城市湿地对局地小气候的影响.pdf

第 10 卷第 2 期湖南生态科学学报Vol.10 No.22 0 2 3 年 6 月Journal of Hunan Ecological ScienceJun.2023收稿日期:2022-09-19基金项目:大学生创新创业训练计划项目(自然科学类)。作者简介:为通信作者,刘柄麟,博士,讲师,研究方向:城市生态系统价值评估,E-mail:624560710 ;刘德政,博士研究生,研究方向:城市气候与环境质量综合分析,E-mail:dezheng_。引文格式:刘德政,刘柄麟,谢丽.城市湿地对局地小气候的影响J.湖南生态科学学报,2023,10(2):71-78.LIU D Z,LIU B L,XIE L.The effectof urban wetlands on local microclimateJ.Journal of Hunan Ecological Science,2023,10(2):71-78.DOI:10.3969/j.issn.2095-7300.2023.02.010http:/城市湿地对局地小气候的影响刘德政1,刘柄麟2,谢丽3(1.中山大学 海洋工程与技术学院,广东 珠海 519000;2.南宁师范大学 地理科学与规划学院,广西 南宁 530001;3.广东财经大学 地理与旅游学院,广东 广州 510320)摘 要:【目的】国家湿地公园作为城市绿地系统的重要组成部分,它在调节气候、改善环境、维护区域生态平衡等方面具有重要作用。【方法】通过对广州海珠国家湿地公园 20142016 年的气象数据及空气质量数据进行整理分析,结合遥感技术,从温度、湿度、风速、AQI 四方面探讨城市湿地公园的小气候效应。【结果】海珠国家湿地公园具有明显的冷岛效应、湿岛效应、风岛效应和空气质量效应。海珠国家湿地公园的小气候调节效应具有明显的季节差异,冷岛和风岛效应夏季强于冬季,湿岛效应冬季强于夏季。海珠国家湿地公园的小气候调节效应具有明显的昼夜差异,湿岛和风岛效应白昼强于夜晚,冷岛效应夜晚强于白昼。海珠国家湿地公园空气质量效应年际变化明显,空气质量逐渐上升。对比周边城区温度和湿度,温度以海珠国家湿地公园为中心向四周逐渐增高,湿度则相反。【结论】湿地公园能有效调节城市小气候和改善城市环境质量。关键词:城市湿地;小气候效应;生态环境中图分类号:X82文献标志码:A文章编号:2095-7300(2023)02-0071-08The Effect of Urban Wetlands on Local MicroclimateLIU Dezheng1,LIU Binglin2,XIE Li3(1.School of Ocean Engineering and Technology,Sun Yat-Sen University,Zhuhai 519000,China;2.School ofGeography Science and Planning,Nanning Normal University,Nanning 530001,China;3.School ofGeography and Tourism,Guangdong University of Finance&Economics,Guangzhou 510320,China)Abstract:【Objective】As an important part of urban ecosystem,the wetland park plays a vital rolein regulating climate,improving the environment and maintaining regional ecological balance.【Method】Through the analysis of meteorological data and air quality data from 2014 to 2016 in Haizhu WetlandPark in Guangzhou,combined with remote sensing technology,the microclimate effect of urban wetlandpark was discussed from four aspects of temperature,humidity,wind speed and AQI.【Result】Thestudies showed as follows:Haizhu Wetland Park has obvious cold island effect,wet island effect,wind island effect and air quality effect.The microclimate regulation effect of Haizhu Wetland Park hasobvious seasonal difference.The cold island effect and wind island effect is stronger in summer than inwinter,and the wet island effect is stronger in winter than in summer.The microclimate regulationeffect of Haizhu Wetland Park has obvious difference between day and night.The wet island and wind is-land effect is stronger in daytime than at night,and the cold island effect is stronger at night than in day-time.The air quality effect of Haizhu Wetland Park changes significantly from year to year,and the airquality gradually rises.Compared with the temperature and humidity in the surrounding urban areas,the temperature gradually increases around Haizhu Wetland Park,while the humidity is opposite.【Con-clusion】Wetland parks can effectively regulate the urban microclimate and improve the quality of the ur-ban environment.Keywords:urban wetland;microclimate effect;ecosystem 随着城市化进程的加快,城市负面气候问题日趋严重,对城市乃至全球的生态环境产生了不利的影响1。被称为“地球之肾”的湿地包括各种咸水淡水沼泽地、湿草甸、湖泊、河流、河口三角洲、泥炭地、湖海滩涂、河边洼地或漫滩等2,在调节城市区域气候方面具有重要作用。为研究城市湿地对城市气候问题的改善效果,已有众多学者先后开展了湿地小气候调节功能研究,证实了城市湿地具有冷岛、湿岛、风岛等效应3。部分学者通过对不同气象要素的对比观测,探讨了城市湿地的局地小气候调节效应的强度3-4;或结合遥感技术探讨湿地对局地小气候时空分布特征及其影响等方面5;目前基于遥感影像和野外观测,采用对不同地表类型的温度频率和不同湿地类型的降温效果进行对比分析的方法,已开展了众多湿地调节局地小气候的研究。然而,这些研究多集中于城郊或偏远地区的自然湿地生态系统,针对城市内部湿地调节气候作用的研究则相对较少。为探究湿地公园对城市小气候的影响,在前人研究的基础上,本研究以广州海珠国家湿地公园为研究对象,通过收集数据与野外实地观测,并结合遥感影像进行地表温度反演,研究其所产生的冷岛效应、湿岛效应、风岛效应及其对空气质量指数(AQI)的改善效果,评估其对城市小气候的影响,探讨城市湿地公园对周边环境的改善效果及影响,为评价城市人居环境提供参考依据。1 研究区概况广州位于112571143E,22262356N,是西江、北江、东江三江汇合处,东连博罗、龙门两县,西邻三水、南海和顺德,北靠清远市区和佛冈县及新丰县,南接东莞市和中山市,与香港、澳门隔海相望。属亚热带海洋性季风气候,全年雨热同期,雨量充沛,利于植物生长,四季常青,繁花似锦,故有“花城”之美誉。同时,广州河网密布,珠江众多支流贯穿其中,湿地较多6。广州海珠国家湿地公园,位于广州市海珠区东南部,主要包括万亩果园,海珠湖及附近 39 条河涌,总面积约1 100 hm2,湿地核心区域869 hm2,为国家湿地公园建设范围。广州海珠国家湿地公园主要由海珠湖及 39 条河涌组成,属于典型的江心洲与河流、涌沟、果林镶嵌而成的复合湿地系统,区域内河网纵横交错,湿地资源丰富。海珠湿地对调节广州城市气候、净化城区空气、调控城市水体、改善城市生态环境起着重要的作用,与“北肺”白云山并称为广州中心城区的两大生态屏障7。2 数据与方法2.1 数据来源 收集有关广州海珠国家湿地公园的数据可以分为三种类型:气象数据、遥感数据及环保数据。其中,气象数据和环保数据主要是由广州市气候与27湖南生态科学学报2023 年 6 月农业气象中心提供和利用便携式一体化移动气象站实地记录所得,包括 20142016 年海珠区主要气象观测站(海珠湖站、沙园站、市五中站、广财大站)温度、湿度、风速、空气质量 AQI 指数,实测海珠国家湿地公园周边 1 km 范围内 55 个测点(沿公园四周均匀分布)的温度、湿度与风速;遥感数据是从地理空间数据云获取的2009 年和2015 年的 Landsat 5和 Landsat 8 数据。2.2 评价指标选取和方法湿地公园对局地小气候的影响,主要体现在温度、湿度、风速与空气质量四个方面。其中,温度分为距地 1.5 m 温度和地表温度。距地1.5 m 温度代表着自然状态下,不受干扰的标准空气温度,地表温度则是反映下垫面改变对地表以及水汽蒸发的变化。湿地公园对局地小气候的影响与多个因素紧密相关,因此,需要综合分析各个因素,同时考虑目前所掌握的技术水平和数据的易获取性,本研究选取了距地 1.5 m 温度、地表温度、湿度、风速、AQI作为分析海珠国家湿地公园对周围环境影响评价指标。由于每个指标所占权重不一,因此本研究首先采取权重系数法,对五个指标先进行权重分配,计算公式如下:Wi=i/xini=1ixi(i=1,2,3,4,5)(1)式中:Wi是指各个指标的权重;i是指各个指标各自的标准差;xi是指各个指标各自的平均数。通过对温度、湿度、风速、AQI 的权重分析,可以得知距地 1.5 m 温度所占的权重最大,地表温度所占权重最小(见表 1)。这说明在五项指标中,距地1.5 m 温度为人们最直观感受的指标,是湿地公园影响周边环境的重要表现。表 1 权重分析结果Table 1 Results of weight analysis指标地表温度/距地 1.5 m 温度/湿度/%风速/(m/s)AQI平均数29.295 224.297 974.217 31.858 359.677 6标准差2.767 75.475 47.138 80.280 29.829 0变异系数0.094 50.225 30.096 20.150 80.164 7权重0.129 20.308 10.131 50.206 00.225 22.3 环境改善评估公式在指标选取上,通过观察海珠国家湿地公园对环境的影响特征,结合可操作性和数据的可获取性,选取 4 个关键性因素用于海珠国家湿地公园对周围环境改善评价,即地表温度、距地 1.5 m 温度、相对湿度以及 AQI。根据变异系数法赋予各指标权重(公式 2)。其中,地表温度所占权重为 0.163,AQI 所占权重为0.284,气温所占权重为 0.388,相对湿度所占权重为 0.166(表 2)。根据公式 3,可得环境改善评估值=地表温度等级0.163+AQI 改善等级0.283+气温等级0.388+湿度等级0.166。Wi=Vini=1ViVi=iXi(i=1,2,3,4)(2)改善评估公式:=ni=1i Wi(3)表 2 权重分析Table 2 Results of weight analysis指标地表温度/AQI气温/相对湿度/%平均数29.295 259.677 624.297 974.217 2标准差2.767 79.829 05.475 47.138 8变异系数0.094 50.164 70.225 30.096 2权重0.162 70.283 60.388 00.165 637第 10 卷第 2 期刘德政,等:城市湿地对局地小气候的影响2.4 IDW 地表温度反演通过“地理空间数据云”分别获取海珠国家湿地公园建成前后广州市海珠区所处分幅 TM 与 TIRS图像,利用 ENVI 5.1 大气校正法进行地表温度反演获取海珠国家湿地公园建成前后该区域地表温度值。其中,为减少太阳辐射对地表温度反演结果影响,需选取不同年份同一日期、云量为无或云量极少的遥感影像地表反演温度;综合各方面条件分别选取 2009 年、2015 年夏季同一日期遥感影像。利用 ArcGIS 等软件进行图片处理和符号化得到海珠国家湿地公园建成前后海珠区夏季地表温度图像,即热场分级图。3 结果与分析3.1 效应分析3.1.1 冷岛效应 比较海珠国家湿地公园与周边城区的气温,根据热岛效应强度值为负值的结果,可以发现,海珠国家湿地公园具有明显的冷岛效应。海珠国家湿地公园和周边城区的日气温变化曲线呈单峰型(图 1a)。海珠国家湿地公园的冬夏两季的平均气温为 23.67,较城区低 0.43。海珠国家湿地公园与周边城区的最大温差(周边城区的气温减去海珠国家湿地公园的气温)出现在 0 时,达0.4,日最小温差出现在 11 时,达-0.92。气温与温差的日变化规律呈负相关关系,其 pearson 相关系数为-0.797(sig 值=0.001),在 0.01 的水平(双侧)上显著相关。冬夏两季海珠国家湿地公园的冷岛效应具有明显的差异。从总体上看,夏季(69 月)的冷岛效应更强,夏季海珠国家湿地公园各时点的气温比周边城区平均低 0.24,比冬季低 0.21。冬夏两季随着温度的降低,冷岛效应增强。海珠国家湿地公园的冷岛效应具有明显的昼夜差异。白昼(8 时至 18 时)随着气温的增高,海珠国家湿地公园的冷岛效应逐步减弱,通常在 10 时至 11 时达到最低值;夜间(19 时至次日 7 时)海珠国家湿地公园的冷岛效应较强,在0 时达到最大温差0.4。同时,夜间(19 时至次日 7 时)海珠国家湿地公园的冷岛效应更稳定,波动性较小(图 1b);白昼(8 时至 18 时)温差为负值,在 11 时达到最大值。3.1.2 湿岛效应比较海珠国家湿地公园与周边城区的温度,发现海珠国家湿地公园具有明显的湿岛效应。海珠国家湿地公园和周边城区的日湿度变化曲线呈 U形(图 1c)。海珠国家湿地公园的冬夏两季的平均相对湿度为 76.66%,较城区高 5.60%。海珠国家湿地公园与周边城区的最大湿度差(海珠国家湿地公园的相对湿度减去周边城区的相对湿度)出现在2 时,达 5.50%,日最小湿度差出现在 10 时,达2.40%。湿度与湿度差的日变化规律呈正相关关系,其 pearson 相关系数为0.828(sig 值=0.001),在0.01 的水平(双侧)上显著相关。冬夏两季海珠国家湿地公园的湿岛效应具有明显的差异。从总体上看,冬季(122 月)的湿岛效应更强。冬季,海珠湖各时点的相对湿度比周边城区平均要高 6.02%,比夏季高 1.01%。海珠国家湿地公园的湿岛效应具有明显的昼夜差异。白昼(8 时至 18 时)随着湿度的增高,海珠国家湿地公园的湿岛效应逐步增强,从 9 时至 17 时维持较低的水平;夜间(19 时至次日 7 时)海珠国家湿地公园的湿岛效应较强,在 1 时达到最大湿度差 6.53%,从21 时至次日 2 时维持较高水平。同时,夜间(19 时至次日 7 时)海珠国家湿地公园的湿岛效应更稳定,波动性较小(图 1d)。3.1.3 风岛效应比较海珠国家湿地公园与周边城区的风速,可以发现海珠国家湿地公园具有明显的风岛效应。从总体上看,海珠国家湿地公园和周边城区的日风速变化曲线呈倒 U 形(图1e)。海珠国家湿地公园的平均风速为1.99 m/s,较城区高 0.98 m/s;海珠国家湿地公园与周边城区的最大风速差(海珠国家湿地公园的风速减去周边城区的风速)出现在 11 时,达 1.28 m/s,日最小风速差出现在23 时,达0.74 m/s,风速与风速差的日变化规律呈正相关关系,其 pearson 相关系数为0.906(P0.01),海珠国家湿地公园的风岛效应具有明显的昼夜差异。白昼的风岛效应强于夜晚,白昼湿地平均风速为 2.33 m/s,夜晚比周边城区大0.61 m/s。同时,夜间(19 时至次日7 时)海珠国家湿地公园的风岛效应更稳定,波动性较小。冬夏两季海珠国家湿地公园的风岛效应具有明显的差异(图 1f)。整体上冬季(122 月)的风岛效应更强,冬季的平均风速差为 0.98 m/s,比夏季大 0.13 m/s。冬季海珠国家湿地公园各时点的47湖南生态科学学报2023 年 6 月风速比周边城区平均大 0.90 m/s。3.1.4 空气质量效应比较 2014 至 2016 年海珠国家湿地公园与周边城区三个站点的 AQI 指数,海珠国家湿地公园具有明显的空气质量效应。将近三年(2014、2015、2016年)的各站点的 AQI 指数相对比,各站点的 AQI 指数均有所下降。其中,海珠国家湿地公园三年 AQI 指数均低于周边城区。而且其下降幅度最大,平均降低量达10.1,高于周边城区 4.6。图 1 海珠国家湿地公园温度差、湿度差、风速差变化Figure 1 Changes of temperature difference,humidity difference and wind speed difference in Haizhu Wetland Park3.2 地表温度反演3.2.1 IDW 地表温度反演2009 年海珠区夏季地表温度图与 2015 年海珠区夏季地表温度图对比显示(图 2),在海珠国家湿地公园一期、二期建设完成后:(1)海珠区地表温度总体下降,高温区面积明显减少,而较低温区面积明显增加。(2)海珠国家湿地公园范围内高温区与57第 10 卷第 2 期刘德政,等:城市湿地对局地小气候的影响较高温区面积减少,较低温区面积增大,出现了低温区。(3)深色区域(温度上升区域)零散分布,说明仅有少部分地区地表温度上升。(4)海珠国家湿地公园周边地表温度明显下降。图 2 2009 年与 2015 年海珠区夏季地表温度对比Figure 2 Comparison of summer surface temperature between 2009 and 2015 in Haizhu District3.2.2 土地利用类型对比分析对比 2009 年与 2015 年海珠区土地利用类型图(图 3)可见,2015 年海珠国家湿地公园建成后,海珠湖区域内水体面积明显增加,这是海珠湖区域内地表温度显著降低并出现低温区主要原因;而海珠国家湿地公园其他区域水体面积与绿地面积均无明显变化,海珠国家湿地公园的建设不仅开挖了绿心湖,还丰富了植被类型,推测海珠国家湿地公园其他区域与周边地区地表温度的降低与海珠国家湿地公园生态效应有关。影响地表温度变化因素较多,如地表湿度、气温、光照强度、地表材质等,海珠国家湿地公园建成后,研究区域内夏季地表温度总体下降,除与海珠国家湿地公园水域面积扩大有关外,与海珠国家湿地公园夏季降温增湿生态效应有一定关系。除此之外,人口密度、工业发展程度等因素对地表温度也有影响,但由于时间和技术限制,此次研究暂未考虑这些因素。图 3 2009 年与 2015 年海珠区土地利用类型Figure 3 Types of land use in Haizhu District,2009 and 201567湖南生态科学学报2023 年 6 月3.3 现状分析为了更好研究海珠国家湿地公园对周边范围影响,我们进行实地考察,在以海珠国家湿地公园为圆心、半径为 1 km 范围内,测得55 个有效点温度与湿度,测点呈放射状分布。利用克里金插值法分别对 55 个测点的温度与湿度进行插值分析(图 4)。结果表明,在海珠国家湿地公园 1 km 范围内,以海珠湖及海珠湿地为中心,温度由中心至范围边缘逐渐升高,其中海珠湖为低温中心(R2=0.922,P0.01)。在海珠国家湿地公园 1 km 范围内,以海珠湖及海珠湿地为中心,湿度随着范围的扩大而降低,其中海珠湖为低温中心(R2=0.900,P0.01)。图 4 海珠国家湿地公园 1 km 范围温度和湿度插值图Figure 4 Interpolation map of temperature and humidityin 1 km range of Haizhu Wetland Park3.4 环境评估综合各项指标权重(表 2),根据环境改善评估公式(公式 3),计算 2009 年和 2015 年两期环境评估值并进行比较,采用自然断点法将其分成 5 类,分别为 1 到 5 级,等级越高,改善程度越好。在衡量最终改善评估影响上,通过栅格计算器把地表温度、AQI、气温、相对湿度计算合成一张总评价图。由图 5 可知,环境改善评估值最低为2.08,改善效果相对较差,最高为 5,改善程度较优。从分布上看,中部及东南部为湿地公园、生态果园所在区域,环境改善评估值较高,改善程度较大;在西部城区中,由于受到湿地公园的影响较小,改善程度较低。图 5 海珠国家湿地公园环境评估Figure 5 Environmental assessment of Haizhu Wetland Park4 讨论与结论4.1 讨论 海珠国家湿地公园能有效调节局地小气候,对毗邻地区具有降温、增湿、使风速增大和改善空气质量等作用且具有季节和昼夜特征。随着海珠国家湿地公园建成前后土地利用方式的改变,下垫面反射率、热储量及湿度等陆面因子发生了变化,进而改变了局地的小气候。由于水的热容量小于地面,吸热和放热都比较慢,所以湿地附近气温变化较为缓和,而城区干燥的地面上气温变化则较为剧烈8-9。相比于冬季,夏季气温高、降雨多、植被生长茂盛,湿地积水较深且湿地蒸发、蒸腾旺盛,消耗了更多的地表能量,降温幅度大,使得湿地的气温明显降低,因而夏季冷岛效应强于冬季。夜间冷岛效应较强可能与夜间水体的热容量和热惯性很高,水体能够保持更高的温度,使夜间的水体具有增温77第 10 卷第 2 期刘德政,等:城市湿地对局地小气候的影响效应,以及夜晚植物的蒸发耗热作用较弱和城区人类活动显著减少有关。湿地面积增加和大面积湿地植物的蒸发和蒸腾作用会耗去大量的热量,而这部分热量来自周围的空气,因此湿地能够显著降低局部环境的温度10,同时大量的水蒸气进入空气,使空气不断地进行着水汽的扩散和交换,增加空气湿度4,11,因而湿地的湿度高于城区。湿地公园的湿岛效应冬季和白昼更强,很大程度上与水体的热容量大,湿度变化相对缓慢和温度、蒸发量与相对湿度表现为负相关关系12,以及人类在冬夏两季、早晚时分的活动强度相关。海珠国家湿地公园风岛效应在冬季和白天更强,主要是因为与城区相比,湿地区域水陆的热量差异较大,水平对流较多,且风速的大小与下垫面的粗糙度有关,湿地水体的存在使地面粗糙度减小,从而导致湿地风速增大。此外,有研究表明,空气质量代表性指标负氧离子浓度与温度呈负相关,与空气湿度和水域面积呈正相关关系2,加之湿地植物的光合作用和吸附作用,可有效净化周围空气,因而海珠国家湿地公园的建成有效增加了周边环境中的负氧离子浓度,改善了周围的空气质量。本研究也表明,湿地对于周围小气候的影响是有一定范围的,效应的强度随着与湿地质心距离的加大,逐渐减弱。通过与其他湿地公园进行对比发现,湿地对局地小气候的调节强度,以及在季节和昼夜特征上的规律明显程度是具有差异的,如在调节强度方面,海珠国家湿地公园的冷岛、湿岛和风岛效应强度均弱于西湖3、太湖13,而在季节特征方面,海珠国家湿地公园的冷岛、湿岛和风岛效应与衡水湖是相反的14,这均说明湿地对小气候效应的强度及特征是不具有普遍性的,其影响方式复杂,相互间的差异可能与湿地的面积、形状、地理位置和植被类型、气象站点的分布及其所记录数据的时间序列周期和区域人类活动等有关,日后需对更多湿地的小气候效应开展研究进行验证。4.2 结论广州海珠国家湿地公园具有明显的冷岛、湿岛和风岛效应,且在季节变化和昼夜更替上具有显著差异,海珠国家湿地公园的建成显著改善了附近的空气质量。随着距湿地质心距离的增加,湿地对局地小气候的调节作用减弱。整体而言,海珠国家湿地公园的建成有效提升了周边的生态和环境质量,这对如何合理设计城市绿地,以及营造宜人的小气候环境和创造舒适的城市活动空间具有指导作用。参考文献:1 白杨,王晓云,姜海梅,等.城市热岛效应研究进展J.气象与环境学报,2013,29(2):101-106.2 彭小芳,孙逊,袁少雄,等.广州城市湿地的景观特点及小气候效应J.生态环境,2008,17(6):2289-2296.3 张伟,朱玉碧,陈锋.城市湿地局地小气候调节效应研究 以杭州西湖为例J.西南大学学报:自然科学版,2016,38(4):116-123.4 JELENA D J,DRAGAN M S,MILENA K J,et al.Air humid-ity characteristics in“local climate zones”of Novi Sad(Ser-bia)based on long-term data J.ISPRS InternationalJournal of Geo-Information,2021,10(12);810-830.5 陈雅君,黎勤生,陈辉煌,等.基于 Landsat 8 影像的福州市地温与土地利用及植被关系研究J.亚热带资源与环境学报,2016,11(4):78-84+92.6 广州市人民政府地方志办公室M/OL.http:/ 广东广州海珠湿地公园M/OL.http:/haizhuwetland.shidi.org/,2018.8 ZHANG Z Y,DONG J H,HE Q J,et al.The temporal varia-tion of the microclimate and human thermal comfort inurban wetland parks:a case study of Xixi National WetlandPark,ChinaJ.Forests,2021,12(10),1322.9 崔丽娟,康晓明,赵欣胜,等.北京典型城市湿地小气候效应时空变化特征J.生态学杂志,2015,34(1):212-218.10 拱秀丽.沼泽湿地小气候效应的观测与模拟D.长春:中国科学院研究生院(东北地理与农业生态研究所),2012.11 ZHANG W,ZHU Y B,JIANG J Gg.Effect of the urbaniza-tion of wetlands on microclimate:a case study of Xixi Wet-land,Hangzhou,China 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