基于微氣候模擬的武漢居住小區(qū)植被降溫通風效應研究

章 莉

詹慶明*

藍玉良

隨著全球氣候變暖，越來越多的城市面臨夏季高溫問題。自20世紀，武漢就以“火爐”著稱，夏季不僅高溫時間較長，且高溫近40℃，極大降低了人們的生活舒適度，影響著人們的工作與生活，阻礙了城市可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)外眾多學者研究證明綠地可以有效降低城市高溫，緩解城市熱島效應[1-2]。學者從城市宏觀綠地調(diào)節(jié)溫度效果到微觀單棵植物降溫效能都開展了一系列研究[3-4]。研究者證明，以喬木為主的復合型林地緩解高溫的效果明顯強于灌叢和草坪[5]。分析中、小尺度的綠地降溫效果時，實地監(jiān)測[6]和微氣候模擬[7]是研究者較為常用的2種方法。

ENVI-met是德國Michael Bruse開發(fā)的一款用于微觀尺度城市微氣候研究的模擬軟件，它具備較為完善的植物模塊，使用者能依據(jù)需要構(gòu)建任何一種植物模型；且ENVI-met V4中增加了三維植物模塊，增強了植物模型的真實性[8]，為綠地與微氣候關系研究提供了很好的量化平臺。ENVI-met也是一款被證實能有效模擬植物微氣候調(diào)節(jié)作用的模型[9]。

本文主要是借助微氣候模型ENVI-met，從居住小區(qū)植物空間角度，分析不同的植被布局對溫度通風的影響差異，確定降溫效果顯著、通風良好的植被布局形式；與此同時，分析不同樹種的降溫通風效果，在植被布局優(yōu)化基礎上，優(yōu)先選擇降溫效果顯著的樹種，充分發(fā)揮綠地夏季調(diào)節(jié)高溫的能力，提升戶外熱舒適度，構(gòu)建舒適宜人的戶外居住環(huán)境。

1 研究方法

1.1 ENVI-met模型驗證

實測是驗證模型的可靠途徑。研究選擇華中農(nóng)業(yè)大學西苑小區(qū)作為實測點，夏季溫度的驗證分析已經(jīng)發(fā)文詳述[10]，在此補充夏季風速的驗證分析。

從實測與模擬風速的數(shù)據(jù)相關分析看(圖1)，相關系數(shù)R2為0.707 5，這表明模擬與實測結(jié)果比較密切。此外，研究者采用Willmott提出的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)，系統(tǒng)均方根誤差(RMSEs)、非系統(tǒng)均方根誤差(RMSEu)以及一致性指標(d)驗證模型的可靠性。將夏季實測與模擬風速、溫度數(shù)據(jù)計算所得各指標，實測與模擬溫度RMSE為1.46℃，風速RMSE為0.19m/s，RMSEu接近RMSE值，溫度與風速d值分別為0.91、0.77，均接近1，說明ENVI-met模型在描述夏季綠地與氣候關系比較可靠，適用于武漢市夏季居住小區(qū)綠地對氣候調(diào)節(jié)作用的研究。

1.2 建筑環(huán)境構(gòu)建

本次研究對武漢市主城區(qū)比例較大的一類居住和二類居住用地進行統(tǒng)計分析，提取一、二類居住小區(qū)的普遍開發(fā)強度，結(jié)合居住小區(qū)布局形式，構(gòu)建典型居住小區(qū)布局。如圖2所示，R1代表一類居住，3層10m×20m建筑以16m樓間距、10m山墻間距均勻分布；R21代表二類居住中的多層住宅，6層12m×50m建筑以18m樓間距、12m山墻間距均勻分布；R22代表二類居住中的中、高層混合住宅，11層12m×36m建筑和25層12m×30m建筑均勻分布。

1.3 綠地情景構(gòu)建

1.3.1 武漢居住小區(qū)典型樹種選擇

武漢市小區(qū)常用喬木有35種，本次研究從季相、葉形、植物高度以及植物形態(tài)方面選擇廣泛使用的8種喬木(表1)，兩兩喬木形成對照組：雪松和水杉分別屬于常綠和落葉針葉樹，從樹形上看，雪松是尖塔形，水杉是圓錐形；欒樹與香樟分別是落葉和常綠闊葉樹，樹形均為半球形；杜英和白玉蘭分別是常綠和落葉闊葉樹，樹形均為圓錐形；桂花和櫻花分別是常綠和落葉闊葉小喬木，樹形均為半球形。

1.3.2 植物布局

從植物形成空間角度，用植物間高寬比(Aspect Ratio of Trees,ART)量化界定植物景觀空間，將植物景觀空間分成開敞空間、頂覆蓋空間和密林空間3種類型。開敞空間主要給使用者營造較為開闊的活動空間，ART＜1，屬于疏林景觀；頂覆蓋空間主要為使用者提供更多的林下空間，1≤ART＜ 2，在夏季可以提供更多的遮陰；密林空間中喬木以ART≥2布局，喬木間距較小，不適合林下活動，這樣的植物空間主要用于分隔或用作背景。

R21、R22、R1典型居住小區(qū)布局中，設定喬木覆蓋率25%，用8種植物均衡布局，分別構(gòu)建開敞空間(ART=0.6)、頂覆蓋空間(ART=1)和密林空間(ART=2)。最終，57種綠地情景用于模擬分析。

圖1 夏季風速實測與模擬結(jié)果相關性比較

圖2 武漢市居住小區(qū)典型布局

1.4 模型模擬

在EVNI-met中構(gòu)建R1、R21和R22建筑模型，水平方向以2m分辨率構(gòu)建網(wǎng)格，垂直方向，初始網(wǎng)格為0.9m，Telescope網(wǎng)格模式，以20%增幅構(gòu)建垂直網(wǎng)格。以武漢市2015年夏季8月22日進行模擬，模擬時間從6：00開始，模擬48h，每小時讀取模擬數(shù)據(jù)，后24h數(shù)據(jù)用于研究分析。

本次研究植被對溫度、風速和熱舒適度的影響，微氣候模擬時，也對居住小區(qū)無植被情景進行模擬，為后續(xù)對比分析做準備。

表1 模擬植物及屬性

2 結(jié)果

2.1 居住小區(qū)綠地對夏季溫度的影響

從ENVI-met模型Leonardo模塊中查看各情景模擬結(jié)果，提取15：00人行高度，即離地面1.5m高處的場地平均溫度。3種建筑布局下，有植物時居住小區(qū)戶外溫度基本上為31.6～33.5℃。忽略植被景觀空間和樹種對溫度影響的差異，分析3種建筑布局有綠地時的平均氣溫：當喬木覆蓋率均為25%時，低矮別墅R1、多層小區(qū)R21和中高層小區(qū)R22平均氣溫分別是32.853、32.314和32.136℃，平均氣溫比較接近，相差不到1℃，這表明相同喬木覆蓋率的居住小區(qū)，小區(qū)平均氣溫比較相近。

2.1.1 居住小區(qū)植被布局對溫度的影響

對比有無植被場地的平均氣溫差，分析各植被空間對溫度的影響。如圖3所示，R1、R21、R22布局中，8種喬木都表出相似的規(guī)律：即當ART從＜1增大至2時，植被的降溫效果呈現(xiàn)減弱趨勢。植被在開敞空間中降溫效果優(yōu)于頂覆蓋空間；當各樹種按照密林空間均衡種植時，盡管植物密布能顯著降低局部空間氣溫，但是從小區(qū)平均溫度看，密林式布局植物降低高溫的能力最弱。

居住小區(qū)中，建筑環(huán)境也會影響綠地降溫效果。模擬結(jié)果顯示，植被可以有效地分別降低R1、R21和R22場地平均氣溫6.0～7.2℃、4.2～5.1℃、4.2～5.3℃。盡管15：00，R1中建筑產(chǎn)生陰影面積最小，但有效發(fā)揮溫度調(diào)節(jié)作用的喬木數(shù)量卻是最多的，R1中植物降低溫度效果優(yōu)于R21和R22，這表明居住小區(qū)中綠地可以有效地彌補因建筑差異帶來的溫度變化。

2.1.2 居住小區(qū)不同樹種的降溫效果

如圖3所示，受建筑布局影響，8種植物對溫度的調(diào)節(jié)作用略有不同。總體而言，因植物葉面積指數(shù)、冠幅和樹高的差異，不同樹種的溫度調(diào)節(jié)能力顯示出差異。

研究者證實喬木對溫度降低80%是源于喬木能形成遮陰[11-12]，模擬結(jié)果顯示，葉面積指數(shù)大的植物如香樟、桂花，植物冠層比較密實，可以有效地阻攔、反射太陽輻射，并減少林下地表對輻射能量的吸收，起到更好的降溫效果；樹冠較大的植物如欒樹、香樟降溫效果要優(yōu)于玉蘭和杜英；但是對比香樟和桂花，兩者葉面積指數(shù)接近，桂花的樹冠比香樟小，相同喬木覆蓋率時，場地中可以種植更多的桂花，2種植物對溫度調(diào)節(jié)作用比較相近，這也說明，相同喬木覆蓋率和ART時，優(yōu)先選擇葉面積大、樹冠大的樹種，而葉面積指數(shù)大、樹冠小的植物也可以作為優(yōu)選樹種。但是當植物冠幅相近、樹高不同時如白玉蘭和桂花，無法依據(jù)葉面積指數(shù)判斷植物的降溫效果。

圖3 R1、R21和R22中不同植物在各植被空間中的降溫情況

2.2 居住小區(qū)綠地對風速的影響

2.2.1 居住小區(qū)不同植被布局對風速的影響

植被在降溫的同時對夏季場地內(nèi)的氣流流通產(chǎn)生阻擋作用，場地內(nèi)的風速均出現(xiàn)不同程度的降低(圖4)。縱觀R1、R21和R22，雖然植物種類存在差異，但是3種植物空間所表現(xiàn)出對風速影響相似的規(guī)律：開敞式的植被布局對風速的削弱作用大于頂覆蓋式和密林式，密林式的綠地布局對小區(qū)整體平均風速影響最小。隨著ART變小，植被對風的阻擋能力越強。

2.2.2 居住小區(qū)夏季不同樹種的通風影響

葉面積指數(shù)大、冠幅大、較高的植物種類如香樟對風的阻擋作用明顯；相同喬木覆蓋率前提下，植物高度相同、葉面積指數(shù)相近如白玉蘭和欒樹，樹冠小的植物雖然在小區(qū)中數(shù)量較多，但所構(gòu)成的綠地對氣流的阻擋能力未必強。當植物葉面積指數(shù)相近，高度和冠幅都不相同時如香樟與桂花，冠幅大的較高植物擋風能力較好。當植物葉面積指數(shù)、樹高、冠幅都不相同時，如白玉蘭與欒樹，冠幅小的植物所構(gòu)成的綠地擋風能力未必弱。超過10m的中高大喬木如雪松，在低矮的建筑小區(qū)R1中擋風效果較為顯著。闊葉植物擋風能力大于針葉植物。當植物樹冠直徑相同時，如香樟、欒樹與雪松，闊葉植物香樟、欒樹對風的削弱能力優(yōu)于雪松。

2.3 居住小區(qū)綠地對夏季熱舒適度的影響

模擬結(jié)果顯示，綠地布局和樹種對溫度與風速的響應存在顯著不一致。熱舒適度指標PET(Physiological Equivalent Temperature)可以較好地評價植物對戶外環(huán)境的調(diào)節(jié)作用，進而借助Rayman軟件，從模擬結(jié)果中提取氣象數(shù)據(jù)如風速、溫度、相對濕度、平均輻射溫度，計算PET值，并與無植被時的PET值進行比較，獲取ΔPET值進行深入分析。

8種植物均表現(xiàn)出開敞式綠地布局對PET調(diào)節(jié)作用較大，而密林式綠地布局對PET降低影響最小。葉面積指數(shù)大、冠幅大、較高的植物，如香樟、欒樹、雪松，可以較好地改善夏季戶外熱舒適度；樹冠小、葉面積指數(shù)低的櫻花對戶外熱舒適度調(diào)節(jié)能力相對較弱。植物高度和冠幅直徑相同時，葉面積指數(shù)大的植物也可優(yōu)先選用。

3 總結(jié)

3.1 研究小結(jié)

研究結(jié)果表明，居住小區(qū)綠地可以有效地調(diào)節(jié)場地平均溫度。綠地對于溫度的調(diào)節(jié)作用受植物種類(葉面積指數(shù)、冠幅大小)、建筑布局以及植物布局影響。同種植物對小區(qū)空氣溫度的調(diào)節(jié)作用受植物的布局方式以及小區(qū)建筑環(huán)境影響。樹冠直徑大、葉面積指數(shù)大的高大喬木的降溫效果顯著。

夏季，植物在降低溫度的同時也會對場地中的風速起到降低的作用，密林式布局對場地風速降低影響較小，冠幅小、低矮、葉面積指數(shù)小的植物對于氣流的阻擋作用較弱。

從對夏季PET改善效果看，開敞空間和頂覆蓋空間對PET調(diào)節(jié)作用優(yōu)于密林空間。葉面積指數(shù)大、冠幅大、較高的植物如香樟、欒樹、雪松，可以較好地改善夏季戶外熱舒適度。

圖4 R1、R21和R22中不同植物的擋風情況

3.2 對居住小區(qū)綠地規(guī)劃設計的啟示

研究表明，綠地能調(diào)節(jié)高溫，有效改善戶外小氣候。夏季炎熱地區(qū)，綠地滿足小區(qū)居民使用需求、美化環(huán)境的同時，應充分發(fā)揮其小氣候調(diào)節(jié)作用，提升戶外熱舒適度，構(gòu)建宜人的夏季戶外活動環(huán)境。

研究證實喬木能顯著降低夏季高溫，有效提升戶外熱舒適度。居住小區(qū)綠地規(guī)劃設計應重視喬木種植，積極利用喬木降溫特點改善小區(qū)夏季小氣候。不同的喬木布局以及喬木種類對戶外熱舒適度調(diào)節(jié)效果存在差異，為提升小區(qū)夏季戶外環(huán)境質(zhì)量，設計師應基于小區(qū)中不同綠地的功能，合理開展種植設計，優(yōu)先選擇最佳氣候調(diào)節(jié)作用的喬木布局和樹種，實現(xiàn)植物尤其是喬木的生態(tài)功能、使用功能、觀賞功能和經(jīng)濟功能。基于綠地的小氣候調(diào)節(jié)作用，居住小區(qū)綠地規(guī)劃設計建議從居住小區(qū)綠地功能、特點以及空間位置出發(fā)，局部選擇具最佳氣候調(diào)節(jié)能力的喬木布局形式以及樹種(圖5)。

公共綠地是小區(qū)居民主要活動場所，活動內(nèi)容豐富、空間變化多樣。此區(qū)域綠地規(guī)劃設計應當依據(jù)公共綠地所在位置分析其小氣候條件，明確夏季盛行風向；為確保場地夏季風的引入，應于夏季盛行風上風方向處設計至少6m寬的通風道；與此同時，順應盛行風方向以ART≥2布置葉面積指數(shù)稍小的喬木，減少大灌木的種植，盡可能降低通風道附近植物對夏季氣流的阻礙，促進區(qū)域氣流運動，提升戶外熱舒適度。活動場地周邊可以選擇葉面積指數(shù)大、樹冠直徑大的高大落葉喬木形成頂覆蓋空間(1≤ART＜2)，讓人們在夏季擁有足夠的陰涼活動空間，營造較為宜人的戶外小氣候。

宅旁綠地是指建筑前后以及2排住宅之間的綠地，它為附近居民提供簡單的戶外休息、活動和交往空間。此類型綠地中喬木的布置應當以ART＜2為主：活動場地中以1≤ART＜2種植葉面積指數(shù)大、樹冠直徑大的高大落葉喬木，構(gòu)建頂覆蓋空間；場地周邊綠地營造疏林景觀(ART＜1)，優(yōu)先選擇葉面積指數(shù)大、冠幅大的喬木。夏季，宅旁綠地能有效地降低宅間高溫，促進室內(nèi)外氣流流動，進而能有效提升室內(nèi)外熱舒適度。

公共服務設施附屬綠地是小區(qū)中公共建筑和共用設施周邊的綠地。盡管此類型綠地不是居民主要活動區(qū)域，但其周邊也應當注重喬木的種植，發(fā)揮喬木調(diào)節(jié)溫度的特點，以ART＜1進行種植葉面積指數(shù)大的喬木，配合種植適量灌木，形成疏林景觀，實現(xiàn)綠地小氣候的調(diào)節(jié)作用。

道路兩側(cè)可以按照ART≥1種植葉面積指數(shù)大、冠大的喬木，夏季形成遮陰，有效降低室外高溫。若車行道平行于夏季上風方向，應在道路兩側(cè)以1≤ART＜2種植冠幅大、葉面積指數(shù)稍小的喬木，夏季形成遮陰的同時，減少周邊大灌的種植，降低植被對夏季氣流的摩擦和阻擋，進而有效提升戶外熱舒適度。主要組團路，尤其是入戶步行道路一側(cè)或兩側(cè)應以1≤ART＜2種植行道樹，保障夏季居民戶外足夠的林蔭空間，提升戶外熱舒適度。

圖5 居住小區(qū)各類綠地喬木布局示意圖

為構(gòu)建更加宜人、舒適的戶外居住環(huán)境，小區(qū)綠地規(guī)劃設計尤其是喬木的布局以及樹種選擇，應當依據(jù)所在場地夏季的氣候特征，兼顧綠地功能、活動內(nèi)容，從局部合理設計，以實現(xiàn)小區(qū)夏季戶外小氣候環(huán)境的改善和提升，切實發(fā)揮綠地小氣候的調(diào)節(jié)作用。

注：文中圖片均由作者繪制。