn)行空間上的模擬和量化研究少見(jiàn)報(bào)道。從雄安新區(qū)的發(fā)展需求和熱環(huán)境現(xiàn)狀出發(fā),研究如何在規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中減少熱島效應(yīng)的影響,充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的熱消減功能具有較強(qiáng)的理論與現(xiàn)實(shí)意義。因此本研究以雄安新區(qū)為研究區(qū),分析生態(tài)斑塊的降溫效益,探究影響熱消減功能的景觀格局,構(gòu)建熱消減服務(wù)功能模型來(lái)模擬生態(tài)系統(tǒng)的熱消減功能,旨在為城市藍(lán)綠空間規(guī)劃和建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)地處北京、天津、保定腹地,與京津形成等邊三角形格局,距離約為105 km。新區(qū)規(guī)劃面積為1770 km2,包括河北省的雄縣、安新縣、容城縣以及部分周邊區(qū)域(圖1)。新區(qū)位于太行山麓平原向沖積平原的過(guò)渡地帶,生態(tài)本底較好,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,春旱多風(fēng),夏熱多雨,秋涼氣爽,冬寒少雪。雄安新區(qū)年平均降水量為480.8 mm,年平均氣溫為12.6℃,年均日照時(shí)數(shù)為2335.2 h,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),年平均風(fēng)速為1.7 m/s[25]。土壤類(lèi)型包括褐土、潮土、沼澤土、砂姜黑土4個(gè)土類(lèi),其中潮土分布最廣。

圖1 雄安新區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of Xiong′an New Area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的數(shù)據(jù)有雄安新區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)。其中2019年土地利用數(shù)據(jù)和分辨率數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),分辨率均為30 m,其中土地利用分類(lèi)按照《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》GB/T 21010—2017進(jìn)行劃分；Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官方網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)level 1T產(chǎn)品,分辨率為30 m。

2.2 研究方法

2.2.1遙感溫度反演

在保證覆蓋研究區(qū)、晴朗無(wú)云的原則下,獲取2019年9月18日的Landsat 8影像數(shù)據(jù),行列號(hào)為(123,33)。Landsat 8衛(wèi)星搭載的TIRS(Thermal Infrared Sensor)熱紅外傳感器在溫度反演中應(yīng)用廣泛,其中TIRS 10波段大氣吸收區(qū)域更低,定標(biāo)精度值更高,故選用TIRS 10單波段來(lái)計(jì)算地表溫度[26]。本文選擇基于熱輻射傳輸方程的大氣校正法來(lái)計(jì)算溫度,該方法計(jì)算精度高,可以應(yīng)用于不同的熱紅外波段[27]。具體步驟為：首先對(duì)熱紅外波段進(jìn)行輻射校正,得到星上輻射亮度值；然后進(jìn)行大氣校正去除水汽的影響,得到輻射亮度值；利用植被覆蓋度(FVC)計(jì)算得到地物發(fā)射率,將輻射亮度值轉(zhuǎn)化為相對(duì)于黑體的黑體輻射亮度值；最后通過(guò)Plank函數(shù)的轉(zhuǎn)化,將黑體輻射亮度值轉(zhuǎn)化為黑體亮度溫度值,即為地表溫度。反演過(guò)程公式如下：

(1)

式中,Ts為地表真實(shí)溫度(K),B(Ts)為T(mén)s在傳感器接收的熱輻射亮度值,Lλ為衛(wèi)星傳感器利用輻射定標(biāo)系數(shù)將其像元灰度值DN轉(zhuǎn)換為接收到的輻射亮度值。L↑為大氣向上輻射亮度,L↓為大氣向下輻射亮度,τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率,ε為地表比輻射率。τ、L↓和L↑參數(shù)通過(guò)NASA提供的網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)上輸入成像時(shí)間和中心經(jīng)緯度進(jìn)行獲取。地表比輻射率ε根據(jù)植被覆蓋度FVC來(lái)計(jì)算,公式如下[28]：

FVC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

(3)

式中,NDVIsoil為無(wú)植被覆蓋區(qū)域或裸土的NDVI值,取經(jīng)驗(yàn)值0.05；NDVIveg為植被完全覆蓋的NDVI值,取經(jīng)驗(yàn)值0.7。εwater、εbuilding和εnatural分別代表水體、自然表面和城鎮(zhèn)像元的地表比輻射率。

(4)

式中Landsat 8 TIRS 10波段的K1值為774.89 W m-2sr-1μm-1,K2值為1321.08 K。

2.2.2降溫效益分析

基于土地利用數(shù)據(jù),提取面積大于1公頃的綠地和水體斑塊作為雄安新區(qū)的生態(tài)斑塊。在ArcGIS軟件中對(duì)生態(tài)斑塊進(jìn)行緩沖區(qū)分析,以50 m為緩沖距離逐步向外建立緩沖區(qū),然后與反演的溫度數(shù)據(jù)疊加分析,分區(qū)統(tǒng)計(jì)不同距離緩沖區(qū)內(nèi)的平均溫度。以緩沖區(qū)距離為橫軸,緩沖區(qū)內(nèi)部平均地表溫度為縱軸,繪制LST曲線?；谇叭搜芯?隨著遠(yuǎn)離綠地和水體的邊界,其周邊溫度會(huì)逐漸升高,最后趨于平穩(wěn)[21,29]。溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處表示生態(tài)斑塊的影響范圍,轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度與生態(tài)斑塊內(nèi)部溫度的差值為降溫幅度,對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)距離即為最大降溫距離。

2.2.3景觀格局指數(shù)與溫度相關(guān)性分析

為了探究生態(tài)斑塊不同景觀格局的溫度差異性,將提取的生態(tài)斑塊作為研究對(duì)象,在Fragstats軟件中進(jìn)行景觀格局分析。在斑塊級(jí)別上,從面積指標(biāo)、形狀指標(biāo)、邊緣指標(biāo)和聚散性指標(biāo)中選擇斑塊面積(Area)、斑塊周長(zhǎng)(PERIM)、分維數(shù)(FRAC)、邊緣面積比(PARA)和最小鄰近距離(ENN)進(jìn)行分析,將各指標(biāo)分析結(jié)果與斑塊平均溫度進(jìn)行相關(guān)分析,確定擬合程度最高的相關(guān)性方程。其中,FRAC指數(shù)反映斑塊形狀的復(fù)雜程度,取值范圍為[1,2],取值越小斑塊形狀越簡(jiǎn)單,取值越大形狀越復(fù)雜；PARA指數(shù)表示周長(zhǎng)與面積的比值；ENN指數(shù)反映斑塊的孤立程度,是斑塊到同類(lèi)斑塊最近距離的和與具有最近距離的斑塊數(shù)的比值。

2.2.4熱消減功能模型構(gòu)建

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,生態(tài)斑塊的熱消減功能與土地利用類(lèi)型和地形因子等相關(guān),因此將生態(tài)斑塊劃分成綠地和水體兩類(lèi)來(lái)構(gòu)建模型。其中數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)作為影響地表溫度的共同因子,綠地斑塊選取歸一化植被指數(shù)(NDVI),水體斑塊選擇改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)MNDWI為影響因子。分別統(tǒng)計(jì)綠地和水體斑塊內(nèi)的DEM均值(m)、NDVI均值(無(wú)量綱)、MNDWI(無(wú)量綱)和LST均值(℃),進(jìn)行回歸分析(式5),得到溫度擬合方程,并對(duì)模擬誤差進(jìn)行檢驗(yàn)(式7)。利用ENVI軟件中的Regions of Interest Band Threshold工具獲取NDVI和MNDWI的閾值(大于閾值表示該區(qū)域有林地或水體),在式(5)基礎(chǔ)上將NDVI和MNDWI指數(shù)設(shè)為閾值來(lái)模擬沒(méi)有綠地和水體時(shí)的模擬溫度(式6)。最后,將有無(wú)綠地和水體時(shí)的模擬溫度進(jìn)行差值,來(lái)表示生態(tài)系統(tǒng)的熱消減量(式8)。

(5)

(6)

(7)

Tsi′=Twi-Tri

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 地表溫度分析

從雄安新區(qū)地表溫度反演結(jié)果(圖2)可知,雄安新區(qū)北部溫度較高,南部溫度較低。三縣的平均溫度排序?yàn)樾劭h(28.88℃)>容城縣(28.45℃)>安新縣(26.89℃)。其中,容城縣高溫區(qū)主要分布在中部,安新縣分布在縣城邊界周?chē)?雄縣分布在東南地區(qū),且高溫區(qū)主要集中在居民小區(qū)、工業(yè)園區(qū)和商業(yè)大廈等區(qū)域。結(jié)合土地利用分布情況(圖3)可以看到,雄縣建設(shè)用地比例為27.22%,比容城縣(24.38%)和安新縣(16.85%)高,平均溫度最高。白洋淀主要位于安新縣境內(nèi),大片水域的存在可能是安新縣整體溫度相對(duì)較低的重要原因。

圖2 雄安新區(qū)2019年地表溫度分布圖 Fig.2 Land surface temperature distribution map of Xiong′an New Area in 2019

圖3 雄安新區(qū)2019年土地利用分布圖Fig.3 Land use distribution map of Xiong′an New Area in 2019

圖4 雄安新區(qū)生態(tài)斑塊分布圖Fig.4 Distribution of ecological patches in Xiong′an New Area

圖5 不同生態(tài)斑塊的平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差 Fig.5 Mean temperature and standard deviation of ecological patches

3.2 生態(tài)斑塊降溫效益分析

基于2019年雄安新區(qū)土地利用二級(jí)分類(lèi)數(shù)據(jù),將綠地斑塊劃分為有林地、其他林地、天然草地、人工草地和園地,水體斑塊分為湖泊、水庫(kù)坑塘、河渠和灘地(圖4)。降溫斑塊的平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5,生態(tài)斑塊的平均溫度排序?yàn)椋簣@地>人工草地>其他林地>天然草地>水庫(kù)坑塘>河渠>有林地>灘地>湖泊；標(biāo)準(zhǔn)差排序?yàn)楹忧?人工草地>天然草地>有林地>水庫(kù)坑塘>其他林地>園地>湖泊>灘地。水體和綠地斑塊中湖泊和有林地的溫度最低,降溫效益較好。水體相較于綠地的標(biāo)準(zhǔn)差更小,其中灘地的標(biāo)準(zhǔn)差最小,而河渠的標(biāo)準(zhǔn)差最大,斑塊之間的平均溫度差異較大。

由生態(tài)斑塊的LST曲線(圖6)和生態(tài)斑塊降溫距離和降溫幅度統(tǒng)計(jì)表(表1)可知,綠地中園地和其他林地的降溫距離最大,均為300 m,降溫幅度分別為0.62℃和0.79℃；水體中湖泊的降溫距離和降溫幅度最大,分別為350 m和1.29℃。結(jié)合土地利用分布情況,雄安新區(qū)有林地分布較少,其他林地分布較為分散,雄縣城區(qū)有較大面積分布,后期建設(shè)應(yīng)重點(diǎn)種植林地,提高綠地斑塊的聚集度和連通性,形成連片成網(wǎng)的通風(fēng)廊道,提高其對(duì)熱島效應(yīng)消減作用,同時(shí)可以適當(dāng)建設(shè)園地,發(fā)揮其良好的降溫作用。雄安新區(qū)中白洋淀面積較大且集中,后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)淀區(qū)內(nèi)的湖泊和灘地的保護(hù)。

3.3 斑塊溫度與景觀格局指數(shù)相關(guān)性分析

結(jié)合生態(tài)斑塊的平均LST和景觀指數(shù)的相關(guān)系數(shù)和擬合方程(表2、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11)結(jié)果可知：有林地、人工草地、湖泊、灘地和其他林地的溫度與面積具有一定的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)依次為0.84、0.59、0.47、0.35、0.21。其中有林地相關(guān)系數(shù)最大,擬合方程為y=-0.0881x+27.68,面積與溫度為負(fù)相關(guān),面積越大,熱消減能力越大；人工草地的擬合方程為y=0.003x2-0.0447x+26.61,斑塊面積大小在2—20 km2之間,溫度整體變化趨勢(shì)較小,說(shuō)明人工草地面積對(duì)溫度的影響較??；湖泊的擬合方程是y=-0.423ln(x)+26.99,溫度隨著面積增大呈下降趨勢(shì),在300 km2后趨于平穩(wěn)；灘地的擬合方程是y=-0.298ln(x)+27.31,在面積為50 km2內(nèi)溫度隨著面積的增加而降低,能發(fā)揮較好的降溫作用；其他林地的擬合方程為y=0.0012x2-0.0715x+27.91,面積在30 km2內(nèi)呈下降趨勢(shì),之后溫度趨于穩(wěn)定。周長(zhǎng)指數(shù)中相關(guān)性較強(qiáng)的有有林地(0.96)、灘地(0.48)、湖泊(0.33)、其他林地(0.23),與溫度都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中有林地周長(zhǎng)在2.3 km范圍內(nèi)溫度呈下降趨勢(shì),灘地為15 km,湖泊為3 km。

圖6 雄安新區(qū)生態(tài)斑塊緩沖區(qū)的地表溫度(LST)曲線Fig.6 LST curve of ecological patch buffer in Xiong′an New Area

表1 雄安新區(qū)生態(tài)斑塊的降溫距離和降溫幅度

反映斑塊形狀的分維數(shù)和邊緣面積比兩個(gè)指標(biāo)中,相關(guān)性較大的有有林地、人工草地、園地、湖泊、水庫(kù)坑塘和灘地。根據(jù)FRAC分維數(shù)指數(shù)的擬合方程,有林地、其他林地、人工草地、園地和水庫(kù)坑塘在1.07內(nèi)呈下降趨勢(shì),而灘地和湖泊的分維數(shù)超出1.15后溫度上升,可見(jiàn)灘地和的湖泊的形狀復(fù)雜程度對(duì)于熱消減作用影響更大。與ENN最小鄰近距離指數(shù)相關(guān)性較大的有有林地(0.98)、河渠(0.74)、水庫(kù)坑塘(0.29)和人工草地(0.2),根據(jù)擬合曲線可以得到各類(lèi)斑塊的最小臨近距離,依次為1400 m、5000 m、2500 m、8000 m,同類(lèi)型斑塊在該距離內(nèi)能夠起到較好的降溫效益。其中有林地的最小臨近距離最小,后期應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行成片栽種,縮短林間距離來(lái)提高聚集度,起到更好的熱消減作用。

表2 雄安新區(qū)不同生態(tài)斑塊與景觀指數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2統(tǒng)計(jì)表

圖7 生態(tài)斑塊溫度與斑塊面積(AREA)指數(shù)相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis of ecological patch temperature and AREA index

圖8 生態(tài)斑塊溫度與斑塊周長(zhǎng)(PERIM)指數(shù)相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of ecological patch temperature and PERIM index

圖9 生態(tài)斑塊溫度與邊緣面積比(PARA)指數(shù)相關(guān)性分析Fig.9 Correlation analysis of ecological patch temperature and PARA index

圖10 生態(tài)斑塊溫度與分維數(shù)(FRAC)指數(shù)相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis of ecological patch temperature and FRAC index

圖11 生態(tài)斑塊溫度與最小鄰近距離(ENN)指數(shù)相關(guān)性分析Fig.11 Correlation analysis of ecological patch temperature and ENN index

3.4 熱消減功能分析

根據(jù)熱消減功能模型,分析綠地、水體的NDVI、MNDWI、DEM值與溫度的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)綠地與DEM(0.348**)和NDVI(-0.697**)有顯著相關(guān)性,水體與DEM(0.399**)和MNDWI(-0.683**)有顯著相關(guān)性,擬合程度最高的為一元二次方程。在SPSS軟件中選擇非線性回歸分析工具,輸入模型表達(dá)式,分別得到水體和綠地斑塊溫度的擬合方程和R2值(表3),且擬合方程的R2均在0.6以上。經(jīng)驗(yàn)證,綠地和水體擬合方程的模擬誤差E分別為3.56%和3.12%,在誤差允許范圍內(nèi),可以較好地模擬地表溫度。

表3 雄安新區(qū)生態(tài)斑塊溫度擬合方程

根據(jù)熱消減功能模型的計(jì)算方法,通過(guò)擬合方程得到綠地和水體的模擬溫度(圖12),NDVI和MNDWI的閾值分別為0.15和-0.1,代入溫度擬合方程中得到假設(shè)沒(méi)有生態(tài)斑塊時(shí)的模擬溫度(圖13),最后計(jì)算有無(wú)生態(tài)斑塊的溫度差來(lái)反映雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的熱消減量(圖14),熱消減量反映了生態(tài)斑塊在該區(qū)域能夠調(diào)節(jié)溫度,削減熱島效應(yīng)的能力。

整體來(lái)看,生態(tài)系統(tǒng)在緩解城市熱環(huán)境起到重要作用,雄安新區(qū)熱消減量的范圍在0.4—5.63℃之間,存在空間布局的差異性,與土地利用類(lèi)型密切相關(guān)。其中,熱消減量最高的區(qū)域主要集中在白洋淀附近,淀區(qū)內(nèi)湖泊熱消減能力最強(qiáng),與生態(tài)斑塊效益分析結(jié)果一致,湖泊的降溫效益最好。其次為分布在建成區(qū)的部分林地和草地,在未來(lái)規(guī)劃中可以重點(diǎn)保護(hù),河渠的熱消減能力相對(duì)較低,尤其是位于白洋淀東邊的兩條河渠,熱消減能力最弱的是雄安新區(qū)建成區(qū)北部的零星草地和林地,從空間分布來(lái)看斑塊之間孤立且斑塊自身面積較小,由于北邊城區(qū)水域面積較少,后期應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的林草建設(shè)以及維護(hù)白溝河下游人工開(kāi)鑿的白溝引河,提升整體的熱消減能力。

4 討論

(1)城市綠地和水體在消減城市熱環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。孟倩文[30]研究京津唐城市群發(fā)現(xiàn)LST與NDVI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中夏季林地相關(guān)性最大,降溫幅度可達(dá)2.86℃。不同土地利用類(lèi)型、不同時(shí)間段與溫度的關(guān)系也有所不同,孫宗耀[31]基于京津冀MODIS溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在不同季節(jié)土地利用類(lèi)型對(duì)于熱環(huán)境的貢獻(xiàn)度不同,2005—2015年間林地和草地的降溫能力有所增加。陳彬輝等[32]研究發(fā)現(xiàn),白天水體消減城市熱島效應(yīng),夜間反而增強(qiáng)熱島效應(yīng)；在春季、夏季和秋季的白天,林地和農(nóng)田會(huì)緩解城市熱島效應(yīng),冬季相反。本文基于二級(jí)土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù)分析了雄安新區(qū)綠地和水體的降溫效益,得到一些初步結(jié)論,其中綠地中其他林地降溫效益最好,降溫距離為300 m,降溫幅度為0.79℃；水體中湖泊的降溫效益最好,降溫距離為350 m,降溫幅度為1.29℃。從緩解城市熱的角度出發(fā)可以優(yōu)先保護(hù)和建設(shè)湖泊、其他林地和園地,但沒(méi)有開(kāi)展不同時(shí)段城市生態(tài)系統(tǒng)的熱消減功能對(duì)比分析,下一步需要繼續(xù)研究完善這方面的內(nèi)容。

(2)不同的生態(tài)斑塊空間格局對(duì)城市溫度的影響也不同。張燊等[33]研究發(fā)現(xiàn)城市群熱島足跡一致情況下,熱島強(qiáng)度會(huì)受到綠地和水體的空間格局影響。王戈[34]研究不同生態(tài)空間景觀格局的降溫效果發(fā)現(xiàn)：斑塊面積越大,降溫效果越明顯；斑塊形狀越復(fù)雜,邊界越長(zhǎng),其降溫效果越好；生態(tài)空間斑塊豐度高的區(qū)域地表溫度較低；斑塊聚合度指數(shù)越大,地表溫度越低。這與本文研究結(jié)果基本一致,從面積指標(biāo)、邊緣指標(biāo)、形狀指標(biāo)和聚散性指標(biāo)中選取的景觀指數(shù)與生態(tài)斑塊溫度有一定的相關(guān)性。

(3)從景觀水平研究空間配置與地面溫度的關(guān)系是非常重要的。焦敏等[35]提出景觀尺度上綠地斑塊大小在空間上的配置對(duì)熱環(huán)境的影響在不同的研究中有所不同,甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果。關(guān)于大面積綠地斑塊和多個(gè)破碎的小綠地斑塊哪種格局能夠更好地消減城市熱環(huán)境有諸多探討,目前還沒(méi)有一致的結(jié)論。例如成都某綠地覆蓋率相同區(qū)域,斑塊大且相對(duì)集中的區(qū)域溫度明顯低于斑塊小且相對(duì)分散區(qū)域[36],而Zhang等[37]的研究結(jié)果相反。本文在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)從景觀水平研究降溫距離和降溫幅度是比較困難的,因此從生態(tài)斑塊尺度開(kāi)展了相關(guān)工作,并結(jié)合模擬方程提出了能夠起到熱消減功能的景觀指數(shù)范圍,后期需要繼續(xù)深入在景觀尺度對(duì)熱消減功能進(jìn)行量化研究。

(4)在生態(tài)系統(tǒng)中,每個(gè)生態(tài)斑塊不是獨(dú)立的,景觀生態(tài)學(xué)“源-匯”理論的應(yīng)用也是研究熱消減功能的一個(gè)重要角度?！霸磪R”景觀理論更加注重機(jī)理性、系統(tǒng)性和過(guò)程性,可以更好的反映生態(tài)斑塊服務(wù)功能發(fā)揮的過(guò)程與機(jī)制。生態(tài)斑塊的降溫功能從生態(tài)系統(tǒng)出發(fā),除了考慮“源”驅(qū)動(dòng)外,還需要考慮“流”過(guò)程。但目前基于“源匯”理論研究城市熱景觀、熱島效應(yīng)的較多,生態(tài)斑塊降溫的“源匯”研究是今后可以深入探討的方向。

(5)關(guān)于模擬熱消減功能的方法,Kong等[38]結(jié)合微氣候ENVI-met模型和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建室外三維熱環(huán)境模型,通過(guò)模型分析綠色空間對(duì)城市室外熱環(huán)境的影響,并計(jì)算累積降溫量。孟楠[39]將城市中的大型水體、公園和山體作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的供給源,構(gòu)建氣候調(diào)節(jié)服務(wù)功能供需平衡模型,并識(shí)別出功能較弱的區(qū)域。Elliot等[40]利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣方法來(lái)模擬土地覆蓋變化對(duì)熱島強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明城市景觀緩解熱島效應(yīng)的能力自1990年以來(lái)呈下降趨勢(shì),并將持續(xù)小幅下降至2022年,該模型可以用于幫助城市規(guī)劃者在建筑結(jié)構(gòu)和綠色空間布局方面進(jìn)行決策。本研究構(gòu)建了熱消減模型來(lái)模擬熱消減量,具有可量化、模擬區(qū)域整體熱消減功能的優(yōu)點(diǎn),能從城市尺度識(shí)別功能較弱的區(qū)域,但存在模型參數(shù)考慮不全面等不足,今后需要結(jié)合其它研究方法開(kāi)展工作,并對(duì)比分析不同方法之間優(yōu)缺點(diǎn),以促進(jìn)相關(guān)方法的完善。

圖12 雄安新區(qū)模擬溫度圖Fig.12 Simulated temperature diagram in Xiong′an New Area

圖13 雄安新區(qū)無(wú)生態(tài)斑塊模擬溫度圖 Fig.13 Simulated temperature diagram of uncooled space in Xiong′an New Area

圖14 雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)熱消減量分布圖 Fig.14 Distribution map of ecosystem heat reduction in Xiong′an New Area

(6)熱消減功能與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過(guò)程密切相關(guān),兩者耦合關(guān)系也是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。目前有不少研究強(qiáng)調(diào),由于不同城市的地理位置和地形地貌不同,熱消減能力也會(huì)存在差異,城市自身的氣候背景必須納入研究的考慮因素。熱環(huán)境的分析存在相互依賴性[41]，因此在景觀空間分析研究中,觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的空間自相關(guān)性值得關(guān)注。此外,獲取高精度的遙感地表參數(shù)數(shù)據(jù)和實(shí)地試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合本地氣候條件和能量平衡模型來(lái)研究城市藍(lán)綠空間的熱消減原理和過(guò)程,從機(jī)理上去解釋生態(tài)系統(tǒng)是怎樣實(shí)現(xiàn)氣候調(diào)節(jié)以及各種因素對(duì)熱消減能力的影響,也是今后需要深入研究的一個(gè)方向。

5 結(jié)論

本文以雄安新區(qū)為研究對(duì)象,以地表溫度表征城市熱環(huán)境特征,基于土地利用數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)研究了城市熱環(huán)境特征,分析了生態(tài)斑塊的降溫效益并構(gòu)建模型計(jì)算了城市生態(tài)系統(tǒng)的熱消減功能。得出如下結(jié)論：

(1)雄安新區(qū)地表溫度反演結(jié)果顯示,北部溫度相對(duì)更高,其中三縣平均溫度排序?yàn)椋盒劭h>容城縣>安新縣。整體來(lái)看高溫區(qū)主要集中在工業(yè)園區(qū)、居民小區(qū)等區(qū)域。溫度分區(qū)與土地利用類(lèi)型關(guān)系密切,林地低溫區(qū)居多,水體低溫區(qū)占比最高,耕地以中溫區(qū)為主。

(2生態(tài)斑塊的降溫距離和降溫幅度分析結(jié)果表明,雄安新區(qū)水體中湖泊的降溫效益最好,綠地中其他林地的降溫效益最好。景觀格局指數(shù)與生態(tài)斑塊溫度擬合方程反映出整體關(guān)系為：面積越大,周長(zhǎng)越長(zhǎng),同類(lèi)型斑塊之間距離越近,其斑塊內(nèi)部溫度越低。不同類(lèi)型斑塊有不同的閾值,超過(guò)閾值后其溫度趨于平緩,城市藍(lán)綠空間規(guī)劃過(guò)程中可以參考各生態(tài)斑塊的降溫閾值來(lái)進(jìn)行建設(shè)。

(3)本文構(gòu)建的熱消減模型模擬雄安新區(qū)的熱消減量在0.4—5.63℃之間,白洋淀區(qū)域的熱消減能力突出,其中湖泊發(fā)揮的作用最強(qiáng),其次為分布在建成區(qū)的部分林地和草地,河渠的熱消減能力相對(duì)較低,分布在北邊建成區(qū)的少量草地和林地?zé)嵯麥p能力最弱。