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城市化改变了城市地表的热量特征,加剧了城市的热岛效应,改变了热岛效应的时空分布。我国正处于城市化进程中,热岛效应是城市发展不可避免的问题。城市森林能够降低地表温度,形成冷岛并缓解城市的热岛效应。研究城市森林冷岛效应的影响因素以及时空变化规律,分析各影响因素与冷岛效应的量化关系,有助于改善城市的热环境。本研究通过生态学理论、遥感与地理信息科学、实地样方调查等理论与方法分析常州市中心城区城市森林与城市冷岛效应的强度、范围以及时空分布规律等,研究内容包括:(1)使用特征提取法提取Landsat 8遥感影像中的城市森林信息和实地样点法调查城市森林结构,分析研究区域内城市森林的空间分布、结构特征与景观结构;(2)通过内部温度变化表征公园冷岛强度可减少外部环境的干扰,提高冷岛效应研究的准确度,使用传输方程法(RTE)反演城市的地表温度,以18个城市公园的面积、地表温度(LST)、水体覆盖率、绿地率、不透水面覆盖率、植被覆盖指数(NDVI)、降温幅度(TDA)、降温范围(TDR)以及景观形状指数(LSI)作为水平方向的调节因素,应用Pearson相关性分析和回归分析法定量分析城市森林冷岛效应与水平方向调节因素的相互关系;(3)通过样点调查与i-Tree Eco模型评估的方法,获得城市森林群落的叶面积、胸径(DBH)、树高、乔木密度、固碳量作为冷岛效应垂直方向上的调节因素,应用Pearson相关性分析和回归分析法定量分析城市森林冷岛效应与垂直方向调节因素的相互关系;(4)通过对研究区2014年、2016年2年的Landsat8遥感影像进行分析,研究其土地利用状况与冷岛效应的变化规律;使用2016-2017年4幅遥感数据代表春、夏、秋、冬四季,研究冷岛、热岛的空间分布,分析常州城市公园绿地冷岛效应与调节因素相互关系的季节变化规律。主要研究结果如下:1.研究区城市森林结构特征:城市森林共占地面积为36.2 Km2,绿化覆盖率为27.8%,其中道路林占地12.17Km2,附属庭院林占地14.69Km2,风景游憩类占地9.31 Km2。研究区内共有树木约67.91万株,其中道路林约16.01万株,附属庭院林约26万株,风景游憩约25.9万株。DBH主要分布在20cm-30cm,高度分布在5-10米,冠幅分布在6-7米。各类城市森林中,密度较大的是风景游憩林,277株/公顷,高度较高的是附属庭院林,7.78米。通过调查发现常州市道路林的优势树种为香樟(60.8%)>栾树(16.9%)>悬铃木(5.8%)>银杏(4.8%)>广玉兰(2.5%),数量分布极不均衡,香樟数量占绝对优势;附属庭院林的优势树种为香樟(31.3%)>广玉兰(16.3%)>桂花(15.3%)>银杏(13.3%)>棕榈(7.4%)>水杉(6.1%)>垂柳(5.2%)>玉兰(5.1%);风景游憩类林的优势树种为香樟(8.78%)>桂花(8.43%)>鸡爪槭(7.43%)>水杉(6.10%)>银杏(5.8)>棕榈(5.40%)>紫薇(4.63%)>三角枫(4.23%)>朴树(4.29%)>广玉兰(4.22%)>石楠(3.87%)。常州市主城区城市森林体量总体较小,共有2014个斑块,其中以0-0.2ha大小的斑块为主,常州市斑块密度较低为15.5(块/平方公里),破碎化程度较高,连通性较差。2.城市森林冷岛效应与水平方向调节因素的关系:使用地表温度(LST)、降温幅度(TDA)、降温范围(TDR)来表示公园的冷岛效应。LST与水体覆盖率、NDVI呈负相关(P<0.05),与不透水面覆盖率呈正相关关系(P<0.05),与公园面积、绿地覆盖率、景观形状指数(LSI)相关性不显著。TDA、TDR两个指标与公园面积显著正相关(P<0.01),与LSI呈负相关(P<0.05),与水体覆盖率、不透水面覆盖率、绿地覆盖率、NDVI相关性不显著。通过回归分析发现,城市森林斑块产生最大的热环境调节作用的阈值为1.34公顷到19公顷,在阈值范围内,城市森林斑块的热环境调节功能较强,超过阈值范围热环境调节功能明显下降。如,每增加1公顷的面积能够使LST降低0.12℃,超过阈值后,城市森林斑块每增加1公顷的面积能够使LST降低0.03℃;不透水面积增加10%,公园的LST会增加0.47℃;水体覆盖度增加10%,公园的LST可降低0.72℃;当NDVI增加0.1时可降低公园内LST 0.68℃。LSI每增加1,可使公园的降温范围减少0.91米,可使公园的降温幅度减少0.22℃。3.城市森林冷岛效应与垂直方向调节因素的关系:LST与叶面积指数、固碳量呈显著负相关关系(P<0.05),与密度呈极显著负相关关系(P<0.01);TDA与叶面积指数呈显著正相关关系(P<0.05),树木高度、胸径与冷岛效应相关性不显著。通过回归分析,当叶面积指数增加1时,地温可降低0.48℃;同时,城市森林的降温幅度能够增加0.46℃;植物种植密度对地温的影响非常显著,当城市森林的乔木密度每公顷增加100棵树,能够使LST降低0.7℃;当城市森林的固碳量增加10%,能够使LST降低 0.88℃。4.冷岛效应的时空变化规律:常州市中心区域2014年、2016年度的地表温度在逐年升高,冷岛效应变化上与城市化进程、城市规划呈现出较强的相关性。随着城市化进程的加快热岛效应增强,而冷岛效应的空间分布减小、强度变弱。且在空间分布上研究区范围内西南、西北区域城市热岛范围有所增加,冷岛区转换成为热岛区域;中部、东北区域冷岛区域有所增加,而热岛区域有所减少。在季节变化上,从冷岛空间分布的面积比例来看,秋季>冬季>春季>夏季,秋天的冷岛分布面积最大,冬季、春季次之,而夏季的冷岛空间分布最小;从冷岛的强度变化来看,冬季>秋季>夏季>春季,冬季的冷岛强度最大,秋季、夏季次之,春季最弱。通过公园冷岛的季节变化分析可知,高温季节(夏、秋)城市森林冷岛效应的水平方向、垂直方向的调节因素与地表温度呈现显著相关关系,在低温季节(春、冬)相关性不显著。因此,一方面需要通过城市森林结构调整和优化,缓解城市热岛效应,另一方面可以从地表含水量、城市通风廊道的构建等方面加强冷岛区域的构建,全时段地缓解城市热岛效应。本研究阐明城市森林与冷岛效应的相互关系,对于城市森林规划设计、结构优化有重要的指导价值,对于调节城市热环境有重要的参考意义。