樊柏青, 劉東云, 王思遠, 穆罕默德·阿米爾·西迪基

(1.北京林業(yè)大學園林學院,北京 100083;2.東南大學建筑學院,江蘇 南京 210096;3.天津大學建筑學院,天津 300272)

城市熱島(urban heat island, UHI)指的是在城鎮(zhèn)化發(fā)展進程中,城區(qū)的溫度高于城郊溫度的現(xiàn)象[1-2],城市熱島效應(yīng)是城市熱環(huán)境變化的突出表現(xiàn)[3]。地表溫度(land surface temperature, LST)作為常用于表征城市熱環(huán)境研究的因子[4],其概念與反映局部近地面氣候特點的小氣候不同,它能夠直觀反映出城市地表熱環(huán)境在宏觀尺度上的連續(xù)分布狀況,對于從城市空間結(jié)構(gòu)和綠色空間格局尺度研究城市熱環(huán)境、緩解城市熱島效應(yīng)有重要意義。

綠地與綠色空間是風景園林和城市熱環(huán)境領(lǐng)域的兩個常見研究對象。目前學術(shù)界對于綠地的概念界定可分為狹義和廣義兩種。狹義的綠地即城市用地分類中的“G”大類,廣義的綠地可等同于綠色空間[5],根據(jù)我國現(xiàn)有的城鄉(xiāng)規(guī)劃術(shù)語和規(guī)范,綠色空間可以被認為是在城市建設(shè)用地和非建設(shè)用地中,維持城鄉(xiāng)區(qū)域環(huán)境的生態(tài)平衡、改善人居環(huán)境的生態(tài)空間[6-7],包括城市綠地、農(nóng)林用地等。綠色空間是城市下墊面的重要組成部分,是緩解熱島效應(yīng)的主要研究對象之一。研究表明,城市熱環(huán)境的調(diào)節(jié)功能會隨著農(nóng)田、水體、城市綠地等綠色空間的減少而降低[8-9]。一些研究者利用遙感解譯、實地觀測、數(shù)值模擬等不同方式證實了城市綠色空間對熱島效應(yīng)的緩解作用[10-11],張昌順等[12]發(fā)現(xiàn)不同類型、不同植被群落結(jié)構(gòu)的綠地降溫效果存在差異;李延明等[13]在其研究中得出綠化覆蓋率與地表溫度呈負相關(guān)的結(jié)論,且綠化覆蓋率達到30%時,降溫效果更為明顯;唐羅忠等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)城市中林地、行道樹、草坪的降溫效果依次減弱;劉艷紅等[15]利用CFD數(shù)值模擬法分析綠地格局與熱環(huán)境的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)城市楔狀格局的綠地比起環(huán)狀格局對城市熱環(huán)境降溫效果更好。

目前,單獨針對綠色空間地表溫度時空變化的定量研究較少,且缺少對于宏觀尺度不同類型的城市綠色空間不變、轉(zhuǎn)換、增加與損失4大類主要變化類型地表溫度的定量分析。Landsat遙感影像作為常用于研究地表溫度研究的數(shù)據(jù),具有分辨率高、數(shù)據(jù)豐富、信息開源等特點[16]。本研究利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術(shù),計算1999、2005、2011、2017年北京市六環(huán)內(nèi)區(qū)域4期地表溫度,并對城市下墊面數(shù)據(jù)進行遙感解譯,單獨提取綠色空間部分的地表溫度,對其時空演變特征進行總結(jié),旨在發(fā)掘城市綠色空間演變與地表溫度之間的關(guān)系,總結(jié)不同的綠色空間演變模式對于地表溫度的影響,以進一步為緩解城市熱島效應(yīng)的相關(guān)研究提供支撐,為緩解熱島效應(yīng)視角下的綠色空間規(guī)劃提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

北京市六環(huán)路(116°5′～116°42′E, 39°41′～40°10′N)周長188 km,環(huán)內(nèi)面積約為2 267 km2。六環(huán)內(nèi)區(qū)域是北京市的主要建設(shè)區(qū)域,包括較為集中的人口和產(chǎn)業(yè)。本研究從美國USGS網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)獲取了1999、2005、2011、2017年每間隔6 a的北京市4期Landsat5 TM和Landsat8 OLI遙感影像數(shù)據(jù),對其進行了剪裁、輻射定標、大氣校正等預(yù)處理。鑒于綠地對地表溫度的降溫效果在夏季最顯著[17],4期原始影像均取自當年的夏季(7月)。研究選取的遙感影像當日天氣條件相似、日期相近,適合作為地表溫度研究的原始數(shù)據(jù)。

1.2 地表溫度反演及歸一化處理

本研究的原始Landsat數(shù)據(jù)具有兩個熱紅外波段,故可以采用單通道算法中的大氣校正法進行地表溫度反演[18]。

Landsat衛(wèi)星搭載的傳感器所接收到的輻射總值Lλ的計算公式為:

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑。

(1)

式中:ε為地表比輻射率,TS為地表真實溫度,B(TS)為同溫度下黑體熱輻射亮度值。L↑是大氣上行輻射亮度值,L↓是大氣下行輻射亮度值,τ為大氣熱紅外波段的透射率。這3個值是Landsat遙感影像數(shù)據(jù)的大氣剖面信息。由輻射總值公式求得同溫度下黑體熱輻射亮度值B(TS)為:

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε。

(2)

地表比輻射率ε由Sobrino提出的NDVI閾值法[19]計算,根據(jù)像元二分模型法[20-21]計算植被覆蓋度PV。

ε=0.004PV+0.986;

(3)

(4)

式中:INDVI是各年研究區(qū)域內(nèi)的歸一化植被指數(shù);INDVI,soil是無植被或者裸地區(qū)域的植被覆蓋度,INDVI,veg是地表覆被類型完全為植被的區(qū)域植被覆蓋度。

計算地表真實溫度TS:

(5)

式中:K1和K2分別為遙感影像的傳感器校準常數(shù),均可在傳感器原始信息文件中查詢。

為了排除氣溫等客觀因素差異對地表溫度反演結(jié)果的影響,對地表溫度的計算結(jié)果進行了歸一化處理[19],將其統(tǒng)一至[0,1]區(qū)間內(nèi)。具體公式為:

(6)

式中:TnLS是柵格數(shù)據(jù)值中第i個像元的歸一化地表溫度值,TSi是第i個柵格像元的地表溫度絕對值;TSmin是研究區(qū)地表溫度絕對值的最小值;TSmax是研究區(qū)地表溫度絕對值的最大值。

為排除各年氣溫差異等客觀因素的影響,研究地表溫度的相對變化值,采用歸一化地表溫度的差值△TnLS作為判斷因子,計算公式為:

△TnLS=TnLS,n+1-TnLS,n。

(7)

式中:TnLS,n+1為后置年份的歸一化地表溫度值,TnLS,n為前置年份的歸一化地表溫度值。

1.3 土地覆被分類

本研究將城市綠色空間界定為在城市中具有一定生態(tài)、游憩和生產(chǎn)功能的自然或人工綠地、水體等空間,主要涵蓋城市綠地、耕地、水域、以及其他綠色空間。其中,根據(jù)風景園林學的研究內(nèi)涵,城市綠地主要包括CJJT 85—2017《城市綠地分類標準》中的各類綠地,包括公園綠地、防護綠地、廣場用地、附屬綠地和區(qū)域綠地。其他綠色空間還包括高爾夫球場、除耕地之外的其他農(nóng)林用地等。

根據(jù)以上描述,使用Landsat遙感數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù),利用Ecognition平臺對1999、2005、2011、2017年4期遙感影像進行監(jiān)督分類,結(jié)合地物實際情況,將研究區(qū)域的下墊面分為林地、草地、耕地、休耕耕地、水域、不透水面、裸地。其中,林地、草地、耕地和水域共同構(gòu)成了城市綠色空間的全部范圍。

1.4 統(tǒng)計分析

在ArcGIS 10.2平臺中將4期土地利用數(shù)據(jù)的各類用地分別編號為1～7,并利用疊置分析公式ix=LSn×10+LSn+1計算下墊面覆被類型變化情況。其中:ix為研究區(qū)內(nèi)第x個像元的土地利用變化情況,LSn為前一年某一地類的土地利用類型編號,LSn的取值根據(jù)土地利用的地類分類有所差異。本研究中編號1～7分別對應(yīng)林地、草地、耕地、休耕耕地、水域、不透水面、裸地。LSn+1為后一年某一地類的土地利用編號,由此得出土地利用變化結(jié)果,例如疊置后得到的ix為11則代表林地在兩個年份間未發(fā)生改變,若為12則代表林地向草地轉(zhuǎn)換[20]。另外,使用柵格計算器、分區(qū)統(tǒng)計等工具計算并提取研究區(qū)各下墊面覆被類型的地表溫度值,具體技術(shù)路線見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域綠色空間的地表溫度分布規(guī)律

在得到北京六環(huán)內(nèi)地表溫度反演結(jié)果后,為驗證其可靠性,從北京市氣象局獲取了歷史逐日溫度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)觀測點位于亦莊地區(qū)的觀象臺(站點編號54511,該站點是北京地區(qū)最具代表性的站點,觀測時間最長,適用于長時間序列的研究中)。在ENVI5.3平臺下,計算位于在原始Landsat影像成像當日的地表溫度反演值(表1),并與觀象臺實測的溫度數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析,得出二者的皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)為0.78,相關(guān)性較為顯著,可認為地表溫度的反演結(jié)果可靠性較高。

表1 北京4期地表溫度反演數(shù)據(jù)與觀象臺實測溫度

分別計算1999、2005、2011、2017年北京六環(huán)內(nèi)歸一化地表溫度值,發(fā)現(xiàn)不同下墊面地表溫度具有一定差異(表2),各年平均值從高至低分別為不透水面(0.487)、裸地(0.472)、休耕耕地(0.458)、草地(0.346)、水域(0.302)、林地(0.314)、耕地(0.292)。不同土地覆被類型的綠色空間其地表溫度也有所不同,如耕地一般位于城市邊緣地帶,受到城市建筑和人為熱的影響較小,故其地表溫度較低。而對于中心城區(qū)的綠色空間,例如一些植被較為豐富的城市公園,其地表溫度會比淺山區(qū)自然綠地的略高,如位于淺山區(qū)的西山國家森林公園2017年其地表溫度為34.21 ℃,而位于城市建成區(qū)的南海子郊野公園的地表溫度則為35.66 ℃。

表2 北京不同綠色空間1999、2005、2011、2017年歸一化地表溫度值

參考已有的研究[21],將歸一化后的結(jié)果劃分為特低溫至特高溫7個等級。對于城市綠色空間部分的地表溫度而言,其溫度區(qū)間多分布于低溫至中溫之間(圖2,表3),與城市綠色空間的降溫特性相符。

表3 北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域綠色空間1999、2005、2011、2017年歸一化地表溫度分析統(tǒng)計

圖2 北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域綠色空間4期地表溫度歸一化結(jié)果Fig. 2 Surface temperature normalization results of the green space within the Sixth Ring Road in Beijing in 1999,2005,2011,2017

由圖2和表3可知,特低溫在1999年占比最高,為16.45%,在空間上主要集中在五環(huán)與六環(huán)之間的耕地區(qū)域,具體為京密引水渠北側(cè)至京新高速南側(cè)區(qū)域、京哈高速南側(cè)至京滬高速北側(cè)區(qū)域;至2005年,特低溫比例降低為8.16%,此時部分耕地由于城市建設(shè)有所減少,耕地部分的地表溫度整體表現(xiàn)出明顯的升高。2005年五六環(huán)之間休耕的部分農(nóng)田重新恢復(fù)耕作,特低溫和低溫區(qū)域主要集中于此,具體為朝陽區(qū)首都國際機場周邊區(qū)域、北六環(huán)路南側(cè)至溫榆河北側(cè)區(qū)域;2011—2017年,特低溫比例均降至2%以下。低溫區(qū)域在4期內(nèi)于39.88%～41.29%之間波動,呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的變化趨勢。較低溫區(qū)域則從1999年的34.88%和2005年的37.56%,升至2011、2017年的44.48%和40.49%。低溫和較低溫區(qū)域的綠色空間多集中于五環(huán)與六環(huán)之間,永定河沿岸綠色空間的增加、耕地的恢復(fù)耕作以及五環(huán)內(nèi)城市綠地的建設(shè),是導致這種變化的主要原因。18年間中溫區(qū)域在6.59%(1999年)～15.93%(2017年)之間波動?？臻g上,中溫區(qū)域主要分布在五環(huán)內(nèi)的城市建設(shè)用地內(nèi),以中小斑塊為主。地表溫度的變化主要與小斑塊綠色空間面積的變化呈正相關(guān)。例如:1999年,由于五環(huán)內(nèi)的綠地較少,此階段的中溫區(qū)域占比較少,為6.59%;至2005年,五環(huán)內(nèi)綠地開始增加,中溫區(qū)域的綠色空間比例增加,為14.27%;至2011年,五環(huán)內(nèi)不透水面的建設(shè)侵占了部分綠色空間,導致其中溫區(qū)域減少為8.25%;到2017年,由于“留白增綠”措施的實施與城市綠地建設(shè)的推進,使得城區(qū)內(nèi)小斑塊的綠色空間增加,中溫區(qū)域的比例也增加至15.93%。

2.2 北京市六環(huán)內(nèi)區(qū)域綠色空間地表溫度的時空演變特征

2.2.1 綠色空間的年變化特征

對北京市六環(huán)內(nèi)區(qū)域自1999、2005、2011、2017年的下墊面土地利用類型和綠色空間分別統(tǒng)計,并計算其年變化情況。將綠色空間的變化與轉(zhuǎn)移類型分為:不變、交換、增加、損失(圖3)。

圖3 1999—2017年北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域4個時期綠色空間轉(zhuǎn)換類型空間分布Fig. 3 Spatial distribution of green space conversion types within the Sixth Ring Road during 1999—2017

1999—2017年間,北京市六環(huán)內(nèi)區(qū)域下墊面中的各類面積分別產(chǎn)生了一定變化(圖4),綠色空間總共轉(zhuǎn)出(減少)227.09 km2。此外,其他用地類型中,休耕耕地共轉(zhuǎn)出157.76 km2,不透水面共轉(zhuǎn)入(增加)361.5 km2,裸地共轉(zhuǎn)入32.1 km2。

圖4 1999—2017年北京市六環(huán)內(nèi)區(qū)域綠色空間轉(zhuǎn)換結(jié)果的空間分布Fig. 4 Spatial distribution of green space transformation results within the Sixth Ring Road of Beijing during 1999—2017

1999—2017年間,綜合綠色空間交換、增加、損失部分,林地變化總值(轉(zhuǎn)出)為91.75 km2,雖然不透水面、裸地、休耕耕地均有一定量轉(zhuǎn)入林地,但總體看,林地部分主要轉(zhuǎn)為不透水面,共131.41 km2,且呈小面積片狀均勻分布于五環(huán)與六環(huán)之間,以及四環(huán)與五環(huán)的南部區(qū)域。對于綠色空間轉(zhuǎn)換量,耕地對林地轉(zhuǎn)換的貢獻量為34.40 km2,主要集中在五環(huán)外區(qū)域。疊加綠色空間增加值后,休耕耕地及裸地對林地有所補充。

草地總共轉(zhuǎn)入73.87 km2,其與不透水面的相互轉(zhuǎn)換量基本持平,林地和耕地對草地面積的轉(zhuǎn)入貢獻最大,疊加草地對二者的轉(zhuǎn)換量后,分別為21.38和24.70 km2。

耕地總共轉(zhuǎn)出184.34 km2,其中,耕地轉(zhuǎn)為不透水面最多,在18年間城市的不斷擴張中,城市建成區(qū)之外的耕地逐步因城市建設(shè)需要轉(zhuǎn)為不透水面,空間上主要分布于五環(huán)與六環(huán)之間的區(qū)域,且表現(xiàn)為東南方向的臺湖鎮(zhèn)、黑莊戶地區(qū)、北京市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和西北方向的西北旺、沙河、上莊地區(qū)最為集中。

水域總共轉(zhuǎn)出24.86 km2。其中,主要轉(zhuǎn)為不透水面的最多,相互抵消后的轉(zhuǎn)換量為20.62 km2,空間分布上除集中在古城街道之外,其余損失部分多為五環(huán)與六環(huán)之間耕地區(qū)域內(nèi)的魚塘。

2.2.2 綠色空間轉(zhuǎn)換類型的地表溫度變化

對不同綠色空間之間的相互轉(zhuǎn)換分析可知,18年間僅草地轉(zhuǎn)為林地、耕地、水域的△TnLS為負(表4),其歸一化地表溫度降低,表明其他綠色空間的降溫效益遠優(yōu)于草地。林地、耕地、水域轉(zhuǎn)為其他綠色空間類型的地表溫度均有不同程度的升高。1999—2017年增加的綠色空間其歸一化地表溫度均表現(xiàn)為降溫,表明城市不透水地表轉(zhuǎn)為綠色空間的結(jié)果均導致了地表溫度的降低。

表4 1999—2017年北京六環(huán)內(nèi)區(qū)域綠色空間轉(zhuǎn)換及地表溫度變化

所有綠色空間損失轉(zhuǎn)換為其他幾類用地的歸一化地表溫度均有一定程度的升高,其中變化值最大的為耕地轉(zhuǎn)為不透水面的區(qū)域,其△TnLS為0.195,變化最小的為草地轉(zhuǎn)換為休耕耕地,其△TnLS為0.075。對于綠色空間未產(chǎn)生變化的部分,其歸一化地表溫度亦表現(xiàn)出一定程度的升高,但其△TnLS的值均未超過0.01,其中,耕地的△TnLS變化最大,為0.08,草地最少,為0.009。綠色空間交換、增加、損失和不變的△TnLS均值分別為0.059、-0.147、0.143和0.048。

3 討 論

分析研究區(qū)域內(nèi)7種不同的城市下墊面(林地、草地、耕地、水域、休耕耕地、不透水面、裸地)各年的地表溫度可知,綠色空間均表現(xiàn)出一定的降溫特性,其余下墊面則表現(xiàn)出升溫特性。下墊面組分的不同是造成城市地表溫度差異的主要原因之一。耕地由于所處位置遠離城市主要建設(shè)區(qū)域,其地表溫度呈現(xiàn)出較低水平。1999—2017年間,北京六環(huán)以內(nèi)綠色空間在空間分布上發(fā)生了一定程度的變化,總體轉(zhuǎn)出227.09 km2。其中,除草地的面積有所轉(zhuǎn)入之外,其他3類綠色空間均呈現(xiàn)轉(zhuǎn)出的趨勢,且轉(zhuǎn)為不透水面的比例最高,由于城市的不斷擴張建設(shè),原本的綠色空間被侵占,導致城市下墊面組分的改變,并帶來地表溫度的升高以及城市熱島現(xiàn)象的加劇。綠色空間的時空演變導致了其地表溫度的變化,其中,綠色空間的增加帶來了地表溫度的降低,對歸一化地表溫度而言,其變化值為0.147,綠色空間的交換、損失以及不變部分則表現(xiàn)出不同程度的升溫。其中,綠色空間不變的部分的變化值最小,為0.048,由于城市化進程的推進,即使部分綠色空間保持不變,但其周邊的城市結(jié)構(gòu)和下墊面的變化、人為活動的不斷累積會導致其歸一化地表溫度的升高。綠色空間的損失對歸一化地表溫度升高的貢獻大于綠色空間交換的部分。對于綠色空間交換的部分,除草地轉(zhuǎn)為其他幾類綠色空間會帶來降溫效應(yīng)之外,其余的轉(zhuǎn)換類型則呈現(xiàn)一定的升溫作用。

在北京市“留白增綠”的背景下,從緩解城市熱島、創(chuàng)造更加適宜的人居環(huán)境角度,可對未來城市綠色空間規(guī)劃提出以下建議:

1)增加綠地面積、合理優(yōu)化其布局與結(jié)構(gòu)?；诒狙芯康姆治鼋Y(jié)果,大面積的綠地斑塊,其地表溫度較低,降溫效益較好,在兼顧城市建設(shè)的前提下,合理布局城市綠地,實現(xiàn)城市綠地的集約化利用,有利于對城市熱島效應(yīng)的緩解。

2)保護永久基本農(nóng)田區(qū)域。城市中的農(nóng)田為綠色空間的重要組成部分,是城鄉(xiāng)空間中兼具生產(chǎn)和生態(tài)效益的土地。耕地的地表溫度呈現(xiàn)出較低水平,保護永久基本農(nóng)田不被城市建設(shè)區(qū)域侵占,有利于形成城郊之間的綠化隔離帶,對熱島效應(yīng)有一定的緩解作用。

3)轉(zhuǎn)換草地為其他綠色空間類型。本研究表明,城市綠色空間中,草地的地表溫度呈現(xiàn)出較高水平,這與草地單一的植被結(jié)構(gòu)造成的降溫增濕效應(yīng)較為有限有關(guān),未來可將高爾夫球場等規(guī)劃成為城市公園,在存量更新的前提下,創(chuàng)造生態(tài)效益更優(yōu)的城市綠色空間,以降低由城市熱島現(xiàn)象導致的地表溫度的升高。

未來,除對城市建設(shè)區(qū)域的地表溫度進行宏觀尺度的研究外,還可進一步結(jié)合中觀與微觀層面城市熱環(huán)境的監(jiān)測,以形成多尺度、多維度的地表溫度研究機制,增加地表溫度研究的層級,為后續(xù)的研究提供更多元化的依據(jù)。