邱海玲,朱清科,武鵬飛

(1.北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京; 2.北京建筑技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司,100095,北京)

城市綠地對(duì)周邊建設(shè)用地的降溫效應(yīng)分析

邱海玲1,朱清科1,武鵬飛2

(1.北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京; 2.北京建筑技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司,100095,北京)

城市綠地對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)起著極其重要的作用。以北京市2013年7月31日的Landsat8 TIRS影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),反演亮度溫度來(lái)表達(dá)城市熱島效應(yīng),結(jié)合GIS技術(shù),分析城區(qū)30塊綠地對(duì)周邊建筑用地的降溫效應(yīng)。結(jié)果表明:1)Landsat8 TIRS影像反演的亮度溫度可以有效表達(dá)城市熱島效應(yīng);2)綠地對(duì)4個(gè)方向上建設(shè)用地的降溫幅度從高到低的順序是西＞南＞北＞東;3)綠地和建設(shè)用地的面積比與綠地降溫作用之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,面積比的變化對(duì)處在綠地北向建設(shè)用地的降溫幅度影響最大;4)綠地的降溫作用與建設(shè)用地的容積率存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,處在綠地北向的建設(shè)用地的容積率變化對(duì)降溫幅度影響最大。

城市綠地;亮度溫度;城市熱島效應(yīng);建設(shè)用地;容積率

隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn),城市建成區(qū)的面積不斷擴(kuò)大,大量的綠地和水體消失,取而代之的是道路、建筑等不透水面的擴(kuò)張,隨之產(chǎn)生了當(dāng)代城市發(fā)展不得不面對(duì)的城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題——城市熱島效應(yīng)[1]。城市熱島的概念是Manley于1958年首次提出的[2]。自從英國(guó)氣候?qū)W家賴克·霍德華在19世紀(jì)初首次發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)[3]后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市熱島效應(yīng)開(kāi)展了大量研究工作[4-6]。

城市熱島效應(yīng)的研究成果主要集中在成因[7]、表達(dá)方法[8]、空間分布差異[9]、時(shí)序變化[10]、環(huán)境效益[11]、緩解措施[12]、大氣邊界結(jié)構(gòu)[13]、模型模擬[14]等方面。大量研究成果已經(jīng)證明,城市綠地具有緩解城市熱島效應(yīng)的作用[15-17]。 武鵬飛等[18]利用遙感方法,以Landsat TM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,反演北京市的亮度溫度和歸一化植被指數(shù)(NDVI),結(jié)果表明二者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。有學(xué)者選取不同類(lèi)型的城市綠地,比較不同類(lèi)型城市綠地在緩解城市熱島效應(yīng)方面的差異[19-21]。此外,有學(xué)者對(duì)不同形狀城市綠地的降溫作用進(jìn)行研究[22-23],還有學(xué)者對(duì)不同樹(shù)種在緩解城市熱島效應(yīng)方面的作用進(jìn)行比較分析[24-25]。另外,對(duì)城市綠地的面積和降溫作用范圍也是研究的重要內(nèi)容[26]。這些研究都證明了城市綠地對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)的重要性;但這些研究工作都是單方面基于城市綠地考慮的,沒(méi)有考慮綠地與周邊建設(shè)用地之間的關(guān)系,及其對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響。

筆者通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)反演研究區(qū)的亮度溫度,調(diào)查城市綠地及周邊建設(shè)用地的信息,分析城市綠地對(duì)周邊建設(shè)用地降溫效應(yīng)在不同方向上的表現(xiàn),以期為城市規(guī)劃工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

北京市中心位于E 116°25′29″、N3 9°54′20″,總面積為1.68萬(wàn)km2。地處華北平原西北邊緣,西部是太行山脈余脈的西山,北部是燕山山脈的軍都山,兩山在昌平區(qū)南口關(guān)溝相交,形成一個(gè)向東南展開(kāi)的半圓形大山彎,人們稱(chēng)之為“北京彎”,它所圍繞的小平原即為北京小平原。目前,北京市建成區(qū)面積1 386 km2,2012年末全市常住人口2 069.3萬(wàn)。隨著建成區(qū)面積的擴(kuò)大和城市人口的急劇增多,城市熱島效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重。相關(guān)研究[27]表明:近40年來(lái),北京市郊區(qū)氣溫平均每10年增加0.04℃,而市中心區(qū)同期增溫0.35℃,增溫率是郊區(qū)的9倍。選擇北京市作為研究區(qū)除了具有典型性以外,還具有嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)緊迫性。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集于2013年7月31日的Landsat8 TIRS影像(圖1(a)),影像的軌道號(hào)是123- 32,主要應(yīng)用TIRS數(shù)據(jù)的第10波段反演溫度,第10波段波長(zhǎng)范圍為10.6～11.2 μm,重采樣后空間分辨率為30 m。影像獲取時(shí)的天空云量較少,影像質(zhì)量較高,有利于地物的解譯和判讀,也利于正確的溫度反演,表達(dá)城市熱島效應(yīng)。

2.2 研究方法

圖1 研究區(qū)Landsat TIRS影像及反演的亮度溫度Fig.1 Landsat TIRS image and the brightness temperature inversion in the study area

2.2.1 熱島效應(yīng)表達(dá)方法 目前,用于城市熱島效應(yīng)表達(dá)的指標(biāo)主要有3個(gè):亮溫、地溫和氣溫,雖然3個(gè)指標(biāo)在數(shù)值上不相同,但3個(gè)指標(biāo)具有很好的相關(guān)性,都可很好地表達(dá)城市熱島效應(yīng)的空間分布[28]。針對(duì)遙感數(shù)據(jù),常用的指標(biāo)主要是亮溫和地溫[1,4,9],本文使用亮溫表達(dá)城市熱島效應(yīng)。

亮度溫度的反演應(yīng)用Landsat8 TIRS數(shù)據(jù)第10波段的灰度值D,其反演方法與Landsat5 TM數(shù)據(jù)的反演方法相同,首先將其轉(zhuǎn)換為輻射亮度

式中:Lmax、Lmin分別為該波段探測(cè)器可探測(cè)的最高和最低輻射值,Lmax=2.200 18 mW/(cm2·sr·μm), Lmin=0.100 33 mW/(cm2·sr·μm)。

其次,利用輻射亮度可計(jì)算地物的亮度溫度

式中:K1、K2為常數(shù),K1=774.89 mW/(cm2·sr· μm),K2=1 321.08 K。

由式(1)和式(2)即可計(jì)算得到研究區(qū)的亮度溫度,計(jì)算得到的亮溫圖像如圖1(b)所示。

為了驗(yàn)證亮度溫度反演的準(zhǔn)確性,從北京市氣象局獲取距影像時(shí)間最近的氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2013- 07- 31 T 13:00:00),共有覆蓋市區(qū)和郊區(qū)20個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù),并提取對(duì)應(yīng)位置的亮度溫度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)測(cè)溫度與亮度溫度的相關(guān)性Fig.2 Relationship of measured temperature and brightness temperature

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),反演的亮度溫度整體在數(shù)值上小于氣象站點(diǎn)觀測(cè)的氣溫,這與現(xiàn)有的研究結(jié)論[29]一致。本文對(duì)反演的亮度溫度與觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明二者之間具有很好的相關(guān)性,回歸方程的決定系數(shù)R2達(dá)到0.730 3,且回歸方程通過(guò)了0.01水平的檢驗(yàn);因此,本文反演的亮度溫度能夠很好地表達(dá)氣溫的空間分布,可以有效表征城市熱島效應(yīng)。

2.2.2 城市綠地選擇及建設(shè)用地信息提取 城市綠地的選擇遵循以下原則:1)綠地分布在城市建成區(qū),熱島效應(yīng)較為明顯的區(qū)域;2)考慮綠地周邊建設(shè)用地的多樣性;3)綠地面積＞1.5 hm2,相關(guān)研究表明城市綠地面積 ＞1.5 hm2才能發(fā)揮降溫作用[30]。以獲取的遙感影像為基礎(chǔ),結(jié)合 Google Earth的高分辨率影像及實(shí)地調(diào)查,選取城市綠地(表1)利用ArcGIS軟件勾畫(huà)30塊城市綠地范圍,并計(jì)算綠地面積。利用ERDAS軟件,結(jié)合搜狗地圖的三維城市模型工具,在綠地范圍外的東、南、西、北4個(gè)方向上,以主干道路為邊界,確定周邊主要建設(shè)用地的面積、建筑數(shù)量和層數(shù),并計(jì)算其容積率。

表1 城市綠地選擇結(jié)果Tab.1 Results of urban green space selection

2.2.3 熱島信息提取 熱島信息的提取主要包括2方面,一是綠地周邊東、南、西、北4個(gè)方向?qū)?yīng)的建設(shè)用地的溫度,另一是該區(qū)域的平均熱島溫度,后者與前者之差為綠地的降溫幅度。利用ERDAS軟件在綠地周邊對(duì)應(yīng)建設(shè)用地地塊上隨機(jī)均勻選取3個(gè)取樣點(diǎn),用3個(gè)取樣點(diǎn)的平均值作為該地塊建設(shè)用地的溫度。相關(guān)研究[31-32]表明,綠地的降溫作用輻射范圍從幾十米到幾百米不等,但基本都不超過(guò)500 m。筆者以綠地邊界為基礎(chǔ),在綠地邊界外500 m緩沖區(qū)處,選取3個(gè)下墊面和周邊環(huán)境相近且沒(méi)有其他綠地影響的區(qū)域提取溫度,并用其平均值作為該區(qū)域的平均熱島溫度。

3 結(jié)果和分析

3.1 降溫作用差異

利用ERDAS軟件提取30塊綠地周邊東、南、西、北4個(gè)方向上建設(shè)用地的溫度信息,并統(tǒng)計(jì)每個(gè)方向上的平均溫度值和平均的降溫幅度值。

綠地西面建設(shè)用地的降溫幅度最大,東面建設(shè)用地降溫幅度最小。綠地對(duì)4個(gè)方向建設(shè)用地的降溫幅度從高到低的順序?yàn)槲?2.29℃)＞南(2.12℃)＞北(2.10℃)＞東(1.94℃)。綠地對(duì)周邊4個(gè)方向上建設(shè)用地降溫幅度的最大值和最小值相差0.35℃。理論上,由于建筑物的分布和盛行風(fēng)向的影響,會(huì)使城市綠地的降溫作用在東、南、西、北方向上存在差異。

3.2 綠地與建設(shè)用地的面積比對(duì)降溫作用的影響

相關(guān)研究[29]表明,城市綠地的面積只有＞1.5 hm2時(shí),才能發(fā)揮降溫作用。同理,綠地與建設(shè)用地的面積比過(guò)小時(shí),綠地的降溫作用就幾乎可以忽略不計(jì)。

首先對(duì)研究區(qū)整體上綠地面積與建設(shè)用地面積的比值與綠地降溫作用的關(guān)系進(jìn)行分析。以30塊城市綠地4個(gè)方向上的共計(jì)120對(duì)樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)二者進(jìn)行回歸分析(圖3),可知,綠地對(duì)建設(shè)用地的降溫幅度與它們之間面積比存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,回歸方程通過(guò)了0.01水平的檢驗(yàn)。綠地的面積與建設(shè)用地的面積比越大,綠地的降溫作用越明顯。

本文又分別在東、南、西、北方向上,對(duì)綠地與建設(shè)用地的面積比和綠地的降溫作用進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖4所示,可知,在4個(gè)方向上,綠地降溫幅度與綠地和建設(shè)用地面積比均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,回歸方程均通過(guò)了0.01水平的檢驗(yàn)。

從回歸方程的斜率來(lái)看,在4個(gè)方向上,回歸方程斜率最大的方向是北向,其斜率為0.162 3,最小的方向是東向,其斜率為0.074 6。4個(gè)方向回歸方程的斜率從高到低的順序是北＞南＞西＞東。也就是說(shuō),相同綠地和建設(shè)用地面積比值增加量,在綠地的北面所產(chǎn)生的降溫作用最明顯。

圖3 整體綠地與建設(shè)用地的面積比與降溫幅度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the ratio of overall green land to construction land area and cooling extent

將4個(gè)方向的回歸方程與30塊綠地的總體回歸方程相比,東向、南向和西向回歸方程的R2均大于總方程的R2,表明在這3個(gè)方向上,綠地和建設(shè)用地面積比與綠地降溫幅度關(guān)系的緊密程度高于北京的整體水平。在回歸方程的斜率方面,南向、西向和北向回歸方程的斜率大于總方程的斜率,表明在這3個(gè)方向上,綠地和建設(shè)用地面積比值增加量的降溫作用要優(yōu)于北京的整體水平。

3.3 建設(shè)用地的容積率對(duì)綠地降溫作用的影響

建設(shè)用地容積率是衡量土地利用強(qiáng)度的一項(xiàng)重要指標(biāo),一般情況下,容積率越高,建筑的層數(shù)越多,釋放的熱量也越多,但高層建筑會(huì)形成陰影,降低部分區(qū)域的溫度。首先對(duì)整體建設(shè)用地的容積率對(duì)綠地降溫作用的影響進(jìn)行分析,以30塊綠地4個(gè)方向上共計(jì)120個(gè)樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用回歸分析方法分析建設(shè)用地的容積率與綠地降溫作用的關(guān)系(圖5),可知,建設(shè)用地的容積率與綠地對(duì)其的降溫作用之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,回歸方程通過(guò)了0.01水平的檢驗(yàn)。建設(shè)用地的容積率越高,綠地的降溫幅度越小。這是因?yàn)殡S著容積率的升高,區(qū)域內(nèi)各空間對(duì)流換熱作用減弱,故建設(shè)用地的容積率具有弱化綠地降溫作用、增強(qiáng)城市熱島效應(yīng)的能力。

以東、南、西、北方向?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元,分別對(duì)建設(shè)用地的容積率與綠地降溫作用進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如圖6所示,可知,在4個(gè)方向上,建設(shè)用地的容積率與綠地的降溫作用均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,回歸方程均通過(guò)了0.01水平的檢驗(yàn)。

從回歸方程的斜率方面來(lái)看,4個(gè)方向上,回歸方程斜率最大的方向是東向,其斜率為-0.226 2;斜率最小的方向是北向,其斜率為-0.560 7。4個(gè)方向回歸方程的斜率從大到小的順序是東＞南＞西＞北。也就是說(shuō),相同建設(shè)用地容積率的增加量,對(duì)處在綠地北向的降溫幅度的影響最明顯,這可能與太陽(yáng)輻射角度和風(fēng)向有關(guān)。

圖4 綠地4個(gè)方向上降溫幅度與綠地和建設(shè)用地面積比的回歸分析Fig.4 Regression analysis between cooling extent and the ratio of green land to construction land area in four directions

圖5 整體建設(shè)用地容積率與降溫幅度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the floor area ratio of overall construction land and cooling extent

將4個(gè)方向的回歸方程與30塊綠地的總體回歸方程相比,東、南、西、北方向回歸方程的R2均大于總方程的R2,表明在4個(gè)方向上,建設(shè)用地的容積率與綠地對(duì)其降溫幅度關(guān)系的緊密程度高于整體水平。在回歸方程的斜率方面,南、西、北3個(gè)方向回歸方程的斜率均小于總方程的斜率,表明在這3個(gè)方向上,相同建設(shè)用地容積率的增加量所產(chǎn)生的增溫作用要超過(guò)北京的整體水平。

4 結(jié)論與討論

1)Landsat8 TIRS影像反演的亮度溫度與觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性,可以有效表達(dá)城市熱島效應(yīng)。

2)綠地對(duì)4個(gè)方向上建設(shè)用地的降溫幅度從高到低的順序?yàn)槲鳎灸希颈保緰|。

3)綠地和建設(shè)用地的面積比與綠地降溫幅度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,綠地面積與建設(shè)用地面積比值越大,綠地降溫作用越明顯,城市熱島效應(yīng)越弱。4個(gè)方向回歸方程的斜率從高到低的順序是北＞南＞西＞東,也就是說(shuō),綠地與建設(shè)用地的面積比的變化對(duì)處在綠地北向的建設(shè)用地的降溫幅度影響最大。

4)建設(shè)用地的容積率與綠地的降溫作用之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,建設(shè)用地的容積率越高,降溫作用越低,城市熱島效應(yīng)越明顯。建設(shè)用地容積率與綠地降溫作用在4個(gè)方向回歸方程的斜率從高到低的順序是東＞南＞西＞北,也就是說(shuō),處在綠地北向的建設(shè)用地容積率的變化對(duì)降溫幅度影響最大。

本文在分析中只考慮了綠地的面積信息,后續(xù)的研究建議考慮綠地結(jié)構(gòu)、形狀、植林率、水體面積比例等對(duì)其降溫作用的綜合影響。分析結(jié)果表明建設(shè)用地的容積率與綠地對(duì)其的降溫作用之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但存在作用區(qū)間的問(wèn)題,容積率對(duì)降溫作用影響的最顯著區(qū)間以及二者關(guān)系在區(qū)間內(nèi)的變化等問(wèn)題都是未來(lái)需要重點(diǎn)研究的方向。研究所選區(qū)域僅局限于北京市,研究結(jié)果對(duì)于其他地區(qū)是否適用還尚待驗(yàn)證。

圖6 4個(gè)方向上建設(shè)用地的容積率與綠地降溫幅度的回歸分析Fig.6 Regression analysis between floor area ratio of construction land and green space cooling extent in four directions

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(責(zé)任編輯:程 云)

Cooling effect of urban green land on surrounding construction land

Qiu Hailing1,Zhu Qingke1,Wu Pengfei2
(1.Beijing Forestry University,Engineering Reserch Center of Forestry Ecological Engineering of Ministry of Education, 100083,Beijing,China;2.Beijing Building Technology Development Co.,Ltd.,100095,Beijing,China)

Urban green land plays an extremely important role on alleviating urban heat island effect.In this study,Beijing was selected as the study area,and a Landsat8 TIRS image obtained on July 31,2013 was regarded as the basic data.The brightness temperature was inversed to express urban heat island effect.With GIS technology,the cooling effect of 30 pieces of urban green land on surrounding construction land was analyzed,and the results were as follows:1)Brightness temperature inversed by Landsat8 TIRS image data could effectively express the urban heat island effect;2)The order from high to low of the cooling extent of green land on construction land is west＞south＞north＞east;3)There was an obvious positive correlation between cooling effect of green land and the area ratio of green land to construction land,and the change of the area ratio had the greatest effect on the cooling extent of construction land in the north direction;4)There was an obvious negative relationship between the cooling effect of green land and the floor area ratio of construction land,and the change of the floor area ratio of construction land in the north direction of green land had the largest influence on cooling extent.

urban green land;brightness temperature;urban heat island effect;construction land;floor area ratio

X16;TU985;S157.9

A

1672-3007(2015)01-0111-07

2014- 03- 12

2014- 09- 26

項(xiàng)目名稱(chēng):國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“政務(wù)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源面向城鎮(zhèn)化發(fā)展模式的綜合分析利用示范應(yīng)用”(2012BAH24B03)

邱海玲(1974—),女,博士研究生。主要研究方向:水土保持和生態(tài)環(huán)境地理。E-mail:seafall5607@163.com

?通信作者簡(jiǎn)介:朱清科(1956—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持和林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:zhuqingke@sohu.com