城市绿地对缓解沿海城市热环...究——以大连市中心城区为例_王楠.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：王楠（），女，硕士研究生，研究方向为城市生态遥感应用。通讯作者：王权明（），男，博士，正高级工程师，主要从事海洋资源环境管理、海洋空间规划和海洋生态修复等研究。城市绿地对缓解沿海城市热环境效应研究城市绿地对缓解沿海城市热环境效应研究 以大连市中心城区为例以大连市中心城区为例王 楠，王权明（辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 ；国家海洋环境检测中心，辽宁 大连 ）摘要：采用大连市中心城区 年期 系列影像，结合景观指数、相对地表温度指数，探讨城市绿地对缓解热环境的效益。结果表明：研究区热环境呈不断上升趋势，由 年的 上升至 年的 ，其中 年间升温幅度最大；年大面积低覆盖度林地演变为高覆盖度林地，各类型绿地降温效果由高到低依次为：高覆盖度林地高覆盖度草地低覆盖度林地低覆盖度草地；绿地的 与低覆盖度林地的 指数与热环境呈显著负相关。研究可为构建绿色城市提供一定的参考。关键词：城市绿地；植被覆盖度；城市热环境；景观指数中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：，；，：；：；引言当前，我国正处于快速城市化阶段，截至 年我国城镇化率已达到 ，已超过世界平均水平。巨量的城市人口推动经济快速发展，随着我国城市化进程的持续，沿海地区经济呈跨越式发展，以城市扩张为代表的经济增长模式极大地改变了城市地区原有的生态环境，包括植被丧失、生物多样性退化、地表和大气温度变化、污染以及其他生态系统服务损失。其中城市化引发的热环境问题受到空前重视，城市极端天气现象频发，因此如何缓解城市热环境成为已成为众多学者的关注热点。DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.005王楠，等：城市绿地对缓解沿海城市热环境效应研究生态文明建设：自然与生态城市绿地空间在碳储量领域、减少空气污染和调节局部气候，改善人类生存环境，提高人类福祉等多方面领域都具有重要研究价值。国内外学者从城市土地利用土地覆盖（）变化、城市空间形态、城市建筑密度 等方面探讨了城市地表温度的影响因素和控制措施。此外，绿色植物通过光合作用、蒸腾作用和蒸散作用降低局部温度，形成冷岛效 应，并 通 过 对 流 扩 散 对 周 围 环 境 产 生 降 温 作用，。城市绿地内部指标在冷岛效应研究领域一直占据重要位置，绿地的降温效应主要受绿地斑块数量和空间特征因素的影响，如斑块面积、冠层密度、斑块形状、景观结构等，。赵芮等 发现在景观配置中，公园内植物和水体的组合相比于不透水表面与植物的组合及不透水表面与水体的组合能产生更好的降温效应。杨丽萍等 发现不同土地利用类型地表温度表现为：水体林地草地盐碱地裸地的格局，呈现以绿洲为中心的“冷岛效应”分布模式。花利忠等 依托景观生态学角度，发现公园冷岛强度（）由公园绿地面积、公园建筑面积和面积周长形状指数（）、公园形状复杂度决定。等 发现绿地面积、群落结构和景观格局对降温效果有不同的影响，如形状简单聚集、斑块密度低的绿色基础设施（）具有较好的冷却强度，在建筑密集区中 的冷却效果更为显著。综上所述，前人对城市绿地内部指标对缓解城市热岛效应展开了一定的研究，本文通过探究大连市中心城区长时间序列城市热环境及绿地演变，揭示城市绿地在缓解城市热环境中的贡献，从而为缓解热岛效应策略及生态宜居城市绿化建设提供一定的科学支持。数据源 研究区概况大连市地处辽东半岛最南端，三面环海，位于北纬 ，东经 之间，具有温带半湿润大陆性季风气候，是中国东部沿海重要的经济、贸易、港口、工业、旅游城市。本文为探究城市绿地空间对经济中心城区的影响，采用中山区、西岗区、沙河口区、甘井子区、旅顺口区个中心城区，总面积为 ；其中沙河口区居住人口密度最高达 人，建筑密度较高；研究区域内主要植被类型为林地，植被区域较为集中，地貌类型以丘陵为主。随着近些年中心城区不断新建城市工业园区、完善城市功能，城市热岛现象日益显著。数据源本研究采用美国地质调查局（，；：）下载的遥 感 图 像，分 别 为 年、年、年、年、年影像，选择植被生长较旺盛的 月份 系列影像求取当年夏季平均地表温度值，共计 景，路径行号为 ，云量小于，以便减少由海洋气候环境引起的误差，在 环境下进行辐射定标和大气校正。依据中国土地资源分类体系标准，结合土地利用实际情况、地图、地图册和行政区划界线图作为辅助参考，采用中科院土地用类型分类 数据，分类依据如表所示，将其重分类划分为种类型城市绿地，分别为：高覆盖度林地、低覆盖度林地、高覆盖度草地、低覆盖度草地。后利用 软件对城市热环境和城市绿地演变进行空间统计分析。表土地利用类型分类数据耕地水田、旱田高覆盖度林地郁闭度 的天然林、人工林、矮林地、灌丛林地低覆盖度林地郁闭度为 的林地、苗圃、果园高覆盖度草地指覆盖度 的天然草地、改良草地和割草地低覆盖度草地指覆盖度在 的天然草地和改良草地水体河渠、湖泊、水库坑塘、滩涂、滩地建筑用地城镇用地、其他建设用地裸地沙地、裸地、裸岩地、其他 研究方法 陆地地表温度反演本研 究 基 于 、卫星数据影像采用辐射传递方程反演地表温度。根据辐射传输方程原理，将卫星传感器观测到的辐射总量减去大气对热环境影响，得到地表热辐射强度，后转化为相应地表温度。本研究在 平台中对遥感影像进行辐射定标和大气校正预处理，后获得热辐射强度（），然后，从 （：）网站中获取了大气向上辐亮度（）、向下辐亮度（）和透射率（）。有了这四个参数，在给定地表辐射率（）的情况下，可以通过式（）计算出式（）中的黑体在热红外波段的辐射亮度（）。通过式（）直接计算 地表温度（）。（）（）（）式（）中，为卫星传感器接收到的地表热辐射强度，（）为地表辐射强度，为给定的地表辐射率，为地表温度，为大气透射率。通过式（）计算（）：（）（）（）因此，可以通过式（）计算 ：（）（）式（）中：（）数 据 （），（）；数据 （年 月绿 色 科 技（）第 期），（）；数据 （），（）。冷却量化指数本文基于平均相对地表温度指数（），探究研究区城市绿地空间对平均地表温度的影响，及长时间序列中城市绿地对地表温度的影响。相对地表温度指数通过各绿地像元地表温度与平均地表温度差值计算得出，公式为：（）式（）中，表示绿地类型的像元的相对地表温度，若大于，则表示绿地类型的像元对研究区热环境形成增温效应；若小于，则表示绿地类型的像元对研究区热环境形成降温效应；表示绿地类型的像元的相对地表温度；表示平均地表温度值。城市绿地景观指数选取依据研究区城市绿地分布规律，从景观指数上选取：面积指标（）、蔓延度指标（）、连通性指标（）、多样性指标（）个指标；从类型指数上选取：景观组分指标（）、形状指标（）、聚集度指标（）、斑块结合度（）个指标，提取研究区各时间段绿地空间，将结果导入 进行景观指数运算。结果与分析 城市热环境时空演变分析本研究采用辐射传输方程方法，得到 年间大连市中心城区平均地表温度专题图，如图、表所示。随着研究区城市化进程的持续，研究期间平均地表温度呈明显上升趋势，夏季平均地表温度 由 年 的 上 涨 至 年 的 ，低于 区域持续减少。研究区内以沙河口区、西岗区、中山区及甘井子区的东侧地区组成的东侧主城区与旅顺口区的西部主城区呈现逐渐联通趋势，内部小面积绿地逐渐被城建区吞没；研究区为典型的丘陵地形，城镇建成区对甘井子西南侧林区形成围拢及渗透态势。由于研究区城镇用地逐渐扩张，研究期间高于 逐渐增加，高于 主要集中于甘井子区东部及西岗区、沙河口区部分商业区域。年研究区温度呈骤升趋势，高于 区域显著增多，城市建成区呈全方位蔓延态势。综上所述，经过长时间序列演变，研究区城市高温区呈连通趋势，低温区逐渐消失殆尽。图研究区平均地表温度（年）为进一步揭示城市绿地对缓解热环境的效益，对地表温度专题图进行了分类、分区与比较。从表可以看 出，沙 河 口 区 平 均 温 度 明 显 高 于 其 他 区 域，年 温 度 分 别 为，、；西岗区平均地表温度次之；其主要因素为沙河口区、西岗区面积低于其他区，且建筑密度较大，交通网络密集，致使平均地表温度居高不下；而中山区、甘井子区、旅顺口区都存在明显绿地，其中中山区涵盖占地面积 的森林动物园，甘井子区西南部、旅顺口区东部涵盖西郊国家森林公园等大面积林地，提供了显著的降温效果。直至 年间城镇建成区面积由 王楠，等：城市绿地对缓解沿海城市热环境效应研究生态文明建设：自然与生态年的 增为 年的 ，致使区平均温度值趋于均衡。表研究区平均地表温度（年）年份甘井子区中山区西岗区沙河口区旅顺口区研究区 城市绿地时空演变及降温效果分析对种土地利用类型执行分区统计，将数据进行可视化分析，如图、图所示。研究区内林地、耕地、建筑用地占地面积较大，水体、草地及裸地较少；其中耕地 占 比 由 年 增 加 至 年 的 ，又减少至 年的 。高覆盖度林地由 年的 增加至 年的 后逐渐趋于稳定。低覆盖林地由 年的 骤降至 年的 后逐渐趋于稳定，其为低覆盖林地向高覆盖林地的演化。建设用地面积呈逐年上升趋势，研究期间增幅为 ，研究区城市化建设强度较大。草地所占面积比例较小，但呈现逐年上涨趋势。总体来看城镇建成区呈全面蔓延趋势，破碎图研究区土地利用类型演变（年）图基于景观指数的绿地分类景观特征 年 月绿 色 科 技（）第 期度逐渐变小；城市绿地逐年减少，破碎度逐渐变大；城市热岛现象逐年增强，其中 年尤为显著。通过计算相对地表温度指数（），将不同类型的城市绿地降温效果进行对比分析，各土地利用类型温度值呈逐年上升趋势，年间升温最为显著。如图所示，建设用地为研究区主要热源，增温范围在 之间，高覆盖林地及高覆盖草地降温效果较为明显，降温范围在 之间，平均地表温度始终低于其他类型绿地。各类型绿地降温效果由高到低依次为：高覆盖度林地高覆盖度草地低覆盖度林地低覆盖度草地，降温效果与绿地覆盖度呈较大相关性，覆盖度越高降温效果越明显。图不同类型绿地降温效果（年）城市绿地景观指数与热环境相关性分析为了进一步分析城市绿地在景观方面对降温效果带来的影响，从景观生态学角度，基于研究区城市绿地形态，空间分布等景观特征进行分析。进一步提取了 年城市绿地空间，将结果导入 ，计算个景观指标，结果见表、图。表基于景观指数的绿地整体景观特征景观指数 年 年 年 年 年面积指标 蔓延度指标 连通性指标 多样性指标 研究期间，大连市中心城区城市绿地面积呈逐年下降趋势，年间降幅最大，绿地损耗较高。城市绿地空间香农多样性指数由 年的 下降至 ，景观异质性下降较少，各绿地类型分布趋于均衡。但城市绿地空间的蔓延趋势逐年增强，表明存在某种优势绿地斑块在演变过程中形成了良好的连接性。从类型指数来看，如图 所示，年间，高覆盖度林地景观组分指标上升较为显著，低覆盖林地景观组分指标及形状指标都有一定下降，其为甘井子南部附近低覆盖度林地大范围演化为高覆盖度林地，使林地优势度日益增强。年间，部分低覆盖度草地转换为高覆盖度草地，但仍属于弱势组成部分。综上所述，研究区城市绿地经过长时间序列演变，绿地面积不断下降，绿地整体蔓延度略有提升，各类型绿地斑块的结合度、聚集度始终较高，表明研究区绿地分布较为集中，绿地演变总体趋于平稳。为进一步探究研究区城市绿地空间不同尺度下的景观指数与平均地表温度的相关性，将二者导入 软件，计算皮尔森系数，结果如表、表所示。表绿地整体景观指数与相对热岛强度相关性分析相关性指数 基于整体景观指数分析，城市绿地空间的香农多样性指数 与平均地表温度之间呈负相关趋势，皮尔森系数为 ，表明绿地种类越多，对缓解研究区热环境越有益；表明在研究区长时间序列热环境王楠，等：城市绿地对缓解沿海城市热环境效应研究生态文明建设：自然与生态表绿地分类景观指数与相对热岛强度相关性分析相关性系数 高覆盖度林地 低覆盖度林地 低覆盖度草地 演变过程中，绿色空间的多样性特征对调节城市热环境较为有益。基于分类景观指数分析，低覆盖度林地的优势度 与平均地表温度之间呈负相关关系，皮尔森系数为 ，表明保持低覆盖度林地在绿地中的优势度有利于缓解城市热环境；各城市绿地的聚集度指标 与平