量化兰州市建成区生态空间的降温效应

《Research in Cold and Arid Regions》：Quantifying the cooling effect of ecological spaces within the built-up area of Lanzhou City

　　

本研究以兰州市建成区为对象，量化了生态空间的降温效应。研究人员基于多源遥感数据和土地覆盖数据，分析了2003—2023年间兰州市建成区内湿地、森林、草地、水体及公园等生态空间的夏季地表温度（LST）时空格局。研究结合归一化差值植被指数（NDVI）、蒸散发（ET）及区域归一化潜热吸收量，评估了生态空间的降温效率，并采用公园降温强度（PCI）、公园最大降温强度（PMCI）、公园降温面积（PCA）和公园降温效率（PCE）等指标刻画斑块尺度降温特征。结果表明，生态空间夏季地表温度普遍低于建成区和裸地，其中水体温度最低，森林次之；湿地表现出最强的降温相关效应，其次为森林。区域年均单位面积ET潜热吸收量最高达5.75×10⁵ kJ/(m²·a)。河流缓冲区分析显示，距黄河距离每增加1 km，夏季白天平均地表温度升高0.70 °C，且该梯度在多年间保持稳定。60%的采样生态空间点位表现出降温效应。研究人员提出，兰州市生态降温应被理解为生态—地貌耦合机制，河谷地形对热积累格局与降温有效性的空间表达具有显著调节作用。研究为河谷型城市生态空间规划及高温适应策略提供了科学依据。

**论文解读：兰州市建成区生态空间降温效应的量化研究**

**一、研究背景与科学问题**

全球城市化与气候变暖的协同效应日益显著，城市热岛效应与极端高温事件的叠加严重威胁居民健康。已有研究证实城市生态空间（如绿地、水体、湿地）可通过蒸散发、遮荫和低热容量等机制发挥降温作用，但现有证据多集中于湿润地区或平原城市，干旱区河谷型城市的研究相对缺乏。兰州市地处中国西北干旱区黄河河谷，地形约束显著，建成区呈东西向狭长分布，生态空间格局破碎且分布不均。与开阔平原城市相比，河谷地形对热积累、气流运动和生态空间降温效果的空间表达具有强烈调控作用，这使得兰州的降温过程更为复杂。已有研究多采用最大效应指标（如降温距离、降温面积、峰值降温强度），难以完整刻画生态空间周围连续累积的温度响应；同时，不同城市和环境背景下报道的降温阈值与主导因子差异较大，结论难以直接移植。此外，生态降温能否抵消干旱河谷城市的极端热胁迫，以及降温性能的年际稳定性如何，目前关注不足。因此，亟需从降温效率、时间稳定性和补偿性降温能力的角度，对地形复杂、热胁迫强烈的干旱区城市开展系统评估。本研究选取兰州为典型案例，旨在区分建成区内不同生态空间类型，结合多年地表温度（LST）、归一化差值植被指数（NDVI）、蒸散发（ET）潜热吸收及公园尺度降温指标，量化生态降温的时空变化与局地强度，并从生态—地貌耦合机制角度解释生态降温过程。

**二、研究方法概述**

研究以兰州市建成区为对象，时段覆盖2003、2008、2013、2018和2023年五个年份。生态空间界定为建成区内具有热调节功能的城市蓝绿自然或半自然空间，包括森林、草地、湿地和水体；公园作为功能型生态空间样本参与斑块尺度分析。数据来源包括：全球城市边界（GUB）数据、全球人造不透水面（GAIA）产品、和谐化夜间灯光数据以界定建成区范围；Landsat 5/8 Collection 2 Level-2地表温度产品和地表反射率产品，在Google Earth Engine平台处理，获取夏季白天平均LST和NDVI；中国年度土地覆盖数据集（CLCD）用于生态空间分类；MODIS16A2蒸散发产品估算区域年均ET及单位面积潜热吸收量；Copernicus DEM（30 m）表达地形条件；OpenStreetMap提取公园边界。研究方法主要包括：像素尺度NDVI–LST回归分析以量化植被覆盖与地表温度的关系；斑块尺度计算公园降温强度（PCI）、公园最大降温强度（PMCI）、公园降温面积（PCA）和公园降温效率（PCE）；河流邻近性梯度分析设置10个200 m缓冲区，量化黄河对地表温度的空间影响；ET数据按物理公式转换为单位面积潜热吸收量（取汽化潜热常数2.26×10³ kJ/kg）。

**三、研究结果**

**1. 生态空间时空变化分析。** 2003—2023年，兰州市建成区建设用地由93.09 km²持续扩展至115.78 km²，连通性增强；耕地从65.27 km²显著减少至38.66 km²；草地相对稳定，维持在63 km²左右；裸地总体减少。绿色与湿地生态空间面积由2003年的28.77 km²增至2013年的34.69 km²，2023年略降至32.39 km²，总体呈上升趋势。水体面积保持相对稳定。

**2. 生态空间降温效应。** 建成区地表温度呈明显东西向带状格局，与黄河河谷约束下的狭长城市形态一致。高温区主要分布在谷底建设带，低温区沿河流呈带状分布。河流邻近性梯度分析显示，夏季白天平均LST随距黄河距离增加而升高，多年梯度为0.70 °C/km（95%置信区间：0.59–0.85 °C/km，R²=0.63, p=0.006）；1400–1600 m区间比0–200 m区间高1.76 °C，表明存在稳定的河流邻近低温带。不同土地覆盖类型对比表明，水体LST最低（如2003年为15.29 °C），其次为森林（18.06 °C），草地、裸地、建设用地温度相对较高，耕地居中。生态空间总体表现出低于非生态空间的温度。

**3. 生态空间潜热吸收与地表热变化。** 生态空间区域年均ET在2003—2023年间波动于191.98–254.61 mm/a之间；区域年均单位面积ET潜热吸收量介于3.70×10⁵–5.75×10⁵ kJ/(m²·a)。该指标为面积归一化结果，可跨年比较，但反映的是蒸散发相关的表面能量消耗，并非直接观测的LST降低。潜热吸收与夏季平均LST的年际变化不完全同步，二者关系描述性呈现，不构成因果推断。

**4. 植被覆盖对城市热浪的缓解作用。** 2023年7月最高LST达52.07 °C。高NDVI区域主要集中在东部公园、湿地和森林，降温相关值最高达0.34 °C；NDVI大于0.25的生态空间降温相关值为0.16 °C。NDVI–LST回归显示LST随NDVI升高而降低，但R²较低，说明NDVI仅部分解释LST空间变异，土地覆盖类型、地形及局地环境条件同样重要。

**5. 斑块尺度降温差异。** 在17个采样点（包括公园、森林和湿地）中，60%的生态空间表现出降温效应。湿地具有相对较高的PCI、PMCI和PCE值，其次为森林。在10个表现出降温效应的公园中，金城公园PCI为3.58 °C，长风公园为3.45 °C，而邓园和东岗小游园仅为0.48 °C和0.56 °C。PMCI方面，徐家山森林公园最高（6.21 °C），金城公园和长风公园分别为4.60 °C和4.53 °C。PCE方面，长风公园（3.81）和金城盆景园（2.36）较高，而徐家山森林公园和五泉山等大型生态斑块PCE较低。PCI、PMCI、PCE反映降温效应的不同维度，并不总是一致变化。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，生态空间通过植被蒸散发、冠层遮荫、水面蒸发和透水表面低热储存直接降低LST，但兰州降温格局并非仅由生态空间控制。河谷地貌限制城市横向扩展，形成沿谷底延伸的带状热岛，黄河、湿地、森林、草地和公园构成局地冷斑与冷廊。河流缓冲区分析提供了河畔低温带持续存在的定量证据。降水、河谷风等属于地形和气候调节因子，而非生态空间本身的机制。研究强调，兰州生态降温应被视为生态—地貌耦合机制，生态空间提供直接降温，河谷约束调控热积累的空间组织。规划上应优先重视黄河廊道和谷底热积累区，山侧通风路径需进一步验证。不同生态空间类型降温性能差异显著，湿地和水体局地降温强但受自然条件限制，大面积绿地与城市森林宜在土地条件允许处发展，多功能生态空间可提供更广泛的环境与社会效益。未来研究需结合高时间分辨率数据、野外观测、风场模拟和与非河谷城市对比，以量化生态空间、河谷通风和局地气候条件的相对贡献。

研究结论为：2003—2023年，兰州市建成区内生态空间夏季LST普遍低于建设用地和裸地；湿地降温相关值最高，其次为森林和草地；PCI、PMCI、PCE对比显示降温相关值随生态空间类型和具体公园而变化；建成区尺度上，生态空间通过蒸散发表现出明显潜热吸收，区域年均单位面积ET潜热吸收量最高达5.75×10⁵ kJ/(m²·a)，反映ET的潜在热调节作用，但该推断基于蒸散发与潜热交换的物理关系，未经实测温度变化直接验证。总体而言，生态空间尤其是湿地和森林可能有助于缓解兰州城市热胁迫。本研究的主要贡献在于证明兰州的生态降温应理解为生态—地貌耦合过程，而非孤立的绿地效应，为河谷型城市生态空间规划及未来增温背景下的城市热适应提供了科学支持。