成 实 牛宇琛 王鲁帅

建成环境由自然系统和人工系统共同构成，两者自成系统且相互作用[1]。城市热岛效应的产生主要是由于城市下垫面的改变，增加城市绿地是缓解城市热岛效应的重要措施[2]，以绿地、水体为主体的开放空间形成良好的网络格局，贯穿整个城市建成区域，可有效缓减市区热岛效应[3]。随着城市化的高速进程，位于粤港澳大湾区核心的深圳建成区面积不断增加，导致绿地面积不断压缩，城市的景观、生态功能减弱，“热岛效应”逐步加剧。同时，随着国家粤港澳大湾区建设的提出及推进，“绿色发展、保护生态”成为深圳城市发展的重要目标之一[4]，其生态环境建设愈发凸显。

过往研究表明，植被覆盖率的高低对于城市热岛效应具有决定性影响。因此，城市绿地与热岛效应的关联研究是学术界关注的热点之一，并已积累较为丰富的研究成果。岳晓蕾以保定为例，基于不同时期保定中心城区地表温度和植被覆盖率的时空演变图，从时间维度定量研究城市绿地面积及其降温范围之间的关系[2]；梁保平聚焦于绿地植被覆盖率与城市热场的时空变化规律，以及两者之间的内在作用机制，结合桂林1991—2006共15年的TM影像数据加以分析论证[5]；张昌顺以北京为例，分别选取中心城区、卫星城区及郊区作为研究对象，试图揭示出城市绿地降温功能与绿地类型、绿地结构及管理措施角度的内在关系[6]；陈方敏以上海为例，从植被群落、景观斑块、城乡样带等多尺度入手，研究城市公园绿地斑块属性及其结构与热环境效应之间的联系[7]；杨伟以太原为例，研究绿地斑块对其周边热环境的影响[8]。综合而言，目前对于城市绿地与城市热岛效应之间的关系研究中主要存在2点不足：1)研究多关注宏观尺度，聚集在不同时期或不同季节变化下城市绿地系统与热岛效应的关联性，而对于中微观尺度下空间形态层面的关注则相对较少；2)影响因素方面研究多关注公园和绿地的形态指标和植被指标，而对水体相关指标考虑不足。

图1 深圳市域范围内公园分布情况及相关空间数据

本文以深圳建成区范围内的40个城市公园为案例，通过分析公园、公园内绿地与公园内水体的各指标与地表温度的相关性，得出城市热岛效应缓解的关键因子及具体的相关关系。与此同时，基于公园的热岛效应消减特征得出城市公园的模式分类，进一步探讨热岛效应缓解目标下的城市公园设计路径，以期对未来深圳的城市公园规划建设提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究案例

本文从中观尺度上研究深圳公园绿地的温度削减效应，探讨公园本身的特征、不同绿地类型对公园自身及其周边城市空间温度效应的影响。选取深圳建成区内的公园绿地作为重点研究对象，并在其中选出40个面积、周长、植被覆盖度、水体面积不同的公园实例，具体公园分布及相关空间数据如图1所示。

1.2 研究数据

1)地表温度与归一化植被指数提取。

本研究选取Landsat8多光谱波段遥感影像和热红外波段遥感影像作为基础数据，条带号为122-44，成像时间为2017年10月23日，云量为0.05%，成像条件较好。利用ENVI 5.1对影像进行辐射定标和大气校正，消除因大气散射造成的辐射误差。利用遥感影像第10波段，采用大气校正法反演得到研究区域地表温度(LST)，利用第4、5波段提取研究区域归一化植被指数(NDVI)。

2)公园与缓冲区参数提取。

本研究在深圳公园绿地分布矢量数据的基础上，结合Google Earth等高分辨率卫星影像，利用ArcGIS 10.3进一步识别案例公园内部的绿地和水体，统计案例公园整体及其内部绿地与水体的面积、周长、周长面积比、地表温度和归一化植被指数等参数。同时，分别对每一个案例公园设置100～800m、间隔为100m的缓冲区，提取各缓冲区内建成区的地表温度。

1.3 研究方法

1)特征参数选取。

过往研究表明，城市公园对热岛效应的缓解作用与公园面积等形态特征密切相关，同时也受到植被生长状况的强烈影响[9]。本研究选取面积、周长及周长面积比来体现公园的形态特征，选取NDVI表征公园的植被生长状况。为分别考察公园内绿地和水体对温度的影响，将以上参数进一步扩展为公园、绿地和水体3个层次，其中水体层次不包括NDVI参数。

图2 绿地NDVI平均值与公园内部温度的相关关系

图3 绿地周长面积比与公园内部温度的相关关系

利用ArcGIS 10.3计算各公园边界内部的LST平均值作为公园内部平均温度。为考察公园对周边缓冲区的降温效应，用各缓冲区内的平均温度减去公园内部平均温度作为累计降温，单位为℃；用800m缓冲区的累计降温与公园内部平均温度的比值作为总降温幅度，单位为%。

2)分析方法。

采用皮尔森相关系数进行相关性分析，分析过程利用SPSS 22.0完成。利用梯度差方法计算公园的降温范围，即依次求出各缓冲带平均温度值与内侧相邻缓冲带的平均温度值的差，并与对应缓冲带外缘距公园边界的距离进行曲线拟合分析。

2 城市公园削减热岛效应的因子分析

2.1 公园特征参数分析

本研究选取的40个城市公园形态特征、植被状况、内部温度和降温效果差异明显。面积最大的公园为龙城公园，面积达到182.92hm2，软件大厦社区公园面积最小，为5.01hm2；公园周长最大的是燕子岭公园，周长为13.68km，最小的是软件大厦社区公园，为1.05km；周长面积比最大的为儿童公园，最小的为莲花山公园。公园的植被覆盖状况各异，绿地的NDVI平均值差异较大，最大的为证券山公园，最小的为松坪山公园。公园内部平均温度范围为24.00～28.12℃，总降温幅度最大的为八仙岭公园，达到16.33%；最小的为名商高尔夫球会，仅为1.08%(表1)。

2.2 公园内部温度与公园特征参数的相关性

选取公园、绿地、水体的NDVI、周长、面积、周长面积比等参数，与公园内部平均温度进行相关性分析，结果如表2。

相关性分析表明，公园内部平均温度与公园NDVI平均值、绿地NDVI平均值及绿地面积呈显著负相关，与公园及绿地的周长面积比呈显著正相关。过往研究认为，公园面积越大则内部温度越低[9]，本研究聚焦于高密度建成区中的城市公园，所选取出的40个城市公园面积处于5.0～182.9hm2不等，根据研究所涉及的各项空间参数与公园内部温度的相关性，发现公园面积与公园内部温度的相关性不显著，但公园内绿地面积对其内部温度的影响较大，而水体对公园内部温度的影响则较小。

为进一步探讨公园内部温度与公园内绿地特征参数之间的关系，需进行函数拟合。绿地NDVI平均值与公园内部温度呈显著的负相关关系，拟合直线的决定系数R2为0.451 2。若绿地NDVI平均值上升0.1，地表温度有望下降0.894℃(图2)。公园内绿地的周长面积比与地表温度呈显著的正相关关系，且对数函数的拟合效果较好，决定系数R2达到0.434 4。随着绿地周长面积比的增加，公园内部温度上升的幅度逐渐减小(图3)。

表1 公园特征参数统计结果

表2 绿地NDVI平均值与公园内部温度的相关关系

图4 水体面积与缓冲区温度的相关关系

图5 3类公园参数比例关系(以荔枝公园为100计算)

2.3 缓冲区温度与公园特征参数的相关性

选取公园、绿地、水体的NDVI、周长、面积、周长面积比等参数，与100～800m缓冲区内的累计降温和总降温幅度进行相关性分析，结果如表3。

通过相关系数考察公园特征参数与缓冲区内累计降温的相关性，结果表明公园内水体面积与200～800m缓冲区累计降温以及总降温幅度显著相关，其他参数与缓冲区累计降温的相关性不显著。有研究认为，水体的降温效应明显，水体面积越大，降温效果越好[10]。本研究中公园水体的各项参数与公园内部温度的相关性不显著，但水体面积与缓冲区内的温度显著负相关，表明水体面积主要影响公园周边区域的温度。水体周长和周长面积比与累计降温和总降温幅度的相关性不显著，表明水体形状对公园周边的降温效果影响较小。

为进一步探讨公园周边降温效果与水体面积之间的关系，进行函数拟合。水体面积与公园总降温幅度呈显著的正相关关系，拟合直线的决定系数R2达到0.317 2。若水体面积提高10hm2，总降温幅度有望提高1%(图4)。

综上所述，本研究发现公园内部温度主要与公园NDVI、公园周长面积比、绿地NDVI、绿地面积、绿地周长面积比有关，而缓冲区温度主要与水体面积有关，造成这种现象的原因可能是公园形态、绿地植被等参数在较短距离上的降温效果较强，主要作用于公园内部，而在较大范围上的降温效果则弱于水体。

3 城市公园模式分类

公园的内部温度较低有利于游人舒适地游览和进行各项活动，而较大的降温范围则有利于改善微气候、缓解热岛效应，从而提高城市宜居性。根据各公园内部温度及降温范围的差异性，本文提出3种城市公园模式，并分别选取一处公园进行实证研究。第一种为周边效能最大型公园，即公园对周边地区的降温效应最大化，以立新湖公园为例；第二种为自身效能最大型公园，即公园内部的降温效果最大化，以莲花山公园为例；第三种为内外效能平衡型公园，即公园兼顾周边地区和内部的降温效果，以荔枝公园为例。3处公园的内部温度、降温范围和特征参数的比例关系如图5。

表3 公园特征参数与缓冲区内累计降温的相关性

图6 立新湖公园遥感图及对周边的降温范围

图7 莲花山公园遥感图及对周边的降温范围

图8 荔枝公园遥感图及对周边的降温范围

3.1 周边效能最大型公园

根据公园内部温度、降温距离与公园特征参数的相关关系，周边效能最大型公园应具有较大的水体面积。立新湖公园依托立新水库建设，水体面积达92.80hm2，降温范围为770m。公园内绿地NDVI平均值为0.66，绿地周长面积比为55.72，内部平均温度26.19℃，略高于选取的40个公园的平均值。立新湖公园水域面积较大，具有良好的区域降温效果，但公园内植被较少，内部温度相对较高。周边效能最大型公园的降温效果与水体形状关系较小，在城市建设中，可利用湖泊、水库等水体，顺应其自然形态建设公园绿地，在提高水体景观游憩价值的同时，能够有效降低周边地区的热岛效应，取得良好的环境效益。为获得较大的降温覆盖范围，在条件允许时，应尽量构建周边效能最大型公园组成的公园体系，通过严格保护自然水体，或在地势低洼处建设人工湖泊湿地的方式增加周边效能最大型公园的分布范围(图6)。

3.2 自身效能最大型公园

自身效能最大型公园具有绿地面积较大、NDVI平均值较高、周长面积比较小等特征。莲花山公园依托莲花山山体建设，公园边界形状较为简单，大部分区域为植被生长良好的绿地，绿地NDVI平均值为0.82，周长面积比为30.63。公园内部平均温度为24.91℃，在选取的40个公园中处于较低水平。公园内部有一处水体，即莲花湖，面积4.21hm2。公园降温范围相对较小，为200m。在深圳等高密度城市中，存在部分被建设用地包围挤压的中小型山体，或因道路布局等其他原因分割出形状较为规整的公园绿地，这些山体和绿地的周长面积比较小，适合建设成为自身效能最大型公园。为了创造舒适的公园内部热环境，应注重对原始植被的保护和恢复，同时对绿地进行合理布局和植被群落营造。在用地有限的情况下，将绿地集中布置，营造乔灌草搭配的植物群落，形成植被覆盖良好、形态连续完整的小生境，有利于提高土地利用效率，实现公园内部降温、生物多样性保护等多种生态环境效益(图7)。

3.3 内外效能平衡型公园

内外效能平衡型公园结合了以上2种类型的特点，具有较为适中的公园内部温度和降温范围。荔枝公园内部平均温度为25.89℃，降温范围为370m，介于立新湖公园和莲花山公园之间。公园整体结构为绿地环绕一处水体，绿地NDVI平均值为0.70，水体面积为9.72hm2。公园绿地的周长面积比较高，达到325.49，不利于内部温度的降低，但在多因素的共同作用下，仍维持较低的内部温度。荔枝公园是较为常见的城市公园类型，具有适中的绿地和水体面积，在内部温度较低的同时也具有一定的区域降温效果，具有较好的综合效益。在内外效能平衡型公园的设计中，应统筹考虑绿地和水体的布局。为获得良好的内部降温效果，可将部分绿地集中布置，减小周长面积比，适当提高植被郁闭度，水体则可利用剩余空间灵活布局，并达到一定的总面积以保证周边区域的降温效果(图8)。

4 结论

本文以深圳为例，基于遥感和GIS工具，通过分析公园、公园内绿地及公园内水体的各指标与地表温度的相关性，得出城市热岛效应缓解的关键因子、具体的相关关系以及基于热岛效应消减特征得出城市公园的模式分类。研究主要结论如下。

1)公园周长面积比、公园NDVI以及绿地面积、绿地周长面积比、绿地NDVI是影响公园内部温度的主要因子，其中公园和绿地的周长面积比与公园内部温度正相关，公园和绿地的NDVI、绿地面积与公园内部温度负相关。

2)水体面积是影响公园周边区域降温效果的主要因子，并与公园周边缓冲区的温度负相关。

3)公园面积和周长对于内部和周边温度的影响较小，不存在显著的相关关系。

4)根据各公园内部温度及降温范围的差异性，提出3种城市公园模式，分别是周边效能最大型公园、自身效能最大型公园、内外效能平衡型公园，并结合实际案例探讨了3类公园绿地和水体的空间结构组合。

由于方法所限，通过遥感反演和计算的地表温度、NDVI等参数仍存在误差，在以后的研究中，应结合实地调查和气象资料减小数据误差，并将更多影响城市公园降温作用的因子加入分析过程，以便更为准确细致地分析城市公园对热岛效应的缓解作用。

注：文中图片均由作者绘制。