陳 天，譚 凝

引言

城市，是人類建立起來的政治、經(jīng)濟、社會、文化高度復合的龐大載體，而城市化已逐漸成為人類發(fā)展過程中的一個歷史趨勢。中國的城市化具有速度快、規(guī)模大、資源能耗高等特點，加劇引發(fā)了一系列生態(tài)問題，其中熱環(huán)境問題尤為突出，最直觀的反映為熱島效應。關于熱環(huán)境問題形成的主要原因有2個：第一個是城市化帶來的景觀格局演變[1]，另一個則是人類生產(chǎn)生活方式改變了城市地表能量與輻射之間的平衡[2]。目前可有效改善熱環(huán)境問題的措施大致分為以下3種：（1）減少人為熱源，如限制機動車出行、降低空調(diào)使用頻率；（2）改進基礎設施材料，如建造反光屋頂或高比熱容道路；（3）優(yōu)化城市布局，如增加景觀下墊面、順應夏季主導風規(guī)劃交通[3-5]。但是改進基礎設施材料對于很多發(fā)展中國家和地區(qū)而言成本過高，因此除了盡量減少人為熱源，更具有推廣及可實施性的措施為立足規(guī)劃引領，充分發(fā)揮綠地水體的降溫影響作用[3，6]。

目前，對于城市熱環(huán)境問題的研究方法主要分為3種：第一種是衛(wèi)星遙感影像分析，研究范圍聚焦宏觀尺度，優(yōu)點是覆蓋范圍廣、動態(tài)性強，缺點是易受精度等計算誤差影響。1972年，Rao等[7]首次利用衛(wèi)星熱紅外遙感針對美國中部沿海城市展開熱島效應研究，此后衛(wèi)星遙感影像開始廣泛應用。第二種是實地觀察測量，早期研究數(shù)據(jù)主要來源于氣象站，同樣聚焦宏觀尺度[8]，后來隨著紅外測溫儀的發(fā)展提出了“布點法”，研究開始關注局部微氣候，顯著缺點是以“點”觀測成果代替“面”。第三種是計算機模擬運算，研究范圍偏向中微觀尺度[9]，其結果可視化程度高，但過于依賴外部輸入數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)精度的提高，學者們開始將第一種方法普遍應用于城市熱環(huán)境與景觀格局的規(guī)律研究。

關于城市熱環(huán)境與景觀格局的規(guī)律研究，Singh Prafull等[10]通過Landsat數(shù)據(jù)分析印度勒克瑙近12年間的地表溫度分布特征，創(chuàng)造性地將藍綠空間生態(tài)評價引入熱環(huán)境評價，拓寬了熱環(huán)境研究視角，為熱環(huán)境與藍綠空間的相關研究奠定了理論基礎。丁海勇等[11]基于南京市2000～2015年Landsat數(shù)據(jù)研究城市熱島效應與景觀格局的演變規(guī)律，明確指出植被和水面存在顯著的低溫效應。覃盟琳等[12]利用2001～2015年MODIS地表溫度數(shù)據(jù)完成了城市群的熱島空間演變研究，發(fā)現(xiàn)林地為城市產(chǎn)生了穩(wěn)定的冷點。沈中健等[1]以Landsat為數(shù)據(jù)源分析了1996～2017年閩三角城市群的熱島時空格局，揭示了林地和水體作為穩(wěn)定冷源的身份特征。鄧玉嬌等[13]以2003～2018年粵港澳大灣區(qū)遙感資料為基礎，分析城市熱島的時空分布特征后發(fā)現(xiàn)了植被對于熱島的顯著影響作用。上述研究表明，城市熱環(huán)境與土地利用存在規(guī)律性的空間關系，尤其是綠地和水體此類藍綠空間具有顯著的改善作用。

但是，目前對城市熱環(huán)境的研究多集中于揭示不同土地利用類型的驅動影響，缺乏聚焦于藍綠空間的深入探討。本文從藍綠空間視角出發(fā)，重點關注城市熱環(huán)境與藍綠空間的時空演變特征，探討熱環(huán)境與綠地水體在景觀格局層面及不同空間尺度下的相關性，以藍綠空間為出發(fā)點提出改善熱環(huán)境的空間規(guī)劃建議。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)

天津市地處華北平原東北部，海河流域下游，東臨渤海，是京津冀城市群的核心之一。該地區(qū)屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱，冬季寒冷。作為中國快速城市化的樣本，天津在1998年～2018年間，城市建設用地由371.23km2擴張至950.55km2，伴隨著嚴峻的熱環(huán)境問題。目前關于該城市熱環(huán)境的研究較少且不夠深入[14]，與藍綠空間的相關研究更是匱乏?！短旖蚴袊窠?jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》明確指出推動綠色發(fā)展，加快構建美麗天津，其中藍綠空間是重點。綜上，本文利用Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，選取位于天津市主城區(qū)的核心六區(qū)作為研究對象展開熱環(huán)境與藍綠空間的相關研究，囊括和平區(qū)、南開區(qū)、紅橋區(qū)、河北區(qū)、河西區(qū)、河東區(qū)，總面積約181.18km2（圖1）。天津典型的氣候特征和城市化特征可為同樣特點的城市提供借鑒參考。

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)源及預處理

采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn/）發(fā)布的Landsat遙感影像作為城市熱環(huán)境與藍綠空間格局分析的數(shù)據(jù)源，成像時間分別為2004年7月6日、2011年6月8日和2017年7月10日。該數(shù)據(jù)源時間跨度大，有利于開展空間演變特征研究，且在此時期植被生長旺盛，詳細信息如表1所示。通過ENVI對數(shù)據(jù)源進行多光譜輻射定標與大氣校正，并經(jīng)過校準裁剪得到預處理數(shù)據(jù)結果。

表1 數(shù)據(jù)源信息統(tǒng)計

2 研究方法

2.1 地表溫度反演

選用誤差較小的單窗算法（Mono-Window Algorithm）反演城市地表溫度[15，16]，該算法相較輻射傳輸方程法（Radioactive transfer equation）、單通道算法（Single-channel Method）、基于影像的反演算法（Image-based Method）而言簡單易行，操作方便。首先，查閱中國氣象年鑒得到天津大氣平均作用溫度Ta，運用美國航空航天局官方網(wǎng)站（http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/）的大氣校正參數(shù)計算器（Atmospheric Correction Parameter Calculator）得到大氣透射率τ。然后，通過ENVI計算各年份熱紅外波段的像元亮溫度T，根據(jù)SobrinoJ等[17]提出的NDVI閾值法計算得到地表比輻射率ε。最后，代入覃志豪單窗算法公式得到各年份地表溫度，單位為開氏度（K），公式為：

式中，a和b為系數(shù)，在0℃～70℃之間時，a=-67.35535，b=0.45861；C的計算公式為：C=τ×ε；D的計算公式為：D=（1-τ）×[1+τ×（1-ε）]。

2.2 溫度差異分區(qū)

運用標準差分類法對地表溫度計算結果進行差異分區(qū)[14]，以對比研究各年份的熱環(huán)境時空演變聯(lián)系特征。最終分區(qū)包含7個溫度范圍，其中極低溫區(qū)、低溫區(qū)及較低溫區(qū)為城市低溫范圍區(qū)域，極高溫區(qū)、高溫區(qū)及較高溫區(qū)為城市高溫范圍區(qū)域（表2）。

表2 地表溫度分區(qū)

2.3 土地利用分類解譯

采用監(jiān)督分類法（Supervised Classification）中的最大似然法（Maximum Likelihood Classifier）對數(shù)據(jù)源進行土地利用分類解譯，提取3類空間格局：藍色空間、綠色空間及非藍綠空間，以分析景觀系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的聯(lián)系特征。其中，藍色空間包括自然及人工水域，綠色空間包括自然及人工綠地，非藍綠空間指除藍綠空間以外的城市建設用地等。依據(jù)Kappa系數(shù)對分類結果進行精度評估，2004、2011、2017年數(shù)據(jù)分類的整體Kappa系數(shù)分別為0.884、0.864、0.883，符合研究標準及精度要求，分類結果能較好地反映研究區(qū)的土地利用景觀格局。

2.4 景觀格局分析

根據(jù)特征水平可將景觀格局分為3個分析層面：（1）斑塊層面，代表單個斑塊的空間特征；（2）類型層面，反映同一類型景觀斑塊的空間特征；（3）景觀層面，反映整個景觀鑲嵌體的空間特征。景觀格局指數(shù)被視為定量評估景觀格局的主要工具，可度量不同景觀元素在空間或時間上的異質性，表征其組合與分布特征[18]。通過Fragstats計算景觀格局指數(shù)：在斑塊層面選取3個指數(shù)分別研究藍綠空間斑塊面積、邊緣和形狀與斑塊內(nèi)部溫度的相關性，在類型層面選取1個指數(shù)研究景觀組分與單元地表溫度的相關性，以基于藍綠空間景觀格局層面分析熱環(huán)境改善效應。

鑒于不同尺度的空間格局將逐步損失或改變景觀信息特征[19]，造成同一景觀分析結果存在差異，因此選擇適宜的空間尺度十分重要。為減小景觀單元大小對于景觀格局與熱環(huán)境分析的差異影響，采用移動窗口法（Movingwindow Analysis）從多尺度針對熱環(huán)境與藍綠空間展開聯(lián)系研究，通過GIS漁網(wǎng)工具對地表溫度進行窗口劃分，并重采樣窗口地表溫度平均值以表征樣本熱環(huán)境。由于本文采用的遙感影像像元格大小為30m×30m，若以較小的景觀單元作為移動窗口則會導致大量的計算，且窗口下方的景觀分類將趨向單一化[20-22]，研究結果參考意義較小。另外，為保證每個溫度像元格都獨立包括于移動窗口內(nèi)，減少不必要的交叉像元格計算，選取的移動窗口大小最好為像元格大小的整數(shù)倍。綜上，并參考徐雙[23]、鄒婧[24]、沈中健[1，25]等開展景觀格局分析時采用的單元尺度，最終確定移動窗口的尺度共5種：300m×300m、600m×600m、900m×900m、1200m×1200m、1500m×1500m。

3 結果與分析

3.1 熱環(huán)境與藍綠空間的時空演變對比

在總體格局層面，通過對比2004～2017年的地表溫度相關數(shù)據(jù)（表3）與各類型用地斑塊面積變化情況（圖2），發(fā)現(xiàn)綠色空間斑塊面積與地表平均溫度呈負相關。在2004～2011年間有大量非藍綠空間轉換為綠色空間，這與2006年發(fā)布實施的天津城市總體規(guī)劃存在關聯(lián)。隨著人工建設綠地的增加，中心城區(qū)綠地系統(tǒng)逐步走向完善，綠色空間斑塊面積出現(xiàn)了明顯增長，尤其是在河東區(qū)及河西區(qū)南部。同時，這兩個片區(qū)的高溫范圍區(qū)域均有所減少?？傮w而言，2011年城市地表平均溫度相較2004年略有下降。而在2011年至2017年間，天津市內(nèi)六區(qū)的藍綠空間斑塊面積均在減少，城市地表平均溫度大幅上升。

圖2 2004～2017年各類型用地斑塊面積比較

表3 天津市內(nèi)六區(qū)地表溫度反演結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)溫度差異分區(qū)與土地利用分類解譯結果，逐年針對天津市內(nèi)六區(qū)熱環(huán)境與藍綠空間展開時空演變對比分析，并基于城市交通樞紐天津西站與天津站分別作南北向、東西向的熱環(huán)境剖面分析。該剖面分析從北部高溫范圍區(qū)域橫跨至南部低溫范圍區(qū)域，穿過城市核心的人口密集區(qū)，具有典型研究意義。在2004年（圖3），高溫范圍區(qū)域主要集中在紅橋區(qū)與河北區(qū)的交接處，其次是南開區(qū)北部片區(qū)，和平區(qū)與河北區(qū)、河東區(qū)交接的海河兩岸（津灣廣場、天津站）、河西區(qū)東部。低溫范圍區(qū)域主要集中在河流（海河、北運河等）、湖泊（天塔湖等）此類藍色空間，以及同時包含藍綠空間的大型公園（水上公園、北寧公園等），其中城市西南片區(qū)形成的極低溫區(qū)尤為突出，另外低溫范圍區(qū)域還存在于植被覆蓋度高的高校，如南開區(qū)八里臺區(qū)域。從熱環(huán)境剖面分析來看，不同類型的土地利用是導致峰谷交錯的重要原因，藍色空間是明顯的低溫谷區(qū)域（圖4、5）。綜上，分析發(fā)現(xiàn)絕大部分城市低溫范圍區(qū)域都集中于藍綠空間。

圖3 2004年天津市內(nèi)六區(qū)藍綠空間與熱環(huán)境格局對比

圖4 2004年熱環(huán)境南北剖面變化

圖5 2004年熱環(huán)境東西剖面變化

在2011年（圖6），高溫范圍區(qū)域跨越子牙河、南運河及海河的河流限制開始向外拓展。同時，在熱環(huán)境東西剖面變化圖上可發(fā)現(xiàn)河東區(qū)整體地表溫度顯著上升，新增多個高溫峰，局部地表溫度的差異逐漸增大。低溫范圍區(qū)域仍集中于藍綠空間，但是相較2004年在總體空間格局上有所減少，尤其是南開區(qū)南部隨著奧林匹克公園的開發(fā)已被分割成破碎狀的熱環(huán)境斑塊格局。另外，較為直觀的變化為熱環(huán)境剖面分析圖上逐步縮小的南北溫差，以及南部新增的高溫峰區(qū)域（圖7、8），這進一步揭示了城市建設用地對于熱環(huán)境的正相關影響，以及藍色空間對于熱環(huán)境的改善影響。

圖6 2011年天津市內(nèi)六區(qū)藍綠空間與熱環(huán)境格局對比

圖7 2011年熱環(huán)境南北剖面變化

圖8 2011年熱環(huán)境東西剖面變化

圖11 2017年熱環(huán)境東西剖面變化

在2017年（圖9），高溫范圍區(qū)域由西向東跨越海河大面積拓展，尤其是河東區(qū)及河北區(qū)相較往年呈現(xiàn)出更顯著的熱環(huán)境斑塊集聚效應。南北剖面的地表溫度呈現(xiàn)整體上升態(tài)勢，南開區(qū)南部的低溫谷已大幅高于2004、2011年（圖10、11）。此外，低溫范圍區(qū)域在原有空間格局的基礎上，新增大量線狀區(qū)域，如河北區(qū)北側鐵路干線、河西區(qū)城防河兩側，揭示了帶狀防護綠地、濱水綠地此類線狀綠色空間的顯著降溫作用。

圖9 2017年天津市內(nèi)六區(qū)藍綠空間與熱環(huán)境格局對比

圖10 2017年熱環(huán)境南北剖面變化

從2004～2017年天津市內(nèi)六區(qū)熱環(huán)境與藍綠空間的時空演變特征來看，高溫范圍區(qū)域受城市化進程的影響，隨著城市建設發(fā)展方向不斷拓展，早期熱環(huán)境斑塊相對零散分布，后期則跨越河流限制大范圍集聚，城市建設用地的開發(fā)對于熱環(huán)境具有增強影響；低溫范圍區(qū)域明顯持續(xù)集中在藍綠空間。這揭示了城市熱環(huán)境與藍綠空間在空間布局層面的聯(lián)系，表征了藍綠空間對于熱環(huán)境的顯著改善作用，尤其是藍色空間所形成的冷島對于城市內(nèi)外的熱量交換發(fā)揮了重要的促進作用。

3.2 熱環(huán)境與藍綠空間景觀格局的相關性

以2017年數(shù)據(jù)為例，開展藍綠空間斑塊與熱環(huán)境的深入分析。2017年天津市內(nèi)六區(qū)地表溫度平均值為41.13℃，藍色空間斑塊為38.7℃（標準差為2.63），綠地空間斑塊為40.9℃（標準差為2.19），均低于總體平均溫度。統(tǒng)計藍綠空間斑塊的溫度分區(qū)情況（表4），發(fā)現(xiàn)在藍色空間斑塊中，低溫范圍區(qū)域斑塊占比已超過半數(shù)；在綠色空間斑塊中，中溫區(qū)斑塊占比已超過半數(shù)，這進一步揭示了藍色空間更為突出的冷島效應。

表4 藍綠空間斑塊溫度差異分區(qū)統(tǒng)計

選取藍綠空間斑塊的面積、周長、周長面積比指數(shù)，與內(nèi)部最低溫度進行相關性分析，結果如表5。相關性分析表明藍綠空間斑塊內(nèi)部最低溫度與其周長面積比特征呈顯著正相關，與周長特征呈顯著負相關，與面積特征相關性較低，其中與周長面積比的相關性略高于周長。這說明藍綠空間內(nèi)部最低溫度對于斑塊周長、周長面積比變化較為敏感，一個形狀豐富、邊緣復雜的藍綠空間斑塊降溫效果要強于一個形狀簡單、邊緣規(guī)整的藍綠空間斑塊，通過優(yōu)化藍綠空間斑塊的周長、周長面積比指數(shù)有利于顯著提高熱環(huán)境改善能力。

表5 藍綠空間斑塊溫度與景觀格局指數(shù)的相關性

3.3 熱環(huán)境與藍綠空間的多尺度聯(lián)系

采用移動窗口法針對2017年溫度差異分區(qū)結果進行窗口劃分，得到的樣本數(shù)量依次為1844、421、177、90、54個。熱環(huán)境空間格局與藍綠空間格局的疊加結果如圖12，表征不同尺度下熱環(huán)境與藍綠空間的格局關系。選取藍綠空間在樣本中的斑塊所占景觀面積比指數(shù)，與樣本重采樣溫度展開相關性分析，結果表明地表溫度與藍綠空間在景觀組分上存在顯著負相關（表6）。隨著空間尺度的增大，藍色空間斑塊所占景觀面積百分比與地表溫度的相關性逐漸增強，在1500m×1500m樣本中達到最高；綠色空間斑塊所占景觀面積百分比與地表溫度的相關性逐漸減弱，在300m×300m樣本中為最高。分別選取相關性最強的藍綠空間數(shù)據(jù)進行回歸分析，回歸模型均通過顯著水平檢驗，其中1500m×1500m樣本與藍色空間的回歸系數(shù)為-0.211，300m×300m樣本與綠色空間的回歸系數(shù)為-0.051。對比回歸系數(shù)可知藍色空間改善熱環(huán)境效率相較綠色空間更佳，調(diào)整1500m×1500m尺度下的藍色空間面積比例更能高效應對熱環(huán)境挑戰(zhàn)。

圖12 多尺度樣本熱環(huán)境格局與藍綠空間格局的疊加對比

表6 樣本溫度與景觀格局指數(shù)的相關性

4 熱環(huán)境改善建議

基于藍綠空間改善城市熱環(huán)境的相關規(guī)律，結合天津市內(nèi)六區(qū)熱環(huán)境及藍綠空間現(xiàn)狀，建議從以下3個方面入手優(yōu)化藍綠空間格局，提升熱環(huán)境改善效應。

4.1 優(yōu)化最佳尺度下的藍綠空間景觀格局

通過研究城市熱環(huán)境與藍綠空間景觀格局，發(fā)現(xiàn)提升藍色空間在1500m×1500m空間尺度中的景觀面積百分比的降溫效果最為顯著，綠色空間則在300m×300m最為顯著，且藍色空間熱環(huán)境改善效率高于綠色空間。同時，增加藍綠空間斑塊周長、降低周長面積比指數(shù)都能有效改善熱環(huán)境。因此，建議結合藍綠空間各自最佳的空間尺度，針對性地優(yōu)化景觀格局指數(shù)，并在條件允許的情況下優(yōu)先調(diào)整藍色空間景觀組分，實現(xiàn)熱環(huán)境改善效率的最佳化。具體實施策略可為增加口袋公園、活水公園、街頭綠地等藍綠空間，同時在城市設計層面優(yōu)化藍綠空間斑塊的邊緣形狀。

4.2 重點增加北部高溫范圍區(qū)域內(nèi)藍色空間

通過時空演變對比研究，發(fā)現(xiàn)藍色空間相較于綠色空間改善熱環(huán)境的效果更為顯著。目前天津市內(nèi)六區(qū)范圍內(nèi)的藍色空間分布極為不均，大部分面狀水域成片集中于南開區(qū)南部，而其它區(qū)域則呈現(xiàn)面狀水域緊缺的困境。建議重點針對北部高溫范圍區(qū)域增加藍色空間斑塊，尤其是河北區(qū)與河東區(qū)。可通過擴增河東區(qū)月牙灣公園、二宮公園以及河北區(qū)寧園等城市公園中的水面面積、在中山門公園引水增湖、在河東區(qū)與河北區(qū)交界的高溫范圍區(qū)域添加藍色空間等手段，優(yōu)先緩解河北區(qū)與河東區(qū)更為突出的熱環(huán)境問題。

4.3 擴寬改造已有河道與推進綠道建設

流經(jīng)紅橋區(qū)的北運河、子牙河，河北區(qū)的新開河，以及匯流于六區(qū)交接處的海河，這4者共同構成了天津市內(nèi)六區(qū)面向熱環(huán)境改善的關鍵性河流骨架，發(fā)揮了極為顯著的降溫意義。而南運河、津河、衛(wèi)津河、城防河以及月牙河的平均河寬僅25m左右，最窄甚至不足20m，遠遠小于海河面寬，降溫效應大幅降低。本文提出在重點保護所有河流的基礎上，對南運河、津河、衛(wèi)津河、城防河及月牙河進行局部擴寬與串聯(lián)疏通改造，同時構建濱河綠道，充分強化并發(fā)揮線狀藍綠空間的降溫優(yōu)勢。

綜合以上優(yōu)化手段，提出如圖13所示的天津市內(nèi)六區(qū)藍綠空間規(guī)劃建議，通過優(yōu)化藍綠空間景觀格局、增加北部高溫范圍區(qū)域內(nèi)藍色空間、擴寬改造河道與構建濱河綠道等策略以有效應對熱環(huán)境問題，提升城市的生態(tài)性與宜居性。

圖13 天津市內(nèi)六區(qū)藍綠空間規(guī)劃建議

結論與展望

通過對比分析天津市內(nèi)六區(qū)在2004、2011、2017年間熱環(huán)境與藍綠空間的時空演變聯(lián)系特征，得到以下結論：（1）藍綠空間面向城市熱環(huán)境具有顯著改善作用，在景觀格局層面，地表溫度與藍綠空間斑塊周長指數(shù)呈顯著負相關，與周長面積比指數(shù)呈顯著正相關；（2）在多尺度的空間格局分析中，發(fā)現(xiàn)地表溫度與藍色空間斑塊所占景觀面積比在1500m×1500m樣本中相關程度最高，與綠色空間則在300m×300m樣本中最高，且藍色空間熱環(huán)境改善效率更佳；（3）提出基于藍綠空間景觀格局優(yōu)化的熱環(huán)境改善建議。

分利用藍綠空間的降溫影響作用以改善城市熱環(huán)境是近年來的研究熱點，本文對熱環(huán)境與藍綠空間在景觀格局層面的聯(lián)系特征展開了分析，研究結論可為應對氣候挑戰(zhàn)、推進生態(tài)文明建設提供建議。目前取得的相關結論在空間尺度上仍具有一定的局限性，未來將繼續(xù)探討精細化尺度下的熱環(huán)境與藍綠空間景觀格局規(guī)律，以精準高效地發(fā)揮藍綠空間的生態(tài)降溫效用。

圖、表來源

文中圖、表均由作者繪制。