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北京城市绿地对热岛效应的缓解作用

花匠小妙招
2024-11-08 16:30

1 引言

城市热岛效应是指城区温度明显高于外围郊区温度的现象。自从英国学者Howard首次发现城市热岛效应后,世界上大大小小的许多城市都有类似的报道,中国北京、上海、南京等城市也发现了类似现象,表明城市热岛效应己成为当今城市发展面临的一个普遍环境问题[1]。城市热岛效应成因复杂,是人为因素和自然因素共同作用的结果,主要与城市下垫面的改变、人为热源热量释放、大气污染等有关[2]。城市热岛响应不仅影响城市气象[3]、空气质量[4]、动植物生长与发育[5,6]和能源消耗[7],还会引发呼吸系统、脑血管、心脏等相关疾病[8],威胁人的生命安全。随着人们对城市热岛效应危害认识的不断提高,如何缓解城市热岛效应成为亟待解决的城市生态环境问题之一。从城市热岛效应形成机理得到的缓解措施主要有增加城市绿地面积、改善大气环境、减少人为热量排放、改进城市规划理念、加强城市湿地与水体的保护等[9]。而城市发展导致城市下垫面性质发生极大改变,并且在某些方面影响了城市气候。一方面城市粗糙度的改变影响了城市边界层结构,另一方面城市地表覆盖的改变造成了地表长波辐射状况的变化[10]。此外城市人口密集、工业发达、人为热排放较多也使得城市热力状况远较外围郊区复杂,进而导致城区温度普遍高于郊区。

2000年以来,北京城市群经历了快速的发展,城市功能、综合实力、以及城市形态与环境面貌等都发生了巨大变化。2000年,北京城市群由中心城区和房山、昌平、顺义、延庆、怀柔、密云和平谷7个卫星城组成,其中中心城区总面积为1 404km2。2005年顺义和昌平2个卫星城与中心城连成片,城市群总面积达到1 999km2。到2010年,由中心城和延庆、怀柔、密云、平谷4个卫星城组成的城市群面积达到2 459km2。随着城市化的发展,北京城市热岛效应引起了众多学者的关注。徐祥德等利用气象观测资料和数值模拟方法研究北京地区热岛强度,并指出1983-1985年1月份北京市中心日均温比郊区高2.4℃,8月份最高气温城郊温差为0.4~1.6℃[11]。季崇萍等研究发现,北京城市热岛强度以0.22℃/10年的速率加剧,其中1999年北京热岛强度达1.13℃（夜间,02∶00）,夜间热岛强度明显大于白天[10]。20世纪80年代和90年代夜间热岛强度均超过0.5℃,一天4个时次热岛强度的季节变化趋势基本一致,均表现为冬季强、夏季弱。并且,夜间02∶00时热岛最强,中午14∶00时热岛最弱[10]。

城市绿地不仅具有吸收二氧化碳、制造氧气、吸收有毒气体、杀菌除尘等净化环境的作用,而且还具有遮阳、降温增湿和改善局地小气候等多种功能,从而能够补偿一部分由于城市化而受到损害的自然环境功能[12]。现有研究表明,城市绿地覆盖率与热岛强度成反比,绿地覆盖率愈高,则热岛强度愈弱。当一个区域绿地覆盖率达到或大于30%时,绿地对城市热岛有较明显的削弱作用;覆盖率大于50%,绿地对城市热岛的削减作用极其明显[13]。

关于北京市城市热岛,以往研究主要是利用一些气象站点气象数据采用日平均气温、最低气温、最高气温或月平均气温的城-郊差值进行空间插值,之后研究区域热岛特征、时空分布变化及其与土地利用、城市化进程等的关系[10,14-16],或利用模型模拟、遥感反演等开展研究[17-21],且研究时段大多为2005年以前,近年北京市城市热岛格局与变化的研究较少,尤其缺乏从城市功能定位的角度研究北京市中心城和卫星城热岛效应格局与变化。而关于城市绿地对缓解城市热岛影响的研究主要集中于绿化树种的降温增湿效果、绿地覆盖率与热岛强度关系及不同景观下垫面温湿度变化的差异[19,20,22-32],虽然这些文献报道了不同绿地缓解城市热岛效应,但仅涉及了城区少数绿地大类如林荫道、草坪、马褂木等与广场、马路的对比研究或利用遥感反演地表温度研究乔木林、乔灌林、灌木林与裸地的温湿度差异,缺乏基于野外试验方法研究不同类型绿地缓解北京城市热岛效应的报道。基于此,本文利用北京地区19个气象观测站2005-2010年逐日3个时次（08∶00、14∶00和20∶00,北京时间,下同）温度数据,对比研究北京市2005-2011年中心城和卫星城城市热岛强度及其变化,同时利用野外试验方法,探明不同类型城市绿地降低气温的差异,即缓解热岛效应作用,以期为北京市城市生态规划、环境治理及绿化建设提供理论依据。

2 研究区划分

本研究根据21世纪空间技术应用股份有限公司（http://www.21at.com.cn/index.html）遥感反演与验证后的2005年、2007-2011年30m×30m的北京市土地覆被数据,再根据900m×900m的网格中建设用地面积比例≥50%以上的斑块划定为建成区用地,然后在删除面积小于2km2的零星斑块后,将面积大于2km2的斑块定义为城市建成区。而中心城则为北京市集中连片的面积最大的建成区,而周边面积较小的延庆县、怀柔县、密云县、平谷县等建成区则定义为卫星城,建成区以外的区域为郊区。2005- 2009年卫星城包括延庆、怀柔、密云、平谷和房山5区县的建成区;此时的中心城为其余区县连片的建成区。2010-2011年卫星城为延庆、怀柔、密云和平谷4区县的建成区,此时中心城则为其余区县的建成区。2010年北京市中心城、卫星城和郊区空间分布详见图1。

3 数据来源与研究方法

3.1 城市热岛效应数据源

利用北京市环境保护监测中心（http://www.bjmemc.com.cn/）19个监测站点2005-2011年逐日3个时次（8∶00、14∶00和20∶00）长期监测的气温数据,分析各站点各时次年平均气温格局与变化,再依据划定的2005年、2007-2010年北京市中心城、卫星城和郊区的边界及监测站点的空间位置,用中心城和卫星城分别与郊区的年平均气温差、冬夏季日平均气温差进行对比分析,北京市中心城和卫星城城市热岛效应强度及其变化特征。本研究19个监测站点的空间分布详见图1。

3.2 城市绿地与硬化地面气温差异试验过程

绿地与非绿地温度差异比较试验于2013年9-10月进行,利用Kestrel 3000手持气象站（美国产。空气温度,-29~70℃,精度1℃,分辨率0.11℃）对北京市中心城区和卫星城主要公园绿地、植物园、小区绿地、休闲绿地等近40个点及其相应的硬化地面进行连续定位观测,观测仪器离地面约1.0 m,观测时间主要为8∶00-16∶00,间隔时间为10min。鉴于试验数据动态变化规律,选取4个有代表性公园（怀柔公园、马甸公园、门头沟滨河公园和平谷公园）绿地的试验结果进行分析,这4个公园的空间分布详见图1。

3.3 不同绿地降温作用试验过程

不同结构绿地降温作用试验于2010年8月16-17日（天气晴朗,无云量,白天平均相对湿度30%）北京高温时期完成,即用温湿度仪（德国产TESTO 608H1）从上午9∶00-17∶00每隔2h对北京市马甸公园、元大都遗址公园、紫竹院公园及相应硬化地面的温度连续测定,同一地点同一时刻连续测定两次,测定高度距地面1.3m。测定的绿地类型有：草地、乔木林、乔草、乔灌、乔灌草、灌木林、竹丛。之后采用硬化地面与各类绿地的气温差值高低来评价绿地降温作用的大小。

4 结果与分析

4.1 城市热岛效应格局与变化

4.1.1 年平均气温对北京市各区县19个气象站点2005-2011年3时次（8∶00、14∶00和20∶00）气温数据分析发现,北京市不同功能区站点间年平均气温变化幅度均以20∶00差异最大,年极值差（最大值与最小值之差）平均为9.4℃,14∶00次之,年极值差平均为8.4℃,8∶00最小,年极值差平均为7.20℃。各时次年平均气温空间格局均呈现由中心城→卫星城→郊区递减,但各时次年气温变化幅度均以郊区最高,卫星城次之,中心城最低。各站点各时次年平均气温因城市功能区而不同,整体均呈现波动上升（表1）,但有些郊区站点（房山、门头沟、延庆）却呈波动下降,说明随着退耕还林、京津风沙源治理工程、绿色奥运等生态工程的实施,北京郊区生态环境不断好转。

表1 2005-2011年北京市不同城区平均气温格局与变化

Table 1 The pattern and changes of annual average temperature in different times from 2005 to 2011（℃）

时次区域 2005年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年平均 8时郊区 5.9（3.6~8.0） 7.1（5.2~8.7） 6.1（4.0~7.8） 6.4（4.1~8.1） 6.1（3.7~7.9） 5.9（3.6~7.7） 6.2（3.6~8.7）卫星城 8.5（6.5~9.5） 9.2（7.3~10.1） 8.5（6.7~9.2） 8.6（6.9~9.3） 8.4（6.7~9.1） 8.6（6.8~9.2） 8.6（6.5~10.1）中心城 10.6（10.0~11.0） 11.3（10.6~11.8） 10.7（9.8~11.1） 10.6（9.8~11.2） 10.6（9.8~11.0） 10.7（9.7~11.3） 10.7（9.7~11.8） 14时郊区 14.7（9.0~16.6） 15.8（10.7~17.5） 14.7（9.1~16.2） 15（9.6~16.7） 13.8(8.3~15.4) 14.6(9.2~16.4) 14.8(8.3~17.5) 卫星城 15.8（11.9~17.2） 17.4（15.6~18.1） 16.3（14.6~17.0） 16.5（15.0~17.1） 15.4（13.8~16.2） 16.5（14.8~17.2） 16.3（11.9~18.1）中心城 17.4（16.9~17.7） 18.2（17.7~18.5） 17.4（17.0~17.7） 17.5（17.0~17.9） 16.5（16.1~16.7） 17.4（17.1~17.7） 17.4（16.1~18.5） 20时郊区 9.6（5.4~10.9） 10.6（6.7~11.9） 9.6（5.4~11.3） 10.1（5.7~11.6） 9.2（4.8~10.7） 9.5（5.1~11.2） 9.8(5.4~11.9) 卫星城 10.8（7.2~13.0） 12.4（11.4~13.0） 11.5（10.5~12.1） 11.7（11.0~12.4） 11.2（10.2~11.8） 11.6（10.7~12.4） 11.5（7.2~13.0）中心城 13.4（12.6~14.8） 14.0（13.2~15.5） 13.4（12.5~14.9） 13.6（12.7~15.0） 13.1（12.2~14.2） 13.5（12.3~14.9） 13.5（12.2~15.5）注：X（X1~X2）中X、X1和X2分别为不同区域气象站点不同时次年平均值、年平均最小值和年平均最大值。

对北京市中心城和卫星城与郊区年平均气温差分析表明,不论是中心城,还是卫星城,它们与郊区的年平均气温差均表现为8∶00>20∶00>14∶00,且整体均呈波动式上升趋势,其中2005-2011年8∶00、14∶00和20∶00中心城较郊区年平均温差分别为4.5℃,2.6℃和3.8℃,卫星城较郊区年平均温差分别为2.4℃、1.7℃和1.9℃。2007年后城市热岛效应增强明显,2011年中心城与郊区、卫星城和郊区8∶00、14∶00和20∶00的年平均气温差较2007年分别增加了0.6℃和0.6℃、0.4℃和0.4℃、0.6℃和0.3℃（见图2）,说明北京市中心城和卫星城城市热岛效应不断增强,且中心城增强幅度高于卫星城。

4.1.2 冬、夏季平均气温差对冬季（12月-次年1月）8∶00、14∶00和20∶00中心城区和卫星城区与郊区的平均气温差分析发现,与年平均气温差相似,冬季平均气温差也是8∶00最高,平均值分别为5.6℃和2.3℃,20∶00次之,分别为4.0℃和1.8℃,14∶00最低,平均分别为2.8℃和1.6℃。2005-2011年冬季中心城和卫星城与郊区的平均温差也呈波动式上升（图3）,说明随着北京城市扩张,北京市中心城区和卫星城冬季城市热岛效应均不断增强。

夏季（6月-8月）与郊区平均气温差分析发现,虽然夏季卫星城不同时次平均温差大小次序与其冬季相同,但夏季中心城与郊区的日平均气温差却以20∶00最高,平均为3.9℃,8∶00次之,平均为3.6℃,14∶00最小,平均为2.5℃,而8∶00、14∶00和20 ∶ 00卫星城与郊区平均温差分别为2.4℃、1.6℃和2.4℃。此外,虽然夏季中心城和卫星城8∶00和20∶00分别与郊区的平均温差均呈波动增加,但它们14∶00与郊区平均温差却均有波动下降趋势（图4）,这可能与近年来北京市城市生态建设力度不断加强有关,也可能与夏季中午气温较高,人们外出减少致使机动车能源消耗较低等有关。

4.2 绿地的降温作用

4.2.1 绿地与硬化地面气温变化特征野外试验表明,城市绿地具有良好调节局部地表空气温度功能。虽然绿地与硬化地面地表空气温度随时间变化因监测点的不同而不同,但各监测点数据均表明城市绿地具有较强的降温作用。例如与硬化地面相比,怀柔公园绿地9∶27-16∶00的降温幅度为-1.3~6.2℃,平均降温1.9℃;马甸公园的公园绿地使地表气温平均降低了0.5~4.0℃;平谷公园绿地的降温幅度为-4.2~4.1℃,平均降低了0.5℃;门头沟滨河公园7∶45-16∶50绿地降温幅度为-0.6~5.2℃,平均降低了2.2℃。同时还发现,城市绿地降温功能与观测时间及观测时天空云量多少、降雨等天气状况密切相关。天气对城市绿地降温功能的影响在在平谷公园表现尤为明显,当日11∶30天空变阴,随后下起小雨,之后又晴,如此循环,至下午3∶00后天空放晴,致使12∶44-15∶10内绿地平均气温反而高于硬化地面（图5）。

4.2.2 不同绿地夏季降温差异对马甸公园、元大都遗址公园和紫竹院公园不同结构绿地降温试验分析发现,城市绿地降温幅度因绿地类型、观测时间和绿地群落结构而异。基于2010年8月16-17日夏季典型日野外试验数据表明,与硬化地面相比,普通绿地9∶00-16∶00的降温幅度约为0.2~12.9℃,各类绿地平均降温幅度为1.2~9.5℃,4个试验公园绿地平均降温4.2℃。其中马甸公园9∶00-15∶00绿地的降温幅度为2.2~12.9℃,平均为4.0~9.5℃,以乔草（国槐+草坪）降温幅度最大,约为草地的2.4倍;元大都遗址公园9∶00-15∶00绿地的降温幅度为0.2~8.8℃,平均为1.2~6.4℃,也是以乔草（国槐+草坪）绿地降温幅度最大,约为草地的5.4倍;紫竹院公园9∶00-16∶00绿地的降温幅度为0.3~6.1℃,平均为1.2~3.9℃,以竹丛降温幅度最大,约为草地的3.4倍。研究还发现,只要是有一定阔叶乔木比例的绿地,其降温效果一般都高于草地和灌丛,而针叶乔木绿地降温效果一般较灌丛差,仅略强于道路绿地,这可能与针叶乔木绿地林分密度小、郁闭度低及白皮松冠幅较小等相关（图6）。总之,冠层层次复杂稠密、郁闭度高、林下植被发达等结构复杂的绿地具有更强的气温调节功能。此外,管理措施对绿地调节气候功能亦有较大影响,如本研究马甸公园和元大都遗址公园中乔草绿地降温作用最强可能与草地定时喷灌有关。

5 讨论

5.1 城市热岛效应

本研究发现,无论是8∶00、14∶00还是20∶00,北京市中心城与郊区的平均气温差均表现为冬季高于夏季,表明中心城城市热岛效应冬季强于夏季,该结果与前人对北京市热岛效应研究的结果一致[10,16],然而卫星城城市热岛强度却是夏季高于冬季。导致北京市卫星城和中心城冬夏季热岛效应强弱不一致的原因有多方面的,现有研究表明,城市热岛是区域气候、城市化程度、地形、人口、经济等因素共同作用的结果[10,33-35]。由于北京市各卫星城大多分布于北部、东北部地区,其地形地貌及气候与中心城有一定差异,与中心城地貌相比,卫星城区大多是位于山区台地内或小平原内,而中心城则位于大平原内。此外,各卫星城人口密度、经济密度、投资规模、城市化水平、能源消耗等更是远低于中心城区,而其城市绿地在内的生态用地比例却远高于中心城区,致使卫星城下垫面变化引起的自然吸热和人工热源释放的热量比例远低于中心城区,而卫星城生态系统对自身温度调控能力却高于中心城。焚风效应表明,四周山地环绕的小台地内气温变化剧烈,致使夏季和冬季卫星城因地貌而导致升温幅度和降温幅度均高于中心城区。在多因素综合作用下,卫星城和中心城热岛效应强度季节变化表现出不同特征。

关于北京市城市热岛强度,已有不少利用气象站点数据开展研究的报道,如徐祥德等[36]利用观测资料和数值模拟方法研究北京地区热岛强度发现,北京市中心1983-1985年1月份日平均气温比郊区高2.4℃,8月份最高气温城郊温差为0.4~1.6℃。而杨萍等[16]对2007-2011年北京市城郊季节气温日变化研究发现,冬季（1月份）城乡日气温差变化幅度约为1.5~4.8℃,8∶00、14∶00和20∶00城乡日气温差分别约为4.8℃、1.5℃和3.8℃;而夏季（7月份）城乡日气温差变化幅度分别约为1.6~3.2℃,8∶00、14∶00和20∶00城乡日气温差分别约为2.4℃、1.8℃和2.6℃。本研究得到的2005-2011年北京市城市热岛强度强于徐祥德等1983-1985年的北京热岛强度（0.4~1.6℃）,而杨萍等得到的冬、夏季北京城乡热岛强度则介于本研究中心城热岛强度（冬季8∶00、14∶00和20∶00温差5.6℃、2.8℃和4.0℃,夏季为3.7℃、2.5℃和3.9℃）和卫星城热岛强度（冬季8∶00、14∶00和20∶00温差2.3℃、1.6℃和1.8℃,夏季为2.4℃、1.6℃和2.4℃）之间。导致本研究与前人研究结果差异的原因主要为研究对象不同,本文研究的是2005-2011年的北京中心城和卫星城,而徐德祥等研究的是1983-1985的北京城乡,时间尺度差异较大。而现有研究表明,城市化进程对城市热岛效应有显著影响[10,14,17],由于本研究时期内北京城市化水平远高于徐德祥等北京1983-1985年城市化水平,致使本研究得到的城市热岛强度高于徐德祥等。同理,由于本研究将北京分成中心城、卫星城和郊区进行研究,而杨萍等则仅将北京分成城区和郊区来研究,因研究对象差异使得杨萍等研究结果介于本研究卫星城和中心城热岛强度之间,说明本结果与杨萍等的结果是一致的。

5.2 城市绿地降温作用

城市绿地具有改善小环境、缓解热岛效应功能,如,刘娇妹和杨志峰[29]对北京不同景观下垫面温度变化研究表明,5个观测点白天气温均表现为绿地<建筑物空间<道路的变化趋势。吴菲等[37]对北京市万芳亭公园林下广场、无林广场和草坪调节城市小气候的定量研究发现,在一天中的高温时段（12∶00-16∶00）,林下广场的温度最低,菜地次之,无林广场最高;而傍晚（18∶00）草坪的温度最低,林下广场次之,这可能与草坪频繁浇灌引起水分蒸发而带走大量热量有关。郝兴宇等对不同类型城市绿地热力特征研究发现,不同绿地周边气温垂直结构中均存在一个高温中心和低温中心,且森林周边冷热源效应更加明显,灌丛和草坪的冷热源效应较森林明显减弱,说明绿地与非绿地间均存在局地小气候环流,为深入研究不同绿地调节局地小气候提供依据[38]。大量研究表明,城市绿地缓解热岛效应的强弱不仅与绿地类型[30]、绿地结构[31,39]和绿量比例等相关[28]。因此,合理的群落结构和空间布局可降低区域气温,增强绿地缓解区域城市热岛效应功能。

本研究发现,与硬化地面相比,城市绿地降温幅度与绿地类型、绿地结构、观测时的天气及绿地经营管理措施（喷灌）等密切相关。同一类型的城市绿地（如乔木绿地、乔灌绿地、乔草绿地或草地绿地等）,其降温功能因树种组成、郁闭度、林分密度等不同而不同,这一结果印证了城市绿地调节局地气温功能与绿地群落结构密切相关[31,32,39,40]。本研究结果表明不同类型绿地在9∶00-16∶00的气温调节幅度为0.2~12.9℃,平均降温幅度为1.2~9.5℃,所有试验绿地平均降温4.2℃。这一结果与前人研究城市绿地气温调节平均2~5℃[41]的结论基本一致。

6 结论

本研究依据19个监测站点2005-2011年3时次（8∶00、14∶00和20∶00）的日气象数据、野外试验测定的绿地与硬化地面气温数据和不同类型绿地降温数据,首次尝试按城市功能定位将北京市分成中心城区、卫星城区和郊区,再探明中心城和卫星城城市热岛强度差异及其变化态势,揭示城市绿地降温功能与绿地类型、绿地结构及管理措施的关系。主要研究结论如下：

（1）2005-2011年北京市各时次年平均气温均呈现中心城高于卫星城高于郊区,且中心城和卫星城年平均气温呈增加态势,而郊区年平均气温却略有降低,说明郊区退耕还林、风沙源治理等生态工程的成效明显。

（2）北京2005-2011年各时次中心城区和卫星城区城市热岛强度均呈波动增强,尤其是2007年后增强明显;中心城热岛效应强度及其增强幅度均高于卫星城。中心城和卫星城冬夏季热岛强度和强弱顺序不一致,中心城冬季强于夏季,而卫星城夏季强于冬季;中心城和卫星城冬夏季不同时次热岛效应排序不同,冬季全为8∶00>20∶00>14∶00,而夏季卫星城为8∶00>20∶00>14∶00,而中心城为20∶00>8∶00>14∶00。

（3）北京城市绿地气温调节功能不仅与绿地类型相关,还与绿地树种组成、冠层结构、植被覆盖率等群落结构及绿地经营管理措施（喷灌等）等相关。试验绿地夏季9∶00-16∶00的降温幅度约为0.2~12.9℃,其中以乔草绿地降温幅度最大,草地最低;各类绿地平均降温幅度约为1.2~9.5℃,所有绿地平均降温4.2℃。因此,合理的群落结构与空间布局可增强区域绿地气温调节功能,缓解区域城市热岛。

致谢：21世纪空间技术应用股份有限公司完成遥感影像数据处理与解译,北京市环境保护监测中心、北京市环保局、北京市环境科学研究院对论文均有重要贡献,在此表示感谢。

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