城市公園綠地對(duì)周邊溫度場(chǎng)的影響——以蕪湖市神山森林公園為例

伍卉 聞治江

摘要 選取蕪湖市神山森林公園綠地作為研究對(duì)象，基于蕪湖市2017年Landsat8遙感數(shù)據(jù)源反演出研究區(qū)的地表亮溫分布情況。結(jié)果表明：在公園周邊環(huán)境一定的范圍內(nèi)，溫差（ΔT）隨著距離（L）的增大而相應(yīng)的增加（減少），增速由大變小，最后趨于平緩或無(wú)規(guī)律，可用3次多項(xiàng)式擬合模型來(lái)反映變化規(guī)律。神山森林公園對(duì)周邊溫度場(chǎng)平均輻射的最大范圍為526.05 m，公園邊界與周邊環(huán)境的平均最大溫差（ΔTmax）為2.4 ℃。公園對(duì)周邊溫度場(chǎng)輻射影響范圍從高到低依次為南、北、西、東，對(duì)周邊溫度場(chǎng)輻射影響溫差（ΔT）由高到低依次為南、北（西）、東;神山公園內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)、周邊環(huán)境的用地類型以及風(fēng)向的差異導(dǎo)致了公園對(duì)4個(gè)方向上最大輻射范圍的差異。

關(guān)鍵詞 遙感;神山公園綠地;溫度場(chǎng);輻射影響范圍

中圖分類號(hào) TU-986? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）11-0109-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.030

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on the Influence of Urban Park Green Space on Surrounding Temperature Field—Taking Shenshan Forest Park in Wuhu City as an Example

WU Hui， WEN Zhi-jiang

（School of Landscape and Horticulture，Wuhu Institute of Technology，Wuhu，Anhui 241002）

Abstract Taking the green space of Shenshan Forest Park in Wuhu City as the research object， and the surface brightness temperature distribution of the study area was inverted based on the Landsat8 remote sensing data source in Wuhu City of 2017. The study showed that within a certain range of the surrounding environment of the park， the temperature difference ΔT increases （decreases） correspondingly with the increase of the distance L， with the growth rate changing from large to small， and finally tends to be flat or irregular. A cubic polynomial fitting model can be used to reflect the law of change. The maximum average radiation range of Shenshan Forest Park to the surrounding temperature field was 526.05 m， and the average maximum temperature difference between the park boundary and the surrounding environment was 2.4 ℃. The radiation influence of the park on the surrounding temperature field ranges from high to low in the order of south>north>west>east， and the order of the temperature difference ΔT to the surrounding temperature field radiation was south>north （west）>east; the factors that lead to the difference in the maximum radiation range of the park in the four directions were the field strength inside the Shenshan Park， the land type of the surrounding environment， and the difference in wind direction.

Key words Remote sensing;Shenshan Park Green Space;Temperature field;Radiation influence range

城市“熱島效應(yīng)”是一種城市地表溫度明顯高于城郊的現(xiàn)象[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱島效應(yīng)的形成機(jī)制、表現(xiàn)特征、動(dòng)態(tài)演變、景觀格局以及緩解熱島效應(yīng)對(duì)策等方面展開(kāi)了大量研究，同時(shí)，對(duì)城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用研究愈加重視。城市綠地通過(guò)植被的光合作用、蒸騰作用來(lái)降低地表溫度，是緩解城市熱島效應(yīng)的有效途徑之一[2-3]。學(xué)者對(duì)綠地結(jié)構(gòu)、綠地面積、植被覆蓋、綠地形狀緩解熱島效應(yīng)進(jìn)行了大量研究;Declet-barreto等[4]運(yùn)用ENVI-Met系統(tǒng)對(duì)亞利桑那州鳳凰城公園冷島效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，有冠層的植被下面或周圍降溫0.9～1.9 ℃，潛在降溫幅度為0.8～8.4 ℃。梁娟等[5]分別研究了綠地空間結(jié)構(gòu)因子對(duì)綠地生態(tài)效應(yīng)的影響，探索了城市綠地生態(tài)效應(yīng)以綠地為中心向周邊擴(kuò)散的規(guī)律。佟華等[6]對(duì)北京市楔形綠地和夏季城市熱島的關(guān)系進(jìn)行規(guī)劃研究，結(jié)果表明，建造大型的楔形綠地可使綠地及其綠地周圍約1 km范圍內(nèi)的溫度降低。蘇泳嫻等[7]對(duì)廣州市城區(qū)公園周邊溫度分布規(guī)律進(jìn)行了定量研究。尤倩等[8]對(duì)山區(qū)城市綠地在不同月份的降溫作用做了對(duì)比研究，結(jié)果表明公園周邊的水體、植被、高層建筑物有降低地表溫度的作用。

綠地植被的生命活動(dòng)主要是蒸騰作用釋放出大量水氣，在此過(guò)程中帶走熱量。相對(duì)于周圍小環(huán)境來(lái)說(shuō)，綠地就像是一個(gè)冷源，冷源的溫度場(chǎng)產(chǎn)生的相對(duì)低溫空氣流向周邊非綠地空間梯度滲透，其致冷作用導(dǎo)致周邊溫度下降。因此，綠地周邊必然存在一個(gè)受綠地影響的區(qū)域，其影響強(qiáng)度會(huì)隨著與綠地距離的變化而變化[9-11]。筆者基于Landsat遙感影像，在反演地表溫度的基礎(chǔ)上，選取蕪湖市神山森林公園綠地為研究對(duì)象，分析其對(duì)周邊溫度場(chǎng)溫度分布的影響。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蕪湖市位于安徽省東南部，長(zhǎng)江下游，中心地理坐標(biāo)為118°21′E、31°20′N，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雨量充沛，光照充足，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫15～16 ℃，降雨主要集中在春季、梅雨季節(jié)和初冬。蕪湖市存在著較明顯的熱島效應(yīng)，城市綠地的建設(shè)是城市規(guī)劃建設(shè)的重中之重。蕪湖市公園綠地的建設(shè)結(jié)合地方文化注入地方元素，中心城區(qū)形成“七綠帶、二綠圈、多綠道、多綠島”的綠地結(jié)構(gòu)布局。

蕪湖神山森林公園為城中之山，面積3 261.63 m2，堪稱蕪湖的“城市綠肺”。主要由蕪湖烈士陵園、神山公園和雕塑公園三大部分組成。2011年對(duì)公園進(jìn)行了改造，分別擴(kuò)大面積和景觀，構(gòu)建了更為完善的生態(tài)系統(tǒng)、優(yōu)美的園林景觀、完善的服務(wù)設(shè)施，是人們?nèi)粘Ｐ蓍e、探尋名人古跡、瞻仰烈士的勝地。作為蕪湖市綠地系統(tǒng)中一塊重要的“冷源”，對(duì)周邊環(huán)境有冷輻射作用，可起到緩解熱島效應(yīng)的作用，在降溫效應(yīng)方面有較高的研究?jī)r(jià)值。該研究選取以神山森林公園1 000 m服務(wù)半徑范圍內(nèi)周邊環(huán)境為研究區(qū)域（圖1）。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理。

數(shù)據(jù)源為蕪湖市2017年10月Landsat8號(hào)衛(wèi)星的OLI_TIRS影像、蕪湖市行政區(qū)界矢量圖（shp）和蕪湖市Googlearth高清影像;影像在獲取時(shí)天空云量較少，影像質(zhì)量較高，有利于反演的地表溫度正確表達(dá)城市熱環(huán)境狀況。數(shù)據(jù)源處理的軟件平臺(tái)是ArcGIS 10.2。對(duì)遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正以及剪裁等預(yù)處理。Landsat8的熱紅外波段為第10和第11波段組成，研究表明第10波段對(duì)地表亮溫的反演結(jié)果優(yōu)于第11波段，因此該研究采用第10波段來(lái)反演亮度溫度。

1.2.2 亮度溫度的反演。

亮度溫度是利用熱紅外波段反演城市下墊面的輻射溫度，筆者采用單窗算法來(lái)反演亮度溫度[12]。計(jì)算公式如下：

Lλ=gain×DN+bias（1）

式中，Lλ為熱輻射亮度，DN為像元灰度值，gain為增益值，bias為偏移值，通過(guò)影像頭文件獲取。

TB=K2/ln（K1/Lλ+1） （2）

式中，TB為地表亮度溫度;K1，K2為亮度反演常數(shù);gain=0.000 334 2 mW/（cm2·sr·μm），bias=0.1 mW/（cm2·sr·μm），K1=774.89 mW/（cm2·sr·μm），K2=1 321.08 K。

對(duì)反演的亮度溫度與觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明，二者之間具有很好的相關(guān)性，因此，該研究反演的亮度溫度可以用來(lái)表征城市熱島效應(yīng)。將上述公式在ArcGIS軟件中的柵格計(jì)算器中計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行重分類生成研究區(qū)的溫度場(chǎng)分布圖（圖2），其中將溫度等級(jí)劃分為低溫區(qū)（<26 ℃）、中溫區(qū)（26～28 ℃）、高溫區(qū)（>28 ℃）。

1.2.3 公園周邊環(huán)境溫度變化趨勢(shì)線的建立。

將神山森林公園看作一個(gè)“冷源”，“冷源”周邊環(huán)境的溫度都高于其內(nèi)部溫度，冷源的溫度場(chǎng)向外部輻射強(qiáng)度作用會(huì)導(dǎo)致周邊環(huán)境溫度降低。該研究自神山森林公園邊界向外延伸提取16條剖線（分別為東、南、西、北方向各4條），剖線提取避開(kāi)周邊環(huán)境為大面積水體和綠地的地塊。剖線信息的提取在ArcGIS的三維分析模塊中進(jìn)行。16條剖線信息包含294個(gè)溫度點(diǎn)，以公園周邊環(huán)境溫度點(diǎn)與公園邊界處溫度點(diǎn)的溫差（ΔT）為因變量，以公園周邊環(huán)境溫度點(diǎn)至公園邊界處溫度點(diǎn)的距離（L）為自變量，進(jìn)行擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 神山森林公園對(duì)周邊溫度場(chǎng)的輻射影響范圍測(cè)算

從16條剖線建立的擬合3次多項(xiàng)式中（表1）可以看出，R2均大于0.722 0，擬合效果較好。選取了東、南、西、北4個(gè)走向中具有代表性的4條剖線建立擬合曲線（圖3），發(fā)現(xiàn)在公園周邊環(huán)境一定的范圍內(nèi)，溫差（ΔT）隨著距離（L）的增加而相應(yīng)的增加或減少，增速由大變小，最后趨于平緩或無(wú)規(guī)律，則存在一個(gè)臨界值，當(dāng)L超出臨界值時(shí)，溫差變化無(wú)明顯規(guī)律，此時(shí)的ΔT達(dá)到最大ΔTmax，對(duì)應(yīng)的L值為公園綠地對(duì)周邊環(huán)境溫度影響的最大范圍Lmax。

ΔT（L）=aL3+ bL2+ cL+d 0≤L≤Lmax（3）

式中，a，b，c，d分別是3次多項(xiàng)式中的擬合系數(shù)。對(duì)公式中的3次多項(xiàng)式進(jìn)行求導(dǎo)，得出Lmax的計(jì)算公式。

Lmax=（-b±b2-3ac）/3a（4）

針對(duì)公園東、南、西、北4個(gè)方向?qū)?yīng)的擬合多項(xiàng)式方程，用公式（4）求得每個(gè)方向的平均輻射最大影響范圍Lmax。

神山森林公園內(nèi)部溫度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)不均，會(huì)導(dǎo)致向周邊環(huán)境輻射影響的范圍以及降溫效果有所差異。根據(jù)計(jì)算分析得出（表2），神山森林公園東方向的輻射平均最大范圍為439.37 m，平均最大溫差ΔTmax為1.6 ℃;南方向的輻射平均最大范圍為602.28 m，平均最大溫差ΔTmax為2.9 ℃，西方向的輻射平均最大范圍為506.41 m，平均最大溫差ΔTmax為2.4 ℃，北方向上輻射平均最大范圍為556.14 m，平均最大溫差ΔTmax為2.4 ℃。公園對(duì)周邊溫度場(chǎng)平均輻射的最大范圍為526.05 m。根據(jù)表2公園4個(gè)方向輻射最大影響范圍Lmax計(jì)算值與真實(shí)值的比較，計(jì)算得出平均誤差為40.31 m，精度達(dá)到76.6%。

2.2 神山森林公園對(duì)周邊溫度場(chǎng)的影響范圍差異

神山森林公園綠地對(duì)周邊溫度場(chǎng)輻射影響從高到低依次為南、北、西、東;對(duì)周邊溫度場(chǎng)輻射影響溫差ΔT從高到低依次為南、北（西）、東，南方向的輻射平均最大距離為602.28 m，東方向的輻射平均最大距離為439.37 m，差值為162.91 m。造成輻射范圍差異的原因主要考慮風(fēng)向和周邊環(huán)境的用地類型。由于蕪湖市全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，秋季以偏東風(fēng)為多，因此西南方向受神山公園綠地的影響較大，而公園綠地東邊用地為中央公園景觀帶，整體環(huán)境溫度較低，輻射影響溫差ΔT為負(fù)值，且神山綠地的輻射強(qiáng)度被中央公園帶抵消了一部分，因此神山公園綠地對(duì)東邊的輻射影響程度最小;而南邊的周邊用地類型中一部分包含有安徽工程大學(xué)高校綠地、有水體景觀部分，從擬合曲線（圖3）可以看出，溫差ΔT有一部分為負(fù)值，但是由于風(fēng)向，公園綠地對(duì)南邊的影響程度也較大。公園的西邊和北邊多半為建設(shè)用地，因此公園對(duì)這2個(gè)方向的輻射影響范圍差別不大。

3 結(jié)論與討論

（1）該研究基于對(duì)研究區(qū)地表亮溫反演的基礎(chǔ)上，以神

山森林公園周邊環(huán)境溫度點(diǎn)與公園邊界處溫度點(diǎn)的溫差（ΔT）為因變量，以公園周邊環(huán)境溫度點(diǎn)至公園邊界處溫度點(diǎn)的距離（L）為自變量，建立擬合趨勢(shì)線方程，推導(dǎo)出公園溫度場(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境溫度場(chǎng)輻射的最大范圍（Lmax）的計(jì)算公式，其計(jì)算值基本滿足精度要求。

（2）城市公園綠地作為城市中的一塊“冷源”，對(duì)周邊環(huán)境溫度場(chǎng)起到了輻射降溫的作用，神山森林公園對(duì)周邊溫度場(chǎng)的平均輻射最大范圍為526.05 m，公園邊界與周邊環(huán)境的平均最大溫差（ΔTmax）為2.4 ℃。

（3）神山森林公園綠地對(duì)周邊溫度場(chǎng)輻射影響范圍從高到低依次為南、北、西、東，對(duì)周邊溫度場(chǎng)輻射影響溫差ΔT由高到低依次為南、北（西）、東;神山公園內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)、周邊環(huán)境的用地類型以及風(fēng)向的差異導(dǎo)致公園對(duì)4個(gè)方向輻射范圍的差異。其中，公園東邊環(huán)境的整體溫度偏低，熱環(huán)境狀況較好，歸結(jié)于神山森林公園與東部的中央公園景觀帶形成了綠色廊道，有效緩解了熱島效應(yīng)。因此，如何將獨(dú)立的公園綠地斑塊串聯(lián)組成一個(gè)有機(jī)綠地廊道系統(tǒng)，使綠地的降溫輻射覆蓋整個(gè)建成區(qū)，有效改善城市的熱島效應(yīng)，是今后需要深入研究并量化的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] LI Y M，GUO J，F(xiàn)ENG J Y.Urban green space and its effect on urban heat island effect[J].Urban environment and urban ecology，2004，17（1）：1-4.

[2] 武鵬飛，王茂軍，張學(xué)霞.北京市植被綠度與城市熱島效應(yīng)關(guān)系研究[J].北京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：54-60.

[3] 薛萬(wàn)蓉，許輝熙，但尚銘，等.基于遙感的城市溫度與植被相關(guān)性分析：以四川省內(nèi)江市為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（8）：4715-4717.

[4] DECLET-BARRETO J，BRAZEL A J，MARTIN C A，et al.Creating the park cool island in an inner-city neighborhood：Heat mitigation strategy for Phoenix，AZ[J].Urban ecosyst，2013，16：617-635.

[5] 梁娟，藺銀鼎.城市森林對(duì)周邊小氣候時(shí)空格局的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，23（7）：379-385.

[6] 佟華，劉輝志，李延明，等.北京夏季城市熱島現(xiàn)狀及楔形綠地規(guī)劃對(duì)緩解城市熱島的作用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2005，16（3）：357-366.

[7] 蘇泳嫻，黃光慶，陳修治，等.廣州市城區(qū)公園對(duì)周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（18）：4905-4918.

[8] 尤倩，羅婭.喀斯特山區(qū)城市綠地對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用：以貴陽(yáng)黔靈山公園為例[J].貴州科學(xué)，2019，37（2）：31-33.

[9] E6的合肥市城市綠地緩解熱島效應(yīng)作用研究[EB/OL].[2020-06-20].http：//www.docin.com.

[10] 伍卉.基于GIS技術(shù)的合肥市城市綠地緩解熱島效應(yīng)作用研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[11] 王娟.城市綠地生態(tài)場(chǎng)效應(yīng)因素分析[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，28（1）：77-80.

[12] 覃志豪，LI W J，ZHANG M H，等.單窗算法的大氣參數(shù)估計(jì)方法[J].國(guó)土資源遙感，2003（2）：37-43.