甘 爽，杨艳丽，孙艳玲，王中良

（天津师范大学 a.城市与环境科学学院，b.天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

城市公园对城市热环境的降温效应
——以天津市为例

甘 爽a，杨艳丽a，孙艳玲a，王中良b

（天津师范大学 a.城市与环境科学学院，b.天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

为了解城市公园对城市热环境的影响，基于Landsat8遥感影像，通过反演天津市区地表温度和分析各公园的缓冲区，研究天津市市内六区公园的特征要素对周围环境的降温效应.结果表明：一方面，不同公园的降温范围、降温幅度和降温速率有所不同，各公园降温幅度与距离均近似成拟合二次多项式.另一方面，不同的公园特征要素对周边环境的降温效应存在差异，其中公园的绿地比例与降温范围、降温幅度和降温速率相关性最大，且二者呈拟合二次多项式.

城市热岛效应；城市公园；天津市；降温效应；降温范围；降温幅度；降温速率

随着城市化的不断发展和人口数量的不断增加，不透水面如公路和高层建筑的面积日趋增加，城市热岛效应逐渐加剧[1-3].城市热岛效应一方面会造成城区气温高于近郊气温，导致城区温度梯度增大，同时，城区温度升高使城区夏季高温天气的持续时间延长，容易引发城市居民的人体健康问题；另一方面，城市热岛效应使城区中形成闭合高温中心，其产生的上升气流会加剧污染[4-5].目前已有学者从土地覆被类型、人为活动强度和景观空间格局特征等方面对缓解城市热岛进行研究[6-9].研究结果表明，河流对城市用地的地表温度具有明显的降温作用[10]；而绿地对城市热岛的缓解作用也较为显著，且不同绿地类型的降温效应不同，其中，树林和混合绿地对城市热环境具有显著的降温效应[11-12].城市公园作为城市绿地及水体的一种表现形式，在美化城市和提供居民休闲服务的同时，还能对城市的热环境起到一定的降温作用，因此，也有学者就城市公园对周围热环境的降温作用进行了一系列的研究.研究发现，公园的景观构成、斑块

形态和空间布局这3个方面的空间结构特征对城市的热环境效应具有一定影响.此外，公园内部平均温度与公园绿量有很大的相关性，绿量越大，内部温度越低；在斑块形态上，公园温度与公园绿地形状指数呈极强的负相关性；在空间布局上，林地及硬质地表分布的聚集度指数与温度呈显著正相关[13].也有学者发现不同公园的降温效应不同，进而在降温范围、降温幅度和降温速率3个方面也有差异.公园面积越大，公园的降温范围越大，公园面积的最佳值为32 hm2；公园的水体比例越大，降温幅度越大；公园内不透水面比例小于50%时，公园的降温速率随不透水面比例的增大而提高[14].

近年来，随着城市化的快速发展，天津市热岛效应的程度不断加剧，范围也不断扩大[15-16]，缓解天津市城市热岛效应已成为天津城市建设中一个亟待解决的问题.因此，本研究选取天津市市内六区的公园作为研究对象，分析其对城市热岛效应的缓解作用，以期为天津市的城市建设提供一定的理论参考.

1 资料来源和研究方法

1.1 研究区概况

天津市地处华北平原北部，东临渤海，北依燕山，位于116°43′～118°04′E、38°34′～40°15′N，处于海河下游，地跨海河两岸，是北京通往东北和华东地区铁路的交通咽喉和远洋航运的港口.地势低平，属温带大陆性季风气候，降水集中在夏季，年降水量为360～970 mm，水资源短缺.近年来，随着天津市经济的迅速发展，城市化进程不断加快，人口不断增加，加之私家车持有量的增多，城市下垫面所受影响愈来愈深，城市的热岛效应愈加明显，因此，本研究选取天津市市内六区作为研究区域.

1.2 数据来源与处理

采用天津市2013年8月25日的Landsat TM+遥感影像，该数据来源于中国科学院对地观测与数字地球科学中心，条带号为122，行编号为34，成像时天气良好，数据质量良好.数据的预处理过程主要包括投影转换、几何校正、辐射校正和图像切割.

本研究选取天津市市内六区的8个公园作为研究对象，如图1所示.利用缓冲区分析和梯度分析方法分析公园对城市热环境的影响，作为研究对象的8个公园的面积及其内部景观情况如表1所示.

图1 天津市市内六区的主要公园Fig.1 Main parks of six districts in Tianjin

表1 天津市公园的特征参数Tab.1 Characteristic parameters of parks in Tianjin

1.3 研究方法

1.3.1 地面温度反演

根据覃志豪提出的单窗算法[17]，利用热红外通道辐射值对温度进行反演：

式（1）中：LST为地表温度；a和b为常数，a= -67.355 4，b=0.458 61；Tsenor为亮度温度，单位为K；Ta为大气平均作用温度，单位为K；C和D为中间变量，表达式分别为：

式（2）和（3）中：ε为地表比辐射率；τ为大气透射率.地表比辐射率依据NDVI的方法计算[18]：

式（4）中：NDVI＜0.05时，ε取0.973；NDVI＞0.70时，ε取0.99；0.05≤NDVI≤0.70时，ε=0.004PV+0.986.

大气透射率τ可以通过大气总水汽含量w（g/cm2）

计算得到

式（5）中w=1.5g/cm.

亮度温度可通过辐射亮度转换得到

式（6）中：L（λ）=Gain·DN+Bias，其中Gain=3.342 0× 10-4，Bias=0.100 00；K1和K2因波段不同而存在差异，在第10波段K1=774.89 mW/（cm2·sr·μm），K2= 1 321.08 K，在第11波段，K1=480.89mW/（cm2·sr· μm），K2=1 201.14 K.

1.3.2 缓冲区分析

分别以市内六区的8个公园为中心，取30 m作为公园的缓冲区半径，缓冲带的个数取决于自公园边界向公园外缓冲直至相邻缓冲区间温度无明显变化为止.对各公园缓冲带和公园内部的温差与最外围缓冲带的距离进行曲线拟合分析，最终通过对拟合多项式求导得到降温速率.

2 结果与分析

2.1 公园降温效应的定量分析

基于各公园缓冲带温度数据，计算各缓冲带间温差，作各公园对周围热环境的降温效应曲线，即公园各缓冲带间温差与降温距离的关系图，结果如图2所示.

图2 公园对周围热环境的降温效应Fig.2 Cooling effect of city parks on surrounding thermal environments

由图2可以看出，随着降温距离的不断增大，各公园缓冲带间的温差逐渐缩小.由此可知，所有公园对其周围的热环境均存在一定的降温效应，但不同公园对其周围热环境降温效应的影响存在很大差异，主要表现为：①不同公园所表现的降温范围不同，其中河东公园降温范围最大，为560 m；中心公园降温范围最小，为45 m.②不同公园的缓冲带间在温度上存在着一定差异，最明显的是水上公园，30 m缓冲带与60 m缓冲带间温度相差2.67℃；③不同公园的降温速率也有所差异，其中西沽公园、长虹公园和河东公园降温速率较大，人民公园和中心公园降温速率较小；④不同公园的降温幅度不同，同一公园不同缓冲带的降温幅度也不相同，降温距离越远，降温幅度越小.各公园的降温幅度由大到小依次为：水上公园＞西沽公园＞人民公园＞长虹公园＞北宁公园＞河东公园＞中心公园＞王串场公园，其中降温幅度最小的为0.01℃的王串场公园，最大的为水上公园，达到2.85℃；⑤各公园降温范围和降温速率与距离无明显相关性，而各公园降温幅度与距离均成拟合二次多项式，如表2所示.由表2可知，不同公园的降温幅度与距离的相拟合系数关性不同，西沽公园降温幅度与距离的相关性最大，拟合系数为0.988 9；王串场公园降温幅度与距离的相关性最小，拟合系数为0.370 0.

表2 公园降温幅度T与距离L拟合二次多项式Tab.2 Quadratic polynomial between cooling amplitude T and distance L

2.2 公园特征要素与降温效应关系分析

不同公园对周围热环境的降温效应不同，而降温效应主要由降温范围、降温幅度和降温速率3个方面反映[16]，即不同公园的降温范围、降温幅度和降温速率存在明显差异，这些差异与公园面积、水体面积、绿地面积和不透水面面积等因素具有明显相关性.为了找到各要素与公园降温效应间的对应关系，将公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例分别与降温范围、降温幅度和降温速率进行相关分析，得到与降温效应3要素相关性最高的因素，从而对公园的降温效应进行分析.

分别对公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例与降温范围进行相关性分析，并采用指数、线

性、对数和二项式等函数进行拟合，结果如图3所示.

图3 公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例与降温范围的定量关系Fig.3 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling scope

由图3可以看出，公园面积和水体比例与降温范围的关系均采用对数函数拟合效果最好，呈明显正相关，拟合决定系数分别为R2公园面积=0.076 5，R2水体比例= 0.102 0；绿地比例与降温范围的关系采用二次多项式函数拟合效果最好，拟合决定系数为R2绿地比例=0.1660，随着绿地比例的增加，降温范围先递增后递减；不透水面比例与降温范围的关系采用指数函数拟合效果最好，二者呈明显正相关，拟合决定系数为R2不透水面比例= 0.073 1.由拟合结果可知，公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例与公园的降温范围均存在一定相关性，其中绿地比例与降温范围的相关性最大，当绿地比例小于50%时，降温范围随绿地比例的增大而增大；当绿地比例超过50%后，降温范围随绿地比例的增大而减小.因此，要使公园降温效应的降温范围达到最远就要使公园的绿地比例达到50%.

对公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例与降温幅度分别进行相关性分析，并进行线性、对数和多项式等函数拟合，结果如图4所示.由图4可以看出，公园面积、水体比例和绿地比例与降温幅度的关系均采用二次多项式函数的拟合效果最好，拟合决定系数分别为R2公园面积=0.770 5，R2水体比例=0.727 8，R2绿地比例=0.873 8，其中公园面积和水体比例与降温幅度呈显著正相关，而降温幅度随绿地比例的增加先减小后增大；不透水面比例与降温幅度采用指数函数拟合效果最好，二者呈负相关关系.由相关性分析可知，绿地比例与公园的降温幅度相关性最大，当绿地比例小于55%时，降温幅度随绿地比例的增大而减小，当绿地比例大于55%后，降温幅度随绿地面积比例的增大而增大.因此，要使公园降温效应的降温幅度达到最佳，公园的绿地比例应高于55%.

对公园面积、水体比例、绿地面积比例和不透水面比例与降温速率分别进行相关性分析，采用指数、线性、对数和多项式函数进行拟合分析，结果如图5所示.由图5可以看出，公园面积和绿地比例与降温速率均采用二次多项式的拟合效果最好，拟合决定系数分别为R2公园面积=0.107 2和R2绿地比例=0.554 2；水体比例和不透水面比例与降温速率均采用对数函数拟合效果最好，拟合决定系数分别是R2水体比例=0.541 6和R2不透水面比例=0.268 0，且均呈明显的正相关关系.由拟合结果可知，绿地比例与公园的降温速率相关性最大，拟合效果最好，当绿地比例小于50%时，公园对周围热环境的降温速率随公园绿地比例的增加而增大，当绿地比例大于50%后，降温速率随绿地比例的

增加而减小，因此，要使公园降温效应的降温速率达到最佳就需要使公园的绿地比例达到50%.

图4 公园面积、水体比例、绿地比例和不透水面比例与降温幅度的定量关系Fig.4 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling amplitude

图5 公园面积、水体比例、绿地面比例和不透水面比例与降温速率的定量关系Fig.5 Quantitative relationship between park area，water proportion，grass proportion，imperious surface proportion and cooling rate

3 结 论

随着城市化的发展，天津市的热岛效应越来越明

显，在范围和强度上也逐渐加剧，为了解决该问题，充分发挥公园对周围热环境的降温效应作用，本研究通过对地表温度进行反演，利用缓冲区分析和梯度差方法对公园特征要素与降温范围、降温幅度和降温速率的相关性进行表征，以此分析各公园的降温效应，得到以下结论：

（1）不同公园对周围热环境降温效应的影响存在很大的差异，不同公园的降温范围、降温幅度和降温速率也有所不同，各公园降温幅度与距离均近似成拟合二次多项式.

（2）公园的绿地比例是影响降温范围、降温幅度和降温速率的最主要因素.

（3）为了使公园能够更好地对周围热环境起到降温的作用，在规划公园时要考虑：若欲增加公园的降温范围来改善公园的降温效应，公园的绿地比例要低于50%；若考虑用降温幅度来改善公园的降温效应，公园的绿地比例应高于55%；若以提高公园的降温速率为目的，公园的绿地比例应达到50%左右.

本研究主要从公园各特征要素与降温效应的关系进行分析，公园外部的差异性对降温效应的影响还有待在后期工作中进一步研究.

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（责任编校 亢原彬）

Cooling effect of urban parks on urban thermal environment：a case of Tianjin

GAN Shuanga，YANG Yanlia，SUN Yanlinga，WANG Zhongliangb
（a.College of Urban and Environment Science，b.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

In order to learn the impact of urban park on urban thermal environment，the cooling effect of characteristics elements of the six district of Tianjin city park on surrounding environment was studied by inverting land surface temperature of Tianjin downtown and analyzing the buffer of all parks based on Landsat8 remote sensing image.Results showed that on one hand，cooling scope，cooling amplitude and cooling rate of the parks were different，and the cooling amplitude and distance approximation falled into a quadratic polynomial fitting.On the other hand，the cooling effects of different park characteris-tics elements on surrounding environment were different，and the park grass area proportion had the largest correlation with cooling scope，cooling amplitude and cooling rate while they falled into a quadratic polynomial fitting.

urban heat island effect；urban park；Tianjin city；cooling effect；cooling scope；cooling amplitude；cooling rate

P461

A

1671-1114（2016）04-0033-06

2016-03-17

国家自然科学基金资助项目（41001022，31270510）；国家科技支撑计划项目课题资助项目（2012BAC07B02）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-10-0954）；天津师范大学市级重点实验室开发研究基金课题资助项目（YF11700102）.

甘 爽（1994—），女，本科生.

孙艳玲（1977—），女，副教授，主要从事资源环境遥感与全球变化方面的研究.