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城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究綜述

2021-04-25 05:19:14蘇王新張劉寬
生態(tài)學(xué)報 2021年7期
關(guān)鍵詞:藍(lán)綠降溫綠地

蘇王新,常 青,*,劉 筱,張劉寬

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 北京 100193

2 上海鈞正網(wǎng)絡(luò)科技有限公司, 上海 201199

高度城市化造成的城市及周圍綠地?fù)p失和退化已對生態(tài)系統(tǒng)健康與人類福祉產(chǎn)生不利影響[1]。在全球范圍內(nèi),由于土地利用與覆被類型變化和強(qiáng)烈的人類活動導(dǎo)致城市地表熱力學(xué)性質(zhì)改變[2]、熱島效應(yīng)(UHI,Urban Heat Island)[3-4]和極端熱事件(EHE,Extreme High Temperature Events)導(dǎo)致的人類健康[5-6]問題已引起全球關(guān)注。世界各國政府和研究人員不斷探索各種措施以增強(qiáng)應(yīng)對全球氣候變化、UHI和EHE等復(fù)合效應(yīng)的城市適應(yīng)能力[7-8]。城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施(GBI,Green and Blue Infrastructure)是由自然、半自然和人工綠色植被、水體為一體的生物棲息地網(wǎng)絡(luò)體系[1,9-11],在調(diào)節(jié)城市氣候和協(xié)助城市應(yīng)對未來氣候變化中扮演著極為重要的角色[12-13]。城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)已成為國內(nèi)外熱島效應(yīng)減緩與適應(yīng)的科學(xué)前沿與實踐熱點[14-15]。積極規(guī)劃、建設(shè)和管理多種類型的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施,有助于改變城市局地能量平衡、緩解城市熱島對人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的影響[16-17]。

本文通過文獻(xiàn)分析總結(jié)國內(nèi)外GBI降溫效應(yīng)研究概況及在不同氣候區(qū)的分布特征,系統(tǒng)梳理不同氣候區(qū)在景觀、類型和群落斑塊尺度上的GBI降溫效應(yīng)、影響因素及通用的研究方法,探討GBI降溫效應(yīng)對不同層次規(guī)劃設(shè)計實踐的啟示,并據(jù)此提出未來GBI降溫效應(yīng)研究的主要議題和研究展望,以期為深入城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究、更好地指導(dǎo)適應(yīng)性規(guī)劃設(shè)計提供借鑒和參考。

1 國內(nèi)外城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究概況

在Web of science核心數(shù)據(jù)庫和CNKI數(shù)據(jù)庫中,本文分別以“Green and Blue Infrastructure”、“Heat Island Mitigation”、“Cooling Effect”以及“綠地”、“水體”、“緩解熱島”、“降溫”為主題詞進(jìn)行檢索,截至2018年12月,檢索到外文期刊文獻(xiàn)929篇,中文核心期刊文獻(xiàn)267篇,2000年以前年發(fā)文量均小于6篇,之后呈顯著上升趨勢;主要涉及生態(tài)環(huán)境科學(xué)(36%)、建筑科學(xué)(24%)、大氣科學(xué)(14%)、城市學(xué)(12%)、林學(xué)(8%)和遙感(6%)等領(lǐng)域(圖1)。

圖1 國內(nèi)外藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究發(fā)展趨勢

從主題詞出現(xiàn)次數(shù)來看,外文文獻(xiàn)研究熱點包括屋頂綠化(建筑節(jié)能)、降溫影響因素、環(huán)境變化模擬、降溫效益、熱舒適性、適應(yīng)減緩策略和城市規(guī)劃等;中文研究熱點則聚焦于降溫增濕、綠地特性(面積、結(jié)構(gòu)、類型)、立體綠化、微氣候、植物群落等方面(圖2)。受研究領(lǐng)域(視角)的影響,藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究內(nèi)容和方法具有明顯尺度依賴性[15,18]。生態(tài)環(huán)境學(xué)和城市氣象學(xué)多關(guān)注景觀甚至區(qū)域尺度上的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施景觀格局對城市熱島的緩解效應(yīng),采用RS與GIS技術(shù)、通過衛(wèi)星遙感影像獲取城市下墊面特性和地表溫度,分析土地利用和土地覆蓋類型(LULC,Land Use and Land Cover)[19-21]、歸一化植被指數(shù)(NDVI,Normalized Difference Vegetation Index)[14,22-20]、植被覆蓋度(FV,Vegetation Fraction)[24-25]、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI,Modified Normalized Difference Water Index)[26]等與地表溫度之間的關(guān)系;受大氣輻射條件影響,地表溫度反演方法及精度對景觀尺度上GBI降溫效應(yīng)研究造成一定限制。建筑學(xué)采用實測法和數(shù)值模擬法研究類型和斑塊尺度GBI的降溫效應(yīng)(如城市公園與綠地、立體綠化、植物群落和植株個體);其中實測法主要基于實地觀測或氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù);數(shù)值模擬法主要基于ENVI-met[27-28]、Phoenics[29]、CFD(計算流體動力學(xué),Computational Fluid Dynamics)[30]、STEVE(Screening Tool for Estate Environment Evaluation,建筑環(huán)境氣溫預(yù)測工具)[31]、SPOTE(Simulation Platform for Outdoor Thermal Environment,室外熱環(huán)境模擬軟件平臺)[32]等模型經(jīng)參數(shù)修正后模擬局部微氣候,分析不同綠地類型與植物群落特征因素對溫度的影響。

圖2 國內(nèi)外藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究文獻(xiàn)詞頻排序

鑒于不同氣候區(qū)對城市熱島效應(yīng)和藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)存在強(qiáng)烈的影響[33-34],本文參考柯本氣候分類(K?ppen climate classification)[35]對收集的主要文獻(xiàn)進(jìn)行氣候分區(qū)數(shù)量統(tǒng)計,結(jié)果顯示除極地帶(E類)外,其他4個氣候區(qū)均有藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究(圖3)。其中,位于溫暖帶(C類)的相關(guān)研究最多(50.94%),占比分別為Cfa(22.63%)、Cwa(9.43%)、Cfb(9.43%)、Csa(7.55%)和Csb(1.89%)的;其次為內(nèi)陸帶(D類)(28.3%)和熱帶(A類)(28.3%),位于干旱帶(B類)氣候區(qū)的相關(guān)研究最少(5.66%)。有鑒于此,下文主要基于氣候分區(qū)從景觀、類型和斑塊群落尺度深入分析藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)及其影響因素,并探討其對藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計實踐的啟示。

圖3 不同柯本氣候分區(qū)中的主要研究分布圖

2 不同尺度下藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施的降溫效應(yīng)及其影響因素

2.1 景觀尺度

景觀尺度上,城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施是與建設(shè)用地空間共軛的有機(jī)生態(tài)網(wǎng)絡(luò);其降溫效應(yīng)研究側(cè)重于城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施及建設(shè)用地的覆被性狀、類型結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)型關(guān)系對地表溫度的影響機(jī)制(表1),且多以“瞬時”狀態(tài)下的關(guān)系研究為主。城市擴(kuò)張中綠地緩解熱島的作用及價值在定量評估[41-42]和模型估算[43]等方面也有涉及。

表1 景觀尺度城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)及其影響因素

城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施及建設(shè)用地類型結(jié)構(gòu)和空間布局形態(tài)均會影響地表溫度[18,39,44],進(jìn)而GBI表現(xiàn)出不同的降溫效應(yīng)。在景觀組成方面,城市建設(shè)用地內(nèi)GBI的面積、組成比例和分布位置等特征是影響其降溫效應(yīng)的主要因素。許多研究表明,植被覆蓋度越高其降溫效應(yīng)越顯著[25],增加綠地面積有助于緩解城市熱島效應(yīng)[19,36,40],面積相同內(nèi)部組成不同的綠地其溫度調(diào)節(jié)服務(wù)具有一定差異[36]。UHI與城市用地占比呈顯著正相關(guān),與林地占比呈顯著負(fù)相關(guān);草地、耕地、水體和裸地占比與UHI之間因城市用地特征不同而存在較大的差異[21,39,45]。在城鄉(xiāng)梯度上平均LST與不透水面密度(正)和綠地密度(負(fù))之間存在顯著的強(qiáng)相關(guān)性,且呈現(xiàn)出典型的UHI剖面[40]。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn),郊區(qū)GBI減少不透水用地增加,出現(xiàn)熱島規(guī)模擴(kuò)大,而市中心區(qū)熱島效應(yīng)有所下降[19]。不同氣候區(qū),緩解UHI的景觀組成也存在較大差異,且綠地和水體的降溫效應(yīng)不盡相同[2,21,26]。濟(jì)南市(BSk)最能緩解UHI的為林地和耕地、武漢市(Cfa)為水體、重慶市(Cfa)為林地[21]。

在景觀配置方面,GBI的景觀組成、空間形態(tài)、空間位置及其空間臨接關(guān)系對熱環(huán)境均存在較大影響。綠地形態(tài)的相對簡化和相互聯(lián)系的增強(qiáng)可以顯著降低熱環(huán)境影響,且連通性對降溫效應(yīng)產(chǎn)生的影響在夏季更顯著[19,39,46]。湖泊濕地降溫面積達(dá)到臨界值后,多斑塊離散型布局對城市整體降溫效應(yīng)更顯著[46],增加水域的連通性可以減緩區(qū)域LST的變化[47]。不透水面和綠地斑塊的大小、形狀復(fù)雜度和聚集度與平均LST也有顯著關(guān)系,但聚集性的相關(guān)性最強(qiáng)[40]。

NDVI、葉面積指數(shù)(LAI,Leaf area index)、不透水指數(shù)(ISA,Impervious surface area)等覆被性狀是城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施植被覆蓋程度、植物群落生長和土壤等綜合狀況的反映。許多研究表明,NDVI、FV、LAI與LST之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[20,38],與ISA呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系,且存在年季、區(qū)域差異性變化[22-23,25]。反映水體狀況的MNDWI同地表溫度呈顯著線性關(guān)系[26];水體城市冷島(UCI)強(qiáng)度與水體面積(WA)、周圍建筑比例(PB)呈正相關(guān),與景觀形狀指數(shù)(LSI)、位置(DIST)呈負(fù)相關(guān);水體UCI效率與PB呈正相關(guān),與WA、LSI、DIST呈負(fù)相關(guān)[37]。

2.2 類型尺度

根據(jù)城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及我國綠地分類標(biāo)準(zhǔn),本文主要從節(jié)點綠地類型(公園綠地、附屬綠地、建筑立體綠化和湖泊濕地)和廊道綠地類型(河流、綠道)兩個層面分析城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施的降溫效應(yīng)和影響因素,主要影響因素包括:面積[48-49]、形狀[50]、時間維度(白天/夜晚/季節(jié))[51]、地理環(huán)境因素(太陽輻射/風(fēng)向/風(fēng)速/地形/高程/海拔/氣候)[52]等。

(1)節(jié)點綠地類型

公園綠地是城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究的集大成者(表2)。許多研究表明,公園綠地降溫效應(yīng)取決于公園綠地面積[23,49]、水體面積比例[53,56]、與外圍建設(shè)用地的空間鄰接關(guān)系[58,61]及其所在氣候區(qū)季節(jié)輻射條件[50]等,且存在閾值[16,62]。例如倫敦市(Cfb)1.11 km2公園綠地夜間降溫距離為20—440 m[58],日本東京市(Cfa)0.6 km2公園在中午的氣候影響可擴(kuò)展到其邊界以外1000 m降溫1.5℃[63],廣州市(Cwa)公園降溫最大降溫距離為418 m,降溫1—2℃[56]。公園降溫強(qiáng)度在夏季大于秋季,且與風(fēng)速呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系[59,60,63];優(yōu)化公園形狀和森林結(jié)構(gòu)能夠增加降溫強(qiáng)度[50,54];且隨著公園內(nèi)部綠地、樹冠和草地面積的增加降溫距離呈線性增加[57],隨距離建筑物和水體的距離增加呈非線性遞減[55]。有研究表明,UCI可能受其空間位置的影響,但不受其海拔高度的影響[55]。氣候越熱越干燥的地區(qū),植被對城市溫度的影響就越大;當(dāng)表面被植被覆蓋時,表面接收的太陽輻射量越大,其溫度下降幅度就越大[52]。

與公園綠地不同,附屬綠地(表3)由于位于建設(shè)用地內(nèi)部,其降溫效應(yīng)研究除自身狀況如綠化覆蓋率、綠化最大斑塊面積、喬木面積比例、綠化斑塊的破碎度[28,66,72]等以外,更加關(guān)注綠地與建設(shè)用地的相互關(guān)系,如建筑高度、建筑密度、容積率、風(fēng)向等[28,67]。有研究表明,居住區(qū)平均溫度與喬木面積比例、綠化覆蓋率、綠化最大斑塊面積呈正相關(guān),與綠化斑塊的破碎度呈負(fù)相關(guān)[66];其內(nèi)不透水表面和樹冠的占比可解釋91%的氣溫變化[64];夏季高溫季節(jié)以瀝青路面的地表溫度為對照,其內(nèi)不同植被類型的降溫效應(yīng)林地>水體>草地>裸地[27-28,64];綠地率相同時,喬木降溫效果優(yōu)于草地7℃[28]。不同建筑布局形式的居住用地綠地降溫效應(yīng)存在較明顯差異,如上海市低植被覆蓋度的低層至中層建筑區(qū)溫度高于高植被覆蓋度的高層建筑區(qū)[20];行列式獨棟建筑和多層與中、高層建筑用地,最有效調(diào)節(jié)溫度的喬木覆蓋率(25%—30%)要高于密集型行列式布局的建筑用地(15%)[28];建筑密度相似時高度越高,遮陰越多,場地平均氣溫越低[28]。

立體綠化(表3)是城市建筑本體降溫的主要手段,其降溫效應(yīng)研究主要集中于垂直綠化和屋頂綠化降低環(huán)境溫度、減弱周圍熱壓力、減少建筑能耗和提高人類福祉等方面[66,70,73-74]。多數(shù)研究顯示,立體綠化降溫效果在夏季最明顯,且晴天降溫明顯高于陰天[52,69,74]。立體綠化降溫效應(yīng)除了受城市峽谷幾何狀態(tài)的影響外[52],還受到立體綠化工程技術(shù)參數(shù)的影響,主要包括屋板坡度、種植介質(zhì)深度、植物葉面的反射率和蒸散率、垂直結(jié)構(gòu)以及植物活性等[31,65]。屋頂?shù)钠骄战禍馗哂趰{谷內(nèi)部的平均日降溫[52];側(cè)墻有垂直植被種植的建筑區(qū),隨著街區(qū)天空可視因子的增大,夏季溫度下降和能量節(jié)約趨于增加[68]。不同氣候區(qū)立體綠化降溫效應(yīng)的定量特征重點是背景的相對濕度,其與植被的蒸散量直接相關(guān)[73],因而在不同的城市降溫差異性較大。

表3 類型尺度(附屬綠地&垂直綠化)城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)影響因素

水體濕地降溫效果(表4)主要受其自身固有屬性、蒸散比率和周邊環(huán)境的影響[37,79-80];其中水體的面積、形狀(LSI)和位置是影響城市區(qū)域UCI強(qiáng)度的重要指標(biāo)[76,78,81]。有研究表明,水體的降溫強(qiáng)度和降溫效率與水體面積、周圍建筑比例呈正相關(guān)[75,78,81];面狀水域景觀的熱環(huán)境效應(yīng)要強(qiáng)于線狀河流景觀,且面狀水域景觀對熱環(huán)境影響隨著與熱島中心距離的增加而明顯降低[76,81];夏季可通過優(yōu)化水體邊緣或緩沖區(qū)內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施和通風(fēng)廊道產(chǎn)生協(xié)同降溫效應(yīng)[77]。特殊的,在鹿特丹市(Cfb)的研究表明,水的高熱容量抑制了水上生物圈的年循環(huán),在夜間和季節(jié)轉(zhuǎn)換后水溫仍然相對較高,因而城市湖泊增加而不是減少城市熱島效應(yīng)[79]。

表4 類型尺度(水體濕地)城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)影響因素

(2)廊道綠地類型

城市藍(lán)綠廊道主要通過物理作用力促進(jìn)地區(qū)通風(fēng)、傳輸新鮮空氣、緩解空氣污染、切割城市熱場,消除熱島的規(guī)模效應(yīng)和疊加效應(yīng)。其降溫效應(yīng)除受自身寬度影響之外,還受周邊城市形態(tài)、景觀配置、空氣溫度、水文連通性的影響,且與河流水溫、流經(jīng)區(qū)域、入射太陽輻射、風(fēng)速和相對濕度之間也存在季節(jié)性的依賴關(guān)系[71,76,78,82-83](表5)。

表5 藍(lán)綠廊道降溫效應(yīng)影響因素

已有研究表明,河流廊道的低溫區(qū)域,其顯著的降溫距離寬度一般為45 m左右[82,84],其有效降溫范圍為200 m左右[86]。河流的降溫效果具有較強(qiáng)的時間和季節(jié)依賴性,在早晨以及水溫和氣溫相差較大的溫暖季節(jié)最為明顯,夏季水溫較高時白天的平均降溫幅度有所降低[83]。同時,河岸上的城市形態(tài)影響著遠(yuǎn)離河岸的降溫程度,街道峽谷提供通往河岸地區(qū)的通道,可在距離河流中心約30—44 m的地方出現(xiàn)最廣泛的降溫[82-83]。河流、溪流和運河等動態(tài)藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施通過其流體流動作用,使它們能夠通過平流向下游攜帶吸收的輻射,并向城市系統(tǒng)外釋放能量[83]。研究發(fā)現(xiàn),下游河流溫度相對較高,且城市河流的日溫度波動更大[16]。

帶狀綠地的寬度及其結(jié)構(gòu)類型均能影響其降溫效果。當(dāng)綠地寬度>40 m時,綠地內(nèi)部的降溫增濕效果極其明顯且趨于穩(wěn)定;當(dāng)綠化覆蓋率約80%,城市園林綠地可以明顯發(fā)揮溫濕效益的關(guān)鍵寬度為34 m左右,可以顯著發(fā)揮溫濕效益的關(guān)鍵寬度為42 m左右[82]。寬度為42 m的帶狀綠地,當(dāng)郁閉度超過67%時,其降溫增濕效應(yīng)顯著且趨于穩(wěn)定[87];外部為河流時,其溫濕指數(shù)相對較低,舒適性較好[85]。中尺度的城市模擬顯示,建造大型的楔形綠地后,綠地降溫距離約為1 km,降低的程度由規(guī)劃前后的地表類型改變的劇烈程度、風(fēng)速大小及與綠地的距離決定[88]。

2.3 群落斑塊尺度

群落斑塊尺度上藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究側(cè)重于群落結(jié)構(gòu)和單體植物兩方面,分析郁閉度、葉面積密度、葉面積指數(shù)、三維綠量、樹冠大小、樹冠風(fēng)洞、土壤條件等與降溫效應(yīng)的關(guān)系(表6)。

表6 群落斑塊尺度城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)影響因素

(1)群落結(jié)構(gòu)

多數(shù)研究針對喬灌草、喬草、喬灌、灌草、喬木、灌木和草地等多種植物群落類型,開展實地觀測研究,均證實喬灌草和喬草型綠地結(jié)構(gòu)具有較好降溫效果,具體降溫效果均呈現(xiàn)出喬灌草型>喬草或喬木型>灌草型>草地型綠地[28,89,90-92,98]。草坪的降溫效應(yīng)在不同氣候區(qū)存在一定的差異:日本名古屋(Cfa)草地對公園冷島的形成有負(fù)面影響[50],北京(Dwa)草坪的降溫增濕效應(yīng)不顯著[87],太原市(Dwa)草坪與片林相比,草坪的增濕效果好于降溫效果[89]。群落結(jié)構(gòu)的喬木蓋度、樹冠比、樹高和郁閉度對其降溫效應(yīng)也存在較大的影響[28,66,93]。有研究表明,大喬木降溫效果優(yōu)于小喬木0.2℃以上,優(yōu)于灌木0.6℃以上[66];群落結(jié)構(gòu)中每增加10%的樹冠比,降溫效果增加0.2℃[28];郁閉度接近0.85時,夏季降溫能力達(dá)到最大[91];郁閉度每增加10%,降溫效果增加0.5℃;樹高每增加10 cm,降溫效果增加0.05℃[93]。不同植物、建筑空間配置(形狀,排列和布局)也會影響群落的整體降溫效果,破碎程度、形狀復(fù)雜性、綠帶方向和植被類型對綠地的降溫效果均有影響[28,101];具有較大樹冠、平行于風(fēng)向的帶狀綠色區(qū)域,最大降溫效果可達(dá)6.3 K[101]。此外,在建筑垂直綠化方面,單一植物降溫效應(yīng)優(yōu)于多種植物混合的降溫效應(yīng)[97]。

(2)單體植物

單體植物方面,不同氣候區(qū)植被的類型存在較大的差異,因而其降溫環(huán)境效應(yīng)存在較大的不同。詳細(xì)的,由于在胸徑、邊材面積、樹高、冠層高度、冠幅、葉面積指數(shù)、氣孔導(dǎo)度、樹干液流、樹冠風(fēng)洞等生物性狀差異,單體植物降溫效果差異明顯[94,100,102-103],且其遮蔭作用(60%—75%)對總降溫的貢獻(xiàn)率大于蒸騰作用(25%—40%)[94]。研究表明,具有高葉面積密度、高蒸騰速率的樹木更能有效地降低空氣溫度,如土耳其榛和歐洲小葉椴等[94],具有較高葉面積指數(shù)和樹木邊材面積的小葉椴樹提供的蒸騰量是刺槐的3倍[103]。擁有紙質(zhì)葉片結(jié)構(gòu)的植物基本蒸騰降溫能力較強(qiáng),其蒸騰強(qiáng)度白天為0.15—2.5 g dm-2h-1,蒸騰速率>3.5 mmol m-2s-1[66]。葉子較小的植物在高環(huán)境溫度條件下能夠保持相對涼爽[102]。例如,美國皂莢可以在極端溫度下保持相對恒定的葉面溫度[102];景天屬植物在夏季缺水期間會降低土壤溫度峰值并提高鄰近植物的生長性能[96]。

此外,單體植物的種植位置、自身陰影、季節(jié)因素等均影響其降溫效果[95,99-100,103]。如周圍為公園的樹木其降溫效果明顯高于周圍為硬質(zhì)鋪裝的樹木[102];五葉地錦,平均降溫距離為40 cm,在正午前后降溫極顯著,建筑各面降溫范圍:頂面>南面>東面>西面>北面[95];完全暴露在陽光下的地區(qū)比樹蔭地區(qū)的表面溫度高出15.2 K[94];成都市32種立體綠化樹種蒸騰降溫效應(yīng)呈現(xiàn)夏季效應(yīng)高,冬季效應(yīng)低,春秋兩季能力中的季節(jié)性規(guī)律變化[99]。

3 降溫效應(yīng)研究對藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計的啟示

基于現(xiàn)有藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究成果,依據(jù)規(guī)劃設(shè)計層次,從熱環(huán)境優(yōu)化視角開展藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計實踐(表7),將會有助于增強(qiáng)城市應(yīng)對氣候變化的韌性,增強(qiáng)居民應(yīng)對熱島效應(yīng)的適應(yīng)力,提升藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施對人類健康和福祉的貢獻(xiàn)。

表7 藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫規(guī)劃設(shè)計啟示

3.1 對藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施總體規(guī)劃啟示

藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施總體規(guī)劃對應(yīng)我國城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃實踐。以緩解城市熱島效應(yīng)為導(dǎo)向,城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃可從以下幾個方面考慮:(1)基于不同氣候區(qū)景觀環(huán)境特征,配合城市地域國土空間規(guī)劃,順應(yīng)城市山水骨架,依據(jù)景觀尺度上藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)及其覆被性狀關(guān)系研究成果,合理修訂城市綠地率、綠地覆蓋率發(fā)展目標(biāo)。例如,有研究表明當(dāng)生態(tài)用地占比達(dá)到70% 時,UHI緩解作用顯著[19];植被覆蓋率占比在70%—80%的地區(qū)具有顯著而強(qiáng)烈的降溫效果[24]。但以上各類覆被指標(biāo)如何與規(guī)劃中綠地率、綠地覆蓋率等指標(biāo)相互對應(yīng),仍值得進(jìn)一步深入分析。(2)結(jié)合城市發(fā)展目標(biāo)、水敏性城市設(shè)計、立體綠化系統(tǒng)和通風(fēng)廊道構(gòu)建[104],形成多功能的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò),適應(yīng)性地指導(dǎo)街道綠化工程設(shè)計與建設(shè)。例如,水敏性城市設(shè)計可有效增加城市地表土壤水分滲透與補(bǔ)給,最大限度地利用現(xiàn)有植被和綠色空間的城市氣候效益[11]。結(jié)合綠色屋頂[105]和立體綠化系統(tǒng)[71],可有效緩解城市熱島,并實現(xiàn)建筑物32%—100%的節(jié)能[52]。(3)通過水體和綠地等景觀元素體系的相互作用,實現(xiàn)協(xié)同降溫效應(yīng)的最大化,增強(qiáng)街區(qū)氣候適應(yīng)能力。已有研究表明,通過規(guī)劃濱水植被景觀,可將熱舒適性改善區(qū)域擴(kuò)展10—20 m[77];而設(shè)計不良的藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施可能會在壓迫性條件下加劇熱應(yīng)激[16];外部環(huán)境為河流的帶狀綠地溫濕度指數(shù)值相對較低,舒適性較好[85]。

3.2 對藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施場地規(guī)劃的啟示

為進(jìn)一步引導(dǎo)城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施場地規(guī)劃,此處借助Meta分析(Meta-Analysis)方法[106-107]統(tǒng)計不同氣候條件下城市公園綠地的降溫效果及其關(guān)鍵格局特征。根據(jù)已檢索的與公園綠地降溫效應(yīng)有關(guān)的期刊論文,排除未采用定量分析、沒有明確綠地邊界和重復(fù)發(fā)表的文獻(xiàn),入選文章包括12篇,涉及329個公園,主要位于C類(溫暖帶)和D類(內(nèi)陸帶)氣候區(qū),研究時間集中在夏季。使用RevMAN5.3對上述文獻(xiàn)進(jìn)行Meta分析發(fā)現(xiàn),不同氣候區(qū)公園綠地降溫效應(yīng)亦不同:C類[16,50-51,57,108-110]氣候區(qū)平均公園降溫強(qiáng)度為1.93℃(I2=88%,CI=[1.19,2.66]),D類[48-49,53,111-112]氣候區(qū)平均公園降溫強(qiáng)度為3.12℃(I2=75%,CI=[2.06,4.18])(圖4)。對比Bowler 等[113]的公園綠地降溫效應(yīng)Meta分析中C類氣候區(qū)平均降溫水平(0.79℃)以及Volker等[114]通過Meta分析得到藍(lán)色空間的平均降溫效果(2.5 K)可知,即使在同一氣候區(qū)城市公園綠地降溫效果也有差異。進(jìn)一步對影響公園綠地降溫效應(yīng)的面積大小、形狀、內(nèi)部組成等規(guī)劃設(shè)計參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),公園綠地面積對其降溫效應(yīng)影響特征較為顯著;例如在C類和D類氣候區(qū),面積大于1 km2的公園綠地平均降溫分別為3.99℃和4.02℃,面積為0.5—1 km2的公園綠地平均降溫分別為3.30℃和3.23℃,面積小于0.5 km2的公園綠地平均降溫分別為3.22℃和2.49℃;而其他因素的影響特征尚不一致。因此,未來應(yīng)加強(qiáng)城市公園綠地降溫效果方面的定量研究,以高效指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)實踐、提升公園綠地?zé)峋徑庑Ч?/p>

圖4 公園綠地降溫效應(yīng)Mate分析

根據(jù)以上定量分析結(jié)果,藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施場地規(guī)劃可結(jié)合我國控制性詳細(xì)規(guī)劃及相關(guān)指標(biāo)控制與引導(dǎo)(如綠地率、地塊面積、建筑密度、建筑高度),提升其降溫效果:(1)藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施景觀元素布設(shè)時,宜優(yōu)先選擇分散型布置方式,盡量布置于有大面積熱島存在的區(qū)域[55];在降溫閾值范圍內(nèi)景觀元素的面積、周長和形狀指數(shù)越大越好[115];綠地元素宜選擇較優(yōu)森林結(jié)構(gòu)、較高降溫效率的植物群落組合;水體元素宜增加水文連通性,優(yōu)化周邊植物景觀配置,增強(qiáng)協(xié)同降溫效應(yīng)。(2)在高密度建成區(qū)內(nèi),可控制地塊土地利用模式、優(yōu)化建筑高度、建筑密度和面積來緩解城市熱島[20,116-117];例如有研究顯示采用區(qū)劃(Zoning)和土地細(xì)分(Subdivision)控制街區(qū)規(guī)模和居住區(qū)大小和建筑材料等,能夠?qū)⑵鋵^(qū)域熱環(huán)境的貢獻(xiàn)減少約40%[117];在C類氣候區(qū)(溫暖帶)中當(dāng)綠地率為30%、容積率為2.5—3.5時的控制性詳細(xì)規(guī)劃地塊對熱環(huán)境的影響最小[116]。但相關(guān)定量研究數(shù)量極為有限,未來應(yīng)加強(qiáng)街區(qū)尺度藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效果與控制性詳細(xì)規(guī)劃指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)方面的研究。

3.3 對藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施場地設(shè)計的啟示

藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施場地設(shè)計主要對應(yīng)各類城市綠地設(shè)計,在此以與居民熱舒適性密切相關(guān)的公園綠地設(shè)計和附屬綠地設(shè)計為例。(1)公園綠地設(shè)計時,應(yīng)結(jié)合場地現(xiàn)狀與設(shè)計目標(biāo),最小化不透水面比例,增加綠地和水體面積。地形設(shè)計應(yīng)結(jié)合豎向控制及其周邊環(huán)境要素進(jìn)行通風(fēng)道和防風(fēng)屏的設(shè)計,輔助優(yōu)化和改善局地?zé)岘h(huán)境;鋪裝設(shè)計宜采用透水材料并結(jié)合雨洪設(shè)施布局以控制硬質(zhì)鋪裝集中連片,通過增強(qiáng)地表透水性能和水分滯蓄能力調(diào)節(jié)水分蒸發(fā)和熱量蒸散;建筑物及構(gòu)筑物方面,通過高反光材料、遮蔭作用、冷暖感官色彩調(diào)節(jié)等增強(qiáng)熱舒適的人體生理感受。(2)附屬綠地設(shè)計時,應(yīng)統(tǒng)籌建筑空間組合、綠地設(shè)置及綠化設(shè)計,優(yōu)化居住區(qū)的風(fēng)環(huán)境;同時結(jié)合建筑垂直綠化和屋頂綠化,采用具有高反射率葉面的植物,減輕建筑能耗壓力,調(diào)節(jié)社區(qū)生態(tài)環(huán)境和能量平衡。通過實測最大降溫效應(yīng)、模擬預(yù)測不同植物選擇圖譜的降溫效應(yīng)[118]、模擬不同場景的降溫效應(yīng)[119]等方面進(jìn)行設(shè)計方案的優(yōu)化,從而提高其對周邊熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用。(3)種植設(shè)計時,宜優(yōu)先選擇布設(shè)喬木蓋度高、混交林型、喬灌草和喬草型綠地群落結(jié)構(gòu),盡可能增加樹冠比和樹高,有研究顯示郁閉度介于0.60—0.85、三維綠量密度≥5 m3/m2的植物群落具有較好的降溫效果[91];植物選擇除根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骷班l(xiāng)土植物進(jìn)行優(yōu)選外,優(yōu)先選擇葉面積密度高、蒸騰速率高、紙質(zhì)葉片結(jié)構(gòu)等高降溫特性的植物品種;在布局方式上選擇同場地日照陰影走向和風(fēng)向一致的方位進(jìn)行布置以增強(qiáng)通風(fēng)。

4 結(jié)論與展望

作為城市應(yīng)對氣候變化中一類典型的基于自然的解決方案,藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施已成為城市環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所需的多尺度生態(tài)框架。未來城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究可從以下幾方面繼續(xù)深化。

(1)基于氣候區(qū)特征,銜接城市和街區(qū)尺度上藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究,篩選關(guān)鍵的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施熱緩解參數(shù),指導(dǎo)城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃定量指標(biāo)的設(shè)定等?,F(xiàn)有藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究已在城市景觀格局演變與熱島效應(yīng)兩者間的定量關(guān)系方面取得進(jìn)展,已明確藍(lán)綠景觀面積占比與熱島效應(yīng)之間的定量關(guān)系,但對于藍(lán)綠景觀內(nèi)部要素構(gòu)成變化對城市熱環(huán)境的影響缺乏定量研究,不利于指導(dǎo)藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計實踐。未來研究可進(jìn)一步深入跨尺度城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)研究,在明確不同景觀面積配比關(guān)系的基礎(chǔ)上,揭示街區(qū)尺度上內(nèi)部景觀要素組成變化對城市熱環(huán)境的影響機(jī)制,優(yōu)選藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施以抵消城市擴(kuò)張本身對氣候的影響,并針對不同街區(qū)類型提出適應(yīng)解決方案之間的權(quán)衡原則,預(yù)測未來優(yōu)選城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃對街區(qū)熱島效應(yīng)的緩解作用,以銜接大范圍的城市和街區(qū)熱島緩解。最終通過景觀空間形態(tài)指標(biāo)與降溫效應(yīng)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合,用于指導(dǎo)城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計。

(2)構(gòu)建城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施多維度立體空間,關(guān)注其降溫效應(yīng)的水平分布與垂直傳輸之間的聯(lián)系,結(jié)合街區(qū)熱環(huán)境特征,指導(dǎo)城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施控制性詳細(xì)規(guī)劃指標(biāo)。雖然大量研究分析了城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施降溫效應(yīng)隨距離變化的水平分布規(guī)律,或隨高度變化的垂直分布規(guī)律,但對降溫效應(yīng)水平分布與垂直傳輸之間的相互聯(lián)系與作用機(jī)理尚不清楚,且少有定量證據(jù)能夠闡明藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施是如何影響街區(qū)整體氣候特征。未來應(yīng)加強(qiáng)垂直冷卻分布監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集,進(jìn)行垂直運輸時間模式所必需的縱向分析,同時結(jié)合水平輸送過程,進(jìn)行多維度立體空間降溫效應(yīng)的研究。因此,未來相關(guān)研究應(yīng)結(jié)合街區(qū)熱環(huán)境特征,確定場地降溫閾值,配合高效降溫的藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施布局結(jié)構(gòu),優(yōu)化城市藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施控制性詳細(xì)規(guī)劃指標(biāo);最終通過藍(lán)綠斑塊的合理分布,構(gòu)建水平與垂直傳輸之間的流通渠道,減輕城市熱島的不利影響,增強(qiáng)城市氣候韌性。

(3)針對場地設(shè)計,選取降溫能力較強(qiáng)的植物,以配置降溫效率較高的植物群落。已有的研究表明,植物群落降溫效應(yīng)具有動態(tài)可變性,不同植物群落配置可以強(qiáng)烈地影響其冷卻效果,但多缺乏針對不同類型綠地內(nèi)的群落降溫效益研究,同時對群落空間配置的關(guān)鍵因子缺乏判定;單個樹種方面的研究也多為不同樹種的降溫統(tǒng)計,對影響其降溫效率差異的關(guān)鍵的植物種植設(shè)計因素研究不足,同時缺乏其對群落的降溫貢獻(xiàn)研究。因而未來應(yīng)在關(guān)鍵因子識別、空間配置影響等方面確定街區(qū)不同綠地類型內(nèi)特有植物群落配置的降溫效益,識別最優(yōu)降溫群落的單體植物配置,同時注重探究影響不同植物降溫效率差異的核心元素。如針對不同類型的林地、濕地、公園綠地、附屬綠地、城市廣場、街旁綠地等的植物群落配置降溫特點;不同植物的C3代謝和C4代謝對蒸散降溫的影響、氣孔阻力、芽和根的液壓抗性、土壤條件和背景氣候因素等。以期通過這些研究指導(dǎo)藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施在未來城市增長戰(zhàn)略中的應(yīng)用方式。

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