城市生态用地冷效应研究——以深圳市为例

刘前媛， 周苑媛， 李云鹏

(成都市规划设计研究院, 四川成都 610041)

人类活动对全球物质循环和能量流动影响显著，迅速而剧烈地改变着自然生态系统[1-2]。城市的生态系统的结构、功能及动态都有显著的人为特征[3]。城市化进程中不透水面大量替代植被、土壤等自然和半自然地表，导致物种丰度降低、土壤性状退化、局地气候模式变化等[4-8]。城市热岛效应(UHI)，即城市温度(气温、地表温度)高于其周围郊区的现象[9-10]。UHI是城镇化造成城市景观格局变化和人为热引起的典型城市环境问题[11-12]。城市高温风险日益突出，严重影响城市的舒适度和宜居性，成为建设生态宜居城市亟需解决的问题。为了实现城市的可持续发展，有必要研究极端高温气候的形成机制和改善对策[13]。

城市生态用地特有的冷效应能减缓城市热环境问题。城市生态用地冷效应是指城市生态用地通过吸收周围环境多余热量，提高空气相对湿度，达到整体上降低空气温度的作用[14]。不同用地类型土地具有不同温度，不透水面具有高温，城市生态用地具有低温已达成共识[2,7]。目前，对城市生态用地研究较多通过分析景观指数与城市热岛效应的关联规律，探讨不同景观组分、空间结构城市生态用地降温效果。郭冠华等[15]指出随粒度的增加，弱势热力斑块类型下降并向其相邻斑块转移；景观指数在类型水平及景观水平上明显受空间面积的影响，“临界粒度”为150 m。其他学者则研究发现对于不同类型城市生态用地，如公园水体、住宅区绿地等，其面积、形状指数与温度呈负相关[16-17]，聚集度与冷岛强度呈正相关[18]。就景观组分和空间结构而言，Zhou等[19]对美国Baltimore市夏季的各类土地比例与地表温度进行分析发现，建筑、路面和乔灌木的比例与LST显著相关。Connors等[20]发现草地和不透水表面的比例土地覆盖层最好地解释了湿度适宜住宅区的温度。但景观指数、景观组分和其空间结构与城市热岛效应关联规律具有不确定性，有学者指出缺乏对阈值的辨识[21]。匡文慧等[22]基于EcoCity模型对北京市城市地表覆盖结构组分与热环境关系进行分析发现在不同功能区内城市绿地比例不同会导致热调节作用不同，在植被覆盖度低的区域，降温作用非常明显[22]。冯晓刚等[23]对西安市7个公园的冷效应进行研究，发现在公园水体面积不小于30%时，平均降温范围和幅度明显升高，公园的降温范围与公园中绿地面积和水体面积呈现较强的正相关关系。

城市生态用地冷效应受多重因素限制，导致不同类型生态用地的降温效果存在时空差异。针对不同类型、不同面积、不同形状特征的生态用地，其冷效应的临界强度尚未出现定量识别，有待深入研究。深圳市为中国第一个改革开放城市，过去30年多间城市人口膨胀超过30倍，如此剧烈的城市扩张导致自然景观被迅速地改造成城市景观，大规模建设使人工地表面积急剧增长，不可避免地带来了城市热岛效应[3]。因此，本研究以深圳市为例，综合采用GIS、RS方法和分段线性回归，探讨城市生态用地的冷效应以及界定有效阈值。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

深圳市位于中国广东省南部沿海地区，陆地辖区范围为东经113°46′～114°37′，北纬22°27′～22°52′。深圳市属亚热带海洋性季风气候，夏季高温多雨，年平均气温22.4 ℃，最高气温为38.7 ℃，年平均降雨量1 933.3 mm。本研究选取深圳市西部作为研究区域(图1)，主要因为深圳西部社会经济发展强度大，人口集中，更能代表典型快速发展城市热环境问题，且避免多幅遥感影像在跨景拼接中产生的数值误差。研究区包含宝安区、福田区、光明新区、龙岗区、龙华新区、罗湖区、南山区及盐田区；面积1 537.39 km2，占深圳市总面积76.8%；土地利用数据如表1所示。

图1 研究区地理位置

表1 深圳市研究区内各类土地面积 单位：km2

1.2 数据来源

本研究使用的基础数据主要包括：①2000、2016年深圳市土地利用与覆被数据，用于剖析城市地表温度与土地利用类型关联关系；②2000、2016年地表温度数据，空间分辨率为30 m，由Landsat8 OLI/TIRS遥感影像反演获得，遥感影像源自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，用于获得城市地表温度，为冷效应研究提供数据支持。

1.3 研究方法

1.3.1 地表温度反演及景观指数计算

基于ENVI 5.3平台提取研究区，对其进行辐射校正、大气校正、去云处理等遥感图像预处理后基于单窗算法反演地表温度[24]。基于ArcGIS 10.3平台耦合地表温度数据和土地利用数据，使用空间分析和地统计分析工具，分析不同土地利用类型均温。

地表温度反演公式见式(1)。

Ts=[a(1-C-D)+(b(1-C-D)+

C+D)TS-DTa]/C

(1)

式中：a=-67.355351，b=0.458606，C和D为中间变量，Ta为大气平均作用温度(K)。

在作用范围、强度等分析中，基于Patch Analyst插件，计算城市生态用地斑块面积和形状指数，通过缓冲区分析对城市生态用地的冷效应进行研究分析，定量识别不同城市生态用地产生冷效应的降温幅度和强度，基于分段线性回归界定其冷效应的临界面积及形状特征。

1.3.2 分段线性回归

本研究基于MATLAB R2014a编程实现分段线性回归(Piecewise Regression)模型分析不同类型城市生态用地降温效应的阈值。关注一个拐点的连续分段线性模型见式(2)。

(2)

式中：y表示温度；x表示斑块面积、距离等自变量；xbp表示拐点；β0为截距，β1和β2表示拐点前后的斜率；ε表示残差；通过最小二乘法得到上各参数，并构造F统计量进行拟合检验。基于分段线性回归，识别城市生态用地冷效应阈值。

2 结果与分析

2.1 深圳市地表温度空间格局

深圳市研究区2000年、2016年地表温度如图2所示，不同土地利用类型均温如表2所示。城市生态用地均温都低于不透水面、裸地及耕地，温度顺序为不透水面>耕地>裸地>绿地>水体，且2016年均温较2000年有微弱上升趋势。

图2 深圳市研究区地表温度空间格局

2000—2016年高地温区域呈现出面积增加并向外扩散的趋势；高地温区呈片状分布，主要集中在工业园区、港区和机场区域等下垫面硬化程度强，人口往来频繁区域。整体上，研究区内地温空间分异明显，呈现中西部强，东部弱的特征，与城市发展水平吻合。西部区域临近珠三角区域在城市化过程中人口往来、经济交流愈加频繁，为新增工厂和居住地聚集区，城市热岛效应突出；低地温区主要为绿地和水体。2000年除蛇口港、深圳机场和工业区，和集中居住区为高地温区外，福田区和罗湖区几乎整个区都为高地温区域。2016年高地温面积明显增大，且呈现由中心向外扩散的趋势，与城市建设扩张趋势相同，主要集中在工业园区和港区，以及部分城中村高度集聚区域。罗湖区、福田区等由于旧城改造、加强城市生态建设，地温降低最为明显。

基于ArcGIS10.3平台，使用地统计工具分析不同土地利用类型的温度差异，结果如表2所示。

表2 不同土地利用类型均温 单位：℃

2.2 城市生态用地降温幅度及强度分析

本文选取在城市生态用地周围的不透水面为研究对象，杜绝了因用地类型差异和空间配置等造成的误差。以研究区边界向内建立2 km缓冲区，采用研究区域边界向内2 km缓冲区外的生态用地进行分析，避免研究区边界外的影响[25]。以深圳市研究区2016年土地利用数据为基础，对不同类型城市生态用地以5 m、10 m、15 m、20 m…100 m、150 m、200 m…900 m的距离分别建立缓冲区，分作以距城市生态用地5 m，5～10 m，10～15 m…800～900 m共计22个等级的空间范围,分析城市生态用地的冷效应，探求降温幅度及强度。降温幅度定义为不透水面温度超过研究区内均值时对应的最小距离，降温强度定义为不透水面与城市生态用地的温度差。以远离城市生态用地的空间距离为横坐标参数，以不同等级缓冲区内不透水面的平均地表温度为纵坐标绘制散点图。同样基于分段线性回归模型对降温幅度有效阈值进行识别，R1为线性回归拟合优度，R2为分段线性回归拟合优度(图3)。

图3 城市生态用地降温幅度及阈值分析

将绿地和水体2类城市生态用地的冷效应强度进行分析，结果有：

(1)绿地和水体2类城市生态用地外空间尺度与不透水面相关系数为0.590 2和0.807 7，在显著性水平α=0.01下均通过检验。说明离生态用地距离与不透水面温度呈高度正向关联关系。

(2)城市生态用地在其周围一定范围内具有明显冷效应。随距斑块空间距离的增加，冷效应作用强度逐渐减弱至消失。在0～100 m范围内冷效应极其显著，在超过200 m以后，冷效应逐渐减弱至无。不同类型城市生态用地冷效应作用范围和强度都不同，以整个研究区内不透水面平均温度为基准，绿地降温幅度为200 m，降温强度为1.2 ℃；水体降温幅度为500 m，最大降温强度为2.5 ℃。

(3)基于分段线性回归分析可发现，分段回归拟合优度远高于简单线性回归，且通过F检验。对降温幅度进行有效降温阈值识别，发现绿地为150 m，水体为100 m。从不透水面平均温度的增幅来分析，相对于0～100 m范围中的急剧变化，在空间尺度100～200 m范围内，绿地水体2类城市生态用地周围不透水面平均温度都保持平稳上升趋势，但增幅极低。在此区域内，绿地周围不透水面平均温度增幅仅0.36 ℃，水体周围不透水面平均温度增幅为0.54 ℃，表明冷效应作用已经逐渐变弱。

2.3 城市生态用地景观指数与内部温度关联关系

为讨论不同类型城市生态用地的冷效应的作用规律和影响范围，以斑块为核心，从不同面积、不同形状特征等方面定量分析城市生态用地的冷效应。由于各类城市生态用地斑块总数过大，为更好进行拟合分析，故以各景观指数数据自身标准差为基本划分依据，将城市生态用地斑块面积划分为100个等级。考虑到本文采用的热红外数据最小分辨率为30 m，剔除面积小于0.1 hm2的斑块(图4)。

图4 城市生态用地景观指数与斑块温度散点

城市生态用地斑块面积等级和形状指数与斑块平均温度的关系见图4，规律有:

(1)城市生态用地的斑块面积、形状指数都与斑块平均温度呈负相关关系。绿地斑块面积等级与斑块温度相关系数为-0.469 9，斑块形状指数与斑块温度相关系数为-0.657 9；水体斑块面积等级与斑块温度相关系数为-0.467 6，斑块形状指数与斑块温度相关系数为-0.519 8；分析样本均不小于100，在显著性水平α=0.001上，均通过检验，表明景观指数与斑块温度高度相关。

(2)绿地形状指数与斑块面积拟合度最高R2为0.519 9。城市生态用地斑块温度受内部因素和外部因素的影响，内部因素中斑块面积对斑块温度降温程度明显高于形状指数，形状指数与斑块温度负相关性最高，但均存在临界作用阈值。对于绿地，当斑块面积等级过小(面积小于4 hm2)时斑块温度波动非常大，斑块空间位置和外部环境等外界因素对斑块温度影响程度高于内部因素影响程度；当斑块面积等级处于15～60区间(4～38 hm2)时，两者负相关关系非常明显，温度下降趋势极大；超过60级后，斑块面积的降温作用逐渐削弱至无。对于水体，当斑块面积等级处于1～20级(0.1～2.3 hm2)时，温度波动幅度极大，温差高达10.26 ℃；当斑块面积等级处于21～50级(2.4～8.7 hm2)时，温度逐渐降低；当斑块面积等级超过50级后，斑块温度则无明显变化。

(3)城市生态用地斑块形状特征对斑块温度也有降温作用。对于绿地当斑块形状指数小于2.69时，温度出现较大波动；当形状指数处于2.69～4.58区间时，斑块平均温度呈现明显下降趋势，说明斑块形状指数的降温作用超过其他增温影响因素；当斑块形状指数超过4.58时，斑块内部平均温度变化波动幅度极微，趋向平稳状态。对于水体，当斑块形状指数处于1～1.60区间时，斑块内部平均温度普遍偏高，远远高于研究区水体平均温度；当形状指数逐渐增加处于1.60～2.99区间时，形状指数与平均温度两者负相关关系非常明显，但仍存在个别波动幅度大的斑块；当形状指数超过2.99后，斑块内部温度波动趋向平缓，表明形状指数对斑块自身温度的影响作用已经减弱至无。

2.4 城市生态用地冷效应面积、形状指数阈值界定

城市生态用地对周围环境存在降温作用，且斑块面积(PS)和形状指数(LSI)影响城市生态用地内部温度。本文将阈值定义为随着面积或指数增大，外界不透水面温度趋于平缓的第一个拐点值，即分段线性回归识别的拐点。

2.4.1 同一类型不同斑块面积等级城市生态用地对外降温规律

为更加直观的验证城市生态用地冷效应强度与斑块面积等级变化的规律，建立100 m缓冲区，提取缓冲区内不透水面斑块温度，以确保缓冲区内不透水面温度仅受斑块面积影响，探求同一类型不同面积等级城市生态用地斑块对其外部不透水面区域的降温影响规律(图5)。

图5 城市生态用地冷效应面积阈值识别

随着斑块面积等级的增大，城市生态用地降温强度整体上呈现增加的趋势。斑块面积等级与不透水面温度相关系数按图顺序分别为-0.651 0、-0.421 6，在显著性水平α=0.001上均通过检验，表明斑块面积等级与降温强度高度相关。温度总体上表现为随面积增加而降低，但下降速度不均一，逐渐趋于平缓。基于分段线性回归进行的阈值识别结果显示当绿地面积超过162.88 hm2，水体面积超过24.48 hm2时，降温作用趋于平稳。另外存在个别面积等级温差波动幅度较大，侧面证实了面积等级不是唯一影响城市生态用地降温规律的因素。缓冲区内不透水面温度普遍低于绿地，表明相对于绿地，水体随着斑块面积等级增加降温效果更加明显，这是由于水体热容量更大，其降温效果更强也更明显。

2.4.2 同一类型不同形状特征城市生态用地对外降温规律

形状指数变化对城市生态用地降温效应作用的关系如图6所示，形状指数变化对降温作用的影响程度虽然没有斑块面积的影响程度强，分析发现不透水面温度随形状指数的增大而降低，形状指数与不透水面温度的相关系数按图顺序分别为-0.577 9和-0.398 5，在显著性水平α=0.01上通过检验，表明斑块面积等级与降温强度高度相关。基于分段线性回归的阈值识别绿地形状指数为4.19，水体为1.77。

图6 城市生态用地冷效应形状指数阈值识别

3 结论与讨论

本文对深圳市西部2000年及2016年的城市热环境进行分析研究，主要结论：

(1)地表温度空间分布表现为呈片状交叉分布，多中心向外扩散，地表温度空间分布格局变化与城市建设、扩张趋势基本吻合。城市不透水面表现为高地温区，城市生态用地则表现为低地温区，但临近不透水面的城市生态用地温度普遍高于其平均温度。

(2)城市生态用地对其周围一定空间范围内具有明显降温效果，随着空间距离增加而降低。绿地降温幅度为200 m，降温强度为1.2 ℃；水体降温幅度为500 m，降温强度为2.5 ℃。基于分段线性回归的有效作用范围识别，绿地为150 m而水体为100 m；阈值存在表明当超过距离阈值之后城市生态用地对外降温作用趋于平缓。

(3)城市生态用地斑块的斑块面积和形状特征对其内部平均温度呈显著负相关。斑块平均温度随斑块面积或形状指数的增加而降低，但其影响作用存在阈值。斑块面积与形状指数对斑块温度的影响作用相互影响，当斑块面积相似时，形状指数低的往往温度偏高；当斑块形状特征相似时，斑块面积越小其温度越高。景观指数对其影响存在阈值，绿地形状指数阈值为4.19，水体为1.77；绿地面积阈值为162.88 hm2、水体面积阈值为24.48 hm2。阈值是城市生态用地产生有效冷效应的临界值，超过阈值后对外降温效果趋向平稳。

本文深入分析了深圳市地表温度空间分异特征及形成机理，讨论城市生态用地冷效应规律以及阈值识别，为缓解城市热环境提供定量参考和科学指示。城市热环境机理复杂，城市生态用地的冷效应受风向、风力、地形、区域微气候差异、人为活动因素等影响，目前大尺度研究难以控制变量；且遥感数据分辨率为30 m，存在混合像元问题。未来可深入探讨城市生态用地的景观配置和空间布局对区域温度的影响，从区域面积、形状、地类组合、地类配置、景观配置等角度出发。