趙松婷， 李新宇， 劉秀萍， 許蕊

(北京市園林綠化科學(xué)研究院/園林綠地生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點實驗室/北京城市生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測研究站， 北京 100102)

伴隨快速的城市化進(jìn)程，北京城市內(nèi)部土地利用空間沖突、資源短缺和環(huán)境污染等一系列問題日益凸顯，熱島效應(yīng)呈現(xiàn)快速的動態(tài)變化[1]，城市核心區(qū)相關(guān)問題尤為嚴(yán)重。大量研究表明近20年來北京市夏季均表現(xiàn)出城市熱島現(xiàn)象，且高溫區(qū)域面積逐年上升，高溫區(qū)域數(shù)量增多[2-5]，首都功能核心區(qū)城市熱島現(xiàn)象尤為明顯，中溫斑塊面積占比最大[6]。

城市熱島與高溫?zé)崂送{當(dāng)代人類的生活與健康，基于自然的解決方案不僅能夠有效應(yīng)對社會風(fēng)險挑戰(zhàn)、提升人類福祉，還有助于生物多樣性保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[7]。近年來，中外學(xué)者對不同類型城市綠地緩解城市熱環(huán)境效應(yīng)做了大量研究，Hamada等[8]研究了城市周邊區(qū)域綠地冷島效應(yīng)的季節(jié)變化特征；Sun等[9]對城市中的濕地產(chǎn)生的冷島效應(yīng)進(jìn)行了分析；武小鋼等[10]、馮悅怡等[11]、紀(jì)鵬等[12]、張波等[13]也研究了城市綠地與城市熱島的關(guān)系，研究結(jié)果均表明綠地有一定的緩解熱島效應(yīng)能力，其中大面積城市綠地對緩解熱島效應(yīng)作用顯著[14]。

以往研究多集中在大尺度、大規(guī)模城市綠地緩解熱島效應(yīng)的研究，采用的數(shù)據(jù)源多為地面監(jiān)測或者遙感監(jiān)測，數(shù)據(jù)源單一，針對在城市土地資源緊張且熱島強度較高的首都功能核心區(qū)新建的小型城市森林公園緩解城市熱島效應(yīng)的定量化研究還鮮有涉及，目前該類型的公園從建設(shè)到養(yǎng)護(hù)以及緩解核心區(qū)熱島效應(yīng)到底能發(fā)揮多大作用都是空白點，因此亟需針對該類小型城市森林公園發(fā)揮的緩解城市熱島效應(yīng)進(jìn)行定量化研究，為市民出行提供科學(xué)依據(jù)。

因此，現(xiàn)利用遙感影像進(jìn)行地溫反演，同時結(jié)合長期定點監(jiān)測空氣溫濕度，分析城市森林公園內(nèi)及對周邊的冷島效應(yīng)，以期為熱島效應(yīng)顯著的首都功能核心區(qū)內(nèi)小型綠地的規(guī)劃、建設(shè)提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

廣陽谷城市森林公園位于首都功能核心區(qū)內(nèi)，是第一個位于核心區(qū)疏解騰退后新建的城市森林公園。2017年開始建設(shè)，占地4.7 hm2，是首都功能核心區(qū)內(nèi)最大的城市森林公園。該公園的規(guī)劃體現(xiàn)了“城市森林”的新理念，在植物選擇方面是以鄉(xiāng)土樹種為特色的自然森林群落結(jié)構(gòu)。

2 實施方案

2.1 公園內(nèi)、外溫度測定

2.1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用紐扣式溫濕度感應(yīng)器(上海沃第森電子科技有限公司)，每小時記錄一次數(shù)據(jù)，可以全天候24 h監(jiān)測，其溫度的測量精度為±0.5 ℃，可以保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。整理分析所記錄數(shù)據(jù)的日、月變化情況。

2.1.2 研究方法

野外輔助監(jiān)測點選在公園內(nèi)8個監(jiān)測點，公園外1個對照點，主要在2018年11月—2019年10月期間完成城市森林公園內(nèi)及對照點的溫濕度測定。監(jiān)測點溫度的測量采用紐扣式溫濕度感應(yīng)器，每小時記錄一次數(shù)據(jù)，可以全天候24 h監(jiān)測，其溫度的測量精度為±0.5 ℃，可以確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 地表亮溫反演

2.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選擇中尺度的 Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像作為本次研究的數(shù)據(jù)源(軌道號為 123 /32)，如表1所示， 數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，選擇云量低于10%的夏季遙感影像，利用ENVI軟件對其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2.2 研究方法

地面亮溫數(shù)據(jù)是利用單通道算法[15]對Landsat-8 的熱紅外波段數(shù)據(jù)反演得到的。為了更科學(xué)地比較不同時期研究區(qū)域的地表溫度數(shù)據(jù)，利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對其進(jìn)行處理[16]，并把熱場劃分為5個等級(表2)。

(1)

式(1)中：TR為第i個像元標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Ti為區(qū)域內(nèi)第i點亮溫；Tmin為研究區(qū)域的亮溫最小值；Tmax為研究區(qū)域的亮溫最大值。

表2 熱場等級劃分Table 2 Classification of thermal field

表1 不同時期遙感數(shù)據(jù)信息Table 1 The remote sensing data in different periods

3 結(jié)果與分析

3.1 公園綠地冷島效應(yīng)分析

從表3和圖1可以看出，廣陽谷城市森林公園建成后，在100 m范圍內(nèi)，對周邊溫度的降低效果有一定作用，周邊溫度基本與公園溫度一致，相比建成前，2017年和2019年廣陽谷城市森林公園在100 m緩沖范圍內(nèi)，熱島區(qū)域占研究區(qū)面積分別減少了4.83%和1.38%。在緩沖區(qū)達(dá)到150 m范圍時，城市公園綠地對周邊溫度的影響開始減弱。從緩沖區(qū)200 m范圍至緩沖區(qū)500 m，熱島區(qū)域占比呈逐年遞增狀態(tài)。這與肖逸等[17]在研究南京市52個社區(qū)公園對于城市熱島緩解作用結(jié)果相似。

表3 廣陽谷城市森林公園綠地冷島分布信息統(tǒng)計Table 3 The distribution of cool island in Guangyanggu urban forest park

地表溫度反演結(jié)果(表4)顯示：廣陽谷城市森林公園100 m緩沖范圍內(nèi)2014年、2017年和2019年3年地表平均溫度為36.67、51.1、51.13 ℃，核心區(qū)(東城區(qū)和西城區(qū))3年地表平均溫度為36.67、51.82、52.28 ℃， 2017年和2019年其100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的地表平均溫度比核心區(qū)分別降低了0.72 ℃和1.15 ℃，2017—2019年相比2014—2017年公園100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的平均溫度增長率下降了38.9%，這說明廣陽谷城市森林公園一期、二期建成以來，充分發(fā)揮了其冷島的作用。

3.2 城市森林公園內(nèi)監(jiān)測點平均值與對照點溫濕度月變化

11月到次年10月，城市森林公園綠地內(nèi)溫度及對照點溫度隨時間大體呈下降-上升-下降的變化趨勢(圖2)，7月達(dá)到最高值，12月最低，3—8月森林公園內(nèi)各點的溫度平均比對照點低0.67 ℃。相對濕度呈先下降再上升的變化趨勢(圖3)，12月到次年5月相對濕度較低，在植物開始生長活動時逐漸升高，8月達(dá)到最高值，在3月、4月、6月和7月公園內(nèi)各點的濕度均比對照點高，平均高1.82%。這表明一年中植物在生長階段發(fā)揮著降溫增濕的作用。這與吳菲等[18]研究北京市6種下墊面不同季節(jié)溫濕度變化的結(jié)果一致，夏季綠地比鋪裝溫度低0.8～4.1 ℃。王行等[19]在研究北京城市副中心綠地降溫增濕效應(yīng)時也得出類似結(jié)論。

表4 廣陽谷城市森林公園100 m緩沖范圍內(nèi)及 核心區(qū)地表溫度反演結(jié)果統(tǒng)計Table 4 The retrieving land surface temperature of forest park in 100 m buffer range and core area in city

圖1 北京廣陽谷城市森林公園不同緩沖區(qū)內(nèi)熱島強度分布Fig.1 Distribution of heat island intensity in different buffer zones in Guangyanggu Urban Forest Park

圖2 公園內(nèi)監(jiān)測點平均溫度與對照對比Fig.2 The temperature comparision between monitoring point in forest park and control point

圖3 公園內(nèi)監(jiān)測點平均濕度與對照對比Fig.3 The humidity comparision between monitoring point in forest park and control point

3.3 城市森林公園內(nèi)監(jiān)測點與對照點溫濕度日變化

森林公園內(nèi)部及對照點的溫度隨時間呈現(xiàn)下降-上升-下降的變化趨勢(圖4)，在14: 00 左右達(dá)到全天的最高溫度。在10:00—17:00這段時間，公園內(nèi)各個測點的溫度均低于對照點，平均低1.65 ℃，且在13: 00 左右達(dá)到最大差值。隨著太陽輻射的增強，對照點迅速升溫，公園內(nèi)各監(jiān)測點由于喬木樹冠的遮擋，內(nèi)部溫度變化幅度不如對照點，這表明在10:00—17:00，公園內(nèi)綠地具有明顯的降溫作用。

森林公園內(nèi)部及對照點的相對濕度在一天中呈現(xiàn)上升-下降-上升的變化趨勢(圖5)，隨著溫度的升高相對濕度逐漸降低，且在14: 00 左右群落溫度達(dá)到最大值時，相對濕度最小。隨著太陽輻射的增強，對照點濕度迅速下降，各樣地由于樹冠的遮擋以及植物的蒸騰作用，公園內(nèi)部濕度增加，在10:00—17:00這段時間，公園內(nèi)部濕度高于對照點，公園內(nèi)部各測點平均濕度比對照點高2.68%，森林公園發(fā)揮著明顯的增濕作用，在 18:00 以后，對照點相對濕度高于公園內(nèi)部，這是由于晚上外界溫度急劇降低，濕度相應(yīng)升高，同時，公園內(nèi)植物群落的蒸騰作用減弱，散發(fā)出的水分減少，因此公園內(nèi)部濕度逐漸降低，直到低于對照點，到次日10:00左右綠地重新發(fā)揮增濕作用。

圖4 公園內(nèi)監(jiān)測點平均溫度與對照對比Fig.4 The temperature comparision between monitoring point in forest park and control point

圖5 公園內(nèi)監(jiān)測點平均濕度與對照對比Fig.5 The humidity comparision between monitoring point in forest park and control point

4 結(jié)論

與以往研究不同，本文研究基于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)研究了城市森林公園的冷島效應(yīng)，并結(jié)合地面24 h監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，充分證明了廣陽谷城市森林公園在首都功能核心區(qū)這一特殊地理位置發(fā)揮著降溫增濕的作用。

(1)2017年和2019年廣陽谷城市森林公園在100 m緩沖范圍內(nèi)，熱島區(qū)域占比分別減少了4.83%和1.38%，地表平均溫度比核心區(qū)分別降低了0.72 ℃和1.15 ℃，說明廣陽谷城市森林公園建成以來，在100 m范圍內(nèi)發(fā)揮了其冷島的作用。

(2)3月到8月公園內(nèi)各點的溫度均比對照點低，平均低0.67 ℃，在3月、4月、6月和7月公園內(nèi)各點的濕度均比對照點高，平均高1.82%。

(3)在一天內(nèi)10：00—17：00這段時間，公園內(nèi)各個監(jiān)測點的溫度均低于對照點，平均低1.65 ℃，公園內(nèi)部的相對濕度平均比對照點高2.68%，說明公園在這個時間段發(fā)揮著降溫增濕作用。

以上結(jié)果表明城市森林公園面積雖小，但對周邊冷島效應(yīng)顯著，今后在城市土地資源緊張且 熱島強度較高的首都功能核心區(qū)應(yīng)充分利用拆違、廢棄地和邊角地等，采取“挖潛增綠、見縫插綠”的方式，進(jìn)行公園綠地建設(shè)，充分發(fā)揮其冷島作用，以緩解城市熱島效應(yīng)。