王文娟，邓荣鑫

（1. 河南财经政法大学 资源与环境学院,河南 郑州 450002；2. 华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州450011）

城市绿地对城市热岛缓解效应研究

王文娟1，邓荣鑫2

（1. 河南财经政法大学 资源与环境学院,河南 郑州 450002；2. 华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州450011）

以郑州市作为研究区域，运用Landsat5 TM遥感影像反演研究区地表温度和提取绿地分布，从斑块和景观水平两个尺度研究城市绿地对城市热岛效应的缓解程度。结果表明，在斑块尺度上，斑块面积和斑块形状指数与城市地表温度间均呈负相关关系；在景观尺度上，绿地面积比和聚集度指数与城市地表温度间呈负相关关系，景观碎裂化指数与之呈正相关关系。

城市热岛；城市绿地；遥感

城市热岛是人类活动产生的最显著的气象异常现象之一[1]，对城市公共健康、空气质量、能源消耗等有着深远的影响[2,3]。早期的关于城市绿地特征的热环境效应研究主要是对传统定点实验数据进行分析[4,5]，虽然能够较好地反映监测点及其周边情况，但无法表征城市绿地特征与城市热环境之间的关系。本文运用定量遥感方法和地理信息系统空间分析技术，从斑块和景观水平两个尺度上研究城市绿地对城市热岛效应的缓解程度，并提出城市绿地的优化和配置策略。

图1　研究区位置图

1 材料与方法

1.1研究区概况

郑州市( 34°44’N, 113°37’E )地处河南省中部偏北的伏牛山脉向黄淮平原过渡地带。郑州市城市建设规模及其下垫面性质对气候已产生较明显的影响，年季温度场均以市中心温度为高，向郊区逐渐降低，存在城市热岛现象。为分析市区内城市绿地与地表温度的关系，本文以郑州市城区图为参考，选择北至连霍高速公路、南至南环路、西至绕城公路、东至中州大道-东风东路-107国道所在的城区范围作为研究区，并按行政界线将研究区分为金水区、惠济区、中原区、二七区、管城区、高新区、郑东新区和经开区等8个子区（如图1）。

1.2地表温度反演

采用Jiménez-Muñoz等提出的普适性算法[6]，选择2009-06-25获取的Landsat5 TM遥感影像作为数据源，对研究区进行地表温度的反演。计算公式为：

其中，

式中，w为大气水汽含量, 单位为g /cm2。该指标可采用Kaufman等提出的算法[7]，利用同一时间段的MODIS数据第2、5、19波段的反射率值获取。

1.3 城市绿地提取

运用2009-06-25获取的Landsat5 TM遥感影像作为数据源，选择归一化植被指数（NDVI）作为绿地提取的主要指标。NDVI的计算公式为：

式中，NIR、R分别为TM红波段和近红外波段的反射率值。通过选择训练样本，确定植被和非植被地物NDVI的变化范围，并设定阈值，实现城市绿地信息的提取。

1.4城市绿地指标计算

在斑块尺度上，选择斑块面积和斑块形状两个指标分析绿地对城市热岛的缓冲效应。其中，斑块形状的确定以形状指数作为主要标准，其计算公式为[8]：

式中，I为形状指数；S为图斑面积；P为周长。

在研究区中，选择形状相似、面积不同的5个斑块，分析斑块面积对城市热岛的缓冲效应；另外选择面积相似、形状不同的3个斑块，分析斑块形状对城市热岛的缓冲效应。在景观尺度上，选择斑块面积比、聚集度、破碎度等表征绿地景观空间分异特征的景观格局指数，其中，聚集度指数反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度；破碎度指数表征景观被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性[9]。这些指标的计算主要通过Fragststs软件完成，然后将其与各子区平均热岛强度进行比较分析。

2 结果与分析

2.1基于斑块尺度分析

选择研究区内形状相似、面积不同的5个绿地斑块，分别以60 m、60～120 m、120～180 m、180～240 m、240～300 m、300～360 m的距离向外进行缓冲，分析各缓冲区域内平均地表温度的变化趋势，从斑块尺度上定量分析绿地斑块面积与城市热岛的响应关系。从图2可以看出，随着斑块面积的增加，地表温度在各缓冲距离上均有降低，说明斑块面积越大，对其周围的降温效果越好。从防护距离上看，不同斑块面积的绿地呈现出相同的趋势，即在180 m内防护效果最好，180～240 m之间的防护效果尚可，大于240 m地表温度无明显变化，说明绿地斑块在0～240 m的降温效果最为显著，随着距离的增加，降温效果有所降低。

选择研究区内面积相似、形状不同的3个绿地斑块，分别以60 m、60～120 m、120～180 m、180～240 m、240～300 m、300～360 m的距离向外进行缓冲，分析各缓冲区域内平均地表温度的变化趋势，从斑块尺度上定量分析绿地斑块形状与城市热岛的响应关系。从图3可以看出，随着形状指数的增加，地表温度在各缓冲距离上均有降低，说明斑块形状越狭长，对其周围的降温效果越差。

图2　斑块面积与周围地表温度的关系图

图3　斑块面积与周围地表温度的关系图

2.2基于景观尺度分析

选择分区内绿地面积比、聚集度指数和破碎度指数等能够有效表征绿地景观格局特征的景观指数，将其计算结果与平均地表温度进行比较，可以从景观尺度上定量分析城市绿地景观格局与城市热岛的响应关系，如图4。结果显示，在所分析的3种景观格局指数中，绿地面积比与城市地表温度间呈显著负相关（图4a），即分区内绿地面积越大，生物量积累量越大，地表温度就越低。这一结果与前面关于绿地斑块面积与地表温度的关系相一致；聚集度指数与城市地表温度呈负相关关系（图4b），即城市绿地在分区内的空间分布越集中，则地表降温效果越显著。与上述结果相反，景观碎裂化指数与城市地表温度之间呈正相关关系（图4c），即分样区内绿地斑块的碎裂化程度越高，则地表温度越高。

3 结 语

本文研究结果对面向缓解热岛效应的城市绿地建设和管理工作具有重要的参考价值。首先，绿地斑块类型与城市热岛间的分析结果表明，面向城市热岛效应调控的绿地建设需要进一步沿袭以往大力提高城市绿地率的策略，增加植被覆盖和生物量积累，在条件允许的前提下尽量建设大斑块、形状规则（相对于狭长斑块而言）的绿地，以强化城市绿地植被的温度调控效果。其次，绿地景观格局与热岛强度之间的关系表明，不同的绿地空间分异特征和结构特征，会形成完全不同的地表温度调控效果，绿地格局设计应尽可能在空间上集中安排各类绿地斑块，重视大型林地类支撑性城市绿地斑块建设，提高不同绿地类型的功能。

图4　景观指数与地表温度的关系图

[1] Oak T R． The Heat Island of the Urban Boundary Layer: Characteristics, Causes and Effects in Wind Climate in Cities[M]．Kluwer Academic Publishers, 1995

[2] 宫阿都, 李京, 王晓娣, 等． 北京市城市热岛环境时空变化规律研究[J]． 地理与地理信息科学, 2005, 21(6) : 15-21

[3] Carreiro M M, Song Y C, Wu J G． Ecology, Planning, and Management of Urban Forests: International Perspectives [M]．New York: Springer, 2008

[4] Ca V T, Asaeda T, Abu E M． Reductions in Air Conditioning Energy Caused by a Nearby Park[J]． Energy and Buildings, 1998, 29(1): 83-92

[5] Yu C, Hien W N． Thermal Benefits of City Parks[J]． Energy and Buildings, 2006, 38(2): 105-120

[6] Jiménez-Muñoz J C, Sobrino J A． A Generalized Singlechannel Method for Retrieving Land Surface Temperature from Remote Sensing Data[J]． Journal of Geophysical Research, 2003, 108(D22): 4 688-4 695

[7] Kaufman Y J, Gao B C． Remote Sensing of Water Vapor in the Near IR from EOS/MODIS[J]． IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1992, 30(5): 87l - 884

[8] 黎夏． 形状信息的提取与计算机自动分类[J]． 环境遥感, 1995, 10 (4) : 279-287

[9] 邬建国． 景观生态学: 格局, 过程, 尺度与等级[M]． 北京：高等教育出版社, 2000

P237.9

B

1672-4623（2014）04-0052-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.018

王文娟，博士，讲师，主要从事遥感和GIS应用研究。

2013-09-16。

项目来源：国家自然科学基金青年基金资助项目（40901133）；河南省教育厅科学技术研究指导计划资助项目（12B170001）。