城市公園緩解熱島效應(yīng)研究
——以深圳為例

成 實(shí) 牛宇琛 王魯帥

建成環(huán)境由自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)共同構(gòu)成，兩者自成系統(tǒng)且相互作用[1]。城市熱島效應(yīng)的產(chǎn)生主要是由于城市下墊面的改變，增加城市綠地是緩解城市熱島效應(yīng)的重要措施[2]，以綠地、水體為主體的開放空間形成良好的網(wǎng)絡(luò)格局，貫穿整個城市建成區(qū)域，可有效緩減市區(qū)熱島效應(yīng)[3]。隨著城市化的高速進(jìn)程，位于粵港澳大灣區(qū)核心的深圳建成區(qū)面積不斷增加，導(dǎo)致綠地面積不斷壓縮，城市的景觀、生態(tài)功能減弱，“熱島效應(yīng)”逐步加劇。同時，隨著國家粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的提出及推進(jìn)，“綠色發(fā)展、保護(hù)生態(tài)”成為深圳城市發(fā)展的重要目標(biāo)之一[4]，其生態(tài)環(huán)境建設(shè)愈發(fā)凸顯。

過往研究表明，植被覆蓋率的高低對于城市熱島效應(yīng)具有決定性影響。因此，城市綠地與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)研究是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一，并已積累較為豐富的研究成果。岳曉蕾以保定為例，基于不同時期保定中心城區(qū)地表溫度和植被覆蓋率的時空演變圖，從時間維度定量研究城市綠地面積及其降溫范圍之間的關(guān)系[2]；梁保平聚焦于綠地植被覆蓋率與城市熱場的時空變化規(guī)律，以及兩者之間的內(nèi)在作用機(jī)制，結(jié)合桂林1991—2006共15年的TM影像數(shù)據(jù)加以分析論證[5]；張昌順以北京為例，分別選取中心城區(qū)、衛(wèi)星城區(qū)及郊區(qū)作為研究對象，試圖揭示出城市綠地降溫功能與綠地類型、綠地結(jié)構(gòu)及管理措施角度的內(nèi)在關(guān)系[6]；陳方敏以上海為例，從植被群落、景觀斑塊、城鄉(xiāng)樣帶等多尺度入手，研究城市公園綠地斑塊屬性及其結(jié)構(gòu)與熱環(huán)境效應(yīng)之間的聯(lián)系[7]；楊偉以太原為例，研究綠地斑塊對其周邊熱環(huán)境的影響[8]。綜合而言，目前對于城市綠地與城市熱島效應(yīng)之間的關(guān)系研究中主要存在2點(diǎn)不足：1)研究多關(guān)注宏觀尺度，聚集在不同時期或不同季節(jié)變化下城市綠地系統(tǒng)與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，而對于中微觀尺度下空間形態(tài)層面的關(guān)注則相對較少；2)影響因素方面研究多關(guān)注公園和綠地的形態(tài)指標(biāo)和植被指標(biāo)，而對水體相關(guān)指標(biāo)考慮不足。

圖1 深圳市域范圍內(nèi)公園分布情況及相關(guān)空間數(shù)據(jù)

本文以深圳建成區(qū)范圍內(nèi)的40個城市公園為案例，通過分析公園、公園內(nèi)綠地與公園內(nèi)水體的各指標(biāo)與地表溫度的相關(guān)性，得出城市熱島效應(yīng)緩解的關(guān)鍵因子及具體的相關(guān)關(guān)系。與此同時，基于公園的熱島效應(yīng)消減特征得出城市公園的模式分類，進(jìn)一步探討熱島效應(yīng)緩解目標(biāo)下的城市公園設(shè)計路徑，以期對未來深圳的城市公園規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究案例

本文從中觀尺度上研究深圳公園綠地的溫度削減效應(yīng)，探討公園本身的特征、不同綠地類型對公園自身及其周邊城市空間溫度效應(yīng)的影響。選取深圳建成區(qū)內(nèi)的公園綠地作為重點(diǎn)研究對象，并在其中選出40個面積、周長、植被覆蓋度、水體面積不同的公園實(shí)例，具體公園分布及相關(guān)空間數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1)地表溫度與歸一化植被指數(shù)提取。

本研究選取Landsat8多光譜波段遙感影像和熱紅外波段遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，條帶號為122-44，成像時間為2017年10月23日，云量為0.05%，成像條件較好。利用ENVI 5.1對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，消除因大氣散射造成的輻射誤差。利用遙感影像第10波段，采用大氣校正法反演得到研究區(qū)域地表溫度(LST)，利用第4、5波段提取研究區(qū)域歸一化植被指數(shù)(NDVI)。

2)公園與緩沖區(qū)參數(shù)提取。

本研究在深圳公園綠地分布矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Google Earth等高分辨率衛(wèi)星影像，利用ArcGIS 10.3進(jìn)一步識別案例公園內(nèi)部的綠地和水體，統(tǒng)計案例公園整體及其內(nèi)部綠地與水體的面積、周長、周長面積比、地表溫度和歸一化植被指數(shù)等參數(shù)。同時，分別對每一個案例公園設(shè)置100～800m、間隔為100m的緩沖區(qū)，提取各緩沖區(qū)內(nèi)建成區(qū)的地表溫度。

1.3 研究方法

1)特征參數(shù)選取。

過往研究表明，城市公園對熱島效應(yīng)的緩解作用與公園面積等形態(tài)特征密切相關(guān)，同時也受到植被生長狀況的強(qiáng)烈影響[9]。本研究選取面積、周長及周長面積比來體現(xiàn)公園的形態(tài)特征，選取NDVI表征公園的植被生長狀況。為分別考察公園內(nèi)綠地和水體對溫度的影響，將以上參數(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展為公園、綠地和水體3個層次，其中水體層次不包括NDVI參數(shù)。

圖2 綠地NDVI平均值與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)關(guān)系

圖3 綠地周長面積比與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)關(guān)系

利用ArcGIS 10.3計算各公園邊界內(nèi)部的LST平均值作為公園內(nèi)部平均溫度。為考察公園對周邊緩沖區(qū)的降溫效應(yīng)，用各緩沖區(qū)內(nèi)的平均溫度減去公園內(nèi)部平均溫度作為累計降溫，單位為℃；用800m緩沖區(qū)的累計降溫與公園內(nèi)部平均溫度的比值作為總降溫幅度，單位為%。

2)分析方法。

采用皮爾森相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析過程利用SPSS 22.0完成。利用梯度差方法計算公園的降溫范圍，即依次求出各緩沖帶平均溫度值與內(nèi)側(cè)相鄰緩沖帶的平均溫度值的差，并與對應(yīng)緩沖帶外緣距公園邊界的距離進(jìn)行曲線擬合分析。

2 城市公園削減熱島效應(yīng)的因子分析

2.1 公園特征參數(shù)分析

本研究選取的40個城市公園形態(tài)特征、植被狀況、內(nèi)部溫度和降溫效果差異明顯。面積最大的公園為龍城公園，面積達(dá)到182.92hm2，軟件大廈社區(qū)公園面積最小，為5.01hm2；公園周長最大的是燕子嶺公園，周長為13.68km，最小的是軟件大廈社區(qū)公園，為1.05km；周長面積比最大的為兒童公園，最小的為蓮花山公園。公園的植被覆蓋狀況各異，綠地的NDVI平均值差異較大，最大的為證券山公園，最小的為松坪山公園。公園內(nèi)部平均溫度范圍為24.00～28.12℃，總降溫幅度最大的為八仙嶺公園，達(dá)到16.33%；最小的為名商高爾夫球會，僅為1.08%(表1)。

2.2 公園內(nèi)部溫度與公園特征參數(shù)的相關(guān)性

選取公園、綠地、水體的NDVI、周長、面積、周長面積比等參數(shù)，與公園內(nèi)部平均溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2。

相關(guān)性分析表明，公園內(nèi)部平均溫度與公園NDVI平均值、綠地NDVI平均值及綠地面積呈顯著負(fù)相關(guān)，與公園及綠地的周長面積比呈顯著正相關(guān)。過往研究認(rèn)為，公園面積越大則內(nèi)部溫度越低[9]，本研究聚焦于高密度建成區(qū)中的城市公園，所選取出的40個城市公園面積處于5.0～182.9hm2不等，根據(jù)研究所涉及的各項空間參數(shù)與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)公園面積與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)性不顯著，但公園內(nèi)綠地面積對其內(nèi)部溫度的影響較大，而水體對公園內(nèi)部溫度的影響則較小。

為進(jìn)一步探討公園內(nèi)部溫度與公園內(nèi)綠地特征參數(shù)之間的關(guān)系，需進(jìn)行函數(shù)擬合。綠地NDVI平均值與公園內(nèi)部溫度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合直線的決定系數(shù)R2為0.451 2。若綠地NDVI平均值上升0.1，地表溫度有望下降0.894℃(圖2)。公園內(nèi)綠地的周長面積比與地表溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，且對數(shù)函數(shù)的擬合效果較好，決定系數(shù)R2達(dá)到0.434 4。隨著綠地周長面積比的增加，公園內(nèi)部溫度上升的幅度逐漸減小(圖3)。

表1 公園特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

表2 綠地NDVI平均值與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)關(guān)系

圖4 水體面積與緩沖區(qū)溫度的相關(guān)關(guān)系

圖5 3類公園參數(shù)比例關(guān)系(以荔枝公園為100計算)

2.3 緩沖區(qū)溫度與公園特征參數(shù)的相關(guān)性

選取公園、綠地、水體的NDVI、周長、面積、周長面積比等參數(shù)，與100～800m緩沖區(qū)內(nèi)的累計降溫和總降溫幅度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3。

通過相關(guān)系數(shù)考察公園特征參數(shù)與緩沖區(qū)內(nèi)累計降溫的相關(guān)性，結(jié)果表明公園內(nèi)水體面積與200～800m緩沖區(qū)累計降溫以及總降溫幅度顯著相關(guān)，其他參數(shù)與緩沖區(qū)累計降溫的相關(guān)性不顯著。有研究認(rèn)為，水體的降溫效應(yīng)明顯，水體面積越大，降溫效果越好[10]。本研究中公園水體的各項參數(shù)與公園內(nèi)部溫度的相關(guān)性不顯著，但水體面積與緩沖區(qū)內(nèi)的溫度顯著負(fù)相關(guān)，表明水體面積主要影響公園周邊區(qū)域的溫度。水體周長和周長面積比與累計降溫和總降溫幅度的相關(guān)性不顯著，表明水體形狀對公園周邊的降溫效果影響較小。

為進(jìn)一步探討公園周邊降溫效果與水體面積之間的關(guān)系，進(jìn)行函數(shù)擬合。水體面積與公園總降溫幅度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，擬合直線的決定系數(shù)R2達(dá)到0.317 2。若水體面積提高10hm2，總降溫幅度有望提高1%(圖4)。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)部溫度主要與公園NDVI、公園周長面積比、綠地NDVI、綠地面積、綠地周長面積比有關(guān)，而緩沖區(qū)溫度主要與水體面積有關(guān)，造成這種現(xiàn)象的原因可能是公園形態(tài)、綠地植被等參數(shù)在較短距離上的降溫效果較強(qiáng)，主要作用于公園內(nèi)部，而在較大范圍上的降溫效果則弱于水體。

3 城市公園模式分類

公園的內(nèi)部溫度較低有利于游人舒適地游覽和進(jìn)行各項活動，而較大的降溫范圍則有利于改善微氣候、緩解熱島效應(yīng)，從而提高城市宜居性。根據(jù)各公園內(nèi)部溫度及降溫范圍的差異性，本文提出3種城市公園模式，并分別選取一處公園進(jìn)行實(shí)證研究。第一種為周邊效能最大型公園，即公園對周邊地區(qū)的降溫效應(yīng)最大化，以立新湖公園為例；第二種為自身效能最大型公園，即公園內(nèi)部的降溫效果最大化，以蓮花山公園為例；第三種為內(nèi)外效能平衡型公園，即公園兼顧周邊地區(qū)和內(nèi)部的降溫效果，以荔枝公園為例。3處公園的內(nèi)部溫度、降溫范圍和特征參數(shù)的比例關(guān)系如圖5。

表3 公園特征參數(shù)與緩沖區(qū)內(nèi)累計降溫的相關(guān)性

圖6 立新湖公園遙感圖及對周邊的降溫范圍

圖7 蓮花山公園遙感圖及對周邊的降溫范圍

圖8 荔枝公園遙感圖及對周邊的降溫范圍

3.1 周邊效能最大型公園

根據(jù)公園內(nèi)部溫度、降溫距離與公園特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，周邊效能最大型公園應(yīng)具有較大的水體面積。立新湖公園依托立新水庫建設(shè)，水體面積達(dá)92.80hm2，降溫范圍為770m。公園內(nèi)綠地NDVI平均值為0.66，綠地周長面積比為55.72，內(nèi)部平均溫度26.19℃，略高于選取的40個公園的平均值。立新湖公園水域面積較大，具有良好的區(qū)域降溫效果，但公園內(nèi)植被較少，內(nèi)部溫度相對較高。周邊效能最大型公園的降溫效果與水體形狀關(guān)系較小，在城市建設(shè)中，可利用湖泊、水庫等水體，順應(yīng)其自然形態(tài)建設(shè)公園綠地，在提高水體景觀游憩價值的同時，能夠有效降低周邊地區(qū)的熱島效應(yīng)，取得良好的環(huán)境效益。為獲得較大的降溫覆蓋范圍，在條件允許時，應(yīng)盡量構(gòu)建周邊效能最大型公園組成的公園體系，通過嚴(yán)格保護(hù)自然水體，或在地勢低洼處建設(shè)人工湖泊濕地的方式增加周邊效能最大型公園的分布范圍(圖6)。

3.2 自身效能最大型公園

自身效能最大型公園具有綠地面積較大、NDVI平均值較高、周長面積比較小等特征。蓮花山公園依托蓮花山山體建設(shè)，公園邊界形狀較為簡單，大部分區(qū)域?yàn)橹脖簧L良好的綠地，綠地NDVI平均值為0.82，周長面積比為30.63。公園內(nèi)部平均溫度為24.91℃，在選取的40個公園中處于較低水平。公園內(nèi)部有一處水體，即蓮花湖，面積4.21hm2。公園降溫范圍相對較小，為200m。在深圳等高密度城市中，存在部分被建設(shè)用地包圍擠壓的中小型山體，或因道路布局等其他原因分割出形狀較為規(guī)整的公園綠地，這些山體和綠地的周長面積比較小，適合建設(shè)成為自身效能最大型公園。為了創(chuàng)造舒適的公園內(nèi)部熱環(huán)境，應(yīng)注重對原始植被的保護(hù)和恢復(fù)，同時對綠地進(jìn)行合理布局和植被群落營造。在用地有限的情況下，將綠地集中布置，營造喬灌草搭配的植物群落，形成植被覆蓋良好、形態(tài)連續(xù)完整的小生境，有利于提高土地利用效率，實(shí)現(xiàn)公園內(nèi)部降溫、生物多樣性保護(hù)等多種生態(tài)環(huán)境效益(圖7)。

3.3 內(nèi)外效能平衡型公園

內(nèi)外效能平衡型公園結(jié)合了以上2種類型的特點(diǎn)，具有較為適中的公園內(nèi)部溫度和降溫范圍。荔枝公園內(nèi)部平均溫度為25.89℃，降溫范圍為370m，介于立新湖公園和蓮花山公園之間。公園整體結(jié)構(gòu)為綠地環(huán)繞一處水體，綠地NDVI平均值為0.70，水體面積為9.72hm2。公園綠地的周長面積比較高，達(dá)到325.49，不利于內(nèi)部溫度的降低，但在多因素的共同作用下，仍維持較低的內(nèi)部溫度。荔枝公園是較為常見的城市公園類型，具有適中的綠地和水體面積，在內(nèi)部溫度較低的同時也具有一定的區(qū)域降溫效果，具有較好的綜合效益。在內(nèi)外效能平衡型公園的設(shè)計中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮綠地和水體的布局。為獲得良好的內(nèi)部降溫效果，可將部分綠地集中布置，減小周長面積比，適當(dāng)提高植被郁閉度，水體則可利用剩余空間靈活布局，并達(dá)到一定的總面積以保證周邊區(qū)域的降溫效果(圖8)。

4 結(jié)論

本文以深圳為例，基于遙感和GIS工具，通過分析公園、公園內(nèi)綠地及公園內(nèi)水體的各指標(biāo)與地表溫度的相關(guān)性，得出城市熱島效應(yīng)緩解的關(guān)鍵因子、具體的相關(guān)關(guān)系以及基于熱島效應(yīng)消減特征得出城市公園的模式分類。研究主要結(jié)論如下。

1)公園周長面積比、公園NDVI以及綠地面積、綠地周長面積比、綠地NDVI是影響公園內(nèi)部溫度的主要因子，其中公園和綠地的周長面積比與公園內(nèi)部溫度正相關(guān)，公園和綠地的NDVI、綠地面積與公園內(nèi)部溫度負(fù)相關(guān)。

2)水體面積是影響公園周邊區(qū)域降溫效果的主要因子，并與公園周邊緩沖區(qū)的溫度負(fù)相關(guān)。

3)公園面積和周長對于內(nèi)部和周邊溫度的影響較小，不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

4)根據(jù)各公園內(nèi)部溫度及降溫范圍的差異性，提出3種城市公園模式，分別是周邊效能最大型公園、自身效能最大型公園、內(nèi)外效能平衡型公園，并結(jié)合實(shí)際案例探討了3類公園綠地和水體的空間結(jié)構(gòu)組合。

由于方法所限，通過遙感反演和計算的地表溫度、NDVI等參數(shù)仍存在誤差，在以后的研究中，應(yīng)結(jié)合實(shí)地調(diào)查和氣象資料減小數(shù)據(jù)誤差，并將更多影響城市公園降溫作用的因子加入分析過程，以便更為準(zhǔn)確細(xì)致地分析城市公園對熱島效應(yīng)的緩解作用。

注：文中圖片均由作者繪制。