賈琦

摘 要：綠色空間作為城市中的重要稀缺資源，為城市的低碳生態(tài)發(fā)展和人居環(huán)境建設提供多種生態(tài)服務保障。探討如何在有限的城市空間內(nèi)進行合理的規(guī)劃設計城市綠色空間，進而使其發(fā)揮最大的生態(tài)價值顯得尤為重要。結果表明，天津市主城區(qū)三種綠色空間類型所產(chǎn)生降溫強度主要受其臨近斑塊數(shù)量因素的影響較大，其次在面積和形狀指數(shù)方面也有顯著影響。在綠色空間規(guī)劃建設中，由于加大自身面積的情況約束較多，因此，可以將邊界復雜化來增強其自身降溫強度。各類綠色空間類型在樣方帶內(nèi)的空間分布越集中，則降溫強度越明顯，綠色空間斑塊的破碎化程度越高，則其地表溫度也越高。研究中所用的數(shù)據(jù)和分析方法能夠從宏觀角度反映綠色空間格局對局地熱環(huán)境的降溫影響，從不同類型的綠色空間視角展開討論，可促進城市生態(tài)與人居環(huán)境向可持續(xù)方向優(yōu)化與發(fā)展。

關鍵詞：綠色空間；熱環(huán)境；景觀指數(shù)；天津市

中圖分類號：TU986 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.11.021

Study on Coupling of Green Space and Its Cooling Effect based on Landscape Index in Tianjin

JIA Qi

（Department of Environmental Design， Zhengzhou Institute of Light Industry， Zhengzhou， Henan 450002， China）

Abstract： As an important scarce resource in the city， green space provides a variety of ecological services for the city's low-carbon ecological development and human settlements. It is particularly important to explore how to make reasonable plans for designing urban green spaces with limited urban space， and then to make use of the maximum ecological value. The results show that the intensity of cooling generated by the three types of green space is mainly affected by the number of adjacent patches in the main urban area of Tianjin， and secondly， there is a significant influence on the area and shape index. In the planning and construction of green space， because there are more constraints on the increase of its own area， it is possible to complicate the boundary to enhance its own cooling intensity. The spatial distribution of various types of green space is more concentrated in the sample zone， the more obvious the cooling intensity， the higher the degree of fragmentation of the green space patch， the higher the surface temperature. The data and analysis methods used in the research can reflect the cooling effect of the green spatial pattern on the geothermal environment from a macro perspective. Discussions from different types of green space perspectives can promote the optimization and development of urban ecology and human settlements in the sustainable direction.

Key words： green space； thermal environment； landscape index； Tianjin

在近些年快速的城市擴張背景下，全球城市人口從一百年前的不足一成上升至今日的五成以上，迅速的城市化運動和城市人口的劇增導致城市人居環(huán)境日趨惡劣，其中尤以城市熱環(huán)境效應更為顯著。它作為各類城市均存在的微氣候效應，在很大程度上直接影響一個城市的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和居民的身體健康狀況[1]。它主要側重反映城市地表不同類型的土地覆蓋產(chǎn)生的地面熱場空間分異情況[2]。其中，地表溫度作為遙感影像的熱紅外波段反演出來的地表瞬時熱場溫度分布特征，該指數(shù)可有效反映不同地表類型下的熱場溫度所產(chǎn)生的熱環(huán)境效應強度[3-4]。同時，地表溫度分布還可與遙感影像反演得出的其他地表類型等相關景觀指數(shù)相關聯(lián)，從而展開城市景觀格局變化與地表熱環(huán)境的互動耦合研究。

在當前熱島效應愈演愈烈的大背景下，國內(nèi)外學者多基于地表溫度數(shù)據(jù)展開城市熱環(huán)境減緩策略的研究。其中，城市中的綠色空間在降溫增濕、減緩熱島乃至改善空氣質(zhì)量等方面的生態(tài)功能日益引起各領域?qū)W者重視，并在具體的城市規(guī)劃和景觀設計實踐中開始關注城市熱環(huán)境因素[5-7]。城市綠色空間主要包括城市中的公共綠地、居住區(qū)綠地、防護綠地、生產(chǎn)綠地以及風景林地等，廣義上的綠色空間還涵蓋了水體、屋頂綠化和具備節(jié)約能源的規(guī)劃設計等。它作為能夠維持城市自然生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要組成部分之一，能夠有效調(diào)節(jié)城市局地的微氣候，提供居民休憩娛樂的場地以及其他服務價值。然而，尤其是一些大中城市，內(nèi)部土地資源尤為稀缺，城市綠色空間不僅難以擴張，反而日益遭到侵占，因此如何保留現(xiàn)有綠色空間并進行合理規(guī)劃布局，將綠色空間的生態(tài)功能發(fā)揮到最大化是目前面臨的緊迫問題之一[8]?；诖耍狙芯恳晕覈卮蟪鞘刑旖驗槔?，從景觀指數(shù)視角探究其不同類型的綠色空間降溫效應，揭示城市綠色空間格局在減緩熱島效應中的作用，從而為當?shù)爻鞘幸?guī)劃、綠地系統(tǒng)布局以及和景觀格局分析提供一些參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天津市地處北緯38°34～40°15，東經(jīng)116°43～118°4，主城區(qū)位于海河下游，是南運河、北運河以及子牙河等海河支流的交匯處，行政區(qū)劃上包括和平、河西、河東、河北、紅橋和南開等市內(nèi)六區(qū)，郊區(qū)包括東麗、北辰、西青、津南等，位于中心城區(qū)外圍，統(tǒng)稱環(huán)城四區(qū)（圖1）。為突顯城市建成區(qū)域?qū)值責岘h(huán)境的影響關系，本研究選擇天津市外環(huán)線以內(nèi)為研究區(qū)，即市內(nèi)六區(qū)以及環(huán)城四區(qū)的部分區(qū)域。研究區(qū)位于天津市中南部平原區(qū)，地勢平坦，地形因素對局地微氣候的影響作用強度較小。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

土地利用數(shù)據(jù)來源于2015年9月3日的Landsat TM影像，經(jīng)大氣校正、幾何配準、圖像融合、研究區(qū)裁切等數(shù)據(jù)預處理，采用分類精度相對較高的最大似然法獲取主城區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)。結合下墊面性質(zhì)、利用功能等因素，將研究區(qū)分為綠色空間和非綠色空間兩大類，其中的非綠色空間又分為綠地、農(nóng)田和水域等。城市熱環(huán)境分析則以2015年8月15日Landsat TM熱紅外數(shù)據(jù)（分辨率為60 m，波長1 014～1 215 Lm）為數(shù)據(jù)源，分別進行投影轉(zhuǎn)換、幾何校正等遙感影像的預處理工作。由于熱波段空間分辨率為60 m，所以需要與影像中的其他波段的多光譜數(shù)據(jù)空間分辨率30 m保持統(tǒng)一，故須將熱紅外波段數(shù)據(jù)重采樣為30 m，以便與其他波段相統(tǒng)一。在地表溫度反演方法上，當前普遍采用的算法主要有普適性單通道算法、單窗算法和輻射傳輸方程法等。其中尤以輻射傳輸方程法和單窗算法應用較為普遍且反演精度較高。結合研究涉及影像年代及算法的優(yōu)缺點，采用輻射傳輸方程法對天津主城區(qū)的地表溫度進行反演，進而對城市的綠色空間及其熱環(huán)境格局響應進行研究。文中數(shù)據(jù)處理均在ENVI5.0及ArcGIS9.3中進行。

1.3 景觀指數(shù)的選擇

由于景觀指數(shù)分析方法相對簡單，并且可以通過一系列特定的定量模型揭示研究對象的景觀結構分布規(guī)律，從而有效掌握景觀結構內(nèi)部各要素的結構特征，所以近年來該分析方法得到了相關領域?qū)W者廣泛的應用。筆者在分析城市綠色空間與熱環(huán)境的耦合方面選擇了描述景觀斑塊特征的指數(shù)，包括斑塊數(shù)量、面積、臨近特征及斑塊形狀等指數(shù)和景觀的蔓延度、破碎度、聚集度等異質(zhì)性指數(shù)來探討基于景觀特征的綠色空間與熱環(huán)境的定量研究。

2 結果與分析

2.1 城市綠色空間與熱環(huán)境的分布特征

通過遙感影像的解譯結果顯示，天津主城區(qū)范圍內(nèi)共有綠地面積為122.5 km2，占研究區(qū)總面積的36.77%。如圖2左圖所示，在研究區(qū)的外環(huán)線周邊多以農(nóng)田為主，和平區(qū)與南開區(qū)的區(qū)域綠地特別少，三環(huán)路內(nèi)尤其是二環(huán)路附近的綠地和水域景觀分布較為均勻。該綠色空間格局產(chǎn)生如圖2右圖所示的地表熱環(huán)境分布格局，研究區(qū)的地表溫度范圍介于15.76～36.66 ℃之間，最大溫差高達21.65 ℃，平均溫度為28.57 ℃。從地表溫度場分布來看，研究區(qū)的高溫斑塊主要包括工業(yè)園（宜興埠工業(yè)園、天津重機工業(yè)園和天津卷煙廠及周邊汽修產(chǎn)業(yè)園）一帶。相應地，在環(huán)城四區(qū)的邊緣城區(qū)，其低溫斑塊相對較多，在北辰、西青以及東麗一帶均表現(xiàn)得非常明顯。

2.2 綠色空間景觀格局與熱環(huán)境的耦合特征

2.2.1 單元格局參數(shù)與熱環(huán)境的耦合 城市綠色空間下墊面中熱場的變化可在很大程度上反映其產(chǎn)生的降溫強度。如表1綠色空間格局參數(shù)與熱環(huán)境的相關度統(tǒng)計結果可知，從綠色空間各類型下墊面的溫度變化程度來看，所有綠色空間類型的地表溫度均與其自身面積呈負相關的關系，其中水域的負相關程度最強，高達-0.806，第二為農(nóng)田景觀-0.594，公園綠地景觀的相關性相對而言最弱，為-0.482，非綠色空間則與局地的地表熱場呈現(xiàn)出很強的正相關關系（0.852），其他的各種綠色空間的景觀格局參數(shù)則與溫度的相關性表現(xiàn)各異。

總體而言，綠地、農(nóng)田、水域等城市綠色空間對周邊熱環(huán)境的作用強度主要受其周邊綠色空間所臨近斑塊個數(shù)的影響較大，其次在各個斑塊的面積變化和形狀指數(shù)等因素對熱場的影響也較為明顯，在城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中，由于城市自身可利用空地極少，因此通過加大自身面積降低熱島的方法并不可行，可將綠色空間的斑塊邊界形狀進行復雜化增強降溫強度。

2.2.2 異質(zhì)性格局參數(shù)與熱環(huán)境的耦合 研究在關于異質(zhì)性格局的分析方面，采取分樣區(qū)帶的分析方法（圖3），分別選擇各樣方帶內(nèi)（共計68個，每個樣方帶長寬均為1 km）的綠色空間的歸一化植被指數(shù)（NDVI）、聚集度指數(shù)（CONTAG）、破碎度指數(shù)（FN）和最大斑塊指數(shù)（LPI）等能夠有效地反映城市綠色空間景觀變化規(guī)律的指數(shù)，并將計算得出的結果與各樣方帶內(nèi)的平均溫度對比，進而以定量視角分析城市綠色空間的格局變化與局地熱環(huán)境之間的耦合特征，分析結果如圖4所示。通過回歸分析表明，上述4個景觀指數(shù)與樣方帶內(nèi)的地表熱環(huán)境之間均存在較顯著的相關性，但是針對不同的景觀指數(shù)，其與樣方帶內(nèi)熱場分布的耦合規(guī)律均存在一定差異。

圖4分析結果表明，在以下4種景觀指數(shù)與局地熱場的耦合規(guī)律中，NDVI指數(shù)與熱場強度存在明顯的負相關，即樣方帶內(nèi)的植被覆蓋程度越多，內(nèi)部植物的生產(chǎn)幅度越強烈，則該樣方帶的地表溫度就越低。與此同時，與NDVI景觀指數(shù)變化規(guī)律存在相似耦合關系的指數(shù)還包括綠色空間的聚集度指數(shù)和其最大斑塊指數(shù)耦合特征上，上述三種景觀指數(shù)的曲線變化規(guī)律出現(xiàn)相似的特征。其中的聚集度景觀指數(shù)主要表征在景觀變化中的某種類型的空間分布上聚集程度的指標，在本研究中分析表明，各種類型的綠色空間在各個樣方帶內(nèi)的聚集程度越強，則說明其降溫效應越強。定量分析結果表明，聚集程度每增加一成，則可平均降溫0.33 ℃。最大斑塊指數(shù)最高則代表該樣方帶內(nèi)單個綠色空間體塊較高，其與樣方帶內(nèi)熱場強度同樣存在明顯負相關，指數(shù)每增加一成，則可降溫0.34 ℃。與上述三個景觀指數(shù)的變化規(guī)律相反，破碎度指數(shù)與熱場強度存在明顯的正相關，破碎化程度越高，則其熱島強度越高，綠色空間的破碎度指數(shù)每增加一成，則地表溫度增加0.72 ℃。

3 討 論

城市綠色空間通過不斷增加，將促使原有的熱島強度明顯區(qū)域在很大程度上轉(zhuǎn)換為熱場相對較低的區(qū)域，進而使得局地的地表溫度逐漸出現(xiàn)下降的趨勢，由于我國地域遼闊，具體的下降幅度則因城市所處氣候區(qū)以及城市形態(tài)等實際情況而存在不同。例如綠色空間的植被覆蓋程度每增加一成，在高緯度的東北特大城市長春將降低0.6 ℃[9]，在中緯度沿海城市上海將降低0.47 ℃[10]，而在低緯度沿海城市深圳和內(nèi)陸城市桂林將分別降低0.45 ℃和0.7 ℃[11]，在山地城市重慶將降低0.5～2 ℃[12-13]。與上述各大城市相比，天津市綠色空間的整體降溫強度仍然處于相對較低的水平，未來可通過實施一系列的城市規(guī)劃以及綠地系統(tǒng)規(guī)劃等政策指引，可有效保障其綠色空間的降溫強度出現(xiàn)很大的提升空間，而且上述各大城市內(nèi)部的綠色空間各類型不一，以及在空間分布格局上也不盡相同，所以其綠色空間的降溫能力會存在特定細微差異。

4 結 論

研究采用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)提取了天津主城區(qū)的綠地、農(nóng)田、水域等三種城市綠色空間類型以及非綠色空間，并用LANDSAT TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的熱波段數(shù)據(jù)反演地表熱場分布，分析了城市綠色空間和熱場的空間分布特征以及上述不同類型下綠色空間的指數(shù)變化對局地降溫能力的影響程度。可以得出如下結論：（1）三種不同的綠色空間類型的降溫強度受臨近斑塊數(shù)量影響最為明顯，存在顯著的負相關關系；（2）綠色空間類型及區(qū)位因素對地表熱場的變化具有明顯影響；（3）各類綠色空間的類型在樣方帶內(nèi)的空間聚集越集中，則降溫強度越明顯。研究中所用的數(shù)據(jù)和分析方法能夠從宏觀角度反映綠色空間格局對局地熱環(huán)境的降溫影響，從不同類型的綠色空間視角展開討論，可促進城市生態(tài)與人居環(huán)境向可持續(xù)方向優(yōu)化與發(fā)展。

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