改革开放以后, 我国进入快速发展阶段, 城镇化水平快速提升, 城市内不透水表面增加, 建筑密度增大, 交通工具数量增多等一系列现象都导致了城市热岛^[1-2]出现。面对该情况, 城市冷岛效应成为解决相应问题的研究重点。“冷岛效应”指城市中某一区域的温度要低于周边温度的现象^[3]。大量研究表明, 公园绿地和水体作为城市休闲游憩建设的重要组成部分, 在优化城市生态环境中承担着举足轻重的作用, 它们是城市中的主要冷源, 发挥其冷岛效应可以缓释城市热岛^[4-8], 从而营造更为舒适的居民生存生态环境。

研究表明, 城市公园冷岛强度不仅与公园的形态和内部景观构成有关, 还与公园的景观空间配置有关。苏泳娴等人研究发现相同面积下有水体的公园比无水体的公园降温效应好, 长宽比较大(≥2)的公园, 即使公园面积较小, 降温效果也很明显^[9]。冯晓刚等^[5]对西安主城区7个公园的内部景观构成与降温效应进行研究发现城市公园中水体面积占30%以上其冷岛强度较强。冯悦怡等^[10]对北京市24个公园的景观构成和空间布局进行分析得到绿地面积与降温幅度无显著相关性, 且绿地斑块形态越复杂降温效应越强。梁保平等^[11]对桂林市32个典型的公园绿地和水体研究分析得到水体面积和植被覆盖率与公园内地表温度呈显著负相关。甘爽等^[6]对天津市区的8个公园进行研究发现绿地比例与公园冷岛效应的相关性最大。仇宽彪等^[12]对北京市五环内42个公园的内部景观特征与公园冷岛效应的关系得到水体和不透水面积的占比都与公园地表温度密切相关, 但与植物面积占比无显著关系。

上述研究的主要内容是公园面积、形态和各类景观构成要素与降温效应的相关性, 同时也对降温范围和降温幅度展开讨论, 因为研究所选区域和样点数量的差别, 导致结论存在些许差异, 例如大多数研究表明水体与降温效应的相关性最大, 而少数结论表明植物占比与公园冷岛强度(PCI)相关性最强等, 所以类似结论有待继续验证。并且目前研究中关于公园内景观空间配置与冷岛效应的相关性研究甚少, 对于冷岛强度方向性的探索几乎没有, 因此本文在这些研究的基础上进一步验证和研究公园各类要素对冷岛强度的影响, 特别是公园冷岛强度在不同方向上的差异性研究, 可为城市公园规划设计提供科学的理论支持。

1 研究地区与数据来源 1.1 研究区域概况

郑州市(112°42′—114°13′E、34°16′—34°58′N)位于河南省中部偏北地区(图 1), 属于我国中部的中心区域。作为中原城市, 其属温带大陆性季风气候, 年平均气温14.2℃, 年平均降雨量640.9 mm, 无霜期220 d, 全年日照时间约2400 h。本文研究区域为郑州市市区(图 1), 面积为1218万m², 包括中原区、金水区、二七区、管城区、惠济区、郑东新区、经济技术开发区、高新技术产业开发区(航空港区虽属市区范围但目前正在开发与建设, 公园用地配备不齐, 本次研究并未囊括)。研究选取的样点包括人民公园、碧沙岗公园、红白花公园、双秀公园、烈士陵园等在内的主要公园44个, 其中有水体的公园17个, 无水的公园27个。

1.2 数据来源与预处理

研究选取Landsat8的遥感影像作为地温反演数据, 该卫星影像过境日期为2017年4月12日, 影像搭载了OLI(陆地成像仪, Operational Land Imager)和TIRS(热红外传感器, Thermal Infrared Sensor)两个传感器, OLI包括9个波段, 除了B8的分辨率为15 m, 其他波段分辨率均为30 m；TIRS具有两个热红外波段B10和B11, 分辨率均为100 m。该Landsat8数据的产品级别为L1T, 已经过几何精校正处理, OLI和TIRS的理论设计几何标称精度分别为12 m和41 m^[13]。利用掩膜提取工具获得的研究区域影像无云覆盖, 数据质量良好^[10]。最后通过ENVI 5.3对影像数据进行辐射定标和大气校正处理, 再选择相应波段进行地表温度反演。

公园的选取结合了高分2号影像、百度地图中的公园边界以及郑州市相关单位发布的城市公园的相关信息, 最终选取公园植被、设备都发展比较完全的建成公园44个作为研究样方(图 1)。该高分2号影像的空间分辨率为0.8 m, 过境日期为2017年5月25号, 与地温反演所用影像时间相近。土地分类之前对高分2号影像进行辐射校正和几何精校正处理, 由于以公园为单位的研究尺度较小, 将林地和草地归为植物类, 建筑、道路和广场归为不透水表面, 水体为一类, 已建成的公园中没有未利用地, 因此公园的土地分类最终确定为三大类。(图 1)

2 研究方法 2.1 地表温度反演

研究运用大气校正法(辐射传输方程法)进行地表温度反演。这种方法的基本原理是先估算大气对地表热辐射的影响, 然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去, 从而得到地表热辐射强度, 再把热辐射强度转化为相应的地表温度^[14-15]。运用普朗克公式的函数提取低温, 公式为：

(1)

(2)

(3)

式中, ε为地表比辐射率、T_s为地表真实温度、B(T_s)为黑体热辐射亮度、τ为大气透射率、L^↑为大气向上辐射亮度、L^↓为大气向下辐射能量、L_λ为热红外辐射亮度值, K₁、K₂为系数。TIRS Band 10波段中, K₁= 774. 885 W m^-2 sr^-1 μm^-1, K₂= 1321.079 K。从NASA网站( http://atmcorr.gsfc.nasa.gov)可以获取τ、L^↑、L^↓数值, 分别为0.60、0.93 W m^-2 sr^-1 μm^-1、1.58 W m^-2 sr^-1 μm^-1。地表比辐射率ε的计算采用Sobrino提出的基于地表覆盖类型的加权混合模型^[16], 计算公式为：

(4)

(5)

式中, NDVI为归一化植被指数, NDVI_soil和NDVI_veg分别为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值及完全被植被所覆盖的像元的NDVI值(纯植被像元的NDVI值)。取经验值NDVI_veg = 0.70和NDVI_soil=0.05, 即当某个像元的NDVI大于0.70时, P_v取值为1；当NDVI小于0.05, P_v取值为0。

2.2 公园冷岛强度的数值与方向的获取

城市公园冷岛强度通常是通过沿横断面或公园和周围城市地区的气象站的气温观测来测量的^[17]。本文基于遥感影像进行分析, 参考Cao等人^[4]和Chibuike等人^[8]的研究, PCI可用如下计算公式：

(6)

式中, T_p表示公园内的平均地表温度, T_u表示公园边界外500 m范围内的平均地表温度。研究选择公园外500 m范围内的平均地表温度基于两个原因：第一本研究需要确定唯一不变量来分析各类景观特征指数与PCI的关系；第二是大量研究表明城市公园的冷岛强度变化范围大约都在500 m范围之内^[4-9]。

冷岛强度方向的研究主要运用ArcGIS里的热点分析以及方向分布(标准差椭圆)工具等。运用热点分析工具得到周边均没有水体和大型绿地干扰的双秀公园、烈士公园、植物园和动物园4个公园内以及其500 m范围内冷热点, 提取Gi_Bin字段中-3到-1之间的冷点作为公园内外的主要冷源点, 再利用方向分布工具分别提取园内外的标准差椭圆, 从而对冷岛效应的主导方向进行分析。

2.3 景观指数的选择

城市公园是由多种地表覆盖类型和多种植物交叉分布组合而成的景观综合体, 这种交叉分布与其生态意义密切相关, 因此研究结合ArcGIS 10.2与Fragstats 4.2两个软件来定量化各种景观特征, 分析其与PCI之间的关系。景观特征包括3个方面, 首先是公园整体景观特征, 选择的景观指数为公园面积、公园周长和周长面积比；其次是景观构成, 选择的指标包括公园内植物、不透水表面、水体的面积、形状指数及各自所占比例；最后为公园内部的景观配置, 选择指数有公园内植物、不透水表面和水体的景观分裂指数、有效粒度面积、分离度、公园的Shannon均匀度指数(SHEI)、植物和水体之间、植物与不透水表面之间、水体和不透水表面之间的对比加权边缘密度(CWEDVW、CWEDIV、CWEDIW)。CWEDVW、CWEDIV、CWEDIW三种指数涉及到3种景观要素之间两两对比, 因此选用有水体的公园进行相关分析(n=17)。

3 结果与分析 3.1 城市公园整体景观特征对其冷岛强度的影响

城市公园整体景观特征包括公园规模和公园形态两个方面。运用ArcGIS 10.2里的空间统计分析工具统计出44个城市公园的面积、周长以及周长面积比, 并将公园图层与温度反演图叠加(图 2), 统计得到公园冷岛强度。表 1是根据公园规模列出了PCI的相关数据。依据平均值, 可以看出随着公园面积的增大, PCI会适当增强。最大降温强度3.44℃出现在面积为79.63 hm²的最大公园中, 最小的降温强度出现在面积为1.27 hm²的公园中。面积7 hm²以上的公园降温强度才会达到1℃以上, 较小的公园降温效应不明显。

将三种景观指数和PCI进行相关性分析, 发现公园面积和周长面积比均与PCI呈显著相关性(P＜0.01), 公园面积与PCI成正相关(r=0.658), 周长面积比与PCI成负相关(r=-0.480)。图 3描述公园整体景观特征的3种指数与PCI的关系图。可以看出随着公园面积的增加, PCI逐渐增强, 当面积增大到一定范围时PCI的增大趋势减缓。对公园面积与PCI的拟合曲线进行二次求导得到公园面积小于20 hm²时, PCI随着其面积的增大迅速增大, 大于20 hm²后, 变化趋势趋于平缓。公园周长与PCI的相关性较弱, 但从其曲线图中可以看出随着公园周长的增大, PCI逐渐增强。周长面积比描述了城市公园的复杂性和边缘效应, 随着城市公园周长面积比的增大PCI减小, 在公园面积和周长受限制的情况下可通过减少公园边界的复杂性, 使用简单的边界来发挥公园的冷岛效应。

3.2 公园的景观构成对其冷岛效应影响

从景观构成的角度分析, 表 1显示出面积同样是10—20 hm²范围内的公园, 有水体的公园降温效果更强, 平均降温温度比无水体公园高出1℃左右。对44个公园统计得到的景观构成指数与PCI进行相关性分析, 发现公园内不同地类的各项景观构成指数对公园冷岛强度的影响程度均不相同。从景观要素的面积及占比来看, PCI与植物面积和水体面积都成显著正相关, 相关性系数分别为0.614、0.688(P＜0.01), 说明随着公园植物和水体面积的增加PCI增强, 但是PCI与公园植物面积的占比相关性不明显。公园内水体对PCI的影响程度更加显著, 表现为在公园面积一定的情况下, 随着公园内水体面积所占比例的升高, 公园冷岛强度增强(r=0.753, P＜0.01)。图 4显示了公园内植物和水体面积与PCI的线性关系图, 可以看出公园中园林植物面积每增加10 hm², PCI提高0.5℃；公园内水体面积每增加10 hm², PCI提高0.6℃。进一步分析公园内水体面积占比与PCI的曲线图, 通过二阶求导得到水体面积所占比例在14%以下时PCI随着水体面积占比的增大而迅速增强, 在14%以上时, PCI的变化趋势减缓。公园不透水表面面积与PCI成正相关, 可能与公园周围高层建筑投射到不透水表面的阴影造成的低温有关；公园不透水表面面积所占比例与PCI相关性为-0.2, 相关性较弱。

对几种景观要素的斑块形状指数进行分析, 得到PCI与公园植物、水体和不透水表面的形状指数呈显著正相关(r=0.516, 0.680；P < 0.01)。随着公园内植物、水体和不透水表面边界复杂程度的提升, PCI逐渐增强。有研究表明斑块形状越复杂, 相互之间物质能量的交换速度就越快^[18], 所以园内植物斑块形态越复杂, 其形成的冷空气更易交换, 降温效应更明显；同样公园外部轮廓越复杂其与外界交换速率越快, 散热也越快。相关研究表明城市水体的形状指数越高, 即水体的边界越复杂, 其热缓释效应越明显^[7]。如果将园林植物、水体和不透水表面斑块复杂化, 公园整体边界简单化则更有利于形成更强的冷岛效应。

3.3 公园景观配置与其冷岛强度的关系

对公园景观配置指数与PCI相关性进行分析, 发现植物分离度和景观分裂指数^[19-20]与PCI相关性较弱。园内水体景观分裂指数与PCI呈显著负相关(r=-0.707, P < 0.01), 水体的景观分裂指数通常受桥梁、堤坝等构筑物的影响, 这类构筑物越多, 景观分裂指数越大, 降温效应越小, 即水面的切割程度越严重, PCI越弱；园内水体分离度与PCI相关性较弱。公园内不透水表面的分离度与PCI呈显著正相关(r=0.416，P＜0.01)，表明公园中不透水表面斑块布局越分散，分割程度越大，PCI越强；公园内不透水表面的景观分裂指数与PCI相关性较弱。植物和水体的有效粒度面积都与PCI呈显著正相关, 相关性系数分别为0.366和0.671(P < 0.01), 证明植物和水体的斑块数量和面积在公园中占比越大, PCI越强。

为了进一步量化公园中景观空间配置对PCI的影响, 选取SHEI、CWEDVW、CWEDIV、CWEDIW四个景观指数来描述公园的景观空间配置^[21]。SHEI(0≤SHEI≤1)反映要素斑块的均匀分布程度, SHEI值较小时反映出景观受到一种或少数几种优势斑块类型所支配；SHEI趋近1时说明景观中没有明显的优势类型且各斑块类型在景观中均匀分布^[22]。由图 5可知, 样本的SHEI大多分布在0.4-0.8之间, 可见公园优势要素不明显且各种要素斑块分布相对均匀, 此时PCI较为稳定且与SHEI呈明显的正相关。图 5显示CWEDVW、CWEDIV、CWEDIW三种配置指标与PCI的相关性, 其中CWEDVW与PCI的相关系数为0.730(P < 0.01), CWEDIV和CWEDIW与PCI的相关系数分别为0.01和0.13。这说明在进行公园景观空间配置时提升植物和水体之间的加权边缘密度可以起到良好的降温效应。

3.4 公园冷岛强度的方向性分析

从44个公园中选取具有代表性的2个有水的公园和2个无水的公园, 引入标准差椭圆工具^[23-24], 进行冷岛强度的方向性研究。在无水体的公园内, 选取面积分别为4.41 hm²和16.35 hm²的双秀公园和烈士陵园。从图 6中可以看出, 双秀公园的园内的冷岛强度方向(椭圆1)与其500 m缓冲区范围内的冷岛空间分布方向不同(椭圆2)。椭圆1长轴方向即园内PCI主要方向是东北—西南方向, 而椭圆2长轴方向即公园外500 m范围内产生的冷岛强度方向近乎东西向。双秀公园园内椭圆1长轴区域范围内分布着连排冠幅较大的乔木绿地进而形成较强冷岛效应, 而缓冲区范围内的椭圆2长轴沿着高层建筑分布的长边方向, 因为高层建筑阴影面积所占区域温度较低, 最终导致其与园内冷岛效应主导轴线上的方向偏差较多。由图 7可以看出, 面积较大的烈士公园内椭圆3长短轴长度相近, 所以冷岛强度方向性不明显, 而其缓冲区内的椭圆4扁率较大, 长轴方向即冷岛强度主要方向是偏东北—西南, 主要冷点分布在轴线两端的高层建筑上。可见无水公园内乔木冠幅对温度影响较强并且能引导其主导降温方向的形成, 但是园外高层建筑温度及分布是影响其缓冲区降温主导方向的主要因素。

在有水体的公园中, 选取面积分别为20.55 hm²和42.64 hm²的动物园和植物园。由图 8看出动物园内外的冷岛方向都大致偏东北—西南, 椭圆5的扁率比椭圆6的要大, 椭圆5长轴方向即园内冷岛强度方向沿着水体的长轴上, 椭圆6的长轴方向即园外500 m范围内降温方向为, 由于园外四周小区建筑和绿化水平几乎相似, 所以总体冷岛方向性不明显, 主导方向与园内一致。由图 9看出, 椭圆7和椭圆8长轴方向即园内外的冷岛强度方向近乎一致, 沿着公园内水体长轴方向—偏南北, 因为植物园周边绿化较少, 均匀分布着工厂和在建小区, 主要冷岛区域位于植物园内。

4 结论

本文以郑州市市域内44个公园为研究对象, 主要从公园规模形态、公园景观构成和公园景观空间配置3个方面分析其与公园冷岛强度的相关性, 并探讨了公园内部景观和园外要素对冷岛方向的影响, 得到以下结论：

(1) 城市公园的面积和周长都与公园冷岛强度成对数关系, 随着公园面积与周长的增大, PCI增强。面积受限时, 公园面积控制在20 hm²左右, 可以达到理想的冷岛强度。公园边缘形状越简单, 其与外界进行物质交换的速度越慢, PCI越大。而公园内植物、水体和不透水表面斑块的边界越复杂, 斑块之间进行物质交换的速度越快, PCI越强。

(2) 面积大小相近的公园, 园内有水体的公园比无水体的PCI要高出1℃左右, 说明水体对公园冷岛效应具有较高的影响。PCI随着公园植物和水体面积的增大而增强, 公园内植物和水体的面积每增加10 hm², PCI分别升高0.5℃和0.6℃。水体的占比与PCI成正相关, 水体占比控制在14%左右, PCI的涨幅趋于稳定。

(3) 公园内不透水表面斑块分布越集中公园冷岛效应越弱, 证明分散式不透水表面比集中式不透水表面有更强的冷岛效应。在进行公园水面景观设计时, 勿滥用桥梁和堤坝分割水面。在进行三种景观要素的空间配置时, 植物和水体组合配置能产生较强的冷岛效应, 将植物穿插在水体与不透水表面之间能带来更好的降温效应。

(4) 公园冷岛强度的方向不仅表现在尺度的异质性上, 还与公园内部是否有水体和园外要素密切相关。公园面积越大冷岛强度方向越显著, 无水公园PCI的方向沿着行列式冠幅较大的植物走向, 有水公园PCI的方向沿着公园内水体的长轴延伸。公园周围建筑和绿化环境分布较为均匀的情况下, 其冷岛强度的方向性不明显。