居住區(qū)綠地影響室外熱環(huán)境的研究進(jìn)展

周宏軒,吳岳,王昭清,孫婧

居住區(qū)綠地影響室外熱環(huán)境的研究進(jìn)展

周宏軒*, 吳岳, 王昭清, 孫婧

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院, 徐州 221116

城市綠地系統(tǒng)對(duì)室外熱環(huán)境具有顯著影響, 但與城市景觀規(guī)劃與設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)較少。通過(guò)文獻(xiàn)梳理指出造成城市熱環(huán)境惡化的主要原因有城市活動(dòng)、氣候變化、下墊面; 然后從降溫增濕、通風(fēng)和減少熱輻射三個(gè)方面對(duì)綠地改善熱環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)述, 并從綠地面積和綠地率、植物種類以及綠地結(jié)構(gòu)三個(gè)方面探討了居住區(qū)綠地對(duì)熱環(huán)境效應(yīng)的影響。在此基礎(chǔ)上提出展望: 有必要加強(qiáng)在植物空間配置、綠地布局等視角所展開(kāi)的綠地生態(tài)效應(yīng)研究; 室外熱環(huán)境數(shù)據(jù)采集方法及數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性需進(jìn)一步提升; 需要將定量的研究結(jié)果引用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中。

城市熱島效應(yīng); 城市熱環(huán)境; 城市綠地系統(tǒng)

0 前言

城市作為一個(gè)地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心, 承載著極大地人口數(shù)量和生態(tài)環(huán)境壓力。近年來(lái)，中國(guó)城鎮(zhèn)化水平高速發(fā)展，第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)城鎮(zhèn)常住人口數(shù)量已達(dá)總?cè)丝跀?shù)量的63.89%。隨著城市人口數(shù)量及高密度建筑的逐漸增加, 城市生態(tài)系統(tǒng)失衡問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重, 人類活動(dòng)所引發(fā)的城市局部氣候變化十分顯著[1]。隨著城市化進(jìn)程的加快, 城市出現(xiàn)人口密集、交通繁忙、暴露度大和脆弱性強(qiáng)等特點(diǎn), 其產(chǎn)生的二氧化碳排放量占全球的75%以上, 是氣候變化的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[2]。1951—2010年, 我國(guó)的夏季氣溫總體為上升趨勢(shì)[3], 而且每到夏季各地都會(huì)出現(xiàn)高溫現(xiàn)象, 個(gè)別地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)極端高溫事件。世界氣象組織稱, 極端高溫天氣頻發(fā)與溫室氣體排放引起的氣候變化有關(guān)[4]。未來(lái), 隨著人口的不斷增加, 夏季高溫事件頻發(fā)將加劇社會(huì)風(fēng)險(xiǎn), 給人類健康、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等帶來(lái)更大的挑戰(zhàn), 需要加強(qiáng)防范[5]。除了氣候本身的變動(dòng)因素外, 城市溫度的升高還直接受到城市建筑尺度和公共空間的影響, 此外, 城市下墊面和綠地?cái)?shù)量的影響也不可忽視[6]。城市熱島效應(yīng)是當(dāng)前城市氣候問(wèn)題中最顯著的一個(gè)。城市居民生活和生產(chǎn)活動(dòng)消耗大量能源, 所產(chǎn)生的人為熱進(jìn)入大氣, 導(dǎo)致城市中心溫度明顯高于郊區(qū), 形成城市熱島效應(yīng)[7]。作為城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分, 城市綠地對(duì)緩解城市熱島效應(yīng)具有明顯作用, 第一個(gè)發(fā)現(xiàn)綠地植物能夠有效緩解城市熱島效應(yīng)的是Federer[8]。城市綠地能夠吸碳釋氧、凈化空氣, 還能夠降溫增濕、改善城市熱環(huán)境, 平衡城市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。在城市熱環(huán)境逐漸惡劣的情況下, 增加綠化建設(shè)是最為有效的手段之一[9]。研究城市居住區(qū)綠地對(duì)室外熱環(huán)境的影響, 可以為居住區(qū)熱環(huán)境改善的綠化策略提供理論指導(dǎo), 為進(jìn)一步促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。而城市居住區(qū)綠地的合理配置, 對(duì)改善城市微氣候、緩解城市熱島效應(yīng)以及提升城市居民身心健康具有重大意義。

1 居住區(qū)綠地和室外熱環(huán)境的概念界定

1.1 居住區(qū)綠地

居住區(qū)綠地是城市居民日常休閑和交往的重要場(chǎng)所。居住區(qū)內(nèi)的綠化對(duì)于保護(hù)居民身體健康, 拓展居民生活空間, 創(chuàng)造安靜、舒適、衛(wèi)生和美觀的環(huán)境起著十分重要的作用。根據(jù)我國(guó)居住區(qū)設(shè)計(jì)原則, 居住區(qū)綠地包括公共綠地、公共建筑附屬綠地、宅旁和庭院綠地、街道綠地。居住區(qū)綠地是城市綠地的重要部分, 在改善城市熱環(huán)境等方面的作用不容小覷, 是創(chuàng)設(shè)優(yōu)良人居環(huán)境的重要保障, 同時(shí)也是保障城市生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展的必要條件之一。

1.2 室外熱環(huán)境

熱環(huán)境指由太陽(yáng)輻射、氣溫、周圍物體表面溫度、相對(duì)濕度與氣流速度等物理因素所組成, 作用于人、影響著人的冷熱感和健康的環(huán)境。熱環(huán)境的質(zhì)量對(duì)城市交通和人們生活都有著深遠(yuǎn)影響[10]。影響熱環(huán)境的主要因素有: 氣溫、太陽(yáng)輻射、其他熱輻射、相對(duì)濕度和風(fēng)速。

2 居住區(qū)綠地影響室外熱環(huán)境研究方法

在居住區(qū)綠地改善室外熱環(huán)境的研究中, 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是最常用的一種研究方法, 數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確[11], 這一類方法通常采用便攜式氣象站和紅外熱像儀等儀器直接獲取大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù); 也可對(duì)固定氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析; 或者利用載具觀測(cè)。便攜式設(shè)備可獲取多種場(chǎng)景的熱環(huán)境數(shù)據(jù), 較為便捷, 但是數(shù)據(jù)連續(xù)性因安全保障條件限制, 難以實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守時(shí)的自動(dòng)觀測(cè); 固定氣象站雖有良好的數(shù)據(jù)連續(xù)性, 但測(cè)定空間尺度有限, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)景觀測(cè); 依靠載具的移動(dòng)觀測(cè)雖然可以在短時(shí)間內(nèi)獲取較大范圍內(nèi)的居住區(qū)綠地的熱環(huán)境數(shù)據(jù), 但其仍具有一定的時(shí)空局限性, 觀測(cè)范圍仍然較為有限, 并且所測(cè)定的數(shù)據(jù)需要校正才能進(jìn)行分析[12,13]。

遙感技術(shù)具有較高的時(shí)間同步性, 可以在短時(shí)間內(nèi)獲取較大空間范圍的地表溫度, 對(duì)于研究不同居住區(qū)綠地改善室外熱環(huán)境具有重要的意義, 但該方法自身存在時(shí)空分辨率的矛盾: 時(shí)間連續(xù)性高的遙感影像空間分辨率低; 而空間分辨率高的遙感影像時(shí)間分辨率低[14]。因此, 研究居住區(qū)綠地改善室外熱環(huán)境時(shí)遙感技術(shù)具有很好的指導(dǎo)性, 也具有一定的局限性。

數(shù)值模擬在研究速度、研究尺度以及研究復(fù)雜性方面均有一定優(yōu)勢(shì), 學(xué)者們對(duì)植物種類影響室外熱環(huán)境的研究逐漸引入數(shù)值模擬方法, 并且也取得了豐碩的研究成果[15,16]。但由于模型驗(yàn)證的重要性, 實(shí)地測(cè)量仍然是任何建模方法的組成部分[17]。目前對(duì)綠地作用進(jìn)行量化分析的模擬研究主要結(jié)合地理信息和數(shù)值模擬軟件[18-20]。研究對(duì)象主要包括不同綠地率的熱環(huán)境差異、不同綠地布局模式和綠化配置對(duì)室外熱環(huán)境的影響等。通過(guò)對(duì)溫度數(shù)值、相對(duì)濕度數(shù)值、風(fēng)速數(shù)值和太陽(yáng)輻射數(shù)值進(jìn)行比對(duì)分析, 研究結(jié)果可以得出最適宜的舒適度區(qū)域和綠地布局方式, 使決策者和規(guī)劃者能夠做出更精確的綠色決策。

3 綠地改善熱環(huán)境的作用

目前主要研究的城市室外熱環(huán)境指標(biāo)包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射數(shù)值, 其中溫度因素是影響城市熱環(huán)境和人體熱舒適度的最主要的因素[21]。上述指標(biāo)與人們的生活密切相關(guān), 并且容易被人的行為、植物覆蓋率、土壤層性質(zhì)、建筑密度等因素所影響。通過(guò)梳理城市綠地生態(tài)效應(yīng)的研究成果發(fā)現(xiàn), 綠地具有降溫增濕、通風(fēng)和減少熱輻射的作用, 能夠有效改善室外熱環(huán)境。

3.1 降溫增濕

綠地的降溫作用源自兩個(gè)方面, 一方面是喬灌木的樹(shù)冠對(duì)太陽(yáng)輻射有阻擋、吸收和反射的效力; 另一方面是植被的蒸騰吸收熱量, 減少了氣溫的日變化, 縮小了日振幅。因此, 綠地有利于形成較好的局部小氣候環(huán)境。國(guó)外學(xué)者在綠地植物降溫增濕作用方面的研究成果較為豐富。上世紀(jì)80年代起, 日本學(xué)者開(kāi)始研究植物對(duì)建筑表面的降溫作用, 發(fā)現(xiàn)有植物覆蓋的墻面比無(wú)植物覆蓋的墻體表面溫度低10 °C, 而且有植物覆蓋的室內(nèi)墻面溫度也更低。Hoyano選擇了多種植物研究它們對(duì)太陽(yáng)輻射和室內(nèi)外氣溫的改善作用[22]。還有日本學(xué)者通過(guò)對(duì)幾種植物蒸騰作用進(jìn)行測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)不同種類植物的單位葉面積蒸騰量不同, 因此產(chǎn)生的降溫增濕作用也不相同[23]。Tsutsumi在福岡市進(jìn)行宏觀尺度、中微尺度和小尺度的實(shí)地測(cè)驗(yàn), 研究植被數(shù)量與氣溫的關(guān)系, 測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn), 不管在哪種尺度下, 綠色植物越多, 氣溫越低, 濕度越高[24]。而Lin的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示: 在植被降低氣溫方面, 植物葉色光度>葉密度>葉片厚度>葉片質(zhì)地(表面粗糙度); 表面土壤冷卻效果方面: 葉面密度>葉片厚度>葉片質(zhì)地>葉色亮度等[25]。此外, Klemm在荷蘭不同綠化水平的街道進(jìn)行了移動(dòng)微氣象測(cè)量, 結(jié)果顯示, 街道綠化對(duì)熱舒適性有明顯的影響, 在城市設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮熱舒適的物理和心理方面[13]。

國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)70年代末開(kāi)始通過(guò)實(shí)測(cè)法對(duì)城市綠地降溫效應(yīng)展開(kāi)研究。蔣美珍通過(guò)實(shí)測(cè)室外氣溫來(lái)對(duì)比有綠化區(qū)與無(wú)綠化區(qū)的差異, 結(jié)果顯示, 有綠化區(qū)與無(wú)綠化區(qū)相比, 其溫度下降1.1—1.5 °C, 試驗(yàn)證實(shí)了城市綠化有調(diào)節(jié)氣溫、濕度及輻射溫度的作用[26]。成實(shí)通過(guò)高遙感技術(shù)和地理信息工具發(fā)現(xiàn)深圳市的公園綠地具有良好的降溫增濕效果[27]。張明娟則發(fā)現(xiàn)南京的各種植物群落在夏季均有顯著降溫作用, 但是各林地的降溫效果沒(méi)有顯著差異[28]。葛靜茹的研究表明武漢的綠楔生態(tài)用地降溫效果均在2 °C以上[29]。植物的降溫增濕作用還可以指導(dǎo)城市綠地規(guī)劃。何常清等通過(guò)虛擬仿真的方法發(fā)現(xiàn)綠地布局及綠化的優(yōu)化措施, 可使區(qū)域的熱島效應(yīng)降低約1.3 °C[30]。楊士弘推算出廣州所需的綠地面積和綠化率, 為緩解城市熱島效應(yīng), 優(yōu)化城市熱環(huán)境提供了定量指標(biāo)[31]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 學(xué)者們對(duì)綠地作用的研究方法從實(shí)地測(cè)量逐漸向數(shù)值模擬過(guò)渡, 除了降溫和增濕的數(shù)值用來(lái)評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境外, 相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)也得到多元化發(fā)展。林波榮通過(guò)實(shí)測(cè)總結(jié)出不同綠化形式對(duì)室外熱環(huán)境的影響, 在此基礎(chǔ)上建立了室外熱環(huán)境通用模擬體系, 對(duì)比研究了在相同室外熱環(huán)境下不同指標(biāo)的差異性, 提出以WBGT和SET相結(jié)合的方式評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境。研究涉及到下墊面對(duì)室外熱環(huán)境的影響, 發(fā)現(xiàn)樹(shù)木的降溫效果最好, 效果的大小與時(shí)間段、周邊建筑環(huán)境和樹(shù)木布置方式密切相關(guān), 提出利用有效遮陽(yáng)綠量可對(duì)小區(qū)熱環(huán)境具有改善作用[32]。

3.2 通風(fēng)效果

城市通風(fēng)也是影響室外熱環(huán)境的主要因素。我國(guó)大部分城市夏季普遍炎熱, 根據(jù)居住區(qū)風(fēng)環(huán)境配置綠地結(jié)構(gòu)和布局, 有利于形成良好的風(fēng)道, 帶走空間內(nèi)部的熱空氣, 對(duì)于改善行人水平的熱舒適性有很大的意義。綠地影響通風(fēng)作用的研究方法主要是數(shù)值模擬。Zheng通過(guò)數(shù)值模擬冬季和夏季情景, 發(fā)現(xiàn)有植被和無(wú)植被兩種情況下的風(fēng)速, 結(jié)果有助于確定在綠地中種植的植被種類; 并預(yù)測(cè)了植被對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響, 分別找到冬季和夏季因通風(fēng)不良的熱舒適度較低的區(qū)域, 經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn), 可以明顯地改善行人水平的風(fēng)速和熱舒適度[33]。Hong則利用室外熱環(huán)境仿真平臺(tái)(SPOTE)進(jìn)行了一系列模擬, 結(jié)果表明建筑物以交錯(cuò)布局分組且具有集中綠地的配置可以提供更好的通風(fēng)條件, 可以在行人水平獲得充分的自然通風(fēng)和熱舒適[34]。朱勇的分析研究指出, 受城市盛行風(fēng)向的影響, 在進(jìn)行綠地設(shè)計(jì)時(shí), 街道南側(cè)、西南側(cè)以及東南側(cè)的植物圍合程度要放寬, 并與夏季風(fēng)向呈一定的夾角, 避免影響自然風(fēng)的通行[35]。周翌晨通過(guò)對(duì)三種綠地布局形式進(jìn)行數(shù)值模擬研究, 發(fā)現(xiàn)增加綠化率或種植葉面積密度較大的植物可以加強(qiáng)植物對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響, 但是改善效果并不隨著葉面密度的增大而增強(qiáng), 因此, 在進(jìn)行綠地設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮植物位置, 其次考慮種植密度和種植樹(shù)種[36]。

3.3 減少熱輻射

居住區(qū)內(nèi)的不透水地面和建筑物限制了土壤與大氣的能量交換和雨水下滲, 不僅造成土壤溫度上升[37], 而且更容易吸收太陽(yáng)輻射并向外散發(fā)熱輻射, 加熱周圍的大氣, 進(jìn)而使城市氣溫升高[38]。綠地減少熱輻射的機(jī)制有兩個(gè)方面: 一是植物樹(shù)冠攔截部分太陽(yáng)輻射, 使較少的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面, 抑制地面升溫; 二是植物的遮蔭效應(yīng)可降低路面和建筑物墻體表面溫度, 減少路面和墻體散發(fā)的熱輻射(圖1)。

Solcerova的研究發(fā)現(xiàn)垂直綠化產(chǎn)生的陰影可減少墻面和地面對(duì)外散發(fā)熱輻射, 植物和基底的蒸發(fā)進(jìn)行冷卻降溫, 最后通過(guò)改變風(fēng)速對(duì)建筑物的溫度產(chǎn)生影響。在高密度建筑區(qū), 采用屋頂遮陽(yáng)和外墻遮陽(yáng)能夠有效降低熱輻射[39], 而且由于地面綠地面積的限制, 實(shí)施立體綠化更有優(yōu)勢(shì)。Susorova通過(guò)測(cè)驗(yàn)攀爬植物對(duì)芝加哥立面墻體熱力性能的影響發(fā)現(xiàn), 植被層將通過(guò)外墻的熱通量平均降低了10%, 產(chǎn)生了較溫和的局部小氣候, 外墻表面溫度平均降低了0.7 °C(每小時(shí)最高12.6 °C), 緊鄰立面的室外空氣溫度平均降低0.8—2.1 °C, 相對(duì)濕度較高, 緊鄰立面的風(fēng)速降低0%—43%[40]。與普通屋頂相比, 同一地區(qū)的綠色屋頂降溫效果明顯: 如位于熱帶區(qū)域的新加坡, 綠色屋頂和普通屋頂最大溫差為18 °C, 降低超過(guò)60%的熱通量[41]; 而位于亞北極的渥太華地區(qū)夏季最大溫差可達(dá)40 °C, 熱通量平均降低 70%—90%, 冬季熱通量平均降低10%—30%[42]。

4 影響熱環(huán)境的因素分析

4.1 綠地面積和綠地率

通常情況下, 綠地面積越大, 其降溫增濕效果越好。Isa提取2006年和2016年城市中的綠色區(qū)域, 分別模擬當(dāng)時(shí)的氣溫, 發(fā)現(xiàn)綠地面積與近地表氣溫之間有很強(qiáng)的相關(guān)性: 與緊湊的建筑區(qū)域相比, 綠色植被區(qū)域的氣溫較低[43]。綠地的降溫效果與距離相關(guān), 距離越大, 降溫效果越差。王剛的研究表明城市綠地可以使其周邊400—500 m的地表溫度顯著降低[44]。Upmanis發(fā)現(xiàn)公園和建成區(qū)之間的最大溫差可達(dá)5.9 °C(夏季), 涼爽的公園氣候延伸到距離公園邊界1100 m以外的建成區(qū), 溫度差的擴(kuò)展和幅度取決于公園的大小和公園邊界的距離[45]。

除綠地面積外, 綠地率也是影響熱環(huán)境的重要因素。吳菲發(fā)現(xiàn)當(dāng)綠地率達(dá)80%左右時(shí), 3 hm2是可以明顯發(fā)揮降溫增濕效益的最小面積[46]。單純就綠地率而言, 居住區(qū)綠地率越高, 其溫度越低[47], 每增加10%綠地率, 能有效降低溫度0.2—0.9 °C[48]。高凱的研究顯示, 增加綠地率對(duì)居住區(qū)氣溫的影響變大, 氣溫變化在綠地中心最為明顯, 能降低2.6 °C。溫度下降范圍與環(huán)境溫度呈正相關(guān), 與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)[49]。

圖1 植物減少熱輻射示意圖

Figure 1 Schematic diagram about plants reduce thermal radiation

此外, 綠地面積和綠地率對(duì)改善地表溫度也有積極作用。應(yīng)天玉根據(jù)GIS技術(shù)分析出綠地率與地表溫度呈負(fù)相關(guān), 當(dāng)綠地面積大于5 hm2時(shí), 對(duì)地表溫度的改善才有明顯作用[50]。李俊祥也指出, 綠地率每增加1%, 地表平均溫度將下降0.047 °C[51]。也有研究指出, 綠地周邊的小氣候較為穩(wěn)定, 溫差較小, 而綠地的平均表面溫度及最高表面溫度均比無(wú)綠地區(qū)域低, 最低溫度則較高[52,53]。

4.2 植物種類

不同的植物種類對(duì)熱環(huán)境的影響不同(表1), 學(xué)者們對(duì)影響熱環(huán)境的植物種類的研究通常采用實(shí)地觀測(cè)的方法進(jìn)行。高凱發(fā)現(xiàn)大喬木的降溫幅度最大, 達(dá)到2.8 °C, 其次是小喬木, 為2.0 °C[49]。李輝選擇5種北京常見(jiàn)的草坪作為研究對(duì)象, 計(jì)算出不同季節(jié)各種草坪?jiǎn)挝蝗~面積的釋氧固碳和吸熱降溫量, 定量化評(píng)價(jià)了5種草坪地被植物的生態(tài)效益, 證實(shí)了每平方米草坪都有利于保持碳氧平衡, 緩解局部城市熱島效應(yīng)[54]。秦俊對(duì)上海居住區(qū)常見(jiàn)的22種植物類型和草坪進(jìn)行實(shí)地觀測(cè), 得到各種類型植物和草坪均有降溫增濕的效果, 但效果差異較大, 其中草坪的降溫增濕效果最差, 針葉林和竹林降溫增濕效果最好, 日均降溫效果>2.3 °C, 日均增濕效果>12.4%[55]。何介南將長(zhǎng)沙市喬木林、喬灌林、灌叢和草地4種常見(jiàn)綠地類型作為研究對(duì)象, 同時(shí)選擇相近無(wú)綠化區(qū)域作為對(duì)照。在白天分4個(gè)時(shí)段分別測(cè)定其1.5 m高處的氣溫和相對(duì)濕度。測(cè)定結(jié)果顯示, 城市綠地具有降溫增濕的效果, 但不同綠地類型帶來(lái)的效果有很大差異, 效果排序?yàn)? 喬木林>喬灌林>灌叢>草地; 并以此作為依據(jù), 結(jié)合長(zhǎng)沙市的綠化建設(shè)提出要加大喬木林、喬灌林面積, 減少灌叢和草地面積的對(duì)策[56]。Zhao選取三種類型的城市土地, 包括陽(yáng)光下的瀝青路面、陽(yáng)光下的草地、以及成年梧桐樹(shù)蔭下的瀝青路面, 以測(cè)量1.5 m高處的氣溫和地表溫度。結(jié)果表明, 成年梧桐樹(shù)白天具有明顯的降溫效果, 夜間具有隔熱效果; 草地在白天具有降溫作用, 但白天冷卻能力低于成年梧桐樹(shù)。對(duì)于地表熱環(huán)境, 成年梧桐樹(shù)溫度降低的作用在白天高于草地, 夜間則相反, 成年梧桐樹(shù)蔭下的瀝青路面地表溫度低于無(wú)遮陰的瀝青路面[57]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展, 與傳統(tǒng)的實(shí)地觀測(cè)方法相比, 數(shù)值模擬方法在研究速度、研究尺度以及研究復(fù)雜性方面具有一定優(yōu)勢(shì), 學(xué)者們對(duì)植物種類影響熱環(huán)境的研究逐漸引入這類方法。Zheng開(kāi)發(fā)了一種包含三維植被模型的模擬方法, 用于模擬、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)室外熱環(huán)境, 并通過(guò)仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 確定其準(zhǔn)確性。對(duì)于1.5 m高的氣溫、熱舒適性和安全性, 不同種類植物對(duì)其影響順序?yàn)闃?shù)木>草坪>灌木; 但對(duì)于表面溫度而言, 順序則為草坪>灌木>樹(shù)木[33]。

4.3 綠地結(jié)構(gòu)

通常來(lái)說(shuō), 綠地結(jié)構(gòu)主要有喬灌草組合、灌草組合及單純草坪三種類型, 不同的綠地結(jié)構(gòu)對(duì)熱環(huán)境有著不同的影響。學(xué)者們通過(guò)實(shí)地觀測(cè)的方法對(duì)綠地結(jié)構(gòu)影響熱環(huán)境的情況展開(kāi)了研究。李輝等人的研究結(jié)果表明, 喬灌草組合降溫增濕作用最強(qiáng), 其次為灌草組合, 單純草坪的增濕作用最小, 因?yàn)樵诖怪笨臻g上喬灌草組合的層次更多, 產(chǎn)生的陰影面積更大, 更有利于周邊區(qū)域降溫, 且喬灌草組合的擁有的葉片量更大, 能產(chǎn)生更多的水蒸氣, 水分不容易流失[58]。當(dāng)綠地率為20%—40%時(shí), 居住區(qū)環(huán)境溫度與喬木面積比率呈負(fù)相關(guān), 喬灌相間和灌草結(jié)合的綠地平均降溫幅度分別為1.4 °C和1.2 °C[59]。

也有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法分析綠地結(jié)構(gòu)對(duì)城市熱環(huán)境所產(chǎn)生的影響。Srivanit對(duì)大學(xué)校園實(shí)行增加喬木和設(shè)置屋頂綠化的模擬方案, 結(jié)果顯示, 喬木數(shù)量增加20%時(shí), 夏季15:00時(shí)的平均最高溫度將降低2.27 °C; 此外, 結(jié)合兩種方案產(chǎn)生的降溫平均值和最大值分別為0.24 °C和2.29 °C[60]。曹利娟根據(jù)小區(qū)原有的綠化水平, 模擬分析綠化面積、綠化類型和屋頂綠化對(duì)熱環(huán)境的定量影響, 研究結(jié)果表明, 與增加綠化面積相比, 優(yōu)化植物配置類型對(duì)改善熱環(huán)境的效果更好, 而屋頂綠化對(duì)于中高層小區(qū)的熱環(huán)境改善效果不明顯[61]。杜曉寒利用模擬的方法研究了綠化對(duì)街谷內(nèi)日間平均WBGT和熱島強(qiáng)度的影響, 在干道級(jí)和支路級(jí)街谷分別設(shè)計(jì)6種不同的綠化布置方案并分析其效果, 結(jié)果顯示, 綠地率越高, 熱島強(qiáng)度降低越多, 喬木率每增加10%, 熱島強(qiáng)度可降低0.3 °C[62]。

表1 各類植物降溫效果

此外, 居住區(qū)內(nèi)部的綠化結(jié)構(gòu)不同, 其室外開(kāi)放空間的通風(fēng)狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生變化。在相同綠地率的情況下, 結(jié)構(gòu)單一的草坪迎風(fēng)面較小, 不會(huì)影響居住區(qū)的風(fēng)環(huán)境; 而喬木和灌木的組合會(huì)對(duì)風(fēng)向和風(fēng)速產(chǎn)生影響, 并且植物種植密度越大對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響越大。因此, 喬木和灌木對(duì)于優(yōu)化風(fēng)場(chǎng)具有更加有效的作用, 同時(shí)還能提高綠地的空間利用率[38]。

4.4 綠地格局

為滿足降溫效果, 需要在居住區(qū)中配置一定規(guī)模的綠地面積, 并且滿足斑塊布局的要求[63]。關(guān)于居住區(qū)綠地格局對(duì)城市熱環(huán)境的影響研究主要有2種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為集中分布的綠地具有更好的降溫作用, 反之亦然[64]; Kong認(rèn)為大規(guī)模綠地可將低溫?cái)U(kuò)展至其外部以增強(qiáng)附近較小綠地的降溫效果[65]。周雯的研究結(jié)果表明增加喬木林地邊界復(fù)雜度, 林地斑塊間聚集度, 可以有效地降低區(qū)域溫度[66]。馮嫻慧也認(rèn)為一定規(guī)模面積的集中式綠地布局可以通過(guò)城市中尺度距離環(huán)流改善熱環(huán)境[67]。同樣, 李笑寒針對(duì)北京某小區(qū)宅旁綠地的熱環(huán)境, 模擬了8種不同場(chǎng)景, 最終得出小區(qū)內(nèi)部道路具有分割溫度斑塊和降低中心綠地高溫斑塊面積的效果, 并且整塊綠地的降溫增濕作用最為明顯的結(jié)論[68]。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為分散型的綠地格局更有利于整個(gè)城區(qū)的降溫。苗世光等認(rèn)為分散型的城市綠地布局在夏季比集中性綠地布局方式的降溫、增濕和通風(fēng)的效果更佳[69]。Sodoudi的研究表明彼此分開(kāi)的綠地更有利于其遮陰效果的發(fā)揮, 整體的降溫效果更好[70]。Li認(rèn)為分散型的小型綠地由于斑塊密度增加以及更加復(fù)雜的形狀導(dǎo)致地表溫度降低, 具有良好的降溫效果[71]。薛濱夏的研究得出分散型綠地布局更能體現(xiàn)出緩解城市熱島效應(yīng)功效的結(jié)論[72]。但是無(wú)論是聚集型的大型綠地還是分散型的小型綠地均具有降溫效果, 在整個(gè)城市的角度來(lái)看則是需要考慮城市整體的熱環(huán)境質(zhì)量, 尤其是與人類工作與生活密切相關(guān)的場(chǎng)所。因此也有學(xué)者根據(jù)不同規(guī)模綠地協(xié)同降溫原理, 構(gòu)建分層六邊形的大、中、小綠地的城市熱安全格局理想模型, 可使降溫效果更加理想[73]。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)相關(guān)研究的梳理, 結(jié)果都證實(shí)了綠地具有降溫增濕、通風(fēng)和減少熱輻射的作用, 能夠改善居住區(qū)熱環(huán)境現(xiàn)狀。因此, 居住區(qū)綠地不應(yīng)僅作為規(guī)劃條件和景觀觀賞用途, 還應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到其在改善居住區(qū)熱環(huán)境乃至緩解城市熱島效應(yīng)的作用。

(2)綠地面積和綠地率、植物種類、以及綠地結(jié)構(gòu)對(duì)熱環(huán)境的影響程度較大, 但因各研究的對(duì)象和實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同, 所得結(jié)論也不盡相同?？傮w來(lái)看, 綠地面積和綠地率的增加對(duì)熱環(huán)境具有一定改善作用, 同時(shí)也是影響居住區(qū)地表溫度的重要指標(biāo); 喬灌草三類植物的降溫效果不同, 喬木類植物對(duì)降溫貢獻(xiàn)率最大, 灌木類植物次之, 草本植物最小; 不同種類的綠地結(jié)構(gòu)組成都具有一定的降溫效果, 喬草組合不僅有助于降溫, 同時(shí)還利于通風(fēng)和提高空間利用率。

(3)在進(jìn)行居住區(qū)綠地設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)在合理范圍內(nèi)加大喬木的使用, 將灌木植物和草本植物作為搭配類型, 尤其要注意結(jié)合居民的行為方式和建筑布局, 合理布置喬木位置, 營(yíng)造適宜的活動(dòng)空間, 充分發(fā)揮綠地調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境的作用。

5.2 展望

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在綠地對(duì)熱環(huán)境影響的研究方面取得了一定的成果, 但研究仍有待于進(jìn)一步深化。

(1)目前對(duì)綠地影響熱環(huán)境領(lǐng)域的研究多只考慮單一因素的影響。實(shí)際上, 綠地對(duì)室外熱環(huán)境的影響因素有很多且產(chǎn)生的差異較大, 有必要從多個(gè)因素的共同作用著手進(jìn)行更深入的研究。此外, 除綠地面積和綠地率、植物種類、以及綠地結(jié)構(gòu)外, 綠地布局、植物空間配置、植物選取以及天氣條件等也是影響居住區(qū)室外熱環(huán)境的因素, 有必要在這些方面繼續(xù)探究綠地的生態(tài)效應(yīng)。

(2)在綠地影響室外熱環(huán)境領(lǐng)域的研究主要運(yùn)用實(shí)地觀測(cè)和數(shù)值模擬兩種方法, 目前的研究多是使用其中某一種方法進(jìn)行。有效結(jié)合兩種方法可以彌補(bǔ)單一方法的不足, 兩種方法相互驗(yàn)證, 減少誤差, 保證結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。此外, 在面對(duì)復(fù)雜的天氣影響時(shí)還需加強(qiáng)室外熱環(huán)境監(jiān)測(cè)方法以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù), 增強(qiáng)結(jié)果的可比性。

(3)目前針對(duì)室外熱環(huán)境的綠地改善策略主要集中城市的宏觀層面, 對(duì)居住區(qū)室外熱環(huán)境的研究不足, 尤其是在居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏考慮綠地因素對(duì)熱環(huán)境的影響。針對(duì)目前已有的理論基礎(chǔ)和研究結(jié)果, 未來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何將熱環(huán)境改善帶來(lái)的生態(tài)效益和社會(huì)效益運(yùn)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中, 定量化提出改善熱環(huán)境的措施, 以綠化更新激發(fā)城市居住區(qū)的活力, 提升城市居住區(qū)的功能和環(huán)境, 推動(dòng)城市的可持續(xù)發(fā)展。

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Review on influence of residential green space on urban thermal environ-ment

ZHOU Hongxuan*, WU Yue, WANG Zhaoqing, SUN Jing

School of Architecture and Design, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

Urban green space system performs significant influences on outdoor thermal environment, but it is less of reports referred to fields of urban landscape planning and design. According to published literatures, reasons for deteriorated outdoor thermal environment could be attributed to urban activities, climate change, complicated underlying surface. Three aspects of improving outdoor thermal environment were reviewed, including cooling/humidification, ventilation, and thermal radiation reducing and then influence of residential green space on urban thermal environment was discussed from angles of green space area and rate, vegetation species and green space structure. Based on what mentioned above, following prospects were proposed: 1) it has to enforce studies on ecological effects of spatial configuration of vegetation and green space layout, 2) measurement methods of outdoor thermal environment and data accuracy should be enhanced, and 3) quantitative research results should be applied in designs.

urban heat island effect; urban thermal environment; green space system

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.028

TU985

A

1008-8873(2022)04-242-09

2020-07-27;

2020-10-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51908544); 教育部人文社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(19YJC760169); 江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20170272); 徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(KC21036)

周宏軒(1984—), 男, 河北唐山人, 博士, 主要從事城市生態(tài)學(xué)、生態(tài)景觀設(shè)計(jì)、生態(tài)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)、城市熱環(huán)境等方面的研究, E-mail: zhouhongxuan@live.cn

通信作者:周宏軒

周宏軒, 吳岳, 王昭清, 等. 居住區(qū)綠地影響室外熱環(huán)境的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(4): 242–250.

ZHOU Hongxuan, WU Yue, WANG Zhaoqing, et al. Review on influence of residential green space on urban thermal environment[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 242–250.