趙松婷， 李新宇， 劉秀萍， 許蕊

(北京市園林綠化科學(xué)研究院/園林綠地生態(tài)功能評(píng)價(jià)與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京城市生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測(cè)研究站， 北京 100102)

伴隨快速的城市化進(jìn)程，北京城市內(nèi)部土地利用空間沖突、資源短缺和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題日益凸顯，熱島效應(yīng)呈現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)變化[1]，城市核心區(qū)相關(guān)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。大量研究表明近20年來(lái)北京市夏季均表現(xiàn)出城市熱島現(xiàn)象，且高溫區(qū)域面積逐年上升，高溫區(qū)域數(shù)量增多[2-5]，首都功能核心區(qū)城市熱島現(xiàn)象尤為明顯，中溫斑塊面積占比最大[6]。

城市熱島與高溫?zé)崂送{當(dāng)代人類的生活與健康，基于自然的解決方案不僅能夠有效應(yīng)對(duì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)、提升人類福祉，還有助于生物多樣性保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[7]。近年來(lái)，中外學(xué)者對(duì)不同類型城市綠地緩解城市熱環(huán)境效應(yīng)做了大量研究，Hamada等[8]研究了城市周邊區(qū)域綠地冷島效應(yīng)的季節(jié)變化特征；Sun等[9]對(duì)城市中的濕地產(chǎn)生的冷島效應(yīng)進(jìn)行了分析；武小鋼等[10]、馮悅怡等[11]、紀(jì)鵬等[12]、張波等[13]也研究了城市綠地與城市熱島的關(guān)系，研究結(jié)果均表明綠地有一定的緩解熱島效應(yīng)能力，其中大面積城市綠地對(duì)緩解熱島效應(yīng)作用顯著[14]。

以往研究多集中在大尺度、大規(guī)模城市綠地緩解熱島效應(yīng)的研究，采用的數(shù)據(jù)源多為地面監(jiān)測(cè)或者遙感監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)源單一，針對(duì)在城市土地資源緊張且熱島強(qiáng)度較高的首都功能核心區(qū)新建的小型城市森林公園緩解城市熱島效應(yīng)的定量化研究還鮮有涉及，目前該類型的公園從建設(shè)到養(yǎng)護(hù)以及緩解核心區(qū)熱島效應(yīng)到底能發(fā)揮多大作用都是空白點(diǎn)，因此亟需針對(duì)該類小型城市森林公園發(fā)揮的緩解城市熱島效應(yīng)進(jìn)行定量化研究，為市民出行提供科學(xué)依據(jù)。

因此，現(xiàn)利用遙感影像進(jìn)行地溫反演，同時(shí)結(jié)合長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)空氣溫濕度，分析城市森林公園內(nèi)及對(duì)周邊的冷島效應(yīng)，以期為熱島效應(yīng)顯著的首都功能核心區(qū)內(nèi)小型綠地的規(guī)劃、建設(shè)提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

廣陽(yáng)谷城市森林公園位于首都功能核心區(qū)內(nèi)，是第一個(gè)位于核心區(qū)疏解騰退后新建的城市森林公園。2017年開始建設(shè)，占地4.7 hm2，是首都功能核心區(qū)內(nèi)最大的城市森林公園。該公園的規(guī)劃體現(xiàn)了“城市森林”的新理念，在植物選擇方面是以鄉(xiāng)土樹種為特色的自然森林群落結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)施方案

2.1 公園內(nèi)、外溫度測(cè)定

2.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

采用紐扣式溫濕度感應(yīng)器(上海沃第森電子科技有限公司)，每小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，可以全天候24 h監(jiān)測(cè)，其溫度的測(cè)量精度為±0.5 ℃，可以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。整理分析所記錄數(shù)據(jù)的日、月變化情況。

2.1.2 研究方法

野外輔助監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在公園內(nèi)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，公園外1個(gè)對(duì)照點(diǎn)，主要在2018年11月—2019年10月期間完成城市森林公園內(nèi)及對(duì)照點(diǎn)的溫濕度測(cè)定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的測(cè)量采用紐扣式溫濕度感應(yīng)器，每小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，可以全天候24 h監(jiān)測(cè)，其溫度的測(cè)量精度為±0.5 ℃，可以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 地表亮溫反演

2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

選擇中尺度的 Landsat8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像作為本次研究的數(shù)據(jù)源(軌道號(hào)為 123 /32)，如表1所示， 數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，選擇云量低于10%的夏季遙感影像，利用ENVI軟件對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2.2 研究方法

地面亮溫?cái)?shù)據(jù)是利用單通道算法[15]對(duì)Landsat-8 的熱紅外波段數(shù)據(jù)反演得到的。為了更科學(xué)地比較不同時(shí)期研究區(qū)域的地表溫度數(shù)據(jù)，利用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)其進(jìn)行處理[16]，并把熱場(chǎng)劃分為5個(gè)等級(jí)(表2)。

(1)

式(1)中：TR為第i個(gè)像元標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Ti為區(qū)域內(nèi)第i點(diǎn)亮溫；Tmin為研究區(qū)域的亮溫最小值；Tmax為研究區(qū)域的亮溫最大值。

表2 熱場(chǎng)等級(jí)劃分Table 2 Classification of thermal field

表1 不同時(shí)期遙感數(shù)據(jù)信息Table 1 The remote sensing data in different periods

3 結(jié)果與分析

3.1 公園綠地冷島效應(yīng)分析

從表3和圖1可以看出，廣陽(yáng)谷城市森林公園建成后，在100 m范圍內(nèi)，對(duì)周邊溫度的降低效果有一定作用，周邊溫度基本與公園溫度一致，相比建成前，2017年和2019年廣陽(yáng)谷城市森林公園在100 m緩沖范圍內(nèi)，熱島區(qū)域占研究區(qū)面積分別減少了4.83%和1.38%。在緩沖區(qū)達(dá)到150 m范圍時(shí)，城市公園綠地對(duì)周邊溫度的影響開始減弱。從緩沖區(qū)200 m范圍至緩沖區(qū)500 m，熱島區(qū)域占比呈逐年遞增狀態(tài)。這與肖逸等[17]在研究南京市52個(gè)社區(qū)公園對(duì)于城市熱島緩解作用結(jié)果相似。

表3 廣陽(yáng)谷城市森林公園綠地冷島分布信息統(tǒng)計(jì)Table 3 The distribution of cool island in Guangyanggu urban forest park

地表溫度反演結(jié)果(表4)顯示：廣陽(yáng)谷城市森林公園100 m緩沖范圍內(nèi)2014年、2017年和2019年3年地表平均溫度為36.67、51.1、51.13 ℃，核心區(qū)(東城區(qū)和西城區(qū))3年地表平均溫度為36.67、51.82、52.28 ℃， 2017年和2019年其100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的地表平均溫度比核心區(qū)分別降低了0.72 ℃和1.15 ℃，2017—2019年相比2014—2017年公園100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的平均溫度增長(zhǎng)率下降了38.9%，這說(shuō)明廣陽(yáng)谷城市森林公園一期、二期建成以來(lái)，充分發(fā)揮了其冷島的作用。

3.2 城市森林公園內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均值與對(duì)照點(diǎn)溫濕度月變化

11月到次年10月，城市森林公園綠地內(nèi)溫度及對(duì)照點(diǎn)溫度隨時(shí)間大體呈下降-上升-下降的變化趨勢(shì)(圖2)，7月達(dá)到最高值，12月最低，3—8月森林公園內(nèi)各點(diǎn)的溫度平均比對(duì)照點(diǎn)低0.67 ℃。相對(duì)濕度呈先下降再上升的變化趨勢(shì)(圖3)，12月到次年5月相對(duì)濕度較低，在植物開始生長(zhǎng)活動(dòng)時(shí)逐漸升高，8月達(dá)到最高值，在3月、4月、6月和7月公園內(nèi)各點(diǎn)的濕度均比對(duì)照點(diǎn)高，平均高1.82%。這表明一年中植物在生長(zhǎng)階段發(fā)揮著降溫增濕的作用。這與吳菲等[18]研究北京市6種下墊面不同季節(jié)溫濕度變化的結(jié)果一致，夏季綠地比鋪裝溫度低0.8～4.1 ℃。王行等[19]在研究北京城市副中心綠地降溫增濕效應(yīng)時(shí)也得出類似結(jié)論。

表4 廣陽(yáng)谷城市森林公園100 m緩沖范圍內(nèi)及 核心區(qū)地表溫度反演結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 The retrieving land surface temperature of forest park in 100 m buffer range and core area in city

圖1 北京廣陽(yáng)谷城市森林公園不同緩沖區(qū)內(nèi)熱島強(qiáng)度分布Fig.1 Distribution of heat island intensity in different buffer zones in Guangyanggu Urban Forest Park

圖2 公園內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度與對(duì)照對(duì)比Fig.2 The temperature comparision between monitoring point in forest park and control point

圖3 公園內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均濕度與對(duì)照對(duì)比Fig.3 The humidity comparision between monitoring point in forest park and control point

3.3 城市森林公園內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)溫濕度日變化

森林公園內(nèi)部及對(duì)照點(diǎn)的溫度隨時(shí)間呈現(xiàn)下降-上升-下降的變化趨勢(shì)(圖4)，在14: 00 左右達(dá)到全天的最高溫度。在10:00—17:00這段時(shí)間，公園內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度均低于對(duì)照點(diǎn)，平均低1.65 ℃，且在13: 00 左右達(dá)到最大差值。隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，對(duì)照點(diǎn)迅速升溫，公園內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于喬木樹冠的遮擋，內(nèi)部溫度變化幅度不如對(duì)照點(diǎn)，這表明在10:00—17:00，公園內(nèi)綠地具有明顯的降溫作用。

森林公園內(nèi)部及對(duì)照點(diǎn)的相對(duì)濕度在一天中呈現(xiàn)上升-下降-上升的變化趨勢(shì)(圖5)，隨著溫度的升高相對(duì)濕度逐漸降低，且在14: 00 左右群落溫度達(dá)到最大值時(shí)，相對(duì)濕度最小。隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，對(duì)照點(diǎn)濕度迅速下降，各樣地由于樹冠的遮擋以及植物的蒸騰作用，公園內(nèi)部濕度增加，在10:00—17:00這段時(shí)間，公園內(nèi)部濕度高于對(duì)照點(diǎn)，公園內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)平均濕度比對(duì)照點(diǎn)高2.68%，森林公園發(fā)揮著明顯的增濕作用，在 18:00 以后，對(duì)照點(diǎn)相對(duì)濕度高于公園內(nèi)部，這是由于晚上外界溫度急劇降低，濕度相應(yīng)升高，同時(shí)，公園內(nèi)植物群落的蒸騰作用減弱，散發(fā)出的水分減少，因此公園內(nèi)部濕度逐漸降低，直到低于對(duì)照點(diǎn)，到次日10:00左右綠地重新發(fā)揮增濕作用。

圖4 公園內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度與對(duì)照對(duì)比Fig.4 The temperature comparision between monitoring point in forest park and control point

圖5 公園內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均濕度與對(duì)照對(duì)比Fig.5 The humidity comparision between monitoring point in forest park and control point

4 結(jié)論

與以往研究不同，本文研究基于衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)研究了城市森林公園的冷島效應(yīng)，并結(jié)合地面24 h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，充分證明了廣陽(yáng)谷城市森林公園在首都功能核心區(qū)這一特殊地理位置發(fā)揮著降溫增濕的作用。

(1)2017年和2019年廣陽(yáng)谷城市森林公園在100 m緩沖范圍內(nèi)，熱島區(qū)域占比分別減少了4.83%和1.38%，地表平均溫度比核心區(qū)分別降低了0.72 ℃和1.15 ℃，說(shuō)明廣陽(yáng)谷城市森林公園建成以來(lái)，在100 m范圍內(nèi)發(fā)揮了其冷島的作用。

(2)3月到8月公園內(nèi)各點(diǎn)的溫度均比對(duì)照點(diǎn)低，平均低0.67 ℃，在3月、4月、6月和7月公園內(nèi)各點(diǎn)的濕度均比對(duì)照點(diǎn)高，平均高1.82%。

(3)在一天內(nèi)10：00—17：00這段時(shí)間，公園內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度均低于對(duì)照點(diǎn)，平均低1.65 ℃，公園內(nèi)部的相對(duì)濕度平均比對(duì)照點(diǎn)高2.68%，說(shuō)明公園在這個(gè)時(shí)間段發(fā)揮著降溫增濕作用。

以上結(jié)果表明城市森林公園面積雖小，但對(duì)周邊冷島效應(yīng)顯著，今后在城市土地資源緊張且 熱島強(qiáng)度較高的首都功能核心區(qū)應(yīng)充分利用拆違、廢棄地和邊角地等，采取“挖潛增綠、見縫插綠”的方式，進(jìn)行公園綠地建設(shè)，充分發(fā)揮其冷島作用，以緩解城市熱島效應(yīng)。