大連市城市綠地緩解熱島效應研究

李星明　張靖　李雪柔　劉妍　盧盈宇

摘 要：熱島效應指城市氣溫高于郊區(qū)的現(xiàn)象。城市綠地通過蒸騰作用和遮蔭效應形成“冷島”，具有緩解城市熱島效應的作用。選取大連市作為研究區(qū)，應用定量遙感的方法，選取4期Landsat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)，基于大氣校正法反演出大連城市地表溫度，并在此基礎上采用Pearson相關性，分析綠地緩解熱島效應大小與綠地面積、NDVI指數(shù)及到海洋的距離之間的關系。結果表明：大連市城市建成區(qū)存在著較嚴重的城市熱島現(xiàn)象，超過60%的區(qū)域地表溫度在33 ℃以上；與內(nèi)陸城市綠地降溫效果研究結果相似，大連市綠地的降溫距離與綠地面積和NDVIMean有關，但與到海洋的距離沒有相關性，且隨著面積的增大，降溫距離的增加呈對數(shù)變化規(guī)律。

關鍵詞：熱島效應；緩解；城市綠地；大連市

中圖分類號：X12 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.05.024

Abstract： The heat island effect was a phenomenon in which the urban air temperature was higher than that in the suburb. The urban green spaces formed the "cold island" by transpiration and shading effect， which could relieve the urban heat island effect. Based on the atmospheric correction method， the urban surface temperature of Dalian city is retrieved and the Pearson correlation was used to analyze the relationship between mitigation of green spaces on the heat island effect and green space area， NDVI index and the distance to the ocean. The results showed that there was a more serious phenomenon of urban heat island in urban built-up area of Dalian City， more than 60% of the regional surface temperature above 33 ℃. Compared with the inland city green space cooling effect of similar results， Dalian green space mitigation distance was connected with green space area and NDVIMean， but there was no correlation relationship with the distance to the ocean and the increase of the area， the increase of the cooling distance was logarithmic changed.

Key words： heat island effect； mitigation； urban green space； Dalian City

城市“熱島效應”（UHI）是指城市氣溫高于郊區(qū)的現(xiàn)象。早在19世紀初期，Howard對比對倫敦城區(qū)和郊區(qū)的氣溫時就發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。城市的人口密集、工廠及車輛排熱、居民生活用能的釋放、城市不透水面的增加改變地表熱容量等是其產(chǎn)生的原因[1- 2]。這種異常的增溫現(xiàn)象，強烈地影響城市氣候、水文、土壤、大氣環(huán)境等，增加能源消耗，甚至危害居民健康[3-5]。因此，加強城市熱島效應研究，對改善城市生態(tài)系統(tǒng)、合理規(guī)劃城市空間形態(tài)和發(fā)展方向、改善人居環(huán)境、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展等具有十分重要的意義。

城市綠地作為城市中唯一的綠色系統(tǒng)，承擔著愈來愈重要的生態(tài)功能。它能通過蒸騰作用和遮蔭效應形成“冷島”，緩解城市熱島效應[6]。研究表明，綠地的群落結構[7]、植被指數(shù)（NDVI）和覆蓋度[8-9]、面積[10]和形狀[11]等影響著其緩解熱島效應的能力。然而，這些研究成果的取得都是從內(nèi)陸城市獲得的，那么在沿海城市，這種城市綠地的降溫效果規(guī)律是否有所不同？為此，本研究選取大連市作為研究區(qū)，采用定量遙感的方法，選取多期Landsat 8 OLI影像，使用大氣校正法反演出大連城市地表溫度，并在此基礎上分析城市綠地面積和特征等與緩解熱島效應之間的關系，以期為改善大連市城市人居環(huán)境和緩解城市熱島效應提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

大連位于遼寧省遼東半島南端，是中國東部沿海重要的經(jīng)濟、貿(mào)易、港口、工業(yè)、旅游城市。地理位置：東經(jīng)120°58'～123°31'，北緯38°43'～40°10'。多山地丘陵，少平原低地，整個地形為北高南低，北寬南窄；氣候適宜，年均溫10.5 ℃；年降水量550～950 mm；日照總時數(shù)為2 500～2 800 h。本研究選取大連市建成區(qū)作為研究區(qū)，包括中山區(qū)、沙河口區(qū)、西崗區(qū)、甘井子區(qū)和金州區(qū)等5個區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

采用2015、2016年4期Landsat 8 遙感影像數(shù)據(jù)（分辨率30 m，成像時間為7—8月中旬，生長季、云量<2%，來源于http：//glovis.usgs.gov），采用ENVI5.1對遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正、幾何校正（單點精度小于0.5）、裁剪等圖像預處理。

1.3 地表溫度遙感反演算法

基于大氣校正法反演地表溫度，使用Landsat 8 TIRS（band 10）計算地表溫度，其原理為：從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去大氣對地表熱輻射的影響，得到地表熱輻射強度，通過公式將其轉化為相應的地表溫度。計算公式如下：

Lλ=[εB（TS）+（1-ε）L↓]τ+（1）L↑（1）

B（TS）=[Lλ-L↑-τ（1-ε）L↓]/τε（2）

TS=K2/ln（K1/B（TS）+1）（3）

式中：Lλ為星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值；L↑、L↓為大氣向上、向下輻射亮度；ε為地表比輻射率；TS為地表真實溫度（K）；B（TS）為黑體熱輻射亮度；τ為大氣在熱紅外波段的透過率；對于Landsat 8 第10波段，K1= 774.89 W·（m2·μm·sr）-1，K2=1 321.08 K；τ和L↑、L↓可在網(wǎng)站http：//atmcorr.gsfc.nasa.gov/中獲得。

1.4 城市綠地降溫距離計算

研究表明，城市綠地的消減作用范圍一般都在500 m范圍以內(nèi)[12-13]。在求取大連市4期地表溫度的平均值的基礎上，參考邱海玲[14]的緩沖區(qū)法進行綠地降溫距離的判定。其方法為：以典型城市綠地為中心，建立以30 m為間距的17個緩沖區(qū)，完成綠地周邊0～510 m范圍內(nèi)等間距分割，利用ArcGIS 10.3軟件統(tǒng)計每個緩沖帶內(nèi)的溫度平均值，作為該距離區(qū)間內(nèi)的溫度。然后將每塊城市綠地緩沖帶內(nèi)的溫度隨距離的變化規(guī)律進行圖形展示，若曲線上升過程中出現(xiàn)拐點，則視為綠地降溫的最大作用距離。

2 結果與分析

2.1 城市熱島強度特征分析

從圖1中可以看出，相對于周邊地區(qū)，大連市城市建成區(qū)存在著較嚴重的城市熱島現(xiàn)象，高溫區(qū)域幾乎遍布整個建成區(qū)。地表溫度超過33 ℃的面積為65.5%，其中，28.5%的區(qū)域溫度范圍在33～35 ℃之間，37.0%的區(qū)域地表溫度以>35 ℃為主。而在建成區(qū)以外，溫度要較建成區(qū)低1～3 ℃，43.8%的地表溫度在30～33 ℃之間，只有24.1%的區(qū)域地表溫度超過33 ℃。

從各區(qū)來看，平均地表溫度由低到高排序為：中山區(qū)（31.4）<西崗區(qū)（33.1）<沙河口區(qū)（33.4）<甘井子區(qū)（33.7）<金州區(qū)（34.8）。各區(qū)的綠地面積比率和區(qū)域NDVI均值可以解釋這一現(xiàn)象。中山區(qū)有著最大的綠地比率，綠地面積占全區(qū)的40.5%，NDVI均值為0.227；西崗區(qū)次之，綠地面積比率為25.2%，NDVI為0.185；沙河口和甘井子區(qū)緊隨其后，綠地面積比率分別為10.5%，10.6%，NDVI分別為0.172，0.168；金州區(qū)雖然綠地比率較沙河口區(qū)域甘井子區(qū)較大（為13.2%），但是它的NDVI均值（0.159）最低。

2.2 影響綠地降溫效果的相關性分析

選取綠地面積、綠地平均植被指數(shù)（NDVIMean）和到海洋的距離與綠地的降溫距離進行Pearson 相關性分析，結果見表1。綠地的降溫距離與綠地面積和NDVIMean正相關，而與到海洋的距離沒有相關性，即綠地面積越大或其NDVIMean值越大，綠地的降溫效果越明顯。

隨后使用這兩個因子與降溫距離建立模型。綠地面積與降溫距離的模型為y = 22.526 ln（x） - 121.44，R2= 0.406 6；NDVIMean與降溫距離的模型為y = 77 855 x3- 60 165 x2 + 15 397 x - 1 179.7，R2= 0.265 3。綠地面積可以解釋40.66%的降溫距離變化，隨著距離的增加降溫效應減弱，結果呈現(xiàn)梯度變化規(guī)律。Oliveira[10]、Feyisa[11]、Skelhorn[12]等在相關研究中也得到相似的結論。通過測量，得出大連市綠地降溫范圍在1～3 ℃，最大降溫距離為270 m，隨后降溫效果逐漸減弱。這與王文娟等[13]得出0～240 m的降溫效果基本相當[15]。NDVIMean對降溫距離的解釋能力較弱，僅達到26.53%。NDVI的大小可以反映出植被覆蓋度的大小，但是綠地中的喬灌草的比例對降溫效果也是有影響的，如研究發(fā)現(xiàn)三種降溫作用從大到小依次為：喬木、灌木和草本植物[7]，因此，需要后續(xù)研究進一步完善。

3 結 論

在求取大連市4期地表溫度的平均值的基礎上，使用緩沖區(qū)法研究典型城市綠地的降溫距離，得出如下結論。

（1）大連市城市建成區(qū)存在著較嚴重的城市熱島現(xiàn)象，地表超過33 ℃高溫的區(qū)域幾乎遍布整個建成區(qū)。各區(qū)的平均地表溫度由低到高的排序為：中山區(qū)、西崗區(qū)、沙河口區(qū)、甘井子區(qū)、金州區(qū)。

（2）與內(nèi)陸城市綠地降溫研究結果相似，大連市綠地的降溫距離與綠地面積和NDVIMean有關，而與到海洋的距離沒有相關性。其中，綠地面積對降溫距離的解釋能力較強，且隨著面積的增大，降溫距離的增加呈對數(shù)變化規(guī)律。

參考文獻：

[1]彭保發(fā)， 石憶邵， 王賀封， 等. 城市熱島效應的影響機理及其作用規(guī)律——以上海市為例[J]. 地理學報， 2013，68（11）： 1462-1471.

[2]劉帥， 李琦， 朱亞杰. 基于HJ-1B的城市熱島季節(jié)變化研究——以北京市為例[J]. 地理科學， 2014，34（1）： 85-88.

[3]肖榮波， 歐陽志云， 李偉峰， 等. 城市熱島的生態(tài)環(huán)境效應[J]. 生態(tài)學報， 2005，25（8）： 2055-2060.

[4]肖榮波， 歐陽志云， 張兆明， 等. 城市熱島效應監(jiān)測方法研究進展[J]. 氣象， 2005，31（11）： 3-6.

[5]鄭定華，張友勝，黃國陽.城市熱島效應研究進展[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2010（4）：96-98.

[6]SUSCA T， GAFFIN S R， DELL'OSSO G R. Positive effects of vegetation： urbanheat island and green roofs[J]. Environmental pollution， 2011，159： 2119-2126.

[7]賀慶棠， 閻海平， 任云卯， 等. 北京地區(qū)植物表面溫度的初步研究[J]. 北京林業(yè)大學學報， 2005，27（3）： 30-34.

[8]李瑤， 潘竟虎. 基于Landsat 8 劈窗算法與混合光譜分解的城市熱島空間格局分析——以蘭州市中心城區(qū)為例[J]. 干旱區(qū)地理， 2015，38（1）： 112-118.

[9]LI J， SONG C， CAO L， ZHU F， et al. Impacts of landscape structure on surface urban heat islands： a case study of Shanghai， China[J]. Remote sensing of environment， 2011，115： 3249-3263.

[10]OLIVEIRA S， ANDRADE H， VAZ T. The cooling effect of green spaces as acontribution to the mitigation of urban heat： a case study in Lisbon[J]. Buildingand environment， 2011，46（11）： 2186-2194.

[11]FEYISA G L， DONS K， MEILBY H. Efficiency of parks in mitigating urban heat island effect： an example from Addis Ababa[J]. Landscape and urban planning， 2014，123： 87-95.

[12]SKELHORN C， LINDLEY S， LEVERMORE G. The impact of vegetation types on air and surface temperatures in a temperate city：a fine scale assessment in Manchester， UK[J]. Landscape and urban planning， 2014，121： 129-140.

[13]王文娟， 鄧榮鑫. 城市綠地對城市熱島緩解效應研究[J]. 地理空間信息， 2014，12（4）： 52-54.

[14]邱海玲. 北京城市熱島效應及綠地降溫作用研究[D]. 北京： 北京林業(yè)大學， 2014.

[15]REN Z， HE X， ZHENG H， et al. Estimation of the relationship between urban park characteristics and park cool island intensity by remote sensing data and field measurement[J]. Forests， 2013，4（4）： 868-886.