城市綠地空間與熱環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系
——以武漢市為例

馮 聰

（廣州市天作建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510623）

1 研究背景與方法

1.1 研究背景

1.1.1 快速城市化背景下城市熱環(huán)境問題日益嚴(yán)重

我國目前正處在快速城市化的階段，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口迅速增加。隨著城市的蔓延和擴(kuò)張，城市周邊的農(nóng)田、濕地以及其他自然植被逐漸被建筑物、道路等取代，下墊面性質(zhì)發(fā)生明顯改變。人工構(gòu)筑物如瀝青、水泥和混凝土等具有熱容量較小和吸熱性較大的特點(diǎn)，比綠地或其他自然下墊面升溫快，表面溫度明顯高于自然下墊面，在城市中形成以人工構(gòu)筑物為中心的高溫區(qū)域，即城市熱島。城市化進(jìn)程影響著城市溫度的變化使城市熱島現(xiàn)象加劇、城市熱環(huán)境不斷惡化。

1.1.2 城市綠地對改善城市熱環(huán)境具有重要意義

綠色植物通過特有的生理活動，如蒸騰作用、光合作用等，可以從周圍環(huán)境中吸收大量的熱量和二氧化碳，并將水分以氣態(tài)形式散發(fā)到大氣中，帶走熱量，降低空氣溫度。研究表明，綠化覆蓋率每增加10%，氣溫降低的理論最高值為2.6%，在夜間可達(dá)2.8%[1]。綠地覆蓋的區(qū)域溫度降低，空氣冷卻收縮下沉，地面氣壓升高，氣壓高的氣流從綠地吹向非綠地，形成局部環(huán)流，從綠地中吹出的低溫空氣，客觀上起到了降低周圍環(huán)境溫度的作用[2]。

1.2 研究方法

本文主要通過遙感圖像處理與分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法來進(jìn)行綠地與熱環(huán)境的空間特征及相互關(guān)系的研究。

（1）遙感圖像處理與分析。利用ENVI4.0軟件對Landsat-5 TM遙感圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，獲取植被指數(shù)和亮度溫度數(shù)據(jù)。對GOOGLE EARTH圖像進(jìn)行目視解譯，獲取綠地與其他景觀元素的空間組合關(guān)系。

（2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)。將得到的初步結(jié)果利用EXCEL軟件進(jìn)行回歸分析，研究城市綠地與熱環(huán)境的相關(guān)性。

2 綠地空間與熱環(huán)境特征分析

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)楹笔∥錆h市。武漢市位于東經(jīng)113°41′-115°05′，北緯 29°58′-31°22′之間。 南北最長距離115km，東西最大距離134km，總面積8467km2，其中市區(qū)面積3963.6km2。武漢市位于江漢平原東部，長江與漢水交匯處，地形以平原為主，市內(nèi)湖泊塘堰眾多，水面面積占總面積的25%。武漢屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，常年雨量充沛，降水多集中于6-8月，年平均降水量1284mm，年平均氣溫16.4℃，平均無霜期250天以上。武漢市夏季高溫持續(xù)時間長，被稱為“火爐城市”，因此，研究武漢市的城市綠地空間特征與熱環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系有非常重要的意義。

2.2 數(shù)據(jù)情況

本文采用經(jīng)過預(yù)處理的武漢市2005年9月11日的Landsat-5 TM圖像1。圖像沒有不連續(xù)條帶，沒有云層覆蓋，質(zhì)量良好。其中第1～5和第7波段的分辨率為30m，第6波段經(jīng)預(yù)處理后分辨率為60m。

表1 Landsat 5衛(wèi)星參數(shù)

2.3 綠地空間特征分析

綠地中的植被量是改善城市熱環(huán)境的重要因素，本節(jié)通過植被指數(shù)的計(jì)算，提取出植被蓋度，用來表示綠地的植被量。根據(jù)武漢市植被指數(shù)的空間分布狀況，結(jié)合城市綠地面積統(tǒng)計(jì)，分析城市綠地的空間分布特征。

2.3.1 植被指數(shù)分析

利用植被指數(shù)可以從TM圖像中提取植被信息。在目前已有的40多種植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)NDVI是應(yīng)用最廣的一種。由于NDVI可以消除大部分與儀器定標(biāo)、太陽角、地形、云陰影和大氣條件有關(guān)輻射照度的變化，增強(qiáng)了對植被的響應(yīng)能力[3]，可以有效的表征植被生長態(tài)勢和生產(chǎn)效率，并且對低密度植被覆蓋也較敏感[4]，因此，本文采用歸一化植被指數(shù)NDVI來進(jìn)行植被信息的提取，其計(jì)算公式為：

在ENVI軟件中分別對第3、第4波段進(jìn)行輻射較正，將公式（1）帶入計(jì)算，可以計(jì)算出武漢市歸一化植被指數(shù)。在ENVI中用密度分割方法將計(jì)算出的植被指數(shù)劃分為7個等級，如圖1。

圖1 歸一化植被指數(shù)分級圖

2.3.2 綠地空間分布

武漢市的山林地主要分布在遠(yuǎn)郊地區(qū)，尤其是黃陂區(qū)北部和新洲區(qū)的東北部，結(jié)合表2可知，黃陂和新洲是武漢市林地面積最大的兩個區(qū)，分別占城市林地總面積的38%和24%。江夏區(qū)和漢南區(qū)的南部也有少量林地分布，而主城區(qū)內(nèi)由于城市開發(fā)強(qiáng)度大，林地保存極少。

武漢市各區(qū)的綠地面積和綠地覆蓋率相差較大，總體來看，中心城區(qū)的綠地覆蓋較少，且主要分布在城區(qū)邊緣地帶，城市中心區(qū)綠地覆蓋很少。主城區(qū)的綠地被建筑、道路等不透水面分隔，形成城區(qū)內(nèi)的一個個“孤島”。東西湖區(qū)、蔡甸區(qū)和漢南區(qū)3個郊區(qū)的綠地覆蓋中等，并且主要分布在區(qū)域的西部。黃陂區(qū)、新洲區(qū)和江夏區(qū)3個郊區(qū)的綠地覆蓋情況最好，綠地面積大，植被指數(shù)高。

表2 武漢市綠地面積統(tǒng)計(jì)表[5]

2.4 熱環(huán)境特征分析

本文利用Landsat衛(wèi)星第6波段數(shù)據(jù)來反演地表溫度。第6波段數(shù)據(jù)反映的是地物熱輻射特性，其特征表現(xiàn)為地物溫度越高圖像越亮，溫度越低圖像越暗。所反演出的亮度溫度在數(shù)值上與地表溫度并不相等，但二者存在很強(qiáng)的相關(guān)性。亮度溫度略小于真實(shí)溫度，由于城市區(qū)域范圍有限，可認(rèn)為區(qū)域內(nèi)水汽狀況基本一致，因而可直接用亮度溫度來表征城市熱環(huán)境；又由于熱環(huán)境研究中關(guān)注的是溫度的相對高低，因此本文用亮度溫度近似代替真實(shí)地表溫度進(jìn)行熱環(huán)境研究。

利用熱紅外亮溫計(jì)算方法[6]，可以得到TM6圖像數(shù)值（DN值）和像元亮溫的定量關(guān)系。首先，將TM圖像數(shù)值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值：

其中，Lmax、Lmin分別為該波段探測器可探測的最高和最低輻射值。對Landsat 5來說，Lmin=0.1238 m·W·cm-2·sr–1μm-1，Lmax=1.56m·W·cm-2·sr–1μm-1。因此，公式（2）可簡化為：

將輻射亮度轉(zhuǎn)化為亮度溫度的計(jì)算公式為：

其中，T為TM6的像元亮度溫度，K1和K2為常量，對于 Landsat5 來說，K1=60.776m·W·cm-2·sr–1μm-1，K2=1260.56K。

在ENVI軟件的IDL中建模，帶入上述公式進(jìn)行反演計(jì)算，便可得到研究區(qū)域的亮溫分布圖，計(jì)算出的亮溫分布在273.32～308.99K之間。在ENVI軟件中用密度分割方法對得到的亮溫圖進(jìn)行分級，共分為六級，分別是極高溫區(qū)域（301.50～308.99K）、高溫區(qū)域 （299.50～301.50K）、 較高溫區(qū)域 （298.20～299.50K）、較低溫區(qū)域（297.20～298.20K）、低溫區(qū)域（296.00～297.20K）、極低溫區(qū)域（273.31～296.00K）。如圖2所示。

圖2 武漢市亮度溫度分布圖

3 綠地空間與熱環(huán)境相關(guān)性分析

在所有的城市景觀中，綠地的熱環(huán)境效應(yīng)顯著區(qū)別于其他景觀元素。綠色植物的熱慣性和熱容量較大，同時熱傳導(dǎo)和熱輻射率又較低。在同樣的太陽輻射下，綠地儲存的熱量明顯少于建筑表面、路面等儲存的熱量。因此，城市綠地所對應(yīng)的地表溫度要低于建筑、道路、裸地等景觀元素，對城市熱環(huán)境起著調(diào)節(jié)作用。

3.1 研究區(qū)域的劃分

城市不同區(qū)域的下墊面狀況不一樣，其綠地特征與熱環(huán)境特征也不同。主城區(qū)與郊區(qū)、以及各郊區(qū)之間都有比較明顯的差異，本研究按行政區(qū)選取3個研究區(qū)域，分別是：主城區(qū)（包括江漢、江岸、硚口、漢陽、洪山、武昌、青山7個區(qū)）、黃陂區(qū)、江夏區(qū)。

3.2 相關(guān)性分析

在ENVI中同時打開植被指數(shù)圖（圖1）和亮溫分布圖（圖2），打開geography link，在兩張圖上對應(yīng)選點(diǎn)做相關(guān)性和回歸分析。每個研究區(qū)域選取20個樣點(diǎn)。有植被生長的區(qū)域，其NDVI值大于0，因此在樣點(diǎn)選取時注意選取NDVI值大于0的樣點(diǎn)，以避開人工構(gòu)筑物和水體。

記錄所選樣點(diǎn)的NDVI與亮溫值，在EXCEL中進(jìn)行相關(guān)性分析及回歸分析，計(jì)算各研究區(qū)域歸一化植被指數(shù)NDVI與亮溫的相關(guān)性系數(shù)并建立回歸方程，式中x代表NDVI，y代表亮溫。結(jié)果如下：

表3 NDVI與亮溫的擬合方程和相關(guān)系數(shù)

從上表可以看出，武漢市整體的NDVI與亮溫具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中，主城區(qū)的NDVI與亮溫呈顯著相關(guān)，其他各研究區(qū)域都呈極顯著相關(guān)。

在各研究區(qū)域中，主城區(qū)的NDVI與亮溫的相關(guān)系數(shù)最低，主要原因是主城區(qū)的下墊面以建筑和不透水鋪裝為主，城區(qū)內(nèi)大部分是高密度建筑，包括居民生活區(qū)、繁華商業(yè)區(qū)以及工業(yè)區(qū)等，人口密度高且活動頻繁，熱量大量聚集，形成面積大、強(qiáng)度高的熱島中心。高密度建筑導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)通風(fēng)不暢，熱交換過程受阻，熱量不易發(fā)散，整體溫度明顯高于其他幾區(qū)。相對的，主城區(qū)的整體植被指數(shù)偏低，城區(qū)內(nèi)綠地面積較小且分散，綠地的降溫效果受周圍建筑的影響而不能得到有效的發(fā)揮。

黃陂區(qū)NDVI與亮溫的相關(guān)系數(shù)較高，都達(dá)到0.8以上。

江夏區(qū)NDVI與亮溫的相關(guān)系數(shù)相對較低，在這樣的區(qū)域，植被的整體覆蓋狀況較好，高溫區(qū)域較少，與高溫區(qū)域進(jìn)行熱交換的有效植被面積需求不大，因此植被指數(shù)的增加所帶來的降溫效果的增加就不是很顯著。

3.3 小結(jié)

通過上述分析可知，在城市熱島效應(yīng)顯著的主城區(qū)和幾乎沒有熱島效應(yīng)的江夏區(qū)，增加植被的量對降溫效果的提升影響不大，然而其原因卻并不相同。在主城區(qū)，下墊面主要由建筑物、水泥和瀝青等鋪裝組成，綠地面積小且分散，難以平衡高密度的建筑和人口所產(chǎn)生的熱量。因此，在主城區(qū)中單純增加綠地面積并不能獲得良好的降溫效果，而應(yīng)該通過綠地的合理配置來使其發(fā)揮更大的降溫作用。在幾乎沒有熱島效應(yīng)的江夏區(qū)，溫度本來就比較低，所以，植被發(fā)揮作用而降低溫度的空間不大，所以在遠(yuǎn)郊區(qū)不必盲目增加綠地面積。在高溫區(qū)域面積較大，自然下墊面面積也較大的黃陂區(qū)，增加植被量可以明顯提升降溫效果，因此，這些區(qū)域在開發(fā)過程中應(yīng)該注意對綠地系統(tǒng)的保留與構(gòu)建，以減弱熱島效應(yīng)的影響。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）武漢市綠地覆蓋和熱環(huán)境具有明顯的區(qū)域差異

武漢市各區(qū)綠地面積和綠地覆蓋率相差較大。主城區(qū)綠地覆蓋較少，且主要分布在城區(qū)邊緣地帶，城市中心區(qū)只有孤立的條狀或帶狀綠地斑塊。東西湖、蔡甸和漢南三個郊區(qū)的綠地覆蓋中等，并且主要分布在區(qū)域的西部。黃陂、新洲和江夏三個郊區(qū)的綠地覆蓋狀況最好，綠地面積大，植被指數(shù)高。武漢市極高溫區(qū)域主要分布在工業(yè)區(qū)和老城區(qū)，最高溫出現(xiàn)在東風(fēng)汽車公司。黃陂、新洲、漢南等郊區(qū)有大面積高溫區(qū)域和熱島中心出現(xiàn)，江夏區(qū)整體溫度最低，無明顯熱島出現(xiàn)。在郊區(qū)沿主要交通干道分布有線形的高溫區(qū)域，并呈指狀向郊區(qū)擴(kuò)展。

（2）城市綠地與城市熱環(huán)境呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)

通過對各城區(qū)的植被指數(shù)與亮溫值進(jìn)行相關(guān)性分析，可以很好的驗(yàn)證城市綠地與熱環(huán)境的負(fù)相關(guān)關(guān)系。主城區(qū)的植被指數(shù)與亮溫值的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.615，呈顯著相關(guān)；其他各研究區(qū)域都達(dá)到-0.78以上，呈極顯著相關(guān)。

城市綠地與城市熱場在空間上有很好的對應(yīng)關(guān)系。城市綠地對應(yīng)著城市中溫度較低的區(qū)域，溫度高的區(qū)域?qū)?yīng)著建筑或植被指數(shù)低的地方。在工業(yè)區(qū)和老城區(qū)等極高溫大面積出現(xiàn)的區(qū)域，綠地以塊狀或帶狀分布，在城市中形成了一個個的“冷島”。

（3）不同下墊面及景觀元素對綠地的熱環(huán)境效應(yīng)有不同的影響

主城區(qū)植被指數(shù)與亮溫值的相關(guān)系數(shù)低于各郊區(qū)。主城區(qū)以人工下墊面為主，綠地的降溫效果被削弱；郊區(qū)保留有一定的自然下墊面，綠地降溫效果可以得到有效發(fā)揮。

4.2 討論

（1）影響城市熱環(huán)境的因素有很多，包括風(fēng)速、氣壓、云層等暫時性天氣因素，又包括綠地、人工構(gòu)筑物的形式和材料等持久性因素，同時太陽輻射、人工熱源、大氣污染狀況等因素也對城市熱環(huán)境產(chǎn)生影響，研究城市熱環(huán)境影響機(jī)制應(yīng)綜合以上幾方面才能得到全面的結(jié)論。

（2）文中的數(shù)據(jù)基本上都來源于LANDSAT-5 TM影響，其中用來提取地表溫度的熱紅外波段分辨率是60m，其余波段的分辨率是30m，圖像的精度限制了研究的尺度。在今后的研究中，可利用多源圖像（如MODIS、NOAA）并結(jié)合實(shí)地觀測對綠地的熱環(huán)境效應(yīng)做進(jìn)一步的解釋。

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