城市绿色空间地表温度的时空演变特征
——以北京市六环内区域为例

樊柏青, 刘东云, 王思远, 穆罕默德·阿米尔·西迪基

(1.北京林业大学园林学院,北京 100083;2.东南大学建筑学院,江苏 南京 210096;3.天津大学建筑学院,天津 300272)

城市热岛(urban heat island, UHI)指的是在城镇化发展进程中,城区的温度高于城郊温度的现象[1-2],城市热岛效应是城市热环境变化的突出表现[3]。地表温度(land surface temperature, LST)作为常用于表征城市热环境研究的因子[4],其概念与反映局部近地面气候特点的小气候不同,它能够直观反映出城市地表热环境在宏观尺度上的连续分布状况,对于从城市空间结构和绿色空间格局尺度研究城市热环境、缓解城市热岛效应有重要意义。

绿地与绿色空间是风景园林和城市热环境领域的两个常见研究对象。目前学术界对于绿地的概念界定可分为狭义和广义两种。狭义的绿地即城市用地分类中的“G”大类,广义的绿地可等同于绿色空间[5],根据我国现有的城乡规划术语和规范,绿色空间可以被认为是在城市建设用地和非建设用地中,维持城乡区域环境的生态平衡、改善人居环境的生态空间[6-7],包括城市绿地、农林用地等。绿色空间是城市下垫面的重要组成部分,是缓解热岛效应的主要研究对象之一。研究表明,城市热环境的调节功能会随着农田、水体、城市绿地等绿色空间的减少而降低[8-9]。一些研究者利用遥感解译、实地观测、数值模拟等不同方式证实了城市绿色空间对热岛效应的缓解作用[10-11],张昌顺等[12]发现不同类型、不同植被群落结构的绿地降温效果存在差异;李延明等[13]在其研究中得出绿化覆盖率与地表温度呈负相关的结论,且绿化覆盖率达到30%时,降温效果更为明显;唐罗忠等[14]通过研究发现城市中林地、行道树、草坪的降温效果依次减弱;刘艳红等[15]利用CFD数值模拟法分析绿地格局与热环境的关系,发现城市楔状格局的绿地比起环状格局对城市热环境降温效果更好。

目前,单独针对绿色空间地表温度时空变化的定量研究较少,且缺少对于宏观尺度不同类型的城市绿色空间不变、转换、增加与损失4大类主要变化类型地表温度的定量分析。Landsat遥感影像作为常用于研究地表温度研究的数据,具有分辨率高、数据丰富、信息开源等特点[16]。本研究利用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术,计算1999、2005、2011、2017年北京市六环内区域4期地表温度,并对城市下垫面数据进行遥感解译,单独提取绿色空间部分的地表温度,对其时空演变特征进行总结,旨在发掘城市绿色空间演变与地表温度之间的关系,总结不同的绿色空间演变模式对于地表温度的影响,以进一步为缓解城市热岛效应的相关研究提供支撑,为缓解热岛效应视角下的绿色空间规划提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

北京市六环路(116°5′～116°42′E, 39°41′～40°10′N)周长188 km,环内面积约为2 267 km2。六环内区域是北京市的主要建设区域,包括较为集中的人口和产业。本研究从美国USGS网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)获取了1999、2005、2011、2017年每间隔6 a的北京市4期Landsat5 TM和Landsat8 OLI遥感影像数据,对其进行了剪裁、辐射定标、大气校正等预处理。鉴于绿地对地表温度的降温效果在夏季最显著[17],4期原始影像均取自当年的夏季(7月)。研究选取的遥感影像当日天气条件相似、日期相近,适合作为地表温度研究的原始数据。

1.2 地表温度反演及归一化处理

本研究的原始Landsat数据具有两个热红外波段,故可以采用单通道算法中的大气校正法进行地表温度反演[18]。

Landsat卫星搭载的传感器所接收到的辐射总值Lλ的计算公式为:

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑。

(1)

式中:ε为地表比辐射率,TS为地表真实温度,B(TS)为同温度下黑体热辐射亮度值。L↑是大气上行辐射亮度值,L↓是大气下行辐射亮度值,τ为大气热红外波段的透射率。这3个值是Landsat遥感影像数据的大气剖面信息。由辐射总值公式求得同温度下黑体热辐射亮度值B(TS)为:

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/τε。

(2)

地表比辐射率ε由Sobrino提出的NDVI阈值法[19]计算,根据像元二分模型法[20-21]计算植被覆盖度PV。

ε=0.004PV+0.986;

(3)

(4)

式中:INDVI是各年研究区域内的归一化植被指数;INDVI,soil是无植被或者裸地区域的植被覆盖度,INDVI,veg是地表覆被类型完全为植被的区域植被覆盖度。

计算地表真实温度TS:

(5)

式中:K1和K2分别为遥感影像的传感器校准常数,均可在传感器原始信息文件中查询。

为了排除气温等客观因素差异对地表温度反演结果的影响,对地表温度的计算结果进行了归一化处理[19],将其统一至[0,1]区间内。具体公式为:

(6)

式中:TnLS是栅格数据值中第i个像元的归一化地表温度值,TSi是第i个栅格像元的地表温度绝对值;TSmin是研究区地表温度绝对值的最小值;TSmax是研究区地表温度绝对值的最大值。

为排除各年气温差异等客观因素的影响,研究地表温度的相对变化值,采用归一化地表温度的差值△TnLS作为判断因子,计算公式为:

△TnLS=TnLS,n+1-TnLS,n。

(7)

式中:TnLS,n+1为后置年份的归一化地表温度值,TnLS,n为前置年份的归一化地表温度值。

1.3 土地覆被分类

本研究将城市绿色空间界定为在城市中具有一定生态、游憩和生产功能的自然或人工绿地、水体等空间,主要涵盖城市绿地、耕地、水域、以及其他绿色空间。其中,根据风景园林学的研究内涵,城市绿地主要包括CJJT 85—2017《城市绿地分类标准》中的各类绿地,包括公园绿地、防护绿地、广场用地、附属绿地和区域绿地。其他绿色空间还包括高尔夫球场、除耕地之外的其他农林用地等。

根据以上描述,使用Landsat遥感数据作为原始数据,利用Ecognition平台对1999、2005、2011、2017年4期遥感影像进行监督分类,结合地物实际情况,将研究区域的下垫面分为林地、草地、耕地、休耕耕地、水域、不透水面、裸地。其中,林地、草地、耕地和水域共同构成了城市绿色空间的全部范围。

1.4 统计分析

在ArcGIS 10.2平台中将4期土地利用数据的各类用地分别编号为1～7,并利用叠置分析公式ix=LSn×10+LSn+1计算下垫面覆被类型变化情况。其中:ix为研究区内第x个像元的土地利用变化情况,LSn为前一年某一地类的土地利用类型编号,LSn的取值根据土地利用的地类分类有所差异。本研究中编号1～7分别对应林地、草地、耕地、休耕耕地、水域、不透水面、裸地。LSn+1为后一年某一地类的土地利用编号,由此得出土地利用变化结果,例如叠置后得到的ix为11则代表林地在两个年份间未发生改变,若为12则代表林地向草地转换[20]。另外,使用栅格计算器、分区统计等工具计算并提取研究区各下垫面覆被类型的地表温度值,具体技术路线见图1。

2 结果与分析

2.1 北京六环内区域绿色空间的地表温度分布规律

在得到北京六环内地表温度反演结果后,为验证其可靠性,从北京市气象局获取了历史逐日温度数据,数据观测点位于亦庄地区的观象台(站点编号54511,该站点是北京地区最具代表性的站点,观测时间最长,适用于长时间序列的研究中)。在ENVI5.3平台下,计算位于在原始Landsat影像成像当日的地表温度反演值(表1),并与观象台实测的温度数据进行相关性分析,得出二者的皮尔逊(Pearson)相关系数为0.78,相关性较为显著,可认为地表温度的反演结果可靠性较高。

表1 北京4期地表温度反演数据与观象台实测温度

分别计算1999、2005、2011、2017年北京六环内归一化地表温度值,发现不同下垫面地表温度具有一定差异(表2),各年平均值从高至低分别为不透水面(0.487)、裸地(0.472)、休耕耕地(0.458)、草地(0.346)、水域(0.302)、林地(0.314)、耕地(0.292)。不同土地覆被类型的绿色空间其地表温度也有所不同,如耕地一般位于城市边缘地带,受到城市建筑和人为热的影响较小,故其地表温度较低。而对于中心城区的绿色空间,例如一些植被较为丰富的城市公园,其地表温度会比浅山区自然绿地的略高,如位于浅山区的西山国家森林公园2017年其地表温度为34.21 ℃,而位于城市建成区的南海子郊野公园的地表温度则为35.66 ℃。

表2 北京不同绿色空间1999、2005、2011、2017年归一化地表温度值

参考已有的研究[21],将归一化后的结果划分为特低温至特高温7个等级。对于城市绿色空间部分的地表温度而言,其温度区间多分布于低温至中温之间(图2,表3),与城市绿色空间的降温特性相符。

表3 北京六环内区域绿色空间1999、2005、2011、2017年归一化地表温度分析统计

图2 北京六环内区域绿色空间4期地表温度归一化结果Fig. 2 Surface temperature normalization results of the green space within the Sixth Ring Road in Beijing in 1999,2005,2011,2017

由图2和表3可知,特低温在1999年占比最高,为16.45%,在空间上主要集中在五环与六环之间的耕地区域,具体为京密引水渠北侧至京新高速南侧区域、京哈高速南侧至京沪高速北侧区域;至2005年,特低温比例降低为8.16%,此时部分耕地由于城市建设有所减少,耕地部分的地表温度整体表现出明显的升高。2005年五六环之间休耕的部分农田重新恢复耕作,特低温和低温区域主要集中于此,具体为朝阳区首都国际机场周边区域、北六环路南侧至温榆河北侧区域;2011—2017年,特低温比例均降至2%以下。低温区域在4期内于39.88%～41.29%之间波动,呈现出较为稳定的变化趋势。较低温区域则从1999年的34.88%和2005年的37.56%,升至2011、2017年的44.48%和40.49%。低温和较低温区域的绿色空间多集中于五环与六环之间,永定河沿岸绿色空间的增加、耕地的恢复耕作以及五环内城市绿地的建设,是导致这种变化的主要原因。18年间中温区域在6.59%(1999年)～15.93%(2017年)之间波动。空间上,中温区域主要分布在五环内的城市建设用地内,以中小斑块为主。地表温度的变化主要与小斑块绿色空间面积的变化呈正相关。例如:1999年,由于五环内的绿地较少,此阶段的中温区域占比较少,为6.59%;至2005年,五环内绿地开始增加,中温区域的绿色空间比例增加,为14.27%;至2011年,五环内不透水面的建设侵占了部分绿色空间,导致其中温区域减少为8.25%;到2017年,由于“留白增绿”措施的实施与城市绿地建设的推进,使得城区内小斑块的绿色空间增加,中温区域的比例也增加至15.93%。

2.2 北京市六环内区域绿色空间地表温度的时空演变特征

2.2.1 绿色空间的年变化特征

对北京市六环内区域自1999、2005、2011、2017年的下垫面土地利用类型和绿色空间分别统计,并计算其年变化情况。将绿色空间的变化与转移类型分为:不变、交换、增加、损失(图3)。

图3 1999—2017年北京六环内区域4个时期绿色空间转换类型空间分布Fig. 3 Spatial distribution of green space conversion types within the Sixth Ring Road during 1999—2017

1999—2017年间,北京市六环内区域下垫面中的各类面积分别产生了一定变化(图4),绿色空间总共转出(减少)227.09 km2。此外,其他用地类型中,休耕耕地共转出157.76 km2,不透水面共转入(增加)361.5 km2,裸地共转入32.1 km2。

图4 1999—2017年北京市六环内区域绿色空间转换结果的空间分布Fig. 4 Spatial distribution of green space transformation results within the Sixth Ring Road of Beijing during 1999—2017

1999—2017年间,综合绿色空间交换、增加、损失部分,林地变化总值(转出)为91.75 km2,虽然不透水面、裸地、休耕耕地均有一定量转入林地,但总体看,林地部分主要转为不透水面,共131.41 km2,且呈小面积片状均匀分布于五环与六环之间,以及四环与五环的南部区域。对于绿色空间转换量,耕地对林地转换的贡献量为34.40 km2,主要集中在五环外区域。叠加绿色空间增加值后,休耕耕地及裸地对林地有所补充。

草地总共转入73.87 km2,其与不透水面的相互转换量基本持平,林地和耕地对草地面积的转入贡献最大,叠加草地对二者的转换量后,分别为21.38和24.70 km2。

耕地总共转出184.34 km2,其中,耕地转为不透水面最多,在18年间城市的不断扩张中,城市建成区之外的耕地逐步因城市建设需要转为不透水面,空间上主要分布于五环与六环之间的区域,且表现为东南方向的台湖镇、黑庄户地区、北京市经济技术开发区和西北方向的西北旺、沙河、上庄地区最为集中。

水域总共转出24.86 km2。其中,主要转为不透水面的最多,相互抵消后的转换量为20.62 km2,空间分布上除集中在古城街道之外,其余损失部分多为五环与六环之间耕地区域内的鱼塘。

2.2.2 绿色空间转换类型的地表温度变化

对不同绿色空间之间的相互转换分析可知,18年间仅草地转为林地、耕地、水域的△TnLS为负(表4),其归一化地表温度降低,表明其他绿色空间的降温效益远优于草地。林地、耕地、水域转为其他绿色空间类型的地表温度均有不同程度的升高。1999—2017年增加的绿色空间其归一化地表温度均表现为降温,表明城市不透水地表转为绿色空间的结果均导致了地表温度的降低。

表4 1999—2017年北京六环内区域绿色空间转换及地表温度变化

所有绿色空间损失转换为其他几类用地的归一化地表温度均有一定程度的升高,其中变化值最大的为耕地转为不透水面的区域,其△TnLS为0.195,变化最小的为草地转换为休耕耕地,其△TnLS为0.075。对于绿色空间未产生变化的部分,其归一化地表温度亦表现出一定程度的升高,但其△TnLS的值均未超过0.01,其中,耕地的△TnLS变化最大,为0.08,草地最少,为0.009。绿色空间交换、增加、损失和不变的△TnLS均值分别为0.059、-0.147、0.143和0.048。

3 讨 论

分析研究区域内7种不同的城市下垫面(林地、草地、耕地、水域、休耕耕地、不透水面、裸地)各年的地表温度可知,绿色空间均表现出一定的降温特性,其余下垫面则表现出升温特性。下垫面组分的不同是造成城市地表温度差异的主要原因之一。耕地由于所处位置远离城市主要建设区域,其地表温度呈现出较低水平。1999—2017年间,北京六环以内绿色空间在空间分布上发生了一定程度的变化,总体转出227.09 km2。其中,除草地的面积有所转入之外,其他3类绿色空间均呈现转出的趋势,且转为不透水面的比例最高,由于城市的不断扩张建设,原本的绿色空间被侵占,导致城市下垫面组分的改变,并带来地表温度的升高以及城市热岛现象的加剧。绿色空间的时空演变导致了其地表温度的变化,其中,绿色空间的增加带来了地表温度的降低,对归一化地表温度而言,其变化值为0.147,绿色空间的交换、损失以及不变部分则表现出不同程度的升温。其中,绿色空间不变的部分的变化值最小,为0.048,由于城市化进程的推进,即使部分绿色空间保持不变,但其周边的城市结构和下垫面的变化、人为活动的不断累积会导致其归一化地表温度的升高。绿色空间的损失对归一化地表温度升高的贡献大于绿色空间交换的部分。对于绿色空间交换的部分,除草地转为其他几类绿色空间会带来降温效应之外,其余的转换类型则呈现一定的升温作用。

在北京市“留白增绿”的背景下,从缓解城市热岛、创造更加适宜的人居环境角度,可对未来城市绿色空间规划提出以下建议:

1)增加绿地面积、合理优化其布局与结构。基于本研究的分析结果,大面积的绿地斑块,其地表温度较低,降温效益较好,在兼顾城市建设的前提下,合理布局城市绿地,实现城市绿地的集约化利用,有利于对城市热岛效应的缓解。

2)保护永久基本农田区域。城市中的农田为绿色空间的重要组成部分,是城乡空间中兼具生产和生态效益的土地。耕地的地表温度呈现出较低水平,保护永久基本农田不被城市建设区域侵占,有利于形成城郊之间的绿化隔离带,对热岛效应有一定的缓解作用。

3)转换草地为其他绿色空间类型。本研究表明,城市绿色空间中,草地的地表温度呈现出较高水平,这与草地单一的植被结构造成的降温增湿效应较为有限有关,未来可将高尔夫球场等规划成为城市公园,在存量更新的前提下,创造生态效益更优的城市绿色空间,以降低由城市热岛现象导致的地表温度的升高。

未来,除对城市建设区域的地表温度进行宏观尺度的研究外,还可进一步结合中观与微观层面城市热环境的监测,以形成多尺度、多维度的地表温度研究机制,增加地表温度研究的层级,为后续的研究提供更多元化的依据。