第一章城市生态调控新理念与理论基础
第一节城市生态调控新理念与研究范式
城市生态服务功能直接影响城市人居环境和人类安康（human well-being）。在当前乡村人口不断向城市集聚、城市快速向外扩张，加之全球环境变化加速（温度升高、洪水及热浪频发）的影响下，城市生态服务功能正面临着前所未有的挑战。城市不透水地表（impervious surface area，ISA）与绿地空间（green space）作为城市土地利用覆盖结构特征的重要组合模式，会对地表辐射与能量的分配产生截然相反的作用，进而对城市热岛、大气环境及局地气候产生重要影响，从而对城市生态服务热调节功能产生决定性作用。
在现代城市发展过程中，如何通过调控城市建筑红线（不透水地表面积比例）和生态绿线（绿地）、蓝线（水域），实现城市空间结构布局中商业和工业等产业用地、住宅用地以及生态绿地的有机组合，使有限的城市空间发挥调节局地气候、改善人居环境、减缓城市污染的作用，营造良好生态环境，仍有待于城市规划科学、城市土地利用科学、景观可持续性科学、城市生态学、城市气候学等自然和社会科学链接协同解答。
一、 城市空间结构与生态服务热调节功能的链接与重要性
城市空间结构历来是人文地理学关注的焦点问题。16世纪英国学者摩尔（More）提出了乌托邦式的城市建设模式，19世纪末，英国科学家霍华德（Howard）提出田园城市（garden city）思想，强调公共绿地布局与生态城市建设的理念，对现代城市规划思想起到了重要的启蒙作用。从城市内部不同功能区到相应的不透水地表、生态绿地土地覆盖状态，再到城市建筑、道路、广场等类型，其不同等级结构组合与城市人为热源、潜热、显热等热通量之间具有直接关系，由此衍生两个关键的科学命题：①针对不同规模城市，城市内部两种主导覆盖类型格局和组分对空间热场热通量特征影响机制及生态服务热调节功能定量贡献程度如何？②针对城市生活、生产、服务和生态空间，什么样的土地覆盖组分有利于减缓城市热岛强度，改善城市生态系统服务功能？
遥感监测表明，中国与美国相比较而言，美国城市内部不透水地表面积所占比例平均为40%~50%（森林与不透水比率约1.4∶1），而中国城市不透水地表面积比例估算约占66%（Nowak and Greenfield，2012；Kuang et al.，2013）。研究表明，森林覆盖率和绿地面积对生态服务热调节功能具有决定性作用，每增加10%的绿地，城市热辐射将减少2℃，当绿地斑块面积大于5km2，地表辐射温度急剧下降（应天玉等，2010）。中国城市不透水地表面积所占比例过高、绿地面积不够集中，较大程度上影响其热调节功能。当前城市生态绿地服务功能评价更多以市场价格和相关价值进行估算，缺乏针对特定类型城市功能分区、不同生态绿地组分对地表辐射能量平衡以及热调节功能影响定量关系的认识，极大地限制了城市规划与建设的应用性。
为有效缓解城市热岛现象，核定服务于热岛效应局地气候热调节服务功能目标的各功能区不透水地表与绿地组分的调控阈值，并提出城市合理布局模式以及适应城市生态服务功能的“等级层次”的城市土地覆盖调控模式。实现城市空间结构与城市生态服务功能研究的有效链接，是通向“人文地理学”与“生态气候学”的桥梁，对于城市生态规划与管理具有重要的理论和现实意义。
二、城市内部不透水地表与绿地组分及空间规划新理念
由于城市景观结构具有高度的复杂性和多尺度特征，城市不透水地表和绿地组分作为城市空间结构的重要组成部分，直接影响着城市生态系统服务功能。城市不透水地表（urban impervious surface，UIS）是反映人类活动强度和评价城市人工建设用地增长的重要指标，对于评价城市生态系统健康与人居环境质量具有重要的理论与现实意义。城市不透水地表是城市发展建设产生的一种地表水不能直接渗透到土壤的人工地貌特征，包括城市中的道路、广场、停车场、建筑屋顶等。不透水地表的增长通过改变地表辐射能量平衡，从而增强局地气温及产生热岛效应（Oke，1989；Heisler and Brazel，2010；Klok et al.，2012），进而影响居民的舒适性和健康状况，以及污染物排放等。美国地质调查局（USGS）与美国国家海洋和大气管理局NOAA基于夜间灯光指数DMSPOLS发展了第一个全球1km建设用地不透水地表（constructed impervious surface）数据集，表明中国具有全球面积最大的不透水地表，美国、印度、日本、中国和欧洲国家流域生态系统由于不透水地表增长受到了不同程度的毁坏Elvidge et al.，2007。Ridd（1995）构建了基于遥感信息的V-I-S （vegetation-impervious surface-soil）概念模型，该模型将城市土地覆盖分为绿地植被、不透水地表与裸土，该模型的建立对解决混合像元问题、提高不透水地表信息提取的精度具有重要作用。基于此方法验证的不透水地表面积精度达到83%（Ward et al.，2000）。Wu等（2003）运用LSMA（linear spectral mixture analysis）模型并结合V-I-S模型，将城市土地覆盖的混合像元分解为不透水地表（高反射率地表、低反射率地表）、植被、裸土3种类型，获取了美国哥伦布市Columbus亚像元不透水地表分布信息。Lu和Weng（2009）运用LSMA模型和V-I-S模型将中尺度空间分辨率影像混合像元成功分解。Hu和Weng2011提出基于对象的模糊分类方法，基于IKNOS影像提取了美国印第安纳波利斯（Indianapolis）居民区及中心商业区的不透水地表，居民地和中心商业区提取精度分别达到95%和92%。基于夜间灯光指数DMSPOLS与中国土地利用覆盖变化信息融合监测不透水地表增长，中国范围以及京津唐城市群21世纪初城市不透水地表呈现高速增长特征，中国城市不透水地表平均比例约为66%（Kuang，2012a；2013）。通过Google Earth航空影像解译，表明美国城市不透水覆盖比例平均为43%（Nowak and Greenfield，2012）。1984~2010年的27年间，美国大都市巴尔的摩（Baltimore）不透水地表面积从881km2增长到1176km2（Sexton et al.，2013）。我国学者逐渐意识到城市不透水地表分布对生态环境影响的重要性，进而对北京、上海、福州等城市不透水地表开展相关研究（陈爽等，2006；岳文泽和吴次芳，2007；周纪等，2007；Li et al.，2011a；Kuang，2012a，b；Kuang et al.，2013）。
城市绿地（urban green space，UGS）作为城市生态系统的重要组成部分，在改善城市环境，特别是空气和水质净化、建筑节能、适宜空气温度、紫外线减少方面具有重要作用，城市中适宜比例的绿地面积可以调节城市内部气候环境，影响城市内部辐射能量平衡，降低城市地表温度等。通过仪器测量方法分析公园绿地对周边区域温度的影响，发现绿地温度明显低于周边区域温度，在有风的情况下，0.6km2的公园可以使下风向1km范围内商业区气温降低1.5℃（Ca et al.，1998），面积越大的绿地冷岛效应越明显（Spronken-Smith and Oke，1998），且高密度的森林植被覆盖的绿地公园白天降温效应最大可达3.5℃（Potchter et al.，2006），绿地和周边城市温度差异夏季大、冬季小，冷岛效应可以在夜晚的城市区域延伸200~300m，而8~10月白天，范围可以延伸300~500m（Hamada and Ohta，2010），有效地降低了城市温度。为进一步保护城市内部绿地覆盖，美国已实施了不同的城市绿地发展计划，如种植大量绿地植被（City of New York，2011；City of Los Angeles，2011、保护现有植被（City of Pasadena，2011）和发展城市冠层覆盖（City of Seattle，2011）等。我国学者通过试验观测及基于遥感影像等技术手段，针对不同地区（如北京、上海、成都、南京等）不同组分的绿地对降低和减缓城市热效应进行了研究（彭静等，2007；周红妹等，2002，2008；张伟等，2007；夏佳等，2007；李延明等，2004）。
针对城市内部不透水地表与森林覆盖结构组分研究，国际林业研究组织联盟（International Union of Forestry Research Organizations，IUFRO）曾建立专门的项目组来探讨人类居住区的绿地和城市森林覆盖方面的问题（Andresen，1976）。MIkiugu等2012）提出城市内部的绿地面积大小、组分、分布以及支持城市绿地空间扩张潜力的识别方法。Nowak和Greenfield（2012）通过分析21世纪以来美国20个城市的不透水地表和绿地的结构及空间变化，表明16个城市的不透水地表面积显著增加，不透水地表面积每年增加0.31%，而17个城市的绿地空间显著减少，且每年绿地平均减少0.27%，只有1个城市的绿地面积有所增加。
城市生态学理论（Niemela，1999；Pickett et al.，2001）研究一再强调理解和分析城市生态系统的复杂性：包括空间格局和结构组成的异质性对生态过程和服务功能的影响机制（Pickett et al.，2005）。Pickett等（2001）和Grimm等（2008）呼吁发展新一代的空间显式的多尺度生态系统模型，以将人类控制下的格局动态和环境干扰与生物地球化学循环过程有机整合。基于Wu和David（2002）提出了凤凰城城市景观等级斑块动态模型HPDM-PHX城市模型框架，Zhang等（2013a）发展了多尺度耦合的HPM-UEM（hierarchical patch mosiac-urban ecosystem model）模型，这些模型主要针对城市生物地球化学过程。但是长期以来缺乏将城市空间等级尺度结构与生物地球物理机制相互有效联系起来的研究方法和案例。
Oke（1982）曾提出在城市冠层（urban canopy layer，UCL）垂直交互的动量通量（momentum）、热量通量（heat）和湿度（moisture）与乡村不同。局地气候调节效应取决于微观、局地和中尺度3个尺度（micro-scale；local-scale；meso-scale）基本特征。城市复杂下垫面类型相应分为城市结构、城市覆盖、城市构造和城市代谢。城市结构（urban structure）是指建筑空间维度、街道宽度等；城市覆盖（urban cover）包括不透水地表、绿地、裸土和水域；城市构造（urban fabric）是指建筑材质等；城市代谢（urban metabolism）包括人为产生的水、热和污染物等，并认为上述城市4个类型的聚合才能形成理解局地气候特征的城市地表物理属性特征图1.1。城市作为复杂生态系统，城市布局的功能区、各功能区不透水地表和绿地面积比例控制等级结构的分类体系新理念的提出以及局地气候调节之间相互关系的理解，对加深城市空间结构不同等级尺度布局以及生态服务功能响应的认知具有重要意义，可以直接有效地应用于城市规划管理。
图1.1中尺度、局地尺度和微观尺度城市冠层、城市边界层和大气边界层地表大气
相互作用特征（Oke，1982）
三、 城市地表热通量的定量模式、遥感反演与观测实验
国际上对地表热量平衡模拟的模型有SEBS、SEBAL以及PCACA等模型（张仁华等，2004；Liang et al.，2012）。随着定量遥感的发展，基于地物界面热量平衡原理，发展了基于热红外遥感的土壤热惯量反演模型，表明净辐射通量、显热通量、潜热通量和土壤热通量控制着土壤表面和作物冠层表面温差（张仁华等，2001；2004）。还有耦合了陆表模型或城市冠层模型的"
第一章城市生态调控新理念与理论基础
第一节城市生态调控新理念与研究范式
城市生态服务功能直接影响城市人居环境和人类安康（human well-being）。在当前乡村人口不断向城市集聚、城市快速向外扩张，加之全球环境变化加速（温度升高、洪水及热浪频发）的影响下，城市生态服务功能正面临着前所未有的挑战。城市不透水地表（impervious surface area，ISA）与绿地空间（green space）作为城市土地利用覆盖结构特征的重要组合模式，会对地表辐射与能量的分配产生截然相反的作用，进而对城市热岛、大气环境及局地气候产生重要影响，从而对城市生态服务热调节功能产生决定性作用。
在现代城市发展过程中，如何通过调控城市建筑红线（不透水地表面积比例）和生态绿线（绿地）、蓝线（水域），实现城市空间结构布局中商业和工业等产业用地、住宅用地以及生态绿地的有机组合，使有限的城市空间发挥调节局地气候、改善人居环境、减缓城市污染的作用，营造良好生态环境，仍有待于城市规划科学、城市土地利用科学、景观可持续性科学、城市生态学、城市气候学等自然和社会科学链接协同解答。
一、 城市空间结构与生态服务热调节功能的链接与重要性
城市空间结构历来是人文地理学关注的焦点问题。16世纪英国学者摩尔（More）提出了乌托邦式的城市建设模式，19世纪末，英国科学家霍华德（Howard）提出田园城市（garden city）思想，强调公共绿地布局与生态城市建设的理念，对现代城市规划思想起到了重要的启蒙作用。从城市内部不同功能区到相应的不透水地表、生态绿地土地覆盖状态，再到城市建筑、道路、广场等类型，其不同等级结构组合与城市人为热源、潜热、显热等热通量之间具有直接关系，由此衍生两个关键的科学命题：①针对不同规模城市，城市内部两种主导覆盖类型格局和组分对空间热场热通量特征影响机制及生态服务热调节功能定量贡献程度如何？②针对城市生活、生产、服务和生态空间，什么样的土地覆盖组分有利于减缓城市热岛强度，改善城市生态系统服务功能？
遥感监测表明，中国与美国相比较而言，美国城市内部不透水地表面积所占比例平均为40%~50%（森林与不透水比率约1.4∶1），而中国城市不透水地表面积比例估算约占66%（Nowak and Greenfield，2012；Kuang et al.，2013）。研究表明，森林覆盖率和绿地面积对生态服务热调节功能具有决定性作用，每增加10%的绿地，城市热辐射将减少2℃，当绿地斑块面积大于5km2，地表辐射温度急剧下降（应天玉等，2010）。中国城市不透水地表面积所占比例过高、绿地面积不够集中，较大程度上影响其热调节功能。当前城市生态绿地服务功能评价更多以市场价格和相关价值进行估算，缺乏针对特定类型城市功能分区、不同生态绿地组分对地表辐射能量平衡以及热调节功能影响定量关系的认识，极大地限制了城市规划与建设的应用性。
为有效缓解城市热岛现象，核定服务于热岛效应局地气候热调节服务功能目标的各功能区不透水地表与绿地组分的调控阈值，并提出城市合理布局模式以及适应城市生态服务功能的“等级层次”的城市土地覆盖调控模式。实现城市空间结构与城市生态服务功能研究的有效链接，是通向“人文地理学”与“生态气候学”的桥梁，对于城市生态规划与管理具有重要的理论和现实意义。
二、城市内部不透水地表与绿地组分及空间规划新理念
由于城市景观结构具有高度的复杂性和多尺度特征，城市不透水地表和绿地组分作为城市空间结构的重要组成部分，直接影响着城市生态系统服务功能。城市不透水地表（urban impervious surface，UIS）是反映人类活动强度和评价城市人工建设用地增长的重要指标，对于评价城市生态系统健康与人居环境质量具有重要的理论与现实意义。城市不透水地表是城市发展建设产生的一种地表水不能直接渗透到土壤的人工地貌特征，包括城市中的道路、广场、停车场、建筑屋顶等。不透水地表的增长通过改变地表辐射能量平衡，从而增强局地气温及产生热岛效应（Oke，1989；Heisler and Brazel，2010；Klok et al.，2012），进而影响居民的舒适性和健康状况，以及污染物排放等。美国地质调查局（USGS）与美国国家海洋和大气管理局NOAA基于夜间灯光指数DMSPOLS发展了第一个全球1km建设用地不透水地表（constructed impervious surface）数据集，表明中国具有全球面积最大的不透水地表，美国、印度、日本、中国和欧洲国家流域生态系统由于不透水地表增长受到了不同程度的毁坏Elvidge et al.，2007。Ridd（1995）构建了基于遥感信息的V-I-S （vegetation-impervious surface-soil）概念模型，该模型将城市土地覆盖分为绿地植被、不透水地表与裸土，该模型的建立对解决混合像元问题、提高不透水地表信息提取的精度具有重要作用。基于此方法验证的不透水地表面积精度达到83%（Ward et al.，2000）。Wu等（2003）运用LSMA（linear spectral mixture analysis）模型并结合V-I-S模型，将城市土地覆盖的混合像元分解为不透水地表（高反射率地表、低反射率地表）、植被、裸土3种类型，获取了美国哥伦布市Columbus亚像元不透水地表分布信息。Lu和Weng（2009）运用LSMA模型和V-I-S模型将中尺度空间分辨率影像混合像元成功分解。Hu和Weng2011提出基于对象的模糊分类方法，基于IKNOS影像提取了美国印第安纳波利斯（Indianapolis）居民区及中心商业区的不透水地表，居民地和中心商业区提取精度分别达到95%和92%。基于夜间灯光指数DMSPOLS与中国土地利用覆盖变化信息融合监测不透水地表增长，中国范围以及京津唐城市群21世纪初城市不透水地表呈现高速增长特征，中国城市不透水地表平均比例约为66%（Kuang，2012a；2013）。通过Google Earth航空影像解译，表明美国城市不透水覆盖比例平均为43%（Nowak and Greenfield，2012）。1984~2010年的27年间，美国大都市巴尔的摩（Baltimore）不透水地表面积从881km2增长到1176km2（Sexton et al.，2013）。我国学者逐渐意识到城市不透水地表分布对生态环境影响的重要性，进而对北京、上海、福州等城市不透水地表开展相关研究（陈爽等，2006；岳文泽和吴次芳，2007；周纪等，2007；Li et al.，2011a；Kuang，2012a，b；Kuang et al.，2013）。
城市绿地（urban green space，UGS）作为城市生态系统的重要组成部分，在改善城市环境，特别是空气和水质净化、建筑节能、适宜空气温度、紫外线减少方面具有重要作用，城市中适宜比例的绿地面积可以调节城市内部气候环境，影响城市内部辐射能量平衡，降低城市地表温度等。通过仪器测量方法分析公园绿地对周边区域温度的影响，发现绿地温度明显低于周边区域温度，在有风的情况下，0.6km2的公园可以使下风向1km范围内商业区气温降低1.5℃（Ca et al.，1998），面积越大的绿地冷岛效应越明显（Spronken-Smith and Oke，1998），且高密度的森林植被覆盖的绿地公园白天降温效应最大可达3.5℃（Potchter et al.，2006），绿地和周边城市温度差异夏季大、冬季小，冷岛效应可以在夜晚的城市区域延伸200~300m，而8~10月白天，范围可以延伸300~500m（Hamada and Ohta，2010），有效地降低了城市温度。为进一步保护城市内部绿地覆盖，美国已实施了不同的城市绿地发展计划，如种植大量绿地植被（City of New York，2011；City of Los Angeles，2011、保护现有植被（City of Pasadena，2011）和发展城市冠层覆盖（City of Seattle，2011）等。我国学者通过试验观测及基于遥感影像等技术手段，针对不同地区（如北京、上海、成都、南京等）不同组分的绿地对降低和减缓城市热效应进行了研究（彭静等，2007；周红妹等，2002，2008；张伟等，2007；夏佳等，2007；李延明等，2004）。
针对城市内部不透水地表与森林覆盖结构组分研究，国际林业研究组织联盟（International Union of Forestry Research Organizations，IUFRO）曾建立专门的项目组来探讨人类居住区的绿地和城市森林覆盖方面的问题（Andresen，1976）。MIkiugu等2012）提出城市内部的绿地面积大小、组分、分布以及支持城市绿地空间扩张潜力的识别方法。Nowak和Greenfield（2012）通过分析21世纪以来美国20个城市的不透水地表和绿地的结构及空间变化，表明16个城市的不透水地表面积显著增加，不透水地表面积每年增加0.31%，而17个城市的绿地空间显著减少，且每年绿地平均减少0.27%，只有1个城市的绿地面积有所增加。
城市生态学理论（Niemela，1999；Pickett et al.，2001）研究一再强调理解和分析城市生态系统的复杂性：包括空间格局和结构组成的异质性对生态过程和服务功能的影响机制（Pickett et al.，2005）。Pickett等（2001）和Grimm等（2008）呼吁发展新一代的空间显式的多尺度生态系统模型，以将人类控制下的格局动态和环境干扰与生物地球化学循环过程有机整合。基于Wu和David（2002）提出了凤凰城城市景观等级斑块动态模型HPDM-PHX城市模型框架，Zhang等（2013a）发展了多尺度耦合的HPM-UEM（hierarchical patch mosiac-urban ecosystem model）模型，这些模型主要针对城市生物地球化学过程。但是长期以来缺乏将城市空间等级尺度结构与生物地球物理机制相互有效联系起来的研究方法和案例。
Oke（1982）曾提出在城市冠层（urban canopy layer，UCL）垂直交互的动量通量（momentum）、热量通量（heat）和湿度（moisture）与乡村不同。局地气候调节效应取决于微观、局地和中尺度3个尺度（micro-scale；local-scale；meso-scale）基本特征。城市复杂下垫面类型相应分为城市结构、城市覆盖、城市构造和城市代谢。城市结构（urban structure）是指建筑空间维度、街道宽度等；城市覆盖（urban cover）包括不透水地表、绿地、裸土和水域；城市构造（urban fabric）是指建筑材质等；城市代谢（urban metabolism）包括人为产生的水、热和污染物等，并认为上述城市4个类型的聚合才能形成理解局地气候特征的城市地表物理属性特征图1.1。城市作为复杂生态系统，城市布局的功能区、各功能区不透水地表和绿地面积比例控制等级结构的分类体系新理念的提出以及局地气候调节之间相互关系的理解，对加深城市空间结构不同等级尺度布局以及生态服务功能响应的认知具有重要意义，可以直接有效地应用于城市规划管理。
图1.1中尺度、局地尺度和微观尺度城市冠层、城市边界层和大气边界层地表大气
相互作用特征（Oke，1982）
三、 城市地表热通量的定量模式、遥感反演与观测实验
国际上对地表热量平衡模拟的模型有SEBS、SEBAL以及PCACA等模型（张仁华等，2004；Liang et al.，2012）。随着定量遥感的发展，基于地物界面热量平衡原理，发展了基于热红外遥感的土壤热惯量反演模型，表明净辐射通量、显热通量、潜热通量和土壤热通量控制着土壤表面和作物冠层表面温差（张仁华等，2001；2004）。还有耦合了陆表模型或城市冠层模型的"
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