城市公園景觀空間結(jié)構(gòu)對其熱環(huán)境效應(yīng)的影響

馮悅怡，胡潭高，張力小,*

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室， 北京 100875; 2.杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室， 杭州 311121)

城市公園景觀空間結(jié)構(gòu)對其熱環(huán)境效應(yīng)的影響

馮悅怡1，胡潭高2，張力小1,*

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室， 北京 100875; 2.杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室， 杭州 311121)

熱島效應(yīng)是快速城市化進程中最具代表性的生態(tài)環(huán)境問題之一。以綠地和水體為主體的城市公園所形成的“城市冷島”是緩解城市熱島效應(yīng)和改善城市熱環(huán)境的有效途徑。研究選取北京市城區(qū)24個公園為研究對象，利用landsat- 5 TM遙感影像反演城市地表溫度，探討城市公園內(nèi)部景觀構(gòu)成、斑塊形態(tài)和空間布局這3個方面的空間結(jié)構(gòu)特征與其內(nèi)部溫度(Ta)、對周邊環(huán)境降溫的影響范圍(Lmax)及降溫幅度(ΔTmax)的關(guān)系。研究表明：從景觀構(gòu)成來看，Ta、Lmax、ΔTmax與水體面積均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，是影響公園內(nèi)外熱環(huán)境的關(guān)鍵因子；Ta及ΔTmax與公園內(nèi)綠地面積無顯著相關(guān)性，而主要受三維綠量和硬質(zhì)地表比例的影響；與此相反，Lmax與綠量相關(guān)性并不顯著，但與林地面積呈顯著正相關(guān)。因此，綜合考慮公園內(nèi)外整體降溫效應(yīng)，應(yīng)在保證綠地面積達到一定規(guī)模的同時，盡量豐富綠地內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，增大三維綠量；從斑塊形態(tài)來看，綠地斑塊形狀越復(fù)雜，公園內(nèi)部溫度越低，影響范圍越遠，而公園外圍邊界形狀與內(nèi)部溫度呈較顯著正相關(guān)，但對周邊熱環(huán)境的影響并不明顯；從空間布局來看，硬質(zhì)地表分布與Ta、Lmax、ΔTmax均顯著相關(guān)，其布局越分散，內(nèi)部溫度越低，對周邊的影響范圍及降溫幅度越大；此外，公園林地布局越分散，內(nèi)部溫度越低，影響范圍越大，但對ΔTmax影響不明顯。在城市公園規(guī)劃設(shè)計中，從緩解城市熱島效應(yīng)出發(fā)，應(yīng)將公園景觀內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)特征作為重要的考慮因素之一。

熱島效應(yīng)；城市公園；空間景觀特征；影響范圍；降溫幅度

城市化進程的加劇引發(fā)城市高層建筑、機動車輛、人為熱源的激增以及城市用地性質(zhì)的巨大改變，這些因素共同作用導(dǎo)致了城市熱島、大氣污染和生態(tài)失衡等諸多環(huán)境問題。其中，以熱島效應(yīng)為代表的城市熱環(huán)境惡化已成為影響城市生態(tài)環(huán)境的重要因素，并嚴重制約了城市人居環(huán)境質(zhì)量[1- 3]。在城市各種下墊面中，綠地和水體已被證明具有降溫增濕、調(diào)節(jié)局地小氣候等多種生態(tài)功能，是緩解城市熱島效應(yīng)重要的可控性因素之一[4- 5]。而城市公園景觀是城市綠地和水體的集中分布地，所形成的“城市冷島”對改善城市熱環(huán)境意義重大。但由于城市土地資源緊張，如何使有限的公園景觀最大程度地發(fā)揮包括降溫效應(yīng)在內(nèi)的各項生態(tài)功能，獲取更大城市熱環(huán)境改善效益，是當(dāng)前面臨的緊迫課題之一。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同類型城市公園綠地景觀的熱環(huán)境效應(yīng)做了大量研究，深入探討了公園面積、周長、幾何形狀等外部形態(tài)特征，公園內(nèi)綠地垂直結(jié)構(gòu)、綠地及水體比例等結(jié)構(gòu)因子對其降溫效果的影響[6- 12]。此外，在研究公園對周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)時，大多采用人為劃定緩沖區(qū)距離計算公園周邊的平均溫度，并與其內(nèi)部溫度進行比較研究，或基于實地氣象觀測數(shù)據(jù)分析特定公園對周邊小氣候的影響程度[6,9- 10, 13]。近兩年已有學(xué)者在如何定量確定公園對周邊溫度的實際影響大小及影響范圍方面做了一些積極的嘗試，并取得了較為理想的結(jié)果[14- 16]。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于Landsat- 5 TM影像反演北京地表溫度(LST)，選取北京市五環(huán)內(nèi)24個公園作為研究對象，擬通過對公園內(nèi)部景觀構(gòu)成、斑塊形態(tài)和空間布局這3個方面的空間結(jié)構(gòu)特征與公園內(nèi)部及周邊溫度分布情況進行系統(tǒng)的相關(guān)性分析，探索城市公園空間景觀特征與熱環(huán)境效應(yīng)間的響應(yīng)關(guān)系，為城市熱源管理與公園建設(shè)提供相關(guān)決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

北京作為我國的首都和國際大都市，是我國城市化發(fā)展速度最快的地區(qū)之一，其高強度經(jīng)濟活動、高密度硬質(zhì)地表使城市熱島效應(yīng)顯著。2000—2006年夏季熱島強度增溫率達0.326 ℃/a，且中心強度在2005年達到10.54 ℃，熱島影響范圍也由1987年總面積的10.74%上升至2009年的26.77%[17- 18]。因此，研究北京市城區(qū)公園降溫效應(yīng)的變化規(guī)律，充分發(fā)揮其對熱島效應(yīng)的減緩作用，對改善城市熱環(huán)境具有重要意義。本文選取北京市五環(huán)內(nèi)24個典型公園作為研究對象。公園的基本信息見表1，其空間位置分布如圖1所示。

表1 北京市城區(qū)24個公園信息

圖1 案例公園位置分布圖Fig.1 The location of selected parks in this study

1.2 地表溫度反演方法

本文使用的遙感數(shù)據(jù)源為北京市2009年7月20日的Landsat- 5 TM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。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。在提取溫度之前，對影像進行了預(yù)處理，包括幾何糾正、投影變換等。首先通過TM影像的熱紅外波段(第6波段)求算亮度溫度：將像元灰度值(DN)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輻射亮度，然后根據(jù)輻射亮度推算對應(yīng)的亮度溫度[19- 20]：

Lλ=gain×DN+offset

(1)

(2)

式中，gain為傳感器的增益(0.055 W·m-2·sr-1·μm-1)，offset為偏移量(1.24 W·m-2·sr-1·μm-1)，可從頭文件中得到，Lλ為輻射亮度，DN為TM影像6波段灰度值，T為輻射亮溫(K)，k1、k2為發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量，k1=1260.56 K，k2=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1。進一步利用不同地物的比輻射率(ε)將輻射亮溫轉(zhuǎn)換為陸地表面溫度，本研究采用Artis等提出的公式：

(3)

式中，λ為發(fā)射輻射的波長，取熱紅外波段均值λ=11.5 μm，ρ=h×c/σ(1.438×10-2mK)，σ為Boltzmann常數(shù)(1.38×10-23J/K)，h為Planck常數(shù)(6.626×10-34J·s)，c為光速(2.998×108m/s)[21]。Van等通過實地測量自然地表的熱紅外(8—14 μm)比輻射率和歸一化植被指數(shù)(NDVI)后，提出如下經(jīng)驗公式：

ε=1.0094+0.047ln(NDVI)

(4)

Van的經(jīng)驗公式是在自然地表上總結(jié)出來的，要求NDVI的值介于0.157—0.727之間[22]；對于水面而言，根據(jù)Masuda的相關(guān)研究將其比輻射率定為0.9925[23]；對于NDVI<0.157的其它城市用地，將其比輻射率定為0.923[24]；對于NDVI>0.727的全植被覆蓋區(qū)域，定為0.99[20]。

1.3 公園景觀特征提取與緩沖區(qū)分析

參考前人研究的成果，將公園內(nèi)部土地覆蓋類型分為以下4大類：林地(以喬灌木為主，其它植被少于10%的綠地)、草地(草坪為主，其它植被少于10%的綠地)、水體、硬質(zhì)地表與建筑。以Google earth為數(shù)據(jù)源，選取北京市五環(huán)內(nèi)24個代表性公園，通過人工目視解譯提取各個公園并對其內(nèi)部土地覆蓋類型進行精細分類(圖1)。由于城市公園是由多種土地類型交錯分布形成的一個景觀綜合鑲嵌體，景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)的差異與其生態(tài)學(xué)過程密切相關(guān)。因此，本研究結(jié)合ArcGIS和Fragstats軟件定量化描述公園景觀鑲嵌體的空間特征，探索其與公園降溫效應(yīng)間的關(guān)系。在選取景觀特征指標時，遵循對城市公園規(guī)劃和設(shè)計有指導(dǎo)意義的原則，從景觀構(gòu)成、斑塊形態(tài)和空間布局這3個方面選取如表2所示的11個指標。其中，景觀構(gòu)成的指標選取是基于表征數(shù)量的面積指標和表征結(jié)構(gòu)的比例指標的綜合考慮。

表2 公園景觀特征指標選擇

綠量計算方式參考文獻[25]; 綠地形狀指數(shù)為公園內(nèi)林地、草地綜合綠地景觀形狀指數(shù)，計算方式參見文獻[26]

借助緩沖區(qū)分析方法，探求公園對其周邊環(huán)境的降溫影響范圍及降溫幅度。由于所選取的溫度反演影像是Landsat- 5 TM，熱紅外波段的空間分辨率為120 m，因此根據(jù)公園邊界，以120 m為間隔向外生成多個分級緩沖區(qū)。有研究表明，公園的“溫度影響閾值”約為公園的寬度[6, 27]。因此本研究設(shè)定公園寬度的1.5倍為緩沖區(qū)最外圈界限；分別對每個公園的周邊進行干擾區(qū)域鑒別，在緩沖區(qū)內(nèi)剔除掉包含較大面積綠化帶、水體、超大型建筑群等影響因子的區(qū)域(圖2，以龍?zhí)段骱珗@為例)，以使分析區(qū)域地表覆蓋盡量均一化，從而可以更好的分析公園對一般性城市下墊面的作用機理；最后將各個公園及其緩沖區(qū)圖層與地表溫度柵格數(shù)據(jù)進行空間疊置，提取區(qū)域內(nèi)的平均地表溫度。

圖2 龍?zhí)段骱珗@緩沖區(qū)分析示意圖Fig.2 Buffer zone analysis of Longtan West Lake Park

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀特征對公園內(nèi)部熱環(huán)境的影響

將公園圖層與反演的地表溫度圖進行疊置，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，所選取公園區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的平均溫度為29.30 ℃，比北京五環(huán)內(nèi)的平均地表溫度32.37 ℃低3.07 ℃，說明公園是城市熱島中的低溫區(qū)，成為城市熱表面中的“冷島”。對24個公園內(nèi)部平均溫度(Ta)與所選取的公園景觀特征指標進行相關(guān)性分析(表3)。

結(jié)果表明：從景觀構(gòu)成來看，公園內(nèi)部平均溫度與其林地、草地面積的相關(guān)性并不顯著，但與公園總綠量呈顯著負相關(guān)，即綠量越大，其內(nèi)部溫度越低。蒸騰作用是園林植物降溫增濕的主要機理，相較于體現(xiàn)綠地平面量的綠化覆蓋面積而言，三維綠量更好地反映了各公園綠地在空間結(jié)構(gòu)方面的差異，擁有較高綠量的城市公園綠地由于其較多的“蒸騰作用”而表現(xiàn)出更高的生態(tài)功能水平。圖3顯示了公園內(nèi)部平均溫度與綠量的關(guān)系曲線。從中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠量較小時，公園內(nèi)部溫度對綠量的變化較為敏感，隨著綠量不斷增大，降溫趨勢逐漸減緩。例如，對于勞動人民文化宮、中山公園等本身綠量較小的公園，通過增加喬木量、豐富喬灌草搭配而提高綠量將對其內(nèi)部溫度的降低有顯著作用。此外，公園內(nèi)部平均溫度與硬質(zhì)地表比例、水體面積表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.696、-0.660，即硬質(zhì)地表與建筑比重越低、水體面積越大，溫度越低。通過建立公園內(nèi)平均溫度與硬質(zhì)地表比例關(guān)系圖可得(圖4)，溫度隨著公園硬質(zhì)地表比例的增大而升高，線性擬合的斜率為9.15(R2=0.48)，即公園內(nèi)硬質(zhì)地表比重每增加10%，地表溫度將增長0.915 ℃。公園內(nèi)水體面積與溫度的關(guān)系曲線如圖5所示，可以看到，水體面積從0 m2增加到500000 m2時對溫度的影響程度要比面積從500000 m2增加到1000000 m2時顯著得多。因此，當(dāng)水體面積達到一定水平之后，水體面積的再增加對公園熱環(huán)境的改善程度不再明顯。因此，從公園所投入的建設(shè)面積與其降溫效應(yīng)的收益角度來看，水體面積控制在500000 m2內(nèi)較為合理。

表3 景觀特征與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)性

*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；** 在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);SI:公園形狀指數(shù)；G:綠量；AF:林地面積；AL:草地面積；AW:水體面積；PI:硬質(zhì)地表及建筑比例；SIG：綠地形狀指數(shù)；AIF：林地聚集度；AIL：草地聚集度；AIW：水體聚集度；AII：硬質(zhì)地表及建筑聚集度

圖3 公園內(nèi)平均溫度Ta與綠量擬合曲線圖Fig.3 Fitting curves between Ta and Greenness

圖4 Ta與硬質(zhì)地表比例擬合曲線圖Fig.4 Fitting curves between Ta and Proportion of impermeable surface

圖5 Ta與水體面積擬合曲線圖Fig.5 Fitting curves between Ta and Area of water

從斑塊形態(tài)來看，溫度與公園內(nèi)部綠地形狀指數(shù)呈極強的負相關(guān)性，但與公園外圍形狀指數(shù)呈較為顯著的正相關(guān)。Wiens等人研究發(fā)現(xiàn)形狀越復(fù)雜的斑塊，其內(nèi)部的能量、物質(zhì)以及信息與外部環(huán)境的交流就越容易[28]。因此，公園內(nèi)部綠地形狀越復(fù)雜，綠地內(nèi)冷空氣與其周邊的熱量流交換越劇烈，綠地對公園的降溫效應(yīng)越明顯；相反，公園外圍邊界形狀越復(fù)雜，公園內(nèi)外熱量交流越便利，公園對周邊熱環(huán)境影響力越強，但與此同時，公園內(nèi)部受外部熱環(huán)境干擾也更多，從而一定程度上減緩了其降溫效應(yīng)。因此，綠地斑塊邊界形狀復(fù)雜化，公園外圍邊界簡單化將會一定程度提高公園內(nèi)部冷島效應(yīng)。從景觀空間布局來看，林地及硬質(zhì)地表分布的聚集度指數(shù)與溫度呈顯著正相關(guān)，聚集指數(shù)越高，分布越集中，公園內(nèi)部溫度越高。因此，使林地和硬質(zhì)地表斑塊盡量分散布置將有助于降低公園內(nèi)部溫度。

2.2 公園對周邊降溫影響范圍及降溫幅度

對每個公園按照1.3中所述的方法進行分級緩沖區(qū)分析。在所選取的24個公園中，海淀公園、中山公園、北海公園由于外圍干擾區(qū)域較大，可進行緩沖區(qū)分析區(qū)域過少，因此不作考慮。將公園外部的緩沖區(qū)與反演溫度場疊置, 統(tǒng)計公園外部各個緩沖環(huán)內(nèi)的平均溫度值。建立緩沖環(huán)離公園邊界的距離(L)與環(huán)內(nèi)平均溫度(Tb)的曲線圖(圖6)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著緩沖區(qū)距離遞增，緩沖區(qū)內(nèi)溫度升高顯著，但升溫趨勢逐漸減緩，即公園對該緩沖區(qū)降溫效應(yīng)逐漸減緩，到一定范圍之后，地表溫度的變化趨向平穩(wěn)，此時公園的“冷島”效應(yīng)逐漸消失，而該曲線的拐點即公園對周邊溫度影響范圍的界限。

圖6 朝陽公園周邊不同距離地表溫度變化特征Fig.6 The characteristics of LST change of different distances far away from the Chaoyang park

為進一步確定不同公園對周邊溫度的影響范圍和影響程度，以緩沖環(huán)離公園的距離(L)為自變量，以緩沖環(huán)內(nèi)平均溫度為因變量對各個公園進行擬合分析。參考蘇泳嫻、馮曉剛等學(xué)者對廣州、西安等城市公園對周邊環(huán)境降溫效應(yīng)研究成果，選擇三次多項式進行擬合以尋求公園最大影響范圍(Lmax)。其變化規(guī)律主要表現(xiàn)為兩個階段：在達到公園對周邊環(huán)境溫度影響的最大距離(Lmax)之前，溫度變化曲線符合三次多項式曲線上升階段的變化規(guī)律；而當(dāng)距離達到Lmax之后，溫度變化趨近平穩(wěn)，雖然由于地表覆蓋類型等其它因素的差異導(dǎo)致小范圍波動，但總體上可認為是近似于一條代表常數(shù)的水平直線[14,16]。因此，本研究中采用三次多項式取極值的方式確定Lmax。各公園與三次多項式的擬合程度均較高，R2均大于0.7。通過求導(dǎo)計算多項式的極值，確定公園對周圍熱環(huán)境的影響范圍(Lmax)及此處的溫度(Tb)，并進一步與公園內(nèi)平均溫度(Ta)比較得到最大降溫(ΔTmax)(表4)。

2.3 景觀特征對公園周邊熱環(huán)境的影響

將2.2中所得到的21個公園對周邊環(huán)境的影響范圍Lmax及降溫幅度ΔTmax與公園的空間景觀特征進行相關(guān)性研究(表5)，結(jié)果表明，公園降溫的影響范圍與公園內(nèi)部林地、水體的面積呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.556、0.945，但與綠量相關(guān)性并不明顯，這與2.1中對公園內(nèi)部熱環(huán)境的影響正好相反。城市公園對其周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)主要是通過水平方向的熱量、水汽交換而使公園與其周邊區(qū)域的熱環(huán)境差異趨于緩和，從而改變公園周邊局地小氣候狀況，而局地小氣候環(huán)流的強度直接決定了公園降溫的影響范圍。隨著綠地及水體面積的增大，更易形成較強的局地環(huán)流，對周邊熱環(huán)境造成的影響也就越大。圖7、圖8顯示了影響范圍Lmax與林地、水體面積的關(guān)系曲線?？梢钥吹剑w面積對Lmax的影響比林地面積更為顯著。隨著林地面積的增大Lmax的增長趨勢逐漸趨于緩和，而水體面積與Lmax呈現(xiàn)較強的線性關(guān)系(R2=0.89)，水體面積每增加100000 m2，Lmax將增加100 m。此外，公園“冷島”的影響范圍受其斑塊形態(tài)和空間布局的影響較顯著：公園內(nèi)部綠地斑塊形狀越復(fù)雜，綠地及硬質(zhì)地表越分散布置，影響范圍越大。賈劉強對成都市綠地降溫效應(yīng)的研究表明，在不同研究尺度上綠地空間集聚程度對熱島的影響不同[15]。因此，針對斑塊空間布局與熱環(huán)境的關(guān)系尚需進一步深入探討。

表4 公園對周邊溫度的影響范圍及降溫幅度

Lmax：公園對周邊環(huán)境溫度影響范圍；Tb：距離公園Lmax處地表溫度；Ta：公園內(nèi)平均地表溫度；ΔTmax：公園對周邊環(huán)境降溫幅度(Tb-Ta)

表5 公園景觀特征與Lmax、ΔTmax的相關(guān)性

*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖7 影響范圍(Lmax)與林地面積(AF)的擬合曲線圖Fig.7 Fitting curves between sphere of influence (Lmax) and area of forest (AF)

圖8 影響范圍(Lmax)與水體面積(AW)的擬合曲線圖Fig.8 Fitting curves between sphere of influence (Lmax) and area of wat er (AW)

從降溫幅度來看，公園內(nèi)部景觀構(gòu)成的差異是導(dǎo)致各公園內(nèi)外溫差ΔTmax差異的主要原因。ΔTmax與綠量、水體面積呈顯著正相關(guān)，與硬質(zhì)地表比例呈顯著負相關(guān)，即三維綠量、水體面積越大，硬質(zhì)地表比重越少，則溫差越明顯。此外，硬質(zhì)地表分散布局也將一定程度提高公園的降溫幅度。由于ΔTmax是公園外Lmax處的溫度Tb與公園內(nèi)溫度的差值，Tb基本不受公園“冷島”的影響，反映的是公園所處區(qū)域的背景溫度，因此，各公園降溫幅度與所處的空間相對位置密切相關(guān)。值得注意的是，公園內(nèi)綠地面積與ΔTmax相關(guān)性并不顯著，但卻是影響Lmax大小的重要指標，為使公園對周邊熱環(huán)境的緩解效應(yīng)達到最大，應(yīng)在保證綠地面積達到一定規(guī)模的同時，盡量豐富綠地內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，增大三維綠量。

3 結(jié)論與討論

本文以北京市五環(huán)內(nèi)24個公園為研究對象，初步探討了城市公園景觀空間結(jié)構(gòu)特征與其內(nèi)部及周邊熱環(huán)境間的響應(yīng)關(guān)系，重點分析了公園內(nèi)部景觀構(gòu)成、斑塊形態(tài)和空間布局這3個方面的空間結(jié)構(gòu)對公園內(nèi)及周邊溫度分布情況的影響，主要結(jié)論如下：

(1)公園內(nèi)部溫度與林地、草地面積無顯著相關(guān)性，主要受公園內(nèi)三維綠量、水體面積及硬質(zhì)地表比例的影響，綠量、水體面積越大，硬質(zhì)地表與建筑比重越低，公園內(nèi)冷島效應(yīng)越明顯。然而，隨著綠量、水體面積的不斷增大，公園內(nèi)溫度的下降趨勢逐漸趨于緩和，因此，在進行公園規(guī)劃建設(shè)時應(yīng)從公園所投入的建設(shè)面積與其降溫效應(yīng)的收益角度出發(fā)綜合權(quán)衡。此外，公園產(chǎn)生冷島效應(yīng)的能力受其斑塊形態(tài)和空間布局的影響較顯著，在景觀組分一定的條件下，盡量使綠地斑塊邊界形狀復(fù)雜化、公園外圍邊界簡單化，且林地和硬質(zhì)地表斑塊分散布置，將有助于進一步發(fā)揮公園內(nèi)部的降溫效應(yīng)。

(2)公園景觀對其周邊熱環(huán)境具有明顯的緩解作用，通過建立公園周邊溫度與離公園邊界距離的規(guī)律模型可得，公園外溫度隨著距離的增加而不斷升高，最終趨于平穩(wěn)，溫度升高階段的變化趨勢與三次多項式有較好的擬合度，從而較合理地確定公園斑塊對周邊環(huán)境溫度的影響范圍和降溫幅度。研究區(qū)所選公園降溫范圍介于296.07—2420.98 m之間；降溫溫差最小為勞動人民文化宮的1.26 ℃，最大為頤和園的7.82 ℃。

(3)公園對周邊溫度的影響范圍與公園內(nèi)部林地、水體的面積呈顯著正相關(guān)，但與綠量相關(guān)性并不明顯，且水體面積對最大降溫范圍的影響比林地更為顯著；此外，公園內(nèi)部綠地斑塊形狀越復(fù)雜，綠地及硬質(zhì)地表越分散布置，影響范圍越大。公園對周邊環(huán)境的降溫幅度主要受公園內(nèi)部景觀構(gòu)成的影響，三維綠量、水體面積越大，硬質(zhì)地表比重越少，溫差越明顯，同時亦與各公園所處的空間相對位置密切相關(guān)。

此外，還有3個方面的問題需要說明：第一，為確保研究樣本的典型性及代表性，且數(shù)字化工作量巨大，本研究所選公園數(shù)量只有24個，今后將進一步擴充公園樣本以進行更為細致的統(tǒng)計驗證；第二，本研究采用的溫度數(shù)據(jù)是基于Landsat- 5 TM遙感影像反演的地表溫度，熱紅外波段的分辨率相對較低，且地表溫度對城市地表覆蓋物極為敏感，與氣溫差異明顯，對研究結(jié)果有較大影響，在今后的研究中將考慮采用Aster或ETM+數(shù)據(jù)結(jié)合實測及氣象站數(shù)據(jù)進行校正。此外，由于城市公園景觀的降溫效應(yīng)受周邊用地結(jié)構(gòu)、人為熱源等諸多因素的影響較大，未來將嘗試使用微氣候模擬軟件(如ENVI-met)對綠地及其周邊溫度場進行模擬，作為統(tǒng)計學(xué)結(jié)論的補充。

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Impactsofstructurecharacteristicsonthethermalenvironmenteffectofcityparks

FENG Yueyi1, HU Tangao2, ZHANG Lixiao1,*

1StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofUrbanWetlandsandRegionalChange,InstituteofRemoteSensingandEarthScience,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou311121,China

Urban Heat Island (UHI) is one of the major problems in the 21stcentury posing to human beings as a result of urbanization and industrialization.It is primarily triggered by the dense built environment (i.e., replacement of the natural landscape) as well as anthropogenic heat in cities, and has led to huge negative impacts on human life.Urban parks, which are known as “Urban Cool-island”, have been considered as an effective measure in alleviating UHI effects and improving urban thermal environment.Nevertheless, as urban land use is of high tension, it has become a serious issue during the planning and designing process of city parks that how to maximize the ecological functions of the park landscape, and to make it effective in improving the urban ecology and urban climate.In this study, 24 city parks in the urban area of Beijing were selected to explore the effects of spatial characteristics of city parks (including the landscape composition, the patch morphology and the spatial distribution) on internal and external thermal environment, including the temperature inside the parks (Ta), sphere of influence on the surrounding environment (Lmax) and the maximum cooling range (ΔTmax).Temperature distribution was inversed from Landsat- 5 TM remote sensing data.The results showed that from the perspective of the landscape composition,Ta,Lmaxand ΔTmaxwere positively correlated with water areas at a significant level, which was considered as the key factor affecting the thermal environment both inside and outside the parks.Taand ΔTmaxrepresented no significant correlation with the forest and lawn areas.Comparatively, they were closely related with the greenness and the proportion of impermeable surface.Conversely,Lmaxhad no obvious correlation with the greenness, but was substantially positively correlated with the forest area.Hence, in order to maximize the cooling effects both inside and outside the parks, it would be of necessity to enrich the inner spatial structure of green space and increase the three-dimensional greenness to the greatest extent under the premise of ensuring a certain size of the green space area.With respect of the patch morphology, the more complex the geometric shape of green patch was, the lower the internal temperature and the further the sphere of influence would be.The boundary shape of the park displayed a certain correlation with the internal temperature, but had no distinct impacts on the surrounding thermal environment.In terms of the spatial distribution,Ta,Lmax, and ΔTmaxwere all remarkably associated with the distribution of impermeable surface.That is, the more dispersed the impermeable surface arrangement was, the lower the internal temperature and the larger sphere of influence and cooling range would be.In addition, the parks with more dispersed forest distribution would bring about the lower internal temperature and the larger sphere of influence.While the forest distribution of the parks had no apparent impacts on ΔTmax.In conclusion, from the perspective of the urban heat island mitigation, the spatial landscape characteristics of parks should be taken as important considerations in the city park planning and design.

urban heat island; city park; spatial landscape characteristic; sphere of influence; cooling range

國家科技支撐計劃(216029)；國家基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51121003)

2013- 06- 10;

2014- 02- 11

10.5846/stxb201306101641

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhanglixiao@bnu.edu.cn

馮悅怡，胡潭高，張力小.城市公園景觀空間結(jié)構(gòu)對其熱環(huán)境效應(yīng)的影響.生態(tài)學(xué)報,2014,34(12):3179- 3187.

Feng Y Y, Hu T G, Zhang L X.Impacts of structure characteristics on the thermal environment effect of city parks.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3179- 3187.