赵松婷， 李新宇， 刘秀萍， 许蕊

(北京市园林绿化科学研究院/园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室/北京城市生态系统定位监测研究站， 北京 100102)

伴随快速的城市化进程，北京城市内部土地利用空间冲突、资源短缺和环境污染等一系列问题日益凸显，热岛效应呈现快速的动态变化[1]，城市核心区相关问题尤为严重。大量研究表明近20年来北京市夏季均表现出城市热岛现象，且高温区域面积逐年上升，高温区域数量增多[2-5]，首都功能核心区城市热岛现象尤为明显，中温斑块面积占比最大[6]。

城市热岛与高温热浪威胁当代人类的生活与健康，基于自然的解决方案不仅能够有效应对社会风险挑战、提升人类福祉，还有助于生物多样性保护与区域可持续发展[7]。近年来，中外学者对不同类型城市绿地缓解城市热环境效应做了大量研究，Hamada等[8]研究了城市周边区域绿地冷岛效应的季节变化特征；Sun等[9]对城市中的湿地产生的冷岛效应进行了分析；武小钢等[10]、冯悦怡等[11]、纪鹏等[12]、张波等[13]也研究了城市绿地与城市热岛的关系，研究结果均表明绿地有一定的缓解热岛效应能力，其中大面积城市绿地对缓解热岛效应作用显著[14]。

以往研究多集中在大尺度、大规模城市绿地缓解热岛效应的研究，采用的数据源多为地面监测或者遥感监测，数据源单一，针对在城市土地资源紧张且热岛强度较高的首都功能核心区新建的小型城市森林公园缓解城市热岛效应的定量化研究还鲜有涉及，目前该类型的公园从建设到养护以及缓解核心区热岛效应到底能发挥多大作用都是空白点，因此亟需针对该类小型城市森林公园发挥的缓解城市热岛效应进行定量化研究，为市民出行提供科学依据。

因此，现利用遥感影像进行地温反演，同时结合长期定点监测空气温湿度，分析城市森林公园内及对周边的冷岛效应，以期为热岛效应显著的首都功能核心区内小型绿地的规划、建设提供理论和技术支撑。

1 研究区域概况

广阳谷城市森林公园位于首都功能核心区内，是第一个位于核心区疏解腾退后新建的城市森林公园。2017年开始建设，占地4.7 hm2，是首都功能核心区内最大的城市森林公园。该公园的规划体现了“城市森林”的新理念，在植物选择方面是以乡土树种为特色的自然森林群落结构。

2 实施方案

2.1 公园内、外温度测定

2.1.1 数据来源与处理

采用纽扣式温湿度感应器(上海沃第森电子科技有限公司)，每小时记录一次数据，可以全天候24 h监测，其温度的测量精度为±0.5 ℃，可以保证观测数据的准确度。整理分析所记录数据的日、月变化情况。

2.1.2 研究方法

野外辅助监测点选在公园内8个监测点，公园外1个对照点，主要在2018年11月—2019年10月期间完成城市森林公园内及对照点的温湿度测定。监测点温度的测量采用纽扣式温湿度感应器，每小时记录一次数据，可以全天候24 h监测，其温度的测量精度为±0.5 ℃，可以确保观测数据的准确性。

2.2 地表亮温反演

2.2.1 数据来源与处理

选择中尺度的 Landsat8 OLI_TIRS卫星影像作为本次研究的数据源(轨道号为 123 /32)，如表1所示， 数据下载于地理空间数据云平台，选择云量低于10%的夏季遥感影像，利用ENVI软件对其进行辐射定标、大气校正、裁剪等数据预处理。

2.2.2 研究方法

地面亮温数据是利用单通道算法[15]对Landsat-8 的热红外波段数据反演得到的。为了更科学地比较不同时期研究区域的地表温度数据，利用极差标准化方法对其进行处理[16]，并把热场划分为5个等级(表2)。

(1)

式(1)中：TR为第i个像元标准化后的值；Ti为区域内第i点亮温；Tmin为研究区域的亮温最小值；Tmax为研究区域的亮温最大值。

表2 热场等级划分Table 2 Classification of thermal field

表1 不同时期遥感数据信息Table 1 The remote sensing data in different periods

3 结果与分析

3.1 公园绿地冷岛效应分析

从表3和图1可以看出，广阳谷城市森林公园建成后，在100 m范围内，对周边温度的降低效果有一定作用，周边温度基本与公园温度一致，相比建成前，2017年和2019年广阳谷城市森林公园在100 m缓冲范围内，热岛区域占研究区面积分别减少了4.83%和1.38%。在缓冲区达到150 m范围时，城市公园绿地对周边温度的影响开始减弱。从缓冲区200 m范围至缓冲区500 m，热岛区域占比呈逐年递增状态。这与肖逸等[17]在研究南京市52个社区公园对于城市热岛缓解作用结果相似。

表3 广阳谷城市森林公园绿地冷岛分布信息统计Table 3 The distribution of cool island in Guangyanggu urban forest park

地表温度反演结果(表4)显示：广阳谷城市森林公园100 m缓冲范围内2014年、2017年和2019年3年地表平均温度为36.67、51.1、51.13 ℃，核心区(东城区和西城区)3年地表平均温度为36.67、51.82、52.28 ℃， 2017年和2019年其100 m缓冲区范围内的地表平均温度比核心区分别降低了0.72 ℃和1.15 ℃，2017—2019年相比2014—2017年公园100 m缓冲区范围内的平均温度增长率下降了38.9%，这说明广阳谷城市森林公园一期、二期建成以来，充分发挥了其冷岛的作用。

3.2 城市森林公园内监测点平均值与对照点温湿度月变化

11月到次年10月，城市森林公园绿地内温度及对照点温度随时间大体呈下降-上升-下降的变化趋势(图2)，7月达到最高值，12月最低，3—8月森林公园内各点的温度平均比对照点低0.67 ℃。相对湿度呈先下降再上升的变化趋势(图3)，12月到次年5月相对湿度较低，在植物开始生长活动时逐渐升高，8月达到最高值，在3月、4月、6月和7月公园内各点的湿度均比对照点高，平均高1.82%。这表明一年中植物在生长阶段发挥着降温增湿的作用。这与吴菲等[18]研究北京市6种下垫面不同季节温湿度变化的结果一致，夏季绿地比铺装温度低0.8～4.1 ℃。王行等[19]在研究北京城市副中心绿地降温增湿效应时也得出类似结论。

表4 广阳谷城市森林公园100 m缓冲范围内及 核心区地表温度反演结果统计Table 4 The retrieving land surface temperature of forest park in 100 m buffer range and core area in city

图1 北京广阳谷城市森林公园不同缓冲区内热岛强度分布Fig.1 Distribution of heat island intensity in different buffer zones in Guangyanggu Urban Forest Park

图2 公园内监测点平均温度与对照对比Fig.2 The temperature comparision between monitoring point in forest park and control point

图3 公园内监测点平均湿度与对照对比Fig.3 The humidity comparision between monitoring point in forest park and control point

3.3 城市森林公园内监测点与对照点温湿度日变化

森林公园内部及对照点的温度随时间呈现下降-上升-下降的变化趋势(图4)，在14: 00 左右达到全天的最高温度。在10:00—17:00这段时间，公园内各个测点的温度均低于对照点，平均低1.65 ℃，且在13: 00 左右达到最大差值。随着太阳辐射的增强，对照点迅速升温，公园内各监测点由于乔木树冠的遮挡，内部温度变化幅度不如对照点，这表明在10:00—17:00，公园内绿地具有明显的降温作用。

森林公园内部及对照点的相对湿度在一天中呈现上升-下降-上升的变化趋势(图5)，随着温度的升高相对湿度逐渐降低，且在14: 00 左右群落温度达到最大值时，相对湿度最小。随着太阳辐射的增强，对照点湿度迅速下降，各样地由于树冠的遮挡以及植物的蒸腾作用，公园内部湿度增加，在10:00—17:00这段时间，公园内部湿度高于对照点，公园内部各测点平均湿度比对照点高2.68%，森林公园发挥着明显的增湿作用，在 18:00 以后，对照点相对湿度高于公园内部，这是由于晚上外界温度急剧降低，湿度相应升高，同时，公园内植物群落的蒸腾作用减弱，散发出的水分减少，因此公园内部湿度逐渐降低，直到低于对照点，到次日10:00左右绿地重新发挥增湿作用。

图4 公园内监测点平均温度与对照对比Fig.4 The temperature comparision between monitoring point in forest park and control point

图5 公园内监测点平均湿度与对照对比Fig.5 The humidity comparision between monitoring point in forest park and control point

4 结论

与以往研究不同，本文研究基于卫星遥感影像数据研究了城市森林公园的冷岛效应，并结合地面24 h监测数据进行了验证，充分证明了广阳谷城市森林公园在首都功能核心区这一特殊地理位置发挥着降温增湿的作用。

(1)2017年和2019年广阳谷城市森林公园在100 m缓冲范围内，热岛区域占比分别减少了4.83%和1.38%，地表平均温度比核心区分别降低了0.72 ℃和1.15 ℃，说明广阳谷城市森林公园建成以来，在100 m范围内发挥了其冷岛的作用。

(2)3月到8月公园内各点的温度均比对照点低，平均低0.67 ℃，在3月、4月、6月和7月公园内各点的湿度均比对照点高，平均高1.82%。

(3)在一天内10：00—17：00这段时间，公园内各个监测点的温度均低于对照点，平均低1.65 ℃，公园内部的相对湿度平均比对照点高2.68%，说明公园在这个时间段发挥着降温增湿作用。

以上结果表明城市森林公园面积虽小，但对周边冷岛效应显著，今后在城市土地资源紧张且 热岛强度较高的首都功能核心区应充分利用拆违、废弃地和边角地等，采取“挖潜增绿、见缝插绿”的方式，进行公园绿地建设，充分发挥其冷岛作用，以缓解城市热岛效应。