公园景观空间结构对城市热环影响.docx

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公园景观空间结构对城市热环影响

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城市公园景观空间结构对城市热环境的影响

——以郑州市为例

摘要

城市热岛效应（UrbanHeatIsland）是市中心平均温度比外围郊区温度高的一种局部的小气候现象，成为市区典型的气候特点，且它给人类的身体健康和生活带来了许多的危害。

本文选取郑州的8个代表性公园为研究样本，从城市公园的内部景观结构、斑块形态与空间布局这3个方面出发研究，探讨城市的公园景观空间结构对公园，公园周边区域热环境效应的影响。

结果显示：

在一定距离内，公园周围的温度随其与边界距离的扩大而提高；公园“冷岛”效应的范围和公园的绿地、水域面积关系密切；斑块形态方面，公园的内部气温随绿地斑块形状的复杂化逐渐降低，“冷岛”效应范围也随公园绿地斑块形态的复杂化而扩大，林地与硬质地表与建筑斑块的分离分布，公园内部降温效应将得到更好的发挥。

关键词：

热岛效应；空间景观结构；降温

UrbanParkLandscapeSpatialStructureofUrbanThermalEnvironmentEffect

——TakeanExampleasZhengzhou

ABSTRACT

UrbanheatIslandeffect（UrbanHeatIsland）referstotheaveragetemperatureishigherthanintheheartofthecityperipheryontheoutskirtsofalocalmicroclimatephenomenon,oneofthetypicalclimatecharacteristicsforthecity,anditbringsthehumanbodyhealthandlifealotofharm.Thisarticleselectedeightrepresentativeparkofzhengzhoucityastheresearchobject,frominsidethecityparklandscapecomposition,plaquemorphologyandspatiallayoutthissetoutthreeaspectsofresearch,discussionabouturbanparklandscapespatialstructurebroughttothepark,parkperipheralenvironmentinfluenceofthermalenvironmenteffect.Theresultsshowedthatwithinacertainrange,theparksurroundingtemperatureincreasedalongwiththeexpandingofparkboundarydistance;Thepark'scoolingrangeiscloselyassociatedwiththeparkgreenspaceandwaterarea;Fromthepointofplaquemorphology,internaltemperatureoftheparkwithgreenpatchesofcomplicatedshapeandreducetheimpactscopeofcomplicatedshapeandalsowiththeparkgreenspaceplaquesexpand,woodlandsandscattereddistributionofhardsurfaceandarchitecturalplaqueisconducivetotheparkplayoftheinternalcoolingeffect.

Keywords:

UrbanHeatIsland;Parklandscapespatialstructure;Cooling

目　录

1.绪论1

1.1研究背景1

1.2研究动态现状1

1.3研究意义1

1.4主要研究过程2

2.研究区概况及数据预处理3

2.1研究区概况3

2.2数据预处理4

3.研究方法4

3.1地表温度反演4

3.2公园景观特征提取与缓冲区分析7

4.结果与分析7

4.1景观特征对公园内部热环境的影响7

4.2公园对周边的降温幅度及降温影响范围10

4.3景观特征对公园周边的热环境影响11

5.结论14

参考文献15

致谢16

城市公园景观空间结构对城市热环境的影响

——以郑州市为例

1.绪论

1.1研究背景

近年来,伴随城市建设的快速发展,城市的热岛效应越发得到人们的关注。

特别是夏天，城市热岛效应引起的高温酷暑,被人们视为城市中生态环境问题的重点。

城市热岛效应为城市气温明显高于郊区气温的现象,改变了城市的热环境，给我们的身体健康和日常生活带来了较多的危害和不便。

绿地通过植物的光合作用降低了市区地面表面的气温，成为降低城市热岛效应的有效方法。

但是在城市土地资源紧张的情况下，如何让一定的公园景观尽量地起到其包括降温作用在内的各生态功能，获得更好的热环境缓解效益，成为了目前需要解决的紧迫问题之一。

1.2研究动态现状

自19世纪初探讨伦敦市气候特征过程中提出城市热岛效应的定义以来，人们就对其开始了广泛的探讨研究。

其研究的内容大都是：

城市热岛效应产生的机理、形成的原因、对于热岛的评价、减缓其效应的措施以及研究的方法等多很多方面。

而研究对象则主要集中在北、上、广等经济较为发达、人口密度较大的大城市。

这些年，人们对与不同种类城市的公园中绿地景观的热环境效应做了很多的探讨研究，深层次的分析了公园的面积、周长、几何形态等形状特点及其内部的绿地结构、绿地和水域面积等构成要素对公园降温作用的效应。

另外，研究探讨公园对周围环境热岛效应缓解的同时，大都应用人为的规定缓冲区距离统计其周围温度的平均值，然后将其与公园内部的气温值进行对比分析，或以气象观测数据对样本公园对其周边温度的影响大小进行统计分析。

最近几年，作为城市中一种土地利用类型的景观公园，对于它自身的气温特点及其对周边热岛效应的作用，成果也比较多些。

还有一些学者对怎样定量确定公园对其周围气温的实际影响程度及影响范围方面很感兴趣，而且已经对其进行了一些探讨和研究，并且小有所成，获得了比较满意的结果。

1.3研究意义

如今，中国经济高速发展，人们生活的水平也在不断提升，城市越来越密集，规模也在逐渐的扩大。

尤其是近世纪来，城市化加速发展，其人口越来越集中、工业越来越发达，释放出的人为热量也越来越多，跟随者城市的发展，其不透水地面及建筑覆盖范围越来越大，建筑物越来越密集，使城市通风不便，导致城市温度显著高于周边郊区和农村，出现“城市热岛”的现象，它使城市的局部气候特征发生改变，甚至对动植物的生理特征、生态系统的功能、物候状况、人民的身体健康和生命安全产生了影响，也将增大城市市区的污染程度，增大耗能等等很多的环境问题。

城市的生态系统由城市的绿地系统等要素组成，公园是城市的绿地系统中的重要组成部分，成为缓解市区热岛效应的有效途径之一，同时也可以使市区的热场分布发生变化。

随着市区用地结构比重的提升，绿地降温的效果也会不断增大。

城市的绿地及水域主要集中在城市公园景观中，城市公园作为城市的“冷岛”，发挥着缓解城市的热环境效应的作用。

城市公园景观的“冷岛”作用受环境的影响很大，许多因素都能在很大程度上影响到冷岛效应。

比如，周围的用地结构，环境的复杂程度和人为的热源等等，研究出来的成果对像郑州这种类型的城市的生态规划设计，特别是城市公园的规划设计有重大的、实质性的参考与指导意义，同时还可以为世界范围内的类似郑州市的城市在进行公园的规划设计方面提供重要的理论依据，具有巨大的参考价值。

1.4主要研究过程

图1技术路线

2.研究区概况及数据预处理

2.1研究区概况

郑州市地处东经112°42'-114°14'，北纬34°16'-34°58'，它的总体面积大约是7446.20平方公里，郑州市市区面积大概有1010．33平方公里，山区面积差不多是2377.1平方公里，全市水域面积大约为11.43平方公里。

郑州北边面向黄河，西边是嵩山，东南是宽阔的黄淮平原。

从气候方面来看，它属暖温带-北亚热带大陆性季风气候。

此种气候有温度适中、季节明显、水热同期、干冷同季等特点。

且四季差异突出，依次呈现出春天雨少干旱，夏天雨多炎热，秋天日照长晴天多，冬天雨少严寒等特征。

郑州市的冬天比夏天长，春天比较短。

极端的最高温度出现在7月中旬的市区，达43.0℃，在1951至2013年间，日最高气温不小于40℃的天数多达33天。

极端最低温度出现在12月份的市区，为-17.9℃。

作为河南的省会，自然就成了我国中部区域重要的中心城市和我国重要的综合性交通枢纽。

因为高强度的经济活动和高密度的硬质地表与建筑，让这个城市的热岛效应极其明显。

从而，研究分析郑州市市区公园的“冷岛”效应的变化规律，最大化的起到其对城市热岛效应的缓解作用，对缓解城市热岛效应有重大意义。

表1郑州市代表公园信息

公园

面积

绿化覆盖率

地理位置

水体面积

绿地面积

紫荆山公园

192000

93.2%

东北部

21696

158000

森林公园

3000000

63.1%

东北角

570000

1900000

植物园

574560

91．7%

中原区

36000

527049

绿博园

1959333

95.8%

新区

173333

1877041

人民公园

301400

84.3%

二七区

33700

254100

碧沙岗公园

266667

94.3%

中原区

12000

251467

主题公园

933333

73.4%

郑州新区

99889

693466

南环公园

161196

74.79%

二七区

7130

134521.6

2.2数据预处理

本论文以2011年5月份的郑州市Landsat-5TM遥感影像数据和谷歌地图作为数据源，影像质量良好，且影像的干扰不多。

数据处理采用的是遥感图像处理软件平台ENVI、ArcGIS和景观生态分析软件FragStats3.3。

在反演温度前，进行了影像的预处理，即几何纠正和投影的变换等等。

遥感图像中包含很多信息，但是由于遥感系统空间、时间、波谱以及太阳辐射、大气传输、光电转换等要素的影响，遥感图像存在畸变与误差，这些误差降低了影像的质量，因此将影响到图像分析的精细程度。

所以遥感数据在接收后和图像处理分析前都要进行图像的预处理。

在反演温度前，进行了影像的预处理，即几何纠正和投影的变换等等。

图像几何校正方法就是，首先确定地面控制点，即寻找原始畸变影像空间和标准空间之间的控制点对。

本文选取图幅的四个角作为控制点对图像进行的预处理，这四个角的坐标已知，且选取容易，不容易出错，误差也比较小。

最后选择相对应的地理坐标系，并进行几何纠正。

选取的控制点可以保存为.pts文件，也可以不保存。

但是为防止数据丢失，需重新对图像进行预处理情况的发生，控制点最好保存下来。

3.研究方法

3.1地表温度反演

城市化进程逐渐加速的过程中，热岛效应的表现也就越突出。

城市热岛效应、地球环境分析的重要指标是地表温度，而遥感的相关技术作为现代重要的对地观测手段之一，大大丰富了基于遥感图像的地表温度反演的研究方法。

我们一般选用热红外波段的影像对城市地表的热环境进行分析统计。

热红外遥感传感器接收到的目标物信息主要由三个部分组成：

一是被测物体直接发射的热辐射；二是地物对大气下行辐射产生的反射；三是大气的上行辐射，以上这三部分能量共同决定了辐射的亮温。

对热红外遥感传感器直接输出的偏离了真实的地表温度的结果，进行相应校正处理的过程即地表温度的反演。

大体来说，地表温度的反演由辐射亮温的计算和地表温度的计算这两部分组成。

图像灰度值，也就是DN（DigitalNumber）值，数值范围从0到255，在图像中，图像灰度值对应的是地物热辐射的强度，地物的温度与图像灰度值呈正相关关系。

运用定标参数将图像灰度值转为相应热辐射的强度值，再根据热辐射的强度推算其相对应的亮温。

基于TM6波段反演的地表温度，运用郑州市2011年5月份的LandsatTM第六波段数据反演郑州市地表温度，如图2：

图2郑州市地表温度反演图

公园

河流

铁路

道路广场郑州市公园分布图

森林公园

紫荆山公园碧沙岗

草地

硬质地表与建筑

水域

林地

图3郑州市公园分布和矢量化图

图2是反演后的郑州市地表温度图，图2中像元的亮度不同表示了温度的差异，遥感影像像元数据用图像灰度值来表示，图像灰度值越大，影像亮度越大；对于热红外波段，亮度越高的地方，地表气温越高，相反，亮度越低的地方，地表气温越低。

根据反演后郑州的地温影像图，我们分析得出：

郑州市的市区亮度显著比郑州市周围农村区域高，也就是说郑州市的市区气温明显比市区周围郊区和农村区域高，形成了显著的城市热岛效应。

我们还可以看到：

郑州市高温区主要集中在市区城市建筑密集的地方，河流、水域、林地和耕地等非城市用地大都属于低温区域。

郑州市市区的热岛效应显著。

郑州市市区的高温地区呈聚集分布状态，主要有中西部的大部分地区和中南部的大部分地区，这些地区大都属郑州老城区，建筑密集，经济发展快速，人口密度大。

而高温区内的公园则在区域内形成明显的“冷岛”，在小区域范围内起着降低温度缓解热岛效应的作用。

3.2公园景观特征提取与缓冲区分析

参照前人研究结果及冯悦怡等关于<<城市公园景观空间结构对其热环境效应的影响>>的文献，此次研究依旧将公园内部土地覆盖类型分为以下4大类:

以草坪为主的草地，、以乔灌木为主的林地、硬质地表与建筑和水域。

选取郑州市内8个代表性公园为研究样本，通过目视解译提取各公园，将内部土地覆盖类型进行分类。

在选取景观特征指标时，主要从景观构成、空间布局和斑块形态这3个方面选取。

每个方面又分别包括相应要素：

景观构成包括：

草地面积,水体面积,林地面积,硬质地表及建筑比例和绿量；斑块形态包括：

绿地形状的指数和公园形状的指数；空间布局包括：

草地聚集度，水体聚集度，林地聚集度,硬质地表及建筑聚集度。

所谓目视解译，就是遥感图像解译的方式之一，又叫目视判读，或者目视判译，是信息社会中地学研究和遥感应用的一项基本技能。

图3是公园目视解译且已经矢量化后的结果图。

作为ArcGIS中空间分析基本功能之一的缓冲区分析，是在某地理实体或空间物体周围建立一定宽度的带状区来辨别其对周边的邻近性或影响程度的分析方法。

运用缓冲区的分析方法，研究分析公园对其周围区域的降温幅度和降温的影响范围。

此论文以landsat-5TM温度反演影像作为数据源，其热红外波段的空间分辨率是120m，根据公园边界，建立以120m为间隔的多个分级缓冲区。

然后把各个公园及其对应的缓冲区图层与地表温度的栅格数据进行空间叠加，以获取区域内的地表温度平均值。

4.结果与分析

4.1景观特征对公园内部热环境的影响

把处理好的公园图层与郑州市反演后地表温度图叠加，得出：

郑州市这8个代表性公园的平均温度为24.5℃，比郑州市市区温度低，证明公园是城市热岛中的低温区，为城市热表面中的“冷岛”。

首先，我们从景观构成方面出发，得出：

公园内的平均温度与公园的总绿量显著负相关，即图4，是公园内部的平均温度与其对应绿量的拟合图。

从图4中我们很容易发现：

绿量较小时，公园内的温度对绿量的变化更为敏感，且随绿量的不断增加，降温的趋势会逐渐变缓。

也就是说，绿量越大，公园内部温度越低，蒸腾作用，指水分从植物体表面（主为叶子）以水蒸汽状态散发到大气中的过程，是园林植物降温增湿的主要机理，自养型的绿色植物在进行光合作用的过程中，必定会和周围环境发生气体交换，为大气提供了大量的水蒸气，扩大了当地空气的湿润度，同时也降低了气温温度，让当地的雨水更为充沛，形成环境的良性循环。

城市绿化水平高、绿量都比较高的地区，就会比那些绿化水平和绿量都较低的城市的生态功能水平高，以为绿化水平和绿量都较高的城市具有较多的“蒸腾作用”。

另外，公园内部的平均温度与硬质地表与建筑比例、水体面积均表现出显著的相关性，即硬质地表与建筑比重越大、水体面积越小，温度越高。

图5是公园内部的平均温度和硬质地表比例之间关系的模拟图，分析可得：

城市公园内温度随着公园硬质地表比例的减小而降低。

图6是公园内部的水体面积与公园内部温度关系的模拟图，我们可以看到：

水体面积从0平方米增加到50万平方米时对公园内温度的影响程度要比水域面积从50万平方米增加到60万平方米时显著很多。

因此，可以得出：

水体面积达到一定数值之后，水域面积数值的再增长对公园热环境的降温效果将不再显著。

所以，从建设面积与其降温效果的收益上考虑，水体面积应控制在50万平方米内比较合理。

其次，我们从斑块形态方面看，公园内部的温度与其内部绿地形状指数呈现出极强的负相关性，却与公园的外围形状指数呈现出较为显著的正相关性。

所以，复杂化公园内部的绿地形态，可使绿地内的冷空气与其周围的热空气交换的越发剧烈，绿地对公园的降温作用也就越显著;相反，复杂化公园的外围边界形态，可使公园的内外热量交流越发顺利，公园对周围热环境的影响程度也就会越深，同时，公园的内部受到的外部热环境的干扰也会比较多，在一定程度上降低了公园的降温效果。

因此，简单化绿地斑块边界形态，复杂化公园外围边界，将会降低公园的内部热岛效应。

从景观空间布局方面看，林地及硬质地表与建筑分布的分散程度与温度呈明显的负相关性，也就是说分布的分散程度越高，分布越分散，公园的内部温度也就越低。

因此，为更有效的降低公园内部温度，应将林地和硬质地表与建筑斑块尽量分散分布。

图4公园内部的平均温度与绿量的关系曲线

图5公园内平均温度与硬质地表比例关系图

图6公园内水体面积与温度的关系曲线

4.2公园对周边的降温幅度及降温影响范围

公园对周围降温的影响范围及其降温的幅度，也就是指公园对其周围区域热岛效应的缓解范围和程度。

为探究公园对其周边区域冷岛效应的影响范围和幅度，将郑州市8个代表性公园依次创建了缓冲区，从公园外缘起，建立一个间离为60m、宽300m的分级缓冲区。

利用ArcGIS的相关功能，统计分析各缓冲带降温的幅度，将郑州这8个代表性公园按缓冲区进行平均。

图7距离与降温幅度的关系曲线

图7是距离与降温幅度的关系曲线，分析得出：

公园对周边地区有显著的降温效应，但降温幅度不是匀速、一成不变的，分析上图可得结果：

在0～50m范围内降温最明显，降温幅度也最大，温度值在1．5℃—1.6℃之间，在50～150m范围内，温度降值在1．0℃—1.2℃之间，在150m～300m的范围内，降温值和幅度已经很小了。

但是在公园周边300m的范围内，对城市热环境仍有缓解作用，随着距离的增大，对周边热环境效应的缓解越小，在250～300m的缓冲区域间，其降温的幅度已非常小，与公园周边区域的温度值已非常相似，地域的表面温度变化已经不明显，且公园产生的“冷岛”作用渐渐消除。

所以，公园降温效应影响范围为公园边界向外延伸300m的区域。

4.3景观特征对公园周边的热环境影响

城市中的公园是缓解其热岛效应的重要基本设施，给在其周边生活的人们带来了福祉。

公园和城市的绿地与森林通过其光合作用可耗费掉空气中的辐射热，还能阻挡太阳的直接热辐射与来自硬质地表、建筑物、墙壁等的热反射，对城市起着明显的“冷岛"作用，从而起到改善小气候、降低热岛效应引起的环境压力的作用。

公园内部林地的面积和水体的面积显著地影响着公园的降温影响范围，但绿量对其影响并不大，和上面公园内部热环境的影响不同。

城市中的公园对其周边环境的降温作用主要是通过横向的热量、水汽交换，从而使公园和其周边区域的热环境差异趋于缓和，以改变其周边局部小气候的状况，局部小气候环流的强度直接决定着公园降温的作用范围。

而绿地面积与水体面积的增大，更容易形成较强的局地环流，则对周边热环境造成的影响范围也就越大。

图8影响范围与林地面积和水体面积的关系曲线

图9影响范围与林地面积和水体面积的关系曲线

图8和图9是影响范围与林地面积和水体面积的关系曲线。

我们可以看出：

林地面积对影响范围的影响没有水域明显。

影响面积随林地面积增大的增长逐渐趋于缓和，但水体面积与影响范围则呈现较强的线性关系（R^2=9.36），公园降温的影响范围受公园斑块形状与空间布局的影响比较明显:

公园内的林地和草地斑块形状越复杂，林地和草地及硬质地表与建筑越分布越分散，影响的范围也就越远。

最后，从降温幅度看，公园内部的景观构成的差异是致使各公园内外温差差异的主要原因。

温差与绿量和水体面积呈现出显著的正相关性，和硬质地表与建筑的比例呈现出显著的负相关性，也就是温差随绿量和水域的增多、硬质地表与建筑比重的减少而增大。

硬质地表与建筑的分散布设，在一定程度上会扩大公园降温的幅度。

并且各公园的降温幅度与其所在的空间相对位置也息息相关。

综上所述，为将公园对周边热环境的降温效果达到最大，可以在保持绿地面积达到一定面积的同时，尽可能的丰富绿地内部的空间结构，增大绿量和水体面积。

5.结论

本文探讨的内容是以郑州市为例的城市公园景观空间结构对城市热环境的影响，选取郑州市8个公园为代表作为研究对象，从公园内部景观构成、斑块形态和空间布局这3个方面着手探讨城市公园景观空间结构特征与公园内部及其周边热环境间的响应关系。

综合以上的研究，可以得出的研究结果有：

一是，公园的内部温度受其内部绿量和水域面积及硬质地表与建筑比例的影响较为显著，和公园内的林地与草地面积的相关性不大，也就是说：

公园内的降温作用随公园内绿量和水域面积的增大与硬质地表与建筑的比重的降低而增大，即公园内的冷岛效应越显著。

但是，随着绿量和水域面积的不断增大，公园内温度的下降趋势也会逐渐趋于缓和，所以，应从公园的建设面积和其冷岛作用的收益上综合考虑，对即将建设的公园做出合理的权衡和规划。

二是，公园的降温效果明显受其斑块形态和空间布局的影响，所以，为使公园达到更好的冷岛效应，应将公园的绿地斑块边界形状尽量复杂化，外围边界简单化，因林地和硬质地表与建筑斑块的分散分布，有利于公园内部降温效应的发挥，所以，尽量分散分布公园的林地和硬质地表与建筑。

三是，公园景观可以显著地缓解其周围的热环境效应，且公园外的温度在一定距离内随距离的增大不断升高。

公园对周边温度的影响范围受其内部林地和水域面积的显著影响，水域面积比林地对公园降温范围的影响要大。

且影响公园对周围环境降温效果的最大因素是公园内的景观构成。

绿量和水域面积的增大，硬质地表与建筑比重的减少，都可显著地影响到温差，另外，温差也和各公园所在的空间相对位置息息相关。

最后，将此论文的缺陷做以下说明：

一是，因数字化工作量巨大，本文只选取了8个公园作为研究样本对城市公园空间结构对城市热环境的影响进行研究。

结果有待更为细致的验证。

二，由于此次以landsat-5TM遥感影像反演的地表温度和谷歌地图作为数据源，热红外波段有相