基于Landsat-8影像的沿海城市公園冷島效應(yīng)
——以廈門為例

花利忠,孫鳳琴,陳嬌娜,唐立娜

1 廈門理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院, 廈門 3610242 廈門市氣象服務(wù)中心, 廈門 3610133 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361021

隨著全球城市化進(jìn)程的急劇加快,城市熱島效應(yīng)已經(jīng)成為當(dāng)今全球面臨的最嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。以水體和綠色植被等景觀構(gòu)成的城市公園所形成的“冷島”被認(rèn)為是解緩城市熱島效應(yīng)、改善城市局地?zé)岘h(huán)境的重要途徑之一[2- 5]。而最近幾年來,景感生態(tài)學(xué)、景感學(xué)和景感營造等新理論的提出為緩解城市熱環(huán)境問題提供了新的理論指導(dǎo)。生態(tài)學(xué)家趙景柱等[6]在2016年首次提出了景感生態(tài)學(xué)概念,指出它是研究土地利用規(guī)劃、建設(shè)與管理的科學(xué),并提出了景感生態(tài)規(guī)劃、建設(shè)和管理的綜合分析框架;之后,2018年趙景柱等[7]把景感生態(tài)學(xué)的研究范疇進(jìn)行升華,拓展到景感學(xué)(即廣義景感生態(tài)學(xué)),同時(shí)闡述了景感學(xué)和景感營造的概念,剖析了景感營造的多種途徑和原則,提出了景感學(xué)研究的總體框架。石龍宇等[8]把人體的主要感覺類型歸納為八種,即美感、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺、風(fēng)感、方向感和心理反應(yīng),同時(shí)列舉了對(duì)應(yīng)感覺類型的景感生態(tài)學(xué)規(guī)劃內(nèi)容和方法,并指出規(guī)劃者應(yīng)該按照景感生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行景感營造,制定適宜方案。

景感生態(tài)學(xué)是一個(gè)綜合物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的框架,它意在確保土地利用的設(shè)計(jì)和規(guī)劃符合環(huán)境可持續(xù)發(fā)展[9]。隨著城市化的快速發(fā)展,為了實(shí)現(xiàn)合理景感組成要素與人們的舒適感受之間的相對(duì)平衡,景感生態(tài)學(xué)為城市建設(shè)和規(guī)劃提供了新思路和方法,已成為土地利用合理設(shè)計(jì)和規(guī)劃的重要理論依據(jù)之一[10]。目前景感生態(tài)學(xué)的應(yīng)用案例研究不斷增多。一些學(xué)者以中國大運(yùn)河的香河段為案例,分別在聲感規(guī)劃[9]、環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)[10]和濕地恢復(fù)的措施及規(guī)劃[11]等方面都應(yīng)用了景感生態(tài)學(xué)的思路。Zheng等[12]以福建平潭島為例,通過研究城市景感格局演變與大風(fēng)日數(shù)減少之間的關(guān)系,提出了優(yōu)化和選擇景感器格局的框架和指南,進(jìn)而最大限度地減少城市地表大風(fēng)日數(shù)。Ren等[13]在桉樹人工林生物量的尺度擴(kuò)展的研究中,結(jié)合了景感生態(tài)學(xué)中的謎碼數(shù)據(jù)和趨善化模型[14],以解決生態(tài)模型在估計(jì)森林生物量方面的不確定性問題。上海崇明島生態(tài)工業(yè)園的規(guī)劃與設(shè)計(jì)中“日月耀五洲”的理念集中體現(xiàn)了景感生態(tài)學(xué)的思路,借助環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),該景感工業(yè)示范園集光伏發(fā)電、淡水養(yǎng)殖、觀光農(nóng)業(yè)等多種產(chǎn)業(yè)功能于一體,實(shí)現(xiàn)了清潔能源與生態(tài)農(nóng)業(yè)的科學(xué)發(fā)展[15]。

按照景感生態(tài)學(xué)和景感學(xué)的原理,城市公園不僅是城市居民休閑游憩活動(dòng)和文化傳播的自然場所,而且也充當(dāng)了夏季烈日下宜人氣候的空間載體。城市公園作為城市中的一種重要景感,其承載的宜人氣候,通過公園地表溫度(或公園氣溫)來反映。在人體的八種感覺類型中,溫度屬于風(fēng)感,人們主要通過人體感官中的皮膚來快速感知環(huán)境溫度的適宜性[8]。人們賦予公園豐富的愿景,如公園作為城市重要的“綠肺”,不僅有美化城市景觀的作用,更重要的是對(duì)局地人居環(huán)境的氣候進(jìn)行調(diào)節(jié)。在夏季,城市公園的綠地和水體降溫效果尤為明顯,本身成為顯著的冷島,而且研究證實(shí)城市大型公園綠地能夠降低公園周邊地區(qū)的溫度,進(jìn)而降低周邊建筑的冷卻能源[3]。合理的城市公園景感營造,意在緩解城市熱島,提供健康的局地人居環(huán)境,促進(jìn)城市熱環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。城市公園的景感營造應(yīng)該包括公園大小、形狀、結(jié)構(gòu)組成和公園結(jié)構(gòu)配置等。合理的規(guī)劃公園或優(yōu)化公園結(jié)構(gòu),使人產(chǎn)生生理和心理的滿足感,不僅有助于緩解局地城市熱島,也能實(shí)現(xiàn)降低噪音污染和增加氧氣供給等多種生態(tài)功能。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)許多城市公園景觀的熱環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了大量研究[16],取得一系列研究成果。如基于實(shí)地氣象觀測數(shù)據(jù)分析特定公園對(duì)周邊小氣候的影響[17- 18];分析公園面積、周長等形態(tài)特征、綠地面積比重、水體面積比重等結(jié)構(gòu)因子的降溫效應(yīng)[19- 22];基于景觀生態(tài)學(xué)方法[23- 24]分析公園景觀空間結(jié)構(gòu)對(duì)公園周邊的熱環(huán)境效應(yīng)[25]。但這些城市的公園冷島(Park cool island,PCI)效應(yīng)研究采用的遙感數(shù)據(jù)源主要是Landsat TM/ETM+,對(duì)于新的Landsat- 8數(shù)據(jù)源應(yīng)用不多;研究多以內(nèi)陸城市為主[26],對(duì)于海灣型城市公園的研究較少。

隨著城市化的快速推進(jìn),廈門市城市建設(shè)用地快速擴(kuò)展、人口急劇增長,城市景觀格局發(fā)生了巨大的變化,導(dǎo)致城市熱島的熱環(huán)境效應(yīng)日益嚴(yán)重。如何利用有限的城市綠地尤其是城市公園最大程度緩減城市熱島效應(yīng),成為城市建設(shè)與規(guī)劃者亟待解決的生態(tài)問題之一。本文基于Landsat- 8 OLI(Operational Land Imager)/TIRS(Thermal Infrared Sensor)影像和改進(jìn)的單通道算法反演廈門地表溫度(LST),基于Google Earth高分影像提取多個(gè)典型公園作為研究對(duì)象,獲取了城市公園熱環(huán)境數(shù)據(jù),采用緩沖區(qū)分析、景觀格局指數(shù)和多元統(tǒng)計(jì)等方法研究城市公園對(duì)周邊區(qū)域的冷島效應(yīng),探索城市公園內(nèi)部平均地表溫度、城市公園冷島強(qiáng)度和公園冷島影響距離的關(guān)鍵影響因子。本研究對(duì)于營造合理的城市公園布局、公園規(guī)劃建設(shè)和改善城市局部人居熱環(huán)境有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

2 研究材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究的數(shù)據(jù)源為2013年8月4日廈門市的Landsat- 8 遙感影像數(shù)據(jù)和同期的Google Earth的公園影像。研究采用的軟件包括ArcGIS 10.3、Erdas Imagine 2011和Fragstat 4.2。Landsat- 8搭載有陸地成像儀(OLI)和熱紅外傳感器(TIRS),共包括11個(gè)波段,其中2個(gè)熱紅外波段。對(duì)遙感影像圖像進(jìn)行預(yù)處理主要包括3部分：(1)由于在該期遙感數(shù)據(jù)中,研究區(qū)的城區(qū)周邊的山體林地區(qū)域覆蓋著極少的云量,因此需要對(duì)這些云量進(jìn)行手動(dòng)勾繪然后掩模去除(圖2中的白色區(qū)域);(2)對(duì)遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn),其配準(zhǔn)誤差小于0.5個(gè)像元;(3)對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正[29]。

2.2 研究方法

2.2.1城市公園土地利用信息提取與景觀特征指標(biāo)選取

選取廈門市15個(gè)代表性公園,基于高空間分辨率的Google Earth(1m)影像,通過人工目視解譯提取各個(gè)公園的邊界,并對(duì)其內(nèi)部土地覆蓋類型進(jìn)行分類(圖1),包括綠地(主要由喬木林組成)、水體和建筑用地。為了研究城市公園對(duì)周圍環(huán)境的冷島效應(yīng),參考景觀生態(tài)學(xué)中景觀參數(shù)定義和先前研究,選擇城市公園面積(park size)、周長面積比指數(shù)(perimeter-area ratio,PAR)、以圓為標(biāo)準(zhǔn)的形狀指數(shù)(landscape index,LSI)、綠地面積(green space area),水體面積(water area)、綠地面積比例(percentage of green space area),水域面積比例(percentage of water area)、人工建筑用地面積比例(percentage of built-up land area)、公園重心到最近海邊的距離共9個(gè)景觀格局特征參數(shù)。指標(biāo)選取不僅考慮了基于表征數(shù)量的面積指標(biāo),而且包括表征結(jié)構(gòu)的比例指標(biāo)、形狀指標(biāo)和考慮海水對(duì)公園的影響。

圖1 研究區(qū)位置、公園空間分布及公園土地利用分類圖Fig.1 Location of study area, showing the urban parks and the landuse types

2.2.2改進(jìn)版的單通道算法

針對(duì)Landsat- 8影像,多種地表溫度算法被開發(fā)。其中,2014年Jimenez-Munoz和Sobrino[30]提出改進(jìn)版的單通道算法SCJMS被廣為應(yīng)用。該新算法中修訂了Planck函數(shù)的γ和δ兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法,該算法明顯地提高地表溫度計(jì)算精度。雖然Landsat- 8 TIRS傳感器有10和11兩個(gè)熱紅外波段,但第11波段的定標(biāo)參數(shù)尚不穩(wěn)定,因此美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)建議采用單通道(或單窗)的算法而不是劈窗算法來反演地表溫度。本研究使用Landsat- 8影像的第10波段和改進(jìn)版單通道算法來計(jì)算廈門市的地表溫度,具體公式和參數(shù)含義如表1所示。

2.2.3城市公園冷島效應(yīng)強(qiáng)度和影響距離計(jì)算

基于緩沖區(qū)分析法,計(jì)算公園對(duì)其周邊環(huán)境的冷島效應(yīng)強(qiáng)度和影響距離。根據(jù)公園邊界,以100 m 為間距,向外建立多級(jí)緩沖區(qū),直到1200 m。采用ArcGIS強(qiáng)大的空間處理功能,將各緩沖區(qū)域與地表溫度圖疊置,用分區(qū)統(tǒng)計(jì)方法建立得到各緩沖區(qū)內(nèi)的平均地表溫度。城市公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫作用表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是公園冷島強(qiáng)度,即降溫的幅度有多大;二是公園冷島的影響距離,即降溫影響的范圍是多少。城市公園對(duì)周圍熱環(huán)境的調(diào)節(jié)機(jī)制如下：由于公園與周邊的熱環(huán)境(地表溫度)不同,兩者之間則進(jìn)行熱量和水汽交換,這樣使得周邊區(qū)域的熱環(huán)境趨于緩和(即降溫效應(yīng)),進(jìn)而改善公園周邊的局地氣候,局地氣候環(huán)流的強(qiáng)度決定著公園降溫的影響范圍[25]。城市公園冷島效應(yīng)公式見式(1)。

表1 修正的單通道算法公式及其參數(shù)含義

PCI=Tb-Tpark

(1)

式中,PCI為城市公園冷島強(qiáng)度(或公園最大降溫幅度),其值越大說明城市冷島效應(yīng)越大;Tpark是公園內(nèi)平均溫度,Tb是距離公園邊界Lmax處的溫度;Lmax指公園冷島效應(yīng)的最大距離[2, 4]。Lmax的計(jì)算方法為：以各公園緩沖帶的距離為自變量,以緩沖帶內(nèi)公園平均溫度為因變量繪制曲線,在曲線圖中尋求緩沖區(qū)內(nèi)的平均地表溫度急劇改變或達(dá)到相對(duì)平緩的位置,該位置對(duì)應(yīng)的距離為Lmax,它意味著公園對(duì)周邊環(huán)境的最大的降溫影響范圍。城市公園因其面積大小和結(jié)構(gòu)不同,其冷島效應(yīng)可能不同,導(dǎo)致各公園曲線拐點(diǎn)變化可能不同,因此其影響距離Lmax可能有較大差異。同時(shí)在每個(gè)公園的緩沖區(qū)內(nèi)剔除了較大面積的植被區(qū)和水體等因素,特別是廈門海外城市,需要剔出海水的影響,以減少這些因素對(duì)公園降溫效應(yīng)的干擾。較大的PCI和較大的Lmax值,說明城市公園具有較強(qiáng)的冷島效應(yīng),反映城市公園對(duì)周圍熱島效應(yīng)緩解和對(duì)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用較大。

3 結(jié)果與分析

3.1 城市公園地表溫度特征

圖2顯示廈門市地表溫度及公園溫度的空間分布。不包括海域,研究區(qū)陸地地表平均溫度為(31.26 ± 3.26)℃,城市建筑用地平均溫度(35.15 ± 2.23)℃,公園平均溫度(29.66 ± 1.48)℃?？梢姽珗@溫度不僅低于建筑用地溫度5.49 ℃,也低于陸地溫度1.60 ℃。高溫區(qū)域分布沿著海滄灣、馬鑾灣、杏林灣和同安灣和廈門島西北部呈現(xiàn)海灣型分布的特征,形成了海滄保稅區(qū)、新陽工業(yè)區(qū)、灌口工業(yè)區(qū)、杏林工業(yè)區(qū)、集美北部工業(yè)區(qū)、同安工業(yè)區(qū)、廈門島西北港口區(qū)、廈門現(xiàn)代物流園區(qū)(機(jī)場、物流園區(qū)和海港碼頭)等多個(gè)高溫組團(tuán),熱島效應(yīng)非常顯著。低溫區(qū)分布較散,海域和廈門島外4個(gè)城區(qū)的周邊山體林地呈現(xiàn)出大范圍的低溫區(qū),形成顯著的冷島區(qū)。在城區(qū)內(nèi)部,零星分布的城市公園和水體也呈現(xiàn)較明顯的冷島區(qū)。表明城市綠地和水體對(duì)城市熱島的降溫效應(yīng)非常顯著。

圖2 廈門地表溫度空間分布和公園溫度分布Fig.2 Maps showing urban land surface temperature (LST) and urban parks LST

圖3 公園面積與公園平均溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between urban parks areas and average LSTs of urban parks LSTs, Land surface temperatures

圖3顯示了研究區(qū)公園面積與溫度的關(guān)系曲線。隨著公園面積的增加,公園平均溫度在不斷降低,但并非線性降低,兩者為非線性的對(duì)數(shù)關(guān)系。所有公園中,思明區(qū)的植物園面積最大,為615.06 hm2,其平均溫度也最低為28.95 ℃;集美區(qū)的敬賢公園面積最小4.76 hm2,其平均溫度最高達(dá)33.46 ℃。圖3顯示公園面積從1 hm2增加到55 hm2時(shí),公園溫度降低3 ℃左右;但面積從55 hm2增加到100 hm2時(shí),公園溫度僅降低0.5 ℃左右。比如狐尾山公園96.01 hm2,其平均溫度29.49℃,比植物園的平均溫度僅降低0.54 ℃。因此,公園面積可能存在某個(gè)臨界值,公園面積增加到該值后,若繼續(xù)增大公園面積,其實(shí)對(duì)公園熱環(huán)境的改善不顯著。由于城市土地寸土寸金,在規(guī)劃設(shè)計(jì)公園時(shí),為了獲得較低的土地面積投土、資金投入和較高的公園降溫效應(yīng)的收益,研究區(qū)公園面積可控制在55 hm2左右。

表2顯示城市公園地表溫度和它的影響因子的多元回歸關(guān)系。在多元回歸分析中,公園面積和公園建筑用地面積兩個(gè)因子都被保留了下來。公園面積與公園建筑用地面積與公園地表溫度LST顯著相關(guān),說明二者都是影響公園溫度的重要因素。式(2)定量表達(dá)了公園面積,公園建筑用地面積與公園地表溫度之間的關(guān)系,方程的決定系數(shù)R2達(dá)0.915。公園建筑面積與公園地表溫度正相關(guān)關(guān)系,公園建筑面積的增大會(huì)導(dǎo)致公園地表溫度的增加。因?yàn)楣珗@建筑用地(包括道路等)屬于不透水面,其不僅具有高吸熱率和高儲(chǔ)熱性的特征,而且其缺乏植被覆蓋,蒸騰蒸發(fā)作用較小,因此地表熱平衡受到破壞,熱量更多地以顯熱的形式交換而導(dǎo)致地表溫度快速上升,產(chǎn)生明顯的增溫現(xiàn)象[32]?；貧w模型中兩個(gè)因子的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)看出,標(biāo)準(zhǔn)化公園面積系數(shù)是公園建筑用地面積系數(shù)的2倍多,說明公式(2)中公園面積因子的貢獻(xiàn)大于后者。在規(guī)劃設(shè)計(jì)公園時(shí),同樣面積的公園,應(yīng)該盡量減少建筑用地的面積,這樣會(huì)降低公園的平均溫度,進(jìn)而利于增強(qiáng)公園冷島效應(yīng)。

y=-1.321 ln(x1) + 0. 556 ln(x2) + 35.218 (R2=0. 915)

(2)

式中,x1為公園面積(hm2),x2為建設(shè)用地面積(hm2),y為公園平均溫度(℃)。

表2 城市公園地表溫度與其影響因子的多元回歸分析結(jié)果

3.2 城市公園冷島PCI強(qiáng)度分析

圖4 公園綠地面積與公園冷島PCI強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between green land areas and average PCI intensity for urban parks PCI,park cool island

圖4顯示了研究區(qū)公園綠地面積與PCI強(qiáng)度的關(guān)系曲線。隨著公園綠地面積的增加,公園的PCI強(qiáng)度不斷降增加,但并非線性增加,兩者為非線性的對(duì)數(shù)關(guān)系。所有公園的PCI強(qiáng)度都大于2.4 ℃,即集美敬賢公園具有最小的PCI強(qiáng)度2.49 ℃;最大PCI強(qiáng)度接近6 ℃,為5.63 ℃的海滄動(dòng)物園(面積145.42 hm2)。而且圖4還表明,當(dāng)公園綠地面積增加到55 hm2時(shí),公園的PCI強(qiáng)度逐漸減緩,繼續(xù)增加公園綠地面積,PCI強(qiáng)度增加不明顯。公園綠色植被降溫的主要原因有：(1)公園綠色植被具有光合作用和蒸騰作用,能夠吸收周圍環(huán)境中的熱量,同時(shí)向周圍環(huán)境散發(fā)/釋放水分,因此降低了周圍空氣溫度[33];(2)綠色植被通過冠層遮蔭,阻擋太陽輻射,減少與地面的能量交換,從而降低地面對(duì)空氣的增溫[33- 34];(3)較大的綠地公園,其綠色植被光合作用、蒸騰作用和遮蔭作用都比較強(qiáng)烈,能夠與周邊的熱環(huán)境兩者之間則進(jìn)行較強(qiáng)的熱量和水汽交換,因而其PCI強(qiáng)度較大,但隨著公園面積的增加,PCI強(qiáng)度并非一直增大。如植物園的面積是仙岳公園面積的2.5倍,但其PCI強(qiáng)度分別是5.45 ℃和5.57 ℃,兩者僅僅相差0.12 ℃。本研究暗示著公園綠地面積存在某個(gè)臨界值,公園面積達(dá)到該值后,若繼續(xù)增大公園面積,PCI強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,其對(duì)公園熱環(huán)境的改善不顯著。因此,從公園所投入的建設(shè)面積與其降溫效應(yīng)的收益角度來看,公園綠地面積控制在55 hm2內(nèi)較為合理。

表3 顯示了各公園冷島PCI強(qiáng)度與其影響因子的多元回歸關(guān)系。其中PCI強(qiáng)度與公園綠地面積、公園建筑面積、周長面積比PAR指數(shù)三個(gè)因子均在0.05的水平上顯著相關(guān),因此在回歸方程中都被保留下來。水體面積比例對(duì)冷島PCI強(qiáng)度的影響不太顯著,所以在回歸方程中被排除。PCI強(qiáng)度與公園綠地面積因子呈現(xiàn)正相關(guān)對(duì)數(shù)關(guān)系,但與公園建筑面積、周長面積比PAR指數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。公園綠地面積因子的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)大于后兩者,說明它在回歸方程中,公園綠地面積因子的貢獻(xiàn)大于后兩者。公式(3)定量表達(dá)了公園綠地面積,公園建筑用地面積,公園形狀指數(shù)與公園地表溫度PCI之間的關(guān)系。PCI強(qiáng)度與公園周長面積比PAR呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)PAR增大時(shí), PCI強(qiáng)度則變小。而公園的形狀越復(fù)雜,則PAR越小,引起PCI強(qiáng)度變大。一方面,公園建筑用地面積的增加,即不透水面比例提高,將導(dǎo)致地表溫度的明顯增加;而降低不透水面的面積,增加公園綠地和水面可以明顯地降低地表溫度,緩解城市熱島效應(yīng)[35]。另一方面,綠地公園形狀越復(fù)雜,公園承載的冷空氣與其周邊環(huán)境的熱量流交換越便利,導(dǎo)致其對(duì)周邊的熱環(huán)境影響力越強(qiáng),即PCI強(qiáng)度變大[19, 25]。因此公園中,減少公園建筑用地面積,增加綠地公園的形狀復(fù)雜度,有利于其PCI強(qiáng)度的增加,便于緩解城市公園周圍的熱島效應(yīng),即邊界復(fù)雜的公園,比同等條件下邊界簡單的公園降溫效果好。

y=0.661 ln(x1)-0.415 ln (x2) -11.036x3+ 3.416 (R2=0. 911)

(3)

式中,x1為公園綠地面積(hm2),x2為建設(shè)用地面積(hm2),x3為公園周長與面積比值(km/hm2),y為公園PCI(℃)。

表3 城市公園冷島PCI強(qiáng)度與其影響因子的多元回歸分析結(jié)果

Cao等[3]在研究日本名古屋的城市公園的冷島效應(yīng)時(shí),建立了該區(qū)域的PCI預(yù)測模型,在他們的模型中PCI強(qiáng)度與公園中喬木和灌木的面積之和與公園形狀指數(shù)LSI的比值成對(duì)數(shù)關(guān)系。本研究建立的PCI回歸模型類似于Cao等的研究,也使用了公園綠地的面積和公園的形狀指數(shù)兩個(gè)因子。

3.3 城市公園冷島影響距離Lmax分析

表4 顯示了各公園冷島PCI的影響距離及其影響因子的多元回歸關(guān)系,其中公園面積和公園水體面積比例兩個(gè)因子在0.05水平上顯著相關(guān),因此在回歸模型中都被保留下來。PCI的影響距離Lmax與這兩個(gè)因子都呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,而且Lmax與公園面積成對(duì)數(shù)關(guān)系。隨著公園面積的增加,Lmax開始增長較快,但當(dāng)公園面積大于一定閾值后,Lmax增加放緩。公式(4)定量表達(dá)了公園面積、公園水體面積比例與PCI的影響距離Lmax之間的關(guān)系。Lmax與公園水體面積比例線性正相關(guān),因此公園中水體面積的增加,有利于其增加PCI的影響距離,因此更容易緩解城市公園周圍的熱島效應(yīng)。本研究中五緣灣公園(125.37 hm2)的公園冷島影響距離Lmax達(dá)1000 m,該公園是以水體為主的公園,水體面積比例達(dá)51.28%。植物園是以森林為主的公園(植被覆蓋度92.17%),但水體比例低于1%,雖然其面積為五緣灣公園的4.9倍,其Lmax值為900 m,仍然低于五緣灣公園。所有公園中,以森林為主的金榜公園(植被覆蓋度95.11%)具有最低的Lmax值(100 m),相比而言,敬賢公園的面積雖然小于金榜公園,但敬賢公園具有27.04%的水體面積,Lmax值達(dá)200 m。因此,水體面積比例較大的公園,比同等條件下水體面積較小的公園降溫效果好。為了有減緩城市公園的周邊熱環(huán)境效應(yīng),使城市公園冷島的影響距離Lmax增大,在保證公園綠地面積達(dá)到一定規(guī)模時(shí),應(yīng)該提高公園水體的面積比例。

y=129.33 ln(x1) + 3.8781x2- 53.932 (R2=0.719)

(4)

式中,x1為公園面積(hm2),x2為公園水體面積比例(%),y為公園降溫距離(m)。

表4 城市公園冷島效應(yīng)的影響距離Lmax與其影響因子的多元回歸分析結(jié)果

4 結(jié)論與討論

以水體和綠色植被等景觀構(gòu)成的城市公園所形成的城市冷島是改善局地城市熱環(huán)境的一個(gè)重要手段。由于快速城市化導(dǎo)致的城市土地資源異常緊缺,如何讓寶貴的公園景觀最大程度發(fā)揮冷島降溫效應(yīng),實(shí)現(xiàn)改善城市熱環(huán)境的高效益,已成為當(dāng)前亟待解決的生態(tài)問題之一。本研究基于Landsat- 8和Google Earth遙感數(shù)據(jù),以廈門市15個(gè)公園為對(duì)象,探索了公園平均地表溫度、城市公園冷島強(qiáng)度和公園冷島影響距離的主要影響因子。

公園內(nèi)部平均溫度與公園面積和公園建筑用地面積兩個(gè)因子顯著相關(guān),與林地或水體面積無顯著相關(guān)性。公園面積(配置植被和水體)越大、公園建筑用地面積越低,公園內(nèi)溫度越低,公園內(nèi)的冷島效應(yīng)則越顯著。但隨著公園面積逐漸增加,公園平均溫度的下降速率趨于平緩,本研究區(qū)存在一個(gè)公園面積的閾值55 hm2左右;因此,進(jìn)行公園規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合平衡所投入的公園總體建設(shè)面積大小與其降溫效應(yīng)的總體收益。

公園對(duì)其周邊的熱環(huán)境有顯著的緩解作用。廈門市15個(gè)公園中,公園冷島PCI強(qiáng)度范圍為2.49—5.62 ℃,公園冷島影響距離為100—1000 m之間。公園冷島PCI強(qiáng)度主要受公園綠地面積、建設(shè)用地面積及公園周長與面積比值3個(gè)因子的影響。公園綠地面積越大、建設(shè)用地面積越小,公園周長面積比越小,公園冷島PCI強(qiáng)度越大。公園邊界形狀復(fù)雜,有助于增強(qiáng)公園冷島PCI強(qiáng)度,利于公園的降溫效應(yīng)。公園冷島影響距離Lmax與公園面積、水體面積比例顯著正相關(guān),公園面積越大且水體面積比例越高,則Lmax越大。

趙景柱等[7]提出了景感營造的6個(gè)主要原則,本研究認(rèn)為,為了緩解城市局部熱島效應(yīng),從規(guī)劃與設(shè)計(jì)城市公園應(yīng)至少涉及到了2個(gè)原則：方位的順脈性和營造過程的漸進(jìn)性原則。在方位的順脈性方面,景感營造的設(shè)計(jì)者規(guī)劃公園時(shí),需要考慮公園的特點(diǎn)、周邊相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)、公園內(nèi)部空間要素布局的需要,設(shè)定公園的位置、面積大小、公園組成及空間配置。這些人為規(guī)劃的公園未必能達(dá)到較滿意的公園冷島PCI和最遠(yuǎn)的冷島影響距離,因此,公園景感營造的過程是漸進(jìn)性的。即使已建立的公園,其位置和公園面積大小無法改變,但公園的內(nèi)部組成和空間結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表5總結(jié)了本研究與相關(guān)城市公園冷島效應(yīng)的研究。城市公園的冷島效應(yīng)首先體現(xiàn)在對(duì)公園內(nèi)部小氣候的影響。城市公園的“冷島效應(yīng)”面積存在閾值,超過該閾值,其冷島效率增加緩慢,所以進(jìn)行公園景感營造,需要首先確定公園面積大小。但這個(gè)閾值在不同城市可能不同,本研究和廣州[20]、北京[25]的公園類似,公園閾值為55 hm2左右,重慶山城的公園閾值[36]僅為14 hm2。設(shè)計(jì)太小的公園面積,比如小于2 hm2[3],這樣的冷島效應(yīng)不明顯。

公園冷島效應(yīng)也體現(xiàn)在對(duì)公園周圍一定距離內(nèi)的顯著影響,包括PCI強(qiáng)度和冷島影響距離Lmax兩個(gè)參數(shù)。表5顯示這兩個(gè)參數(shù)在不同的城市有一定的差異,墨西哥城的公園冷島作用距離Lmax甚至達(dá)2 km[16]。因?yàn)椴煌某鞘泄珗@不僅經(jīng)緯度不同,而且同一個(gè)城市的公園內(nèi)部土地利用組成比例、形狀、空間配置等因子往往也不同,因此,影響著公園冷島PCI強(qiáng)度和Lmax。但目前對(duì)公園冷島效應(yīng)的關(guān)鍵因子等方面存在諸多不確定性[16]。表5也證實(shí)不同城市,公園冷島效應(yīng)的關(guān)鍵因子有一定的差異。表5顯示,綠地面積、水體面積、形狀指數(shù)、三維綠量、時(shí)間尺度(如季節(jié)變化)、喬木和灌木林的面積、建筑用地面積比例、和空氣相對(duì)濕度等因子可能是某些城市公園冷島效應(yīng)的重要因子。除了這些因子,風(fēng)也是緩解城市熱島的因子之一,因?yàn)榱己玫目諝饬魍梢詭ё叱鞘兄械臒崃?。先前的研究[37- 38]表明福州之所以演化為“火爐”城市,除了城市不透水面比例不斷增加,植被和水體比例降低外的原因外,另一個(gè)重要原因就是其城市通風(fēng)廊到受阻,即由于開發(fā)建設(shè)的高密度、高層建筑猶如巨大屏風(fēng)阻擋了該區(qū)域的主要海風(fēng)入口。城市(或公園)的通風(fēng)廊道通常以道路為載體,因此為了減緩城市熱島,如何規(guī)劃構(gòu)建與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向一致的林蔭大道、適度增加路網(wǎng)密度、建立與空氣流通方向一致的低、中層建筑、限制建筑高度、減少建筑密度和增加通風(fēng)空間等,應(yīng)該成為景感營造中的一個(gè)研究重點(diǎn)。此外,人為活動(dòng)排放的熱量對(duì)公園冷島效應(yīng)的影響,目前鮮有報(bào)道。在城市公園規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),需要綜合考慮這些因子,從而更好的發(fā)揮公園對(duì)周邊環(huán)境的降溫效應(yīng),改善城市的熱環(huán)境,提高城市的“宜居性”。

表5 主要城市公園冷島效應(yīng)的研究案例結(jié)果

充分利用景感生態(tài)學(xué)的理念,后續(xù)的許多問題需要進(jìn)一步研究：本研究選取了15個(gè)公園,后續(xù)的研究將擴(kuò)展公園樣本進(jìn)行更為深入分析;隨著時(shí)間的推進(jìn),不僅氣候發(fā)生變化,而且公園的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生變化(如土地利用類型比例變化、樹種搭配變化和植被結(jié)構(gòu)變化等),因此需要進(jìn)行時(shí)間序列的公園冷島效應(yīng)研究;目前反演地表溫度采用Landsat- 8影像,其熱紅外波段的空間分辨率較低(100 m),導(dǎo)致混合像元問題,因此對(duì)研究結(jié)果有一定的影響?？煽紤]采用高分五號(hào)衛(wèi)星40 m空間分辨率的熱紅外影像、10 m多光譜分辨率的哨兵Sentinel- 2影像并結(jié)合地表溫度細(xì)化算法,獲得高空間分辨率的地表溫度進(jìn)行分析;公園冷島的影響因子比較多,可增加風(fēng)因子、公園內(nèi)樹種類型、植被蓄積量和其他合適的景觀格局指數(shù)等因子進(jìn)行分析。