甘 爽，楊艷麗，孫艷玲，王中良

（天津師范大學(xué) a.城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

城市公園對(duì)城市熱環(huán)境的降溫效應(yīng)
——以天津市為例

甘 爽a，楊艷麗a，孫艷玲a，王中良b

（天津師范大學(xué) a.城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

為了解城市公園對(duì)城市熱環(huán)境的影響，基于Landsat8遙感影像，通過反演天津市區(qū)地表溫度和分析各公園的緩沖區(qū)，研究天津市市內(nèi)六區(qū)公園的特征要素對(duì)周圍環(huán)境的降溫效應(yīng).結(jié)果表明：一方面，不同公園的降溫范圍、降溫幅度和降溫速率有所不同，各公園降溫幅度與距離均近似成擬合二次多項(xiàng)式.另一方面，不同的公園特征要素對(duì)周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)存在差異，其中公園的綠地比例與降溫范圍、降溫幅度和降溫速率相關(guān)性最大，且二者呈擬合二次多項(xiàng)式.

城市熱島效應(yīng)；城市公園；天津市；降溫效應(yīng)；降溫范圍；降溫幅度；降溫速率

隨著城市化的不斷發(fā)展和人口數(shù)量的不斷增加，不透水面如公路和高層建筑的面積日趨增加，城市熱島效應(yīng)逐漸加劇[1-3].城市熱島效應(yīng)一方面會(huì)造成城區(qū)氣溫高于近郊?xì)鉁?，?dǎo)致城區(qū)溫度梯度增大，同時(shí)，城區(qū)溫度升高使城區(qū)夏季高溫天氣的持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，容易引發(fā)城市居民的人體健康問題；另一方面，城市熱島效應(yīng)使城區(qū)中形成閉合高溫中心，其產(chǎn)生的上升氣流會(huì)加劇污染[4-5].目前已有學(xué)者從土地覆被類型、人為活動(dòng)強(qiáng)度和景觀空間格局特征等方面對(duì)緩解城市熱島進(jìn)行研究[6-9].研究結(jié)果表明，河流對(duì)城市用地的地表溫度具有明顯的降溫作用[10]；而綠地對(duì)城市熱島的緩解作用也較為顯著，且不同綠地類型的降溫效應(yīng)不同，其中，樹林和混合綠地對(duì)城市熱環(huán)境具有顯著的降溫效應(yīng)[11-12].城市公園作為城市綠地及水體的一種表現(xiàn)形式，在美化城市和提供居民休閑服務(wù)的同時(shí)，還能對(duì)城市的熱環(huán)境起到一定的降溫作用，因此，也有學(xué)者就城市公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫作用進(jìn)行了一系列的研究.研究發(fā)現(xiàn)，公園的景觀構(gòu)成、斑塊

形態(tài)和空間布局這3個(gè)方面的空間結(jié)構(gòu)特征對(duì)城市的熱環(huán)境效應(yīng)具有一定影響.此外，公園內(nèi)部平均溫度與公園綠量有很大的相關(guān)性，綠量越大，內(nèi)部溫度越低；在斑塊形態(tài)上，公園溫度與公園綠地形狀指數(shù)呈極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性；在空間布局上，林地及硬質(zhì)地表分布的聚集度指數(shù)與溫度呈顯著正相關(guān)[13].也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)不同公園的降溫效應(yīng)不同，進(jìn)而在降溫范圍、降溫幅度和降溫速率3個(gè)方面也有差異.公園面積越大，公園的降溫范圍越大，公園面積的最佳值為32 hm2；公園的水體比例越大，降溫幅度越大；公園內(nèi)不透水面比例小于50%時(shí)，公園的降溫速率隨不透水面比例的增大而提高[14].

近年來，隨著城市化的快速發(fā)展，天津市熱島效應(yīng)的程度不斷加劇，范圍也不斷擴(kuò)大[15-16]，緩解天津市城市熱島效應(yīng)已成為天津城市建設(shè)中一個(gè)亟待解決的問題.因此，本研究選取天津市市內(nèi)六區(qū)的公園作為研究對(duì)象，分析其對(duì)城市熱島效應(yīng)的緩解作用，以期為天津市的城市建設(shè)提供一定的理論參考.

1 資料來源和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天津市地處華北平原北部，東臨渤海，北依燕山，位于116°43′～118°04′E、38°34′～40°15′N，處于海河下游，地跨海河兩岸，是北京通往東北和華東地區(qū)鐵路的交通咽喉和遠(yuǎn)洋航運(yùn)的港口.地勢(shì)低平，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水集中在夏季，年降水量為360～970 mm，水資源短缺.近年來，隨著天津市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，人口不斷增加，加之私家車持有量的增多，城市下墊面所受影響愈來愈深，城市的熱島效應(yīng)愈加明顯，因此，本研究選取天津市市內(nèi)六區(qū)作為研究區(qū)域.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用天津市2013年8月25日的Landsat TM+遙感影像，該數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心，條帶號(hào)為122，行編號(hào)為34，成像時(shí)天氣良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好.數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程主要包括投影轉(zhuǎn)換、幾何校正、輻射校正和圖像切割.

本研究選取天津市市內(nèi)六區(qū)的8個(gè)公園作為研究對(duì)象，如圖1所示.利用緩沖區(qū)分析和梯度分析方法分析公園對(duì)城市熱環(huán)境的影響，作為研究對(duì)象的8個(gè)公園的面積及其內(nèi)部景觀情況如表1所示.

圖1 天津市市內(nèi)六區(qū)的主要公園Fig.1 Main parks of six districts in Tianjin

表1 天津市公園的特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of parks in Tianjin

1.3 研究方法

1.3.1 地面溫度反演

根據(jù)覃志豪提出的單窗算法[17]，利用熱紅外通道輻射值對(duì)溫度進(jìn)行反演：

式（1）中：LST為地表溫度；a和b為常數(shù)，a= -67.355 4，b=0.458 61；Tsenor為亮度溫度，單位為K；Ta為大氣平均作用溫度，單位為K；C和D為中間變量，表達(dá)式分別為：

式（2）和（3）中：ε為地表比輻射率；τ為大氣透射率.地表比輻射率依據(jù)NDVI的方法計(jì)算[18]：

式（4）中：NDVI＜0.05時(shí)，ε取0.973；NDVI＞0.70時(shí)，ε取0.99；0.05≤NDVI≤0.70時(shí)，ε=0.004PV+0.986.

大氣透射率τ可以通過大氣總水汽含量w（g/cm2）

計(jì)算得到

式（5）中w=1.5g/cm.

亮度溫度可通過輻射亮度轉(zhuǎn)換得到

式（6）中：L（λ）=Gain·DN+Bias，其中Gain=3.342 0× 10-4，Bias=0.100 00；K1和K2因波段不同而存在差異，在第10波段K1=774.89 mW/（cm2·sr·μm），K2= 1 321.08 K，在第11波段，K1=480.89mW/（cm2·sr· μm），K2=1 201.14 K.

1.3.2 緩沖區(qū)分析

分別以市內(nèi)六區(qū)的8個(gè)公園為中心，取30 m作為公園的緩沖區(qū)半徑，緩沖帶的個(gè)數(shù)取決于自公園邊界向公園外緩沖直至相鄰緩沖區(qū)間溫度無明顯變化為止.對(duì)各公園緩沖帶和公園內(nèi)部的溫差與最外圍緩沖帶的距離進(jìn)行曲線擬合分析，最終通過對(duì)擬合多項(xiàng)式求導(dǎo)得到降溫速率.

2 結(jié)果與分析

2.1 公園降溫效應(yīng)的定量分析

基于各公園緩沖帶溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算各緩沖帶間溫差，作各公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫效應(yīng)曲線，即公園各緩沖帶間溫差與降溫距離的關(guān)系圖，結(jié)果如圖2所示.

圖2 公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫效應(yīng)Fig.2 Cooling effect of city parks on surrounding thermal environments

由圖2可以看出，隨著降溫距離的不斷增大，各公園緩沖帶間的溫差逐漸縮小.由此可知，所有公園對(duì)其周圍的熱環(huán)境均存在一定的降溫效應(yīng)，但不同公園對(duì)其周圍熱環(huán)境降溫效應(yīng)的影響存在很大差異，主要表現(xiàn)為：①不同公園所表現(xiàn)的降溫范圍不同，其中河?xùn)|公園降溫范圍最大，為560 m；中心公園降溫范圍最小，為45 m.②不同公園的緩沖帶間在溫度上存在著一定差異，最明顯的是水上公園，30 m緩沖帶與60 m緩沖帶間溫度相差2.67℃；③不同公園的降溫速率也有所差異，其中西沽公園、長(zhǎng)虹公園和河?xùn)|公園降溫速率較大，人民公園和中心公園降溫速率較?。虎懿煌珗@的降溫幅度不同，同一公園不同緩沖帶的降溫幅度也不相同，降溫距離越遠(yuǎn)，降溫幅度越小.各公園的降溫幅度由大到小依次為：水上公園＞西沽公園＞人民公園＞長(zhǎng)虹公園＞北寧公園＞河?xùn)|公園＞中心公園＞王串場(chǎng)公園，其中降溫幅度最小的為0.01℃的王串場(chǎng)公園，最大的為水上公園，達(dá)到2.85℃；⑤各公園降溫范圍和降溫速率與距離無明顯相關(guān)性，而各公園降溫幅度與距離均成擬合二次多項(xiàng)式，如表2所示.由表2可知，不同公園的降溫幅度與距離的相擬合系數(shù)關(guān)性不同，西沽公園降溫幅度與距離的相關(guān)性最大，擬合系數(shù)為0.988 9；王串場(chǎng)公園降溫幅度與距離的相關(guān)性最小，擬合系數(shù)為0.370 0.

表2 公園降溫幅度T與距離L擬合二次多項(xiàng)式Tab.2 Quadratic polynomial between cooling amplitude T and distance L

2.2 公園特征要素與降溫效應(yīng)關(guān)系分析

不同公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫效應(yīng)不同，而降溫效應(yīng)主要由降溫范圍、降溫幅度和降溫速率3個(gè)方面反映[16]，即不同公園的降溫范圍、降溫幅度和降溫速率存在明顯差異，這些差異與公園面積、水體面積、綠地面積和不透水面面積等因素具有明顯相關(guān)性.為了找到各要素與公園降溫效應(yīng)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例分別與降溫范圍、降溫幅度和降溫速率進(jìn)行相關(guān)分析，得到與降溫效應(yīng)3要素相關(guān)性最高的因素，從而對(duì)公園的降溫效應(yīng)進(jìn)行分析.

分別對(duì)公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫范圍進(jìn)行相關(guān)性分析，并采用指數(shù)、線

性、對(duì)數(shù)和二項(xiàng)式等函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示.

圖3 公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫范圍的定量關(guān)系Fig.3 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling scope

由圖3可以看出，公園面積和水體比例與降溫范圍的關(guān)系均采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果最好，呈明顯正相關(guān)，擬合決定系數(shù)分別為R2公園面積=0.076 5，R2水體比例= 0.102 0；綠地比例與降溫范圍的關(guān)系采用二次多項(xiàng)式函數(shù)擬合效果最好，擬合決定系數(shù)為R2綠地比例=0.1660，隨著綠地比例的增加，降溫范圍先遞增后遞減；不透水面比例與降溫范圍的關(guān)系采用指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，二者呈明顯正相關(guān)，擬合決定系數(shù)為R2不透水面比例= 0.073 1.由擬合結(jié)果可知，公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與公園的降溫范圍均存在一定相關(guān)性，其中綠地比例與降溫范圍的相關(guān)性最大，當(dāng)綠地比例小于50%時(shí)，降溫范圍隨綠地比例的增大而增大；當(dāng)綠地比例超過50%后，降溫范圍隨綠地比例的增大而減小.因此，要使公園降溫效應(yīng)的降溫范圍達(dá)到最遠(yuǎn)就要使公園的綠地比例達(dá)到50%.

對(duì)公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫幅度分別進(jìn)行相關(guān)性分析，并進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)和多項(xiàng)式等函數(shù)擬合，結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出，公園面積、水體比例和綠地比例與降溫幅度的關(guān)系均采用二次多項(xiàng)式函數(shù)的擬合效果最好，擬合決定系數(shù)分別為R2公園面積=0.770 5，R2水體比例=0.727 8，R2綠地比例=0.873 8，其中公園面積和水體比例與降溫幅度呈顯著正相關(guān)，而降溫幅度隨綠地比例的增加先減小后增大；不透水面比例與降溫幅度采用指數(shù)函數(shù)擬合效果最好，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.由相關(guān)性分析可知，綠地比例與公園的降溫幅度相關(guān)性最大，當(dāng)綠地比例小于55%時(shí)，降溫幅度隨綠地比例的增大而減小，當(dāng)綠地比例大于55%后，降溫幅度隨綠地面積比例的增大而增大.因此，要使公園降溫效應(yīng)的降溫幅度達(dá)到最佳，公園的綠地比例應(yīng)高于55%.

對(duì)公園面積、水體比例、綠地面積比例和不透水面比例與降溫速率分別進(jìn)行相關(guān)性分析，采用指數(shù)、線性、對(duì)數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖5所示.由圖5可以看出，公園面積和綠地比例與降溫速率均采用二次多項(xiàng)式的擬合效果最好，擬合決定系數(shù)分別為R2公園面積=0.107 2和R2綠地比例=0.554 2；水體比例和不透水面比例與降溫速率均采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合效果最好，擬合決定系數(shù)分別是R2水體比例=0.541 6和R2不透水面比例=0.268 0，且均呈明顯的正相關(guān)關(guān)系.由擬合結(jié)果可知，綠地比例與公園的降溫速率相關(guān)性最大，擬合效果最好，當(dāng)綠地比例小于50%時(shí)，公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫速率隨公園綠地比例的增加而增大，當(dāng)綠地比例大于50%后，降溫速率隨綠地比例的

增加而減小，因此，要使公園降溫效應(yīng)的降溫速率達(dá)到最佳就需要使公園的綠地比例達(dá)到50%.

圖4 公園面積、水體比例、綠地比例和不透水面比例與降溫幅度的定量關(guān)系Fig.4 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling amplitude

圖5 公園面積、水體比例、綠地面比例和不透水面比例與降溫速率的定量關(guān)系Fig.5 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling rate

3 結(jié) 論

隨著城市化的發(fā)展，天津市的熱島效應(yīng)越來越明

顯，在范圍和強(qiáng)度上也逐漸加劇，為了解決該問題，充分發(fā)揮公園對(duì)周圍熱環(huán)境的降溫效應(yīng)作用，本研究通過對(duì)地表溫度進(jìn)行反演，利用緩沖區(qū)分析和梯度差方法對(duì)公園特征要素與降溫范圍、降溫幅度和降溫速率的相關(guān)性進(jìn)行表征，以此分析各公園的降溫效應(yīng)，得到以下結(jié)論：

（1）不同公園對(duì)周圍熱環(huán)境降溫效應(yīng)的影響存在很大的差異，不同公園的降溫范圍、降溫幅度和降溫速率也有所不同，各公園降溫幅度與距離均近似成擬合二次多項(xiàng)式.

（2）公園的綠地比例是影響降溫范圍、降溫幅度和降溫速率的最主要因素.

（3）為了使公園能夠更好地對(duì)周圍熱環(huán)境起到降溫的作用，在規(guī)劃公園時(shí)要考慮：若欲增加公園的降溫范圍來改善公園的降溫效應(yīng)，公園的綠地比例要低于50%；若考慮用降溫幅度來改善公園的降溫效應(yīng)，公園的綠地比例應(yīng)高于55%；若以提高公園的降溫速率為目的，公園的綠地比例應(yīng)達(dá)到50%左右.

本研究主要從公園各特征要素與降溫效應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行分析，公園外部的差異性對(duì)降溫效應(yīng)的影響還有待在后期工作中進(jìn)一步研究.

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（責(zé)任編校 亢原彬）

Cooling effect of urban parks on urban thermal environment：a case of Tianjin

GAN Shuanga，YANG Yanlia，SUN Yanlinga，WANG Zhongliangb
（a.College of Urban and Environment Science，b.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

In order to learn the impact of urban park on urban thermal environment，the cooling effect of characteristics elements of the six district of Tianjin city park on surrounding environment was studied by inverting land surface temperature of Tianjin downtown and analyzing the buffer of all parks based on Landsat8 remote sensing image.Results showed that on one hand，cooling scope，cooling amplitude and cooling rate of the parks were different，and the cooling amplitude and distance approximation falled into a quadratic polynomial fitting.On the other hand，the cooling effects of different park characteris-tics elements on surrounding environment were different，and the park grass area proportion had the largest correlation with cooling scope，cooling amplitude and cooling rate while they falled into a quadratic polynomial fitting.

urban heat island effect；urban park；Tianjin city；cooling effect；cooling scope；cooling amplitude；cooling rate

P461

A

1671-1114（2016）04-0033-06

2016-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41001022，31270510）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題資助項(xiàng)目（2012BAC07B02）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET-10-0954）；天津師范大學(xué)市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研究基金課題資助項(xiàng)目（YF11700102）.

甘 爽（1994—），女，本科生.

孫艷玲（1977—），女，副教授，主要從事資源環(huán)境遙感與全球變化方面的研究.