城市廣場不同空間尺度下空氣溫濕度與環(huán)境因子的相關(guān)性*

阮夢婕 關(guān)藝?yán)?朱春陽

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院 武漢 430070

快速城市化進(jìn)程導(dǎo)致城市下墊面的物質(zhì)材料構(gòu)成和立體幾何形狀發(fā)生改變,影響城市空間大氣流動,引發(fā)一系列諸如熱島效應(yīng)、干島效應(yīng)等的城市生態(tài)環(huán)境問題[1]。城市規(guī)模、景觀組分以及空間構(gòu)型3類因素對城市熱島效應(yīng)具有主要驅(qū)動作用,歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和不透水地表面積是熱島效應(yīng)的關(guān)鍵影響指標(biāo)[2]。城市熱環(huán)境作為城市生態(tài)安全的重要組成部分,已經(jīng)成為影響城市生態(tài)環(huán)境和維持城市可持續(xù)發(fā)展的重大風(fēng)險問題,并引起社會各界的廣泛關(guān)注[3－4]。夏季城市廣場下墊面是城市開敞空間的活動熱力區(qū)域,廣場空氣溫濕度的環(huán)境影響因子對于改善城市開敞活動空間的環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[5]。

城市空間結(jié)構(gòu)具有高度復(fù)雜性和異質(zhì)性,空氣溫濕度受到多種環(huán)境因子的影響。研究表明,氣溫與地表溫度之間存在中等至強相關(guān)關(guān)系[6],Nichol[7]指出日間氣溫與地表溫度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.81；同時,城市下墊面性質(zhì)也對城市熱環(huán)境產(chǎn)生較大影響,其中不透水面如建筑、道路、混凝土等硬質(zhì)下墊面與城市熱島的空間分布具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,是導(dǎo)致熱島效應(yīng)的主要原因[8－9]；此外,人口密度也是形成城市熱島、導(dǎo)致城市最低氣溫上升的主要因素[10－11]；NDVI與空氣相對濕度和年均氣溫也具有顯著的相關(guān)關(guān)系,且與相對濕度的相關(guān)程度較氣溫更強[12]。

以往大量研究主要集中在探究何種類型環(huán)境因子對城市空氣溫濕度具有影響作用及其影響程度,但缺乏針對空氣溫濕度與環(huán)境影響因子間的尺度相關(guān)關(guān)系的研究。因此,本研究以城市居民活動熱力集中的廣場類型下墊面為研究對象,以空氣溫度、相對濕度為觀測指標(biāo),分析夏季廣場空氣溫濕度值、日較差值、廣場－綠地溫濕度差值與周邊環(huán)境因子(測試點周邊25~3 000 m緩沖區(qū)內(nèi)地表溫度、硬質(zhì)下墊面面積、綠地面積、NDVI、交通道路長度和人口密度變量)間的相關(guān)關(guān)系,以及影響測試點空氣溫濕度的關(guān)鍵環(huán)境因子,探究空氣溫濕度與環(huán)境影響因子間的空間相關(guān)尺度,從而對關(guān)鍵相關(guān)尺度范圍進(jìn)行界定,為城市公共開敞活動空間建成環(huán)境的規(guī)劃設(shè)計提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖北省武漢市(113°41′~115°05′E,29°58′~31°22′N)位于華中江漢平原東部、長江中下游地區(qū)；屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,常年雨量豐沛、日照充足、雨熱同季,年均降水量為1 150~1 450 mm；夏季炎熱,7、8月平均氣溫最高,為28.7℃；夏季主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)和南風(fēng)。

1.2 研究樣點的布設(shè)與溫濕度觀測

選取武漢市主城區(qū)內(nèi)面積大于500 m2、立地條件相似的8塊廣場下墊面作為樣地,8塊樣地為:磨山景區(qū)南門入口廣場(2 550 m2)、馬鞍山森林公園西門側(cè)廣場(771 m2)、麥普利斯廣場(5 166 m2)、戴家湖公園北門入口廣場(1 509 m2)、閩東國際城廣場(2 039 m2)、北大資源首座廣場(1 332 m2)、興業(yè)銀行江岸支行廣場(742 m2)、王家墩公園10號門入口廣場(5 931 m2)。分別在各樣地內(nèi)選擇硬質(zhì)廣場、行道樹(對照組)兩種下墊面布置測點,每種下墊面分別布設(shè)3個測點,每塊樣地共6個測點。采用小尺度定量測定的方法,選擇2019年7月晴朗且氣候條件相似的3 d,每日分別在 8 ∶00—9 ∶00、12∶00—13∶00、16∶00—17∶00時段于距地面1.5 m高處連續(xù)觀測。8塊樣地采用同步開展數(shù)據(jù)觀測的方式,每塊樣地布設(shè)1臺手持溫濕度測試儀(德圖testo 625),移動讀取樣地內(nèi)6個測點數(shù)據(jù),取每個時段內(nèi)測點溫濕度平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。溫度測定范圍為－10℃~60℃,分辨率為0.1℃；相對濕度測定范圍為0~100%,分辨率為0.1%。

1.3 環(huán)境因子的獲取和數(shù)據(jù)處理

1.3.1 環(huán)境因子的獲取

分別對測點周邊25 m、50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、350 m、400 m、450 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m和3 000 m范圍建立緩沖區(qū),并提取不同尺度緩沖區(qū)內(nèi)的環(huán)境因子變量,包括地表溫度、NDVI、綠地面積、硬質(zhì)下墊面面積、交通道路長度、人口密度。各環(huán)境因子提取方法如下:

1)地表溫度與NDVI。使用ENVI 5.3對2019年7月Landsat8 OLI/TIRS多光譜遙感影像進(jìn)行大氣校正法反演地表溫度:首先對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合和裁剪預(yù)處理,再利用第4、5波段計算NDVI,利用第10波段反演地表溫度。

2)綠地面積、硬質(zhì)下墊面面積。使用ENVI classic對2019年7月Spot6遙感影像進(jìn)行預(yù)處理和目視解譯,識別出主要土地利用類型,將其分為綠地、硬質(zhì)下墊面和水體3種類型,結(jié)合實地調(diào)研校正數(shù)據(jù),使用Arcmap 10.0對綠地、硬質(zhì)下墊面面積數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。

3)交通道路長度。使用Arcmap 10.0對武漢市主城區(qū)內(nèi)分布的各級別交通道路數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加計算,結(jié)合實地調(diào)研校正數(shù)據(jù),統(tǒng)計交通道路長度數(shù)據(jù)。

4)人口密度。使用Arcmap 10.0對各街道人口密度矢量點數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值處理,得到人口密度分布數(shù)據(jù)。

將以上數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcmap10.0進(jìn)行相交運算,提取各項環(huán)境影響因子在不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)的分布情況(圖1)。

1.3.2數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19和R Studio中“corrr”包分析環(huán)境因子與測試指標(biāo)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季廣場空氣溫濕度值與環(huán)境因子尺度相關(guān)性

分別將8塊廣場的空氣溫度、相對濕度值與不同尺度緩沖區(qū)內(nèi)各項環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表1)表明:相較于氣溫而言,3 d空氣相對濕度均值與環(huán)境因子的尺度效應(yīng)更為顯著,其中綠地面積(50~1 000 m)、硬質(zhì)下墊面面積(50~500 m)、NDVI(100~1 000 m)和地表溫度(400~1 000 m)與相對濕度具有顯著(P<0.05)相關(guān)性；測點周邊100 m、350 m綠地面積與相對濕度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)；測點周邊100 m、250~350 m硬質(zhì)下墊面面積與相對濕度呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān)；測點周邊100~400 m的NDVI與相對濕度呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。由于3 d氣溫均值與不同尺度緩沖區(qū)內(nèi)各項環(huán)境因子未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系,因此,通過分別計算每日氣溫均值與不同尺度緩沖區(qū)內(nèi)環(huán)境因子的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)第2 d氣溫與地表溫度(25~50 m、150~500 m)呈顯著(P<0.05)正相關(guān)。此外,環(huán)境因子與溫濕度的相關(guān)性存在明顯的尺度效應(yīng):50 m緩沖區(qū)地表溫度對氣溫影響最強；100 m緩沖區(qū)內(nèi)綠地面積、硬質(zhì)下墊面面積、250 m緩沖區(qū)NDVI、500 m緩沖區(qū)地表溫度對相對濕度的影響最強。

表1 不同空間尺度下空氣溫濕度與環(huán)境因子的雙變量線性相關(guān)性

從不同尺度緩沖區(qū)相關(guān)性系數(shù)r值大小的變化趨勢看,溫濕度均值與各項環(huán)境因子r均表現(xiàn)出先增大、并在強相關(guān)緩沖區(qū)尺度達(dá)到最大值后減小的趨勢。在25~350 m緩沖區(qū),與相對濕度相關(guān)的環(huán)境因子數(shù)量隨緩沖區(qū)尺度的增加而增加；在400~500 m緩沖區(qū),4種環(huán)境因子均與相對濕度表現(xiàn)出顯著相關(guān)性；在1 000 m以上緩沖區(qū),相關(guān)環(huán)境因子數(shù)量減少。表明400~500 m緩沖區(qū)是綠地面積、硬質(zhì)下墊面面積、NDVI、地表溫度同時對空氣溫濕度產(chǎn)生影響的關(guān)鍵區(qū)間。

2.2 夏季廣場－行道樹空氣溫濕度差值與環(huán)境因子尺度相關(guān)性

將行道樹下墊面測點空氣溫濕度作為對照組,分別計算夏季3 d各廣場測點與行道樹測點的空氣溫濕度差值,與不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(圖2)表明:廣場－行道樹空氣溫濕度差值與綠地面積顯著相關(guān),其中溫度差值與測點周邊2 000~3 000 m綠地面積呈顯著(P<0.05)正相關(guān),與測點周邊2 000 m綠地面積相關(guān)性較明顯(r為0.749),與測點周邊2 500 m、3 000 m綠地面積r分別為0.711和0.730；相對濕度差值與測點周邊1 000 m、2 000 m、2 500 m綠地面積呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān),r分別為0.731、0.823、0.811,其中與測點周邊3 000 m綠地面積呈極顯著(P<0.01)負(fù)相關(guān),r值為0.858。從各緩沖區(qū)相關(guān)性的總體變化趨勢看,隨著緩沖區(qū)范圍的增大,空氣溫濕度差值與綠地面積的相關(guān)性也逐漸增強。

圖2 廣場－行道樹空氣溫濕度差值與環(huán)境因子相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖

2.3 夏季廣場空氣溫濕度日較差與環(huán)境因子尺度相關(guān)性

分別計算夏季3 d各廣場測點的8∶00—9∶00與16∶00—17∶00時段的空氣溫度、相對濕度差值作為日較差值[13],與不同范圍緩沖區(qū)內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(圖3)表明,溫濕度日較差主要與交通道路長度具有顯著相關(guān)性。溫度日較差與測點周邊150 m、450~1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的交通道路長度呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān),其中與500 m緩沖區(qū)內(nèi)交通道路長度相關(guān)性較明顯(r值為0.786),與150 m、450 m、1 000 m、1 500 m緩沖區(qū)內(nèi)的交通道路長度r分別為0.722、0.737、0.784、0.702。相對濕度日較差與450~1 500 m緩沖區(qū)內(nèi)交通道路長度呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān),其中與1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)交通道路長度相關(guān)性更明顯(r值為0.823),與450 m、500 m、1 500 m緩沖區(qū)內(nèi)交通道路長度r分別為0.751、0.800、0.798。通過觀察25~3 000 m緩沖區(qū)內(nèi)溫度日較差與交通道路長度的相關(guān)性變化趨勢可以看出,在25~1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)r呈現(xiàn)增大趨勢,而在1 000~3 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的r則開始減小,說明1 000 m緩沖區(qū)之內(nèi)的交通道路長度對溫濕度日較差影響作用比較明顯。

圖3 空氣溫濕度日較差值與環(huán)境因子相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

環(huán)境因子對空氣溫濕度的影響存在尺度效應(yīng),不同環(huán)境影響因子分別在特定的尺度上表現(xiàn)出與空氣溫濕度、廣場－行道樹空間溫濕度差值、廣場溫濕度日較差指標(biāo)的最強相關(guān)關(guān)系。

夏季城市廣場氣溫的的關(guān)鍵影響因子以50 m緩沖區(qū)內(nèi)地表溫度更顯著；相對濕度的關(guān)鍵影響因子包括100 m緩沖區(qū)內(nèi)綠地面積和硬質(zhì)下墊面面積、250 m緩沖區(qū)NDVI、500 m緩沖區(qū)內(nèi)地表溫度,其中硬質(zhì)下墊面面積對相對濕度影響作用最為顯著,可見空氣溫濕度與各環(huán)境影響因子的顯著相關(guān)尺度存在一定差異。400~500 m緩沖區(qū)是綠地面積、硬質(zhì)下墊面面積、NDVI、地表溫度對空氣溫濕度的協(xié)同影響區(qū)間。增加廣場建成環(huán)境綠地面積、減少硬質(zhì)下墊面面積、提高NDVI可以改善夏季城市廣場的空氣溫濕度。

廣場－行道樹溫度差值的關(guān)鍵影響因子是2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)綠地面積；相對濕度差值的關(guān)鍵影響因子是3 000 m緩沖區(qū)內(nèi)綠地面積。增加廣場建成環(huán)境中綠地面積能夠有效改善廣場的熱環(huán)境效應(yīng)。

廣場溫度日較差的關(guān)鍵影響因子是500 m緩沖區(qū)內(nèi)交通道路長度；相對濕度日較差的關(guān)鍵影響因子是1 000 m緩沖區(qū)內(nèi)交通道路長度。對于溫濕度日較差而言,其主導(dǎo)影響因子是交通道路長度,這亦是加劇城市熱島效應(yīng)的主要因素之一,因此,減少廣場建成環(huán)境中的交通道路長度能夠有效改善廣場的熱容量存儲與釋放,從而改善城市廣場的熱環(huán)境效應(yīng)。

3.2 討論

各環(huán)境影響因子中,綠地面積是影響溫濕度差值變化的關(guān)鍵因子。相關(guān)研究也證實,合理布置城市綠地是緩解熱島效應(yīng)的有效措施,綠地的降溫增濕效應(yīng)與綠地面積大小有關(guān),綠地面積越大則溫濕效應(yīng)越強[14－17]。同時也可看出行道樹下墊面的植被因素發(fā)揮了良好的降溫增濕效應(yīng),說明綠化與硬質(zhì)相結(jié)合的降溫增濕效應(yīng)顯著優(yōu)于單一硬質(zhì)[18－19]。然而,由于城市用地規(guī)劃的限制,近年來對綠地面積改善溫濕效應(yīng)的閾值研究表明,單一增加綠地面積已經(jīng)不是城市熱島問題最佳解決策略。為了有效發(fā)揮城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的作用,需要對不同大小、形狀和不同組合的景觀格局進(jìn)行科學(xué)配置,得出各類景觀組分的有效面積配比[20]。