鄭州市公園綠地景觀特征對公園冷島效應的影響

趙 芮,申鑫杰,田國行,郭煜琛,何瑞珍

河南農(nóng)業(yè)大學林學院, 鄭州 450002

改革開放以后,我國進入快速發(fā)展階段,城鎮(zhèn)化水平快速提升,城市內(nèi)不透水表面增加,建筑密度增大,交通工具數(shù)量增多等一系列現(xiàn)象都導致了城市熱島[1- 2]出現(xiàn)。面對該情況,城市冷島效應成為解決相應問題的研究重點?！袄鋶u效應”指城市中某一區(qū)域的溫度要低于周邊溫度的現(xiàn)象[3]。大量研究表明,公園綠地和水體作為城市休閑游憩建設的重要組成部分,在優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境中承擔著舉足輕重的作用,它們是城市中的主要冷源,發(fā)揮其冷島效應可以緩釋城市熱島[4- 8],從而營造更為舒適的居民生存生態(tài)環(huán)境。

研究表明,城市公園冷島強度不僅與公園的形態(tài)和內(nèi)部景觀構成有關,還與公園的景觀空間配置有關。蘇泳嫻等人研究發(fā)現(xiàn)相同面積下有水體的公園比無水體的公園降溫效應好,長寬比較大(≥2) 的公園,即使公園面積較小,降溫效果也很明顯[9]。馮曉剛等[5]對西安主城區(qū)7個公園的內(nèi)部景觀構成與降溫效應進行研究發(fā)現(xiàn)城市公園中水體面積占30%以上其冷島強度較強。馮悅怡等[10]對北京市24個公園的景觀構成和空間布局進行分析得到綠地面積與降溫幅度無顯著相關性,且綠地斑塊形態(tài)越復雜降溫效應越強。梁保平等[11]對桂林市32個典型的公園綠地和水體研究分析得到水體面積和植被覆蓋率與公園內(nèi)地表溫度呈顯著負相關。甘爽等[6]對天津市區(qū)的8個公園進行研究發(fā)現(xiàn)綠地比例與公園冷島效應的相關性最大。仇寬彪等[12]對北京市五環(huán)內(nèi)42個公園的內(nèi)部景觀特征與公園冷島效應的關系得到水體和不透水面積的占比都與公園地表溫度密切相關,但與植物面積占比無顯著關系。

上述研究的主要內(nèi)容是公園面積、形態(tài)和各類景觀構成要素與降溫效應的相關性,同時也對降溫范圍和降溫幅度展開討論,因為研究所選區(qū)域和樣點數(shù)量的差別,導致結論存在些許差異,例如大多數(shù)研究表明水體與降溫效應的相關性最大,而少數(shù)結論表明植物占比與公園冷島強度(PCI)相關性最強等,所以類似結論有待繼續(xù)驗證。并且目前研究中關于公園內(nèi)景觀空間配置與冷島效應的相關性研究甚少,對于冷島強度方向性的探索幾乎沒有,因此本文在這些研究的基礎上進一步驗證和研究公園各類要素對冷島強度的影響,特別是公園冷島強度在不同方向上的差異性研究,可為城市公園規(guī)劃設計提供科學的理論支持。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

鄭州市(112°42′—114°13′E、34°16′—34°58′N) 位于河南省中部偏北地區(qū)(圖1),屬于我國中部的中心區(qū)域。作為中原城市,其屬溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫14.2℃,年平均降雨量640.9 mm,無霜期220 d,全年日照時間約2400 h。本文研究區(qū)域為鄭州市市區(qū)(圖1),面積為1218萬m2,包括中原區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、惠濟區(qū)、鄭東新區(qū)、經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)(航空港區(qū)雖屬市區(qū)范圍但目前正在開發(fā)與建設,公園用地配備不齊,本次研究并未囊括)。研究選取的樣點包括人民公園、碧沙崗公園、紅白花公園、雙秀公園、烈士陵園等在內(nèi)的主要公園44個,其中有水體的公園17個,無水的公園27個。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

研究選取Landsat8的遙感影像作為地溫反演數(shù)據(jù),該衛(wèi)星影像過境日期為2017年4月12日,影像搭載了OLI(陸地成像儀,Operational Land Imager)和TIRS(熱紅外傳感器,Thermal Infrared Sensor)兩個傳感器,OLI包括9個波段,除了B8的分辨率為15 m,其他波段分辨率均為30 m；TIRS具有兩個熱紅外波段B10和B11,分辨率均為100 m。該Landsat8數(shù)據(jù)的產(chǎn)品級別為L1T,已經(jīng)過幾何精校正處理,OLI和TIRS 的理論設計幾何標稱精度分別為12 m和41 m[13]。利用掩膜提取工具獲得的研究區(qū)域影像無云覆蓋,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好[10]。最后通過ENVI 5.3對影像數(shù)據(jù)進行輻射定標和大氣校正處理,再選擇相應波段進行地表溫度反演。

公園的選取結合了高分2號影像、百度地圖中的公園邊界以及鄭州市相關單位發(fā)布的城市公園的相關信息,最終選取公園植被、設備都發(fā)展比較完全的建成公園44個作為研究樣方(圖1)。該高分2號影像的空間分辨率為0.8 m,過境日期為2017年5月25號,與地溫反演所用影像時間相近。土地分類之前對高分2號影像進行輻射校正和幾何精校正處理,由于以公園為單位的研究尺度較小,將林地和草地歸為植物類,建筑、道路和廣場歸為不透水表面,水體為一類,已建成的公園中沒有未利用地,因此公園的土地分類最終確定為三大類。(圖1)

圖1 研究區(qū)域的位置和影像圖Fig.1 Location and image of the study area

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

研究運用大氣校正法(輻射傳輸方程法)進行地表溫度反演。這種方法的基本原理是先估算大氣對地表熱輻射的影響,然后把這部分大氣影響從衛(wèi)星傳感器所觀測到的熱輻射總量中減去,從而得到地表熱輻射強度,再把熱輻射強度轉化為相應的地表溫度[14- 15]。運用普朗克公式的函數(shù)提取低溫,公式為：

Ts=K2/ln(K1/B(Ts)+1)

(1)

B(Ts)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε

(2)

Lλ=[εB(Ts)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(3)

式中,ε為地表比輻射率、Ts為地表真實溫度、B(Ts)為黑體熱輻射亮度、τ為大氣透射率、L↑為大氣向上輻射亮度 、L↓為大氣向下輻射能量、Lλ為熱紅外輻射亮度值,K1、K2為系數(shù)。TIRS Band 10波段中,K1= 774. 885 W m-2sr-1μm-1,K2= 1321.079 K。從NASA網(wǎng)站(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)可以獲取τ、L↑、L↓數(shù)值,分別為 0.60、0.93 W m-2sr-1μm-1、1.58 W m-2sr-1μm-1。地表比輻射率ε的計算采用Sobrino提出的基于地表覆蓋類型的加權混合模型[16],計算公式為：

ε=0.004Pv+0.986

(4)

Pv=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(5)

式中,NDVI為歸一化植被指數(shù),NDVIsoil和NDVIveg分別為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值及完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值(純植被像元的NDVI值)。取經(jīng)驗值NDVIveg= 0.70和NDVIsoil=0.05,即當某個像元的NDVI大于0.70時,Pv取值為1；當NDVI小于0.05,Pv取值為0。

2.2 公園冷島強度的數(shù)值與方向的獲取

城市公園冷島強度通常是通過沿橫斷面或公園和周圍城市地區(qū)的氣象站的氣溫觀測來測量的[17]。本文基于遙感影像進行分析,參考Cao等人[4]和Chibuike等人[8]的研究,PCI可用如下計算公式：

PCI=ΔT=Tu-Tp

(6)

式中,Tp表示公園內(nèi)的平均地表溫度,Tu表示公園邊界外500 m范圍內(nèi)的平均地表溫度。研究選擇公園外500 m范圍內(nèi)的平均地表溫度基于兩個原因：第一本研究需要確定唯一不變量來分析各類景觀特征指數(shù)與PCI的關系；第二是大量研究表明城市公園的冷島強度變化范圍大約都在500 m范圍之內(nèi)[4- 9]。

冷島強度方向的研究主要運用ArcGIS里的熱點分析以及方向分布(標準差橢圓)工具等。運用熱點分析工具得到周邊均沒有水體和大型綠地干擾的雙秀公園、烈士公園、植物園和動物園4個公園內(nèi)以及其500 m范圍內(nèi)冷熱點,提取Gi_Bin 字段中-3到-1之間的冷點作為公園內(nèi)外的主要冷源點,再利用方向分布工具分別提取園內(nèi)外的標準差橢圓,從而對冷島效應的主導方向進行分析。

2.3 景觀指數(shù)的選擇

城市公園是由多種地表覆蓋類型和多種植物交叉分布組合而成的景觀綜合體,這種交叉分布與其生態(tài)意義密切相關,因此研究結合ArcGIS 10.2與 Fragstats 4.2兩個軟件來定量化各種景觀特征,分析其與PCI之間的關系。景觀特征包括3個方面,首先是公園整體景觀特征,選擇的景觀指數(shù)為公園面積、公園周長和周長面積比；其次是景觀構成,選擇的指標包括公園內(nèi)植物、不透水表面、水體的面積、形狀指數(shù)及各自所占比例；最后為公園內(nèi)部的景觀配置,選擇指數(shù)有公園內(nèi)植物、不透水表面和水體的景觀分裂指數(shù)、有效粒度面積、分離度、公園的Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)、植物和水體之間、植物與不透水表面之間、水體和不透水表面之間的對比加權邊緣密度(CWEDVW、CWEDIV、CWEDIW)。CWEDVW、CWEDIV、CWEDIW三種指數(shù)涉及到3種景觀要素之間兩兩對比,因此選用有水體的公園進行相關分析(n=17)。

3 結果與分析

3.1 城市公園整體景觀特征對其冷島強度的影響

圖2 研究區(qū)域溫度反演圖Fig.2 Temperature inversion map of the study area

城市公園整體景觀特征包括公園規(guī)模和公園形態(tài)兩個方面。運用ArcGIS 10.2里的空間統(tǒng)計分析工具統(tǒng)計出44個城市公園的面積、周長以及周長面積比,并將公園圖層與溫度反演圖疊加(圖2),統(tǒng)計得到公園冷島強度。表1是根據(jù)公園規(guī)模列出了PCI的相關數(shù)據(jù)。依據(jù)平均值,可以看出隨著公園面積的增大,PCI會適當增強。最大降溫強度3.44℃出現(xiàn)在面積為79.63 hm2的最大公園中,最小的降溫強度出現(xiàn)在面積為1.27 hm2的公園中。面積7 hm2以上的公園降溫強度才會達到1℃以上,較小的公園降溫效應不明顯。

將三種景觀指數(shù)和PCI進行相關性分析,發(fā)現(xiàn)公園面積和周長面積比均與PCI呈顯著相關性(P<0.01),公園面積與PCI成正相關(r=0.658),周長面積比與PCI成負相關(r=-0.480)。圖3描述公園整體景觀特征的3種指數(shù)與PCI的關系圖。可以看出隨著公園面積的增加,PCI逐漸增強,當面積增大到一定范圍時PCI的增大趨勢減緩。對公園面積與PCI的擬合曲線進行二次求導得到公園面積小于20 hm2時,PCI隨著其面積的增大迅速增大,大于20 hm2后,變化趨勢趨于平緩。公園周長與PCI的相關性較弱,但從其曲線圖中可以看出隨著公園周長的增大,PCI逐漸增強。周長面積比描述了城市公園的復雜性和邊緣效應,隨著城市公園周長面積比的增大PCI減小,在公園面積和周長受限制的情況下可通過減少公園邊界的復雜性,使用簡單的邊界來發(fā)揮公園的冷島效應。

表1 根據(jù)公園規(guī)模統(tǒng)計公園的公園冷島強度 (PCI)

圖3 公園整體景觀特征與公園冷島強度(PCI)的關系圖Fig.3 Relationship between the overall landscape characteristics of the park and Park Cooling Intensity (PCI)

3.2 公園的景觀構成對其冷島效應影響

從景觀構成的角度分析,表1顯示出面積同樣是10—20 hm2范圍內(nèi)的公園,有水體的公園降溫效果更強,平均降溫溫度比無水體公園高出1℃左右。對44個公園統(tǒng)計得到的景觀構成指數(shù)與PCI進行相關性分析,發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)不同地類的各項景觀構成指數(shù)對公園冷島強度的影響程度均不相同。從景觀要素的面積及占比來看,PCI與植物面積和水體面積都成顯著正相關,相關性系數(shù)分別為0.614、0.688(P<0.01),說明隨著公園植物和水體面積的增加PCI增強,但是PCI與公園植物面積的占比相關性不明顯。公園內(nèi)水體對PCI的影響程度更加顯著,表現(xiàn)為在公園面積一定的情況下,隨著公園內(nèi)水體面積所占比例的升高,公園冷島強度增強(r=0.753,P<0.01)。圖4顯示了公園內(nèi)植物和水體面積與PCI的線性關系圖,可以看出公園中園林植物面積每增加10 hm2,PCI提高0.5℃；公園內(nèi)水體面積每增加10 hm2,PCI提高0.6℃。進一步分析公園內(nèi)水體面積占比與PCI的曲線圖,通過二階求導得到水體面積所占比例在14%以下時PCI隨著水體面積占比的增大而迅速增強,在14%以上時,PCI的變化趨勢減緩。公園不透水表面面積與PCI成正相關,可能與公園周圍高層建筑投射到不透水表面的陰影造成的低溫有關；公園不透水表面面積所占比例與PCI相關性為-0.2,相關性較弱。

對幾種景觀要素的斑塊形狀指數(shù)進行分析,得到PCI與公園植物、水體和不透水表面的形狀指數(shù)呈顯著正相關(r=0.516,0.680；P<0.01)。隨著公園內(nèi)植物、水體和不透水表面邊界復雜程度的提升,PCI逐漸增強。有研究表明斑塊形狀越復雜,相互之間物質(zhì)能量的交換速度就越快[18],所以園內(nèi)植物斑塊形態(tài)越復雜,其形成的冷空氣更易交換,降溫效應更明顯；同樣公園外部輪廓越復雜其與外界交換速率越快,散熱也越快。相關研究表明城市水體的形狀指數(shù)越高,即水體的邊界越復雜,其熱緩釋效應越明顯[7]。 如果將園林植物、水體和不透水表面斑塊復雜化,公園整體邊界簡單化則更有利于形成更強的冷島效應。

圖4 幾種公園景觀構成指數(shù)與公園冷島強度(PCI)的關系圖Fig.4 Relationship between several park landscape composition indexes and Park Cooling Intensity (PCI)

3.3 公園景觀配置與其冷島強度的關系

對公園景觀配置指數(shù)與PCI相關性進行分析,發(fā)現(xiàn)植物分離度和景觀分裂指數(shù)[19-20]與PCI相關性較弱。園內(nèi)水體景觀分裂指數(shù)與PCI呈顯著負相關(r=-0.707,P<0.01),水體的景觀分裂指數(shù)通常受橋梁、堤壩等構筑物的影響,這類構筑物越多,景觀分裂指數(shù)越大,降溫效應越小,即水面的切割程度越嚴重,PCI越弱；園內(nèi)水體分離度與PCI相關性較弱。公園內(nèi)不透水表面的分離度與PCI呈顯著正相關(r=0.416，P<0.01)，表明公園中不透水表面斑塊布局越分散，分割程度越大，PCI越強；公園內(nèi)不透水表面的景觀分裂指數(shù)與PCI相關性較弱。植物和水體的有效粒度面積都與PCI呈顯著正相關,相關性系數(shù)分別為0.366和0.671(P<0.01),證明植物和水體的斑塊數(shù)量和面積在公園中占比越大,PCI越強。

為了進一步量化公園中景觀空間配置對PCI的影響,選取SHEI、CWEDVW、 CWEDIV、CWEDIW四個景觀指數(shù)來描述公園的景觀空間配置[21]。SHEI(0≤SHEI≤1)反映要素斑塊的均勻分布程度,SHEI值較小時反映出景觀受到一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢斑塊類型所支配；SHEI趨近1時說明景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型且各斑塊類型在景觀中均勻分布[22]。由圖5可知,樣本的SHEI大多分布在0.4-0.8之間,可見公園優(yōu)勢要素不明顯且各種要素斑塊分布相對均勻,此時PCI較為穩(wěn)定且與SHEI呈明顯的正相關。圖5顯示CWEDVW、 CWEDIV、CWEDIW三種配置指標與PCI的相關性,其中CWEDVW與PCI的相關系數(shù)為0.730(P<0.01),CWEDIV和CWEDIW與PCI的相關系數(shù)分別為0.01和0.13。這說明在進行公園景觀空間配置時提升植物和水體之間的加權邊緣密度可以起到良好的降溫效應。

圖5 幾種景觀配置指數(shù)與公園冷島強度(PCI)的關系圖Fig.5 Relationship between several landscape configuration indexes and Park Cooling Intensity (PCI)

3.4 公園冷島強度的方向性分析

從44個公園中選取具有代表性的2個有水的公園和2個無水的公園,引入標準差橢圓工具[23- 24],進行冷島強度的方向性研究。在無水體的公園內(nèi),選取面積分別為4.41 hm2和16.35 hm2的雙秀公園和烈士陵園。從圖6中可以看出,雙秀公園的園內(nèi)的冷島強度方向(橢圓1)與其500 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的冷島空間分布方向不同(橢圓2)。橢圓1長軸方向即園內(nèi)PCI主要方向是東北—西南方向,而橢圓2長軸方向即公園外500 m范圍內(nèi)產(chǎn)生的冷島強度方向近乎東西向。雙秀公園園內(nèi)橢圓1長軸區(qū)域范圍內(nèi)分布著連排冠幅較大的喬木綠地進而形成較強冷島效應,而緩沖區(qū)范圍內(nèi)的橢圓2長軸沿著高層建筑分布的長邊方向,因為高層建筑陰影面積所占區(qū)域溫度較低,最終導致其與園內(nèi)冷島效應主導軸線上的方向偏差較多。由圖7可以看出,面積較大的烈士公園內(nèi)橢圓3長短軸長度相近,所以冷島強度方向性不明顯,而其緩沖區(qū)內(nèi)的橢圓4扁率較大,長軸方向即冷島強度主要方向是偏東北—西南,主要冷點分布在軸線兩端的高層建筑上?？梢姛o水公園內(nèi)喬木冠幅對溫度影響較強并且能引導其主導降溫方向的形成,但是園外高層建筑溫度及分布是影響其緩沖區(qū)降溫主導方向的主要因素。

圖6 雙秀公園冷島強度方向圖Fig.6 Diagram of PCI direction in Shuangxiu Park

圖7 烈士公園冷島強度方向圖Fig.7 Diagram of PCI direction in Martyrs Park

在有水體的公園中,選取面積分別為20.55 hm2和42.64 hm2的動物園和植物園。由圖8看出動物園內(nèi)外的冷島方向都大致偏東北—西南,橢圓5的扁率比橢圓6的要大,橢圓5長軸方向即園內(nèi)冷島強度方向沿著水體的長軸上,橢圓6的長軸方向即園外500 m范圍內(nèi)降溫方向為,由于園外四周小區(qū)建筑和綠化水平幾乎相似,所以總體冷島方向性不明顯,主導方向與園內(nèi)一致。由圖9看出,橢圓7和橢圓8長軸方向即園內(nèi)外的冷島強度方向近乎一致,沿著公園內(nèi)水體長軸方向—偏南北,因為植物園周邊綠化較少,均勻分布著工廠和在建小區(qū),主要冷島區(qū)域位于植物園內(nèi)。

圖8 動物園冷島強度方向圖Fig.8 Diagram of PCI direction in the Zoo

圖9 植物園冷島強度方向圖Fig.9 Diagram of PCI direction in Botanical Garden

4 結論

本文以鄭州市市域內(nèi)44個公園為研究對象,主要從公園規(guī)模形態(tài)、公園景觀構成和公園景觀空間配置3個方面分析其與公園冷島強度的相關性,并探討了公園內(nèi)部景觀和園外要素對冷島方向的影響,得到以下結論：

(1)城市公園的面積和周長都與公園冷島強度成對數(shù)關系,隨著公園面積與周長的增大,PCI增強。面積受限時,公園面積控制在20 hm2左右,可以達到理想的冷島強度。公園邊緣形狀越簡單,其與外界進行物質(zhì)交換的速度越慢,PCI越大。而公園內(nèi)植物、水體和不透水表面斑塊的邊界越復雜,斑塊之間進行物質(zhì)交換的速度越快,PCI越強。

(2)面積大小相近的公園,園內(nèi)有水體的公園比無水體的PCI要高出1℃左右,說明水體對公園冷島效應具有較高的影響。PCI隨著公園植物和水體面積的增大而增強,公園內(nèi)植物和水體的面積每增加10 hm2,PCI分別升高0.5℃和0.6℃。水體的占比與PCI成正相關,水體占比控制在14%左右,PCI的漲幅趨于穩(wěn)定。

(3)公園內(nèi)不透水表面斑塊分布越集中公園冷島效應越弱,證明分散式不透水表面比集中式不透水表面有更強的冷島效應。在進行公園水面景觀設計時,勿濫用橋梁和堤壩分割水面。在進行三種景觀要素的空間配置時,植物和水體組合配置能產(chǎn)生較強的冷島效應,將植物穿插在水體與不透水表面之間能帶來更好的降溫效應。

(4)公園冷島強度的方向不僅表現(xiàn)在尺度的異質(zhì)性上,還與公園內(nèi)部是否有水體和園外要素密切相關。公園面積越大冷島強度方向越顯著,無水公園PCI的方向沿著行列式冠幅較大的植物走向,有水公園PCI的方向沿著公園內(nèi)水體的長軸延伸。公園周圍建筑和綠化環(huán)境分布較為均勻的情況下,其冷島強度的方向性不明顯。