利用城市綠化緩解新加坡熱島效應(yīng)方面的研究

(馬來西亞)黃玉賢 (新加坡)陳俊良 童杉姍 撰文 童杉姍 譯

1 新加坡的城市熱島效應(yīng)

城市熱島效應(yīng)是指城市化地區(qū)的溫度明顯高于周圍農(nóng)村地區(qū)的現(xiàn)象，這大多是由于在城市建成區(qū)內(nèi)的綠地面積減少、高密度建筑物形成的低風(fēng)速，以及城市表面的低反照率造成的[1]。與自然表面相比，建筑物和瀝青表面吸收更多的太陽輻射，這不僅造成夏季在建筑物內(nèi)部對空調(diào)制冷需求的增加，也帶來更高的環(huán)境溫度[2]。從城市的氣溫等值線也可觀察出，由于熱島效應(yīng)的影響，在城市中心地區(qū)的氣溫往往會比偏遠(yuǎn)的地區(qū)高[3]。

熱島效應(yīng)的現(xiàn)象在新加坡表現(xiàn)得尤為明顯。新加坡位于赤道帶沿岸，屬于熱帶氣候，全年氣溫在23～32℃。每年的11月至次年3月為季風(fēng)區(qū)，而4月和5月通常較熱[4]。通過衛(wèi)星影像，我們觀察到新加坡工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)的地表溫度明顯較高(圖1)，而公園和森林地區(qū)的溫度較低[5]。

另一項研究表明，在中央商業(yè)區(qū)和擁有大量綠化的地區(qū)之間的氣溫差高達(dá)3.5℃[6]。這樣的溫差是由于商業(yè)區(qū)吸收了大量的太陽輻射，而減少了蒸騰散熱量所造成的。熱遙感影像顯示新加坡的建成區(qū)和郊外地區(qū)的氣溫溫差高達(dá)4.0℃[7]。在2001年測量的白天和夜間熱島效應(yīng)的數(shù)據(jù)也表明，在人口稠密地區(qū)的夜間熱島效應(yīng)高達(dá)4.0℃[8]。

新加坡政府認(rèn)為氣候變化對國家的發(fā)展有著重要的意義，并積極地面對因氣候變暖所造成的水位上升和極端天氣增加等環(huán)境問題。2007年，新加坡政府成立了IMCCC(Inter-Ministerial Committee on Climate Change)，旨在協(xié)調(diào)各政府機(jī)構(gòu)之間在面對氣候變化議題時的相互合作[10]。此外，《國家氣候變化戰(zhàn)略》(National Climate Change Strategy)也詳細(xì)闡明了新加坡在應(yīng)對氣候變化問題時的策略。這些策略包括減輕熱島效應(yīng)、減少碳排放和加強(qiáng)與國際伙伴的合作關(guān)系等[11]。

在建筑施工和管理層面，新加坡政府也采取了多項舉措來減少建筑行業(yè)對環(huán)境的負(fù)面影響。2005年1月，新加坡建設(shè)局(Building Construction Authority, BCA)啟動了“綠色建筑標(biāo)志”(Green Mark)計劃，該計劃是國家推廣綠色建筑的第一步。Green Mark對建筑設(shè)計和施工方案中各環(huán)節(jié)的環(huán)境友好型特征進(jìn)行了歸類評分。在設(shè)計中具有環(huán)境友好型特征的建筑會比沒有這些特征的建筑得到更高的評分，其表現(xiàn)也更環(huán)保。根據(jù)Green Mark中所列出的標(biāo)準(zhǔn)，被評估的建筑物會得到一個綜合評分，該分?jǐn)?shù)可作為衡量其整體環(huán)境友好型的標(biāo)準(zhǔn)。這項舉措充分地反映了新加坡建設(shè)局在推廣綠色建筑、維持環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展方面的決心。

2 城市綠化改善微氣候

城市綠化在改善室外微氣候方面也起著重要的作用。在建筑物密集區(qū)，樹木和灌木不僅可以遮陰、降低環(huán)境氣溫，還有助于減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸熱。植物和樹木不僅提供遮陽效果，還減少了建筑物屋頂和墻壁上的太陽輻射，并通過蒸騰作用降低了環(huán)境中的溫度，增加空氣中的濕度[12]。

近年來，新加坡一直積極推行將綠化融入城市環(huán)境的設(shè)計中。1967年國家提出了建設(shè)“花園城市”的理念，在全國范圍內(nèi)廣泛推行種植樹木[13]。作為環(huán)境保護(hù)的重要一環(huán)，綠化在BCA的Green Mark的綠色建筑評估框架中也有所體現(xiàn)。圖2列出了Green Mark在綠化方面的評分細(xì)則。例如(a)在綠色容積率(Green Plot Ratio，GnPR)達(dá)到4或以上時，該建筑因此項特征可得到6分，而綠色容積率是“每單位地塊面積上的單面葉面積總和”[14]。新加坡市區(qū)重建局(Urban Redevelopment Authority)也倡導(dǎo)通過Landscaping for Urban Spaces and High-Rises(LUSH)2.0項目(URA，2014b)[15]，在城市環(huán)境中進(jìn)一步增加綠化的面積和密度。該項目的其中一項要求是確保所有復(fù)墾地區(qū)完全被景觀覆蓋，而且至少40%的用地被永久性的景觀覆蓋(URA，2014a)[16]。URA還提出了針對景觀重建區(qū)(Landscape Replacement Areas)的設(shè)計指南[17]，以實現(xiàn)以下目標(biāo)：

使用綠化提高居民的生活質(zhì)量；

通過在地面和地上的綠化設(shè)計提高新加坡熱帶城市的形象；

通過綠化提高熱舒適度和空氣質(zhì)量。

3 公園、垂直立面和屋頂綠化對城市熱環(huán)境的改善

為了響應(yīng)國家增加綠地面積的號召，我們進(jìn)行了一系列研究來量化城市綠化給環(huán)境帶來的益處。通過實驗觀察到[18]，城市公園能夠有效地降低周圍環(huán)境的溫度，公園周圍不同地點之間的溫差達(dá)到1.3℃。實驗結(jié)果也顯示，公園內(nèi)部的溫差與建成區(qū)內(nèi)溫差相比較小，說明植被可起維持溫度穩(wěn)定的作用(圖3)，而且園內(nèi)測得的氣溫與植物的葉面積指數(shù)有很高的相關(guān)性。熱分析模擬(TAS)的結(jié)果顯示靠近公園的建筑節(jié)能高達(dá)10%，基于Envi-MET模擬結(jié)果顯示公園能提供全天24h的降溫效果。

在新加坡高密度的城市環(huán)境下，除了公園和花園這樣傳統(tǒng)的綠化形式，我們也常?？吹酱怪眽γ婧臀蓓?shù)木G化。政府大力鼓勵在建筑立面和屋頂安裝綠化，新加坡國家公園局頒布的Skyrise Greenery Incentive Scheme對垂直和屋頂綠化的安裝提供高達(dá)50%的費(fèi)用補(bǔ)貼。自從2009年該計劃成立以來，已有超過110座建筑受益于該計劃[19]，這有效地提高了建筑環(huán)境中的綠化覆蓋率。

圖1 新加坡不同地區(qū)的熱島效應(yīng)分布[9]

研究結(jié)果顯示，屋頂綠化對室內(nèi)的環(huán)境也有顯著的積極影響。通過測試綠化屋頂?shù)膫鳠岬膶嶒灠l(fā)現(xiàn)[20]，植物的遮陰可以給混凝土的屋頂表面帶來至少3.0℃的降溫，而且具有較厚葉片和較高葉面積指數(shù)(LAI)的植物所帶來的降溫效果更為明顯。由于土壤和植被的隔熱作用，從混凝土屋頂傳遞到房間內(nèi)的熱量明顯減少了。在不同高度的溫度測量結(jié)果表明，沒有植物覆蓋的屋頂上方比綠化后屋頂上方的氣溫高出4.2℃。而黑球溫度的測量顯示，19：00之后綠色屋頂?shù)钠骄椛錅囟?Mean radiant temperature)比沒有植物的上方溫度高出4.5℃，這表明植物直接削弱了熱島效應(yīng)。另外，雖然混凝土屋頂和綠色屋頂上方的溫差很明顯，但其相對濕度是相近的。

我們的研究也同樣調(diào)查了垂直立面綠化在減少建筑物傳熱方面的潛力。 我們研究了不同垂直綠化系統(tǒng)的傳熱特性[21]，所有參與調(diào)查的垂直綠化系統(tǒng)都能帶來顯著的降溫。而不同的設(shè)計因素是造成系統(tǒng)之間不同降溫性能的主要原因，包括下墊面類型、灌溉周期、隔熱和遮陰的效果，植物特性如LAI和葉面顏色，以及太陽透射等微氣候因素等。實驗結(jié)果表明，垂直綠化能使墻壁表面的日間溫度明顯降低，這間接地幫助延長了建筑外立面的使用壽命。傳熱的減少也意味著節(jié)省了空調(diào)制冷系統(tǒng)的耗能，因為用垂直綠化覆蓋的室內(nèi)空間有較低的制冷需求。此外，垂直綠化系統(tǒng)也被證實可以有效地降低室外的環(huán)境溫度。盡管不同系統(tǒng)的降溫效果有所不同，但我們的實驗觀察到日最高氣溫的降溫效果可以高達(dá)3.3℃。

我們也研究了垂直綠化在減少建筑傳熱方面的潛力[22]。垂直綠化系統(tǒng)可以有效遮擋太陽輻射，并最大限度地減少通過建筑立面的傳熱。在這項研究中，我們測量了綠墻植物的遮陽系數(shù)，并與建筑的整體能耗進(jìn)行比較。遮陽系數(shù)被定義為植物下方的墻壁上吸收的太陽輻射度與同方向空氣中太陽輻射度的比率。通常具有較高LAI的植物因為有更大的單位葉面積，可以提供更好的遮陰覆蓋。通過大量實驗，我們得出了植物遮陽系數(shù)與葉面積之間的經(jīng)驗推導(dǎo)關(guān)系，如公式(1)所示：

該公式中，SC(Shading coefficient)為植物的遮陽系數(shù)，LAI為葉面積指數(shù)。公式(1)表明植物遮陽系數(shù)與LAI呈線性負(fù)相關(guān)。較低的遮陽系數(shù)意味著提供更密集的綠化覆蓋和更好的隔熱。本研究的一個重要發(fā)現(xiàn)就是，具有高LAI值的植物是垂直綠化的理想選擇。TAS模擬的仿真結(jié)果表明，在建筑外圍結(jié)構(gòu)上引入垂直綠化，可以大大節(jié)省建筑內(nèi)的制冷負(fù)荷。近年來，我們也研究了不同植物的特性對其降溫效果和節(jié)能潛力的影響。我們研究了3種不同類型的屋頂綠化植物(Heliconia'American Dwarf'，Sphagneticola trilobata和Phyllanthus cochinchinensis)[23]。研究結(jié)果表明，植物的性狀因子，如灌木反射率和植物蒸散率，是影響周圍空氣中平均輻射溫度的重要因子。通過大量實驗，我們得出平均輻射溫度與植物性能因子之間的經(jīng)驗關(guān)系：

其中，TmrtPlant是屋頂綠地上方的平均輻射溫度(℃)，Tmrtref是混凝土上方的平均輻射溫度(℃)，ET(evapotranspiration rate)是植物蒸散率(mm·min-1)，SA(shrub albedo)是灌木反照率。該研究的另一重要發(fā)現(xiàn)是，不同植物表現(xiàn)出明顯不同程度的冷卻潛力，但高LAI值的植物并不總能提供最大的冷卻效果。設(shè)計師在選擇植物的過程中，尤其需要考慮植物的冷卻潛力，而不是單純依靠美學(xué)。植物的葉片反射率和蒸散率都會影響其整體的降溫潛力。

除了植物特性外，我們的另一項研究[24]表明植物的硬件種植條件對其降溫效果也有明顯的影響。例如，在植物種植箱中增加水槽可以加強(qiáng)植物的降溫潛力，并在天氣干旱時延長其存活期。硬件上的提升有助于提高植物適應(yīng)環(huán)境的能力，并進(jìn)一步減緩氣候變化，減輕熱島效應(yīng)的影響。

圖2 新加坡綠色建筑評價系統(tǒng)Green Mark中關(guān)于綠化的評分細(xì)則

圖3 公園(BBNP)到居住區(qū)(HDB Blocks)之間的日平均溫度分布[18]

4 減少熱島效應(yīng)的資源

我們之前的研究不僅證實了城市綠化帶來的環(huán)境益處，也深入探討了如何優(yōu)化植物和系統(tǒng)的特性來加強(qiáng)綠化的益處。而如何將這些研究成果轉(zhuǎn)化到實際的城市規(guī)劃與設(shè)計中來也是至關(guān)重要的。城市氣候制圖(Urban Climatic Mapping, UCM)就是傳遞和應(yīng)用這些研究成果的有效方法之一。城市氣候制圖是指通過疊加與建筑環(huán)境相關(guān)的信息，包括城市規(guī)劃、地形地貌和氣候數(shù)據(jù)(氣溫場和風(fēng)場分布)等，將這些信息以地圖的形式進(jìn)行視覺化的表達(dá)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性的空間分析。UCM能幫助城市規(guī)劃人員認(rèn)識和理解城市形態(tài)與微氣候之間的相互影響。這有非常重要的實際價值，因為城市規(guī)劃人員往往缺乏對氣候因素的了解，而氣候工作者又不大熟悉城市規(guī)劃的要求[25]。隨著世界各國和相關(guān)國際組織對可持續(xù)發(fā)展的逐步重視，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界也出現(xiàn)越來越多通過UCM來尋求合作的聲音。這樣的跨學(xué)科平臺不僅有助于在不同領(lǐng)域之間傳達(dá)新穎的城市規(guī)劃思想，更有助于他們了解宏觀與微觀氣候之間的影響[26]。

4.1 使用STEVE Tool進(jìn)行空氣溫度模擬

在新加坡我們開展了廣泛的溫度制圖研究，其中包括一些重要的地區(qū)，例如濱海灣區(qū)、榜鵝生態(tài)區(qū)、裕廊國際商業(yè)園和一些工業(yè)區(qū)等。這類溫度制圖的研究主要是通過我們所開發(fā)的STEVE(Screening Tool for Estate Environment Evaluation)模型來進(jìn)行的。STEVE是我們結(jié)合了在氣候科學(xué)和城市規(guī)劃2個領(lǐng)域的研究成果自主開發(fā)的溫度預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｍㄟ^GIS程序插件的形式，STEVE可以被用來預(yù)測建筑環(huán)境中各具體位置的氣溫，包括每日最高溫度、最低溫度和平均溫度。利用STEVE模型，規(guī)劃師們不僅可以迅速模擬出其規(guī)劃設(shè)計方案對環(huán)境溫度帶來的影響，還可以找出區(qū)域中氣溫較高的“熱點”地區(qū)，并進(jìn)行重新設(shè)計以達(dá)到整體更好的熱舒適性(圖4)。而相應(yīng)的降溫措施包括增加綠化面積，減少環(huán)境中的天空開闊度(Sky View Factor，SVF)等，而重新設(shè)計改善熱環(huán)境的過程可以通過不斷地測試調(diào)整來進(jìn)行，直到得到理想的解決方案。

基于城市溫度是城市形態(tài)因子和氣象環(huán)境因子共同函數(shù)的假設(shè)，我們提出了針對新加坡氣候的城市氣候制圖框架，并開發(fā)了相應(yīng)的溫度預(yù)測模型[27]。模型中的城市形態(tài)因子包括建筑物占地面積、建筑外圍面積、綠化覆蓋率和SVF等[28]。城市規(guī)劃者能夠利用STEVE模型評估其設(shè)計對建筑環(huán)境的熱影響。在中國(天津)、德國(卡塞爾)、印度(欽奈)、孟加拉國(達(dá)卡)和印度尼西亞(日惹)等國家和地區(qū)，STEVE模型也得到了使用和驗證。

圖4 新加坡國立大學(xué)校園15：00的溫度分布圖[25]

圖5 利用STEVE Tool進(jìn)行景觀規(guī)劃和Tmrt模擬的過程和實例分析

4.2 城市綠化的選擇和安裝

除了研究城市綠化對室外溫度的影響，我們也努力將綠化融入建筑設(shè)計和城市規(guī)劃的過程中去，并在景觀設(shè)計中考慮到綠化對建筑外圍傳熱和日光照射的影響[29-30]。

為了幫助設(shè)計人員了解其設(shè)計對室外熱環(huán)境的影響，圖5提出了基于概念性的景觀規(guī)劃和設(shè)計的工作流程。首先要搭建起該研究設(shè)計區(qū)域的城市三維模型，然后在GIS平臺上疊加城市形態(tài)和氣候信息，并評價不同景觀條件下環(huán)境中的平均輻射溫度(Tmrt)。圖5說明了為公園進(jìn)行景觀規(guī)劃的過程。在第1次測試中，只考慮了種植樹冠半徑為2.5m的樹木。在第2次測試中，種植了樹冠半徑稍大為7.5m的樹木。我們可以觀察到，由于樹木提供的陰影增加，Tmrt值明顯降低了。在第3次測試中，通過優(yōu)化大樹的種植位置，區(qū)域內(nèi)Tmrt值進(jìn)一步降低。而在最后一次測試中，我們加入了灌木并評估其降溫效果。通過比較4個不同測試所生成的Tmrt分布圖，我們清楚地觀察到綠化帶來的降溫效果分布。試驗所提出的工作流程，可以幫助規(guī)劃者理解其設(shè)計對室外環(huán)境的熱影響，并修改其方案來達(dá)到理想的效果。這樣可以使設(shè)計人員避免不良的規(guī)劃方案，例如主要行人通道的遮陽供應(yīng)不足，或者在為工廠的選址缺乏足夠的光線供應(yīng)等。

5 結(jié)論

近年來，城市綠化方面的研究已逐步從認(rèn)識綠化帶來的環(huán)境益處，轉(zhuǎn)移到如何預(yù)測和優(yōu)化綠化帶來的降溫潛力上來。本文探討了新加坡在城市綠化方面取得的研究成果，并指出了未來的發(fā)展方向應(yīng)著重于如何將研究成果轉(zhuǎn)化到城市景觀設(shè)計的過程中?；谠诔鞘袩釐u效應(yīng)和綠化方面多年的研究，我們也提出了利用STEVE模型進(jìn)行景觀規(guī)劃和設(shè)計的系統(tǒng)框架。在如今新加坡大力倡導(dǎo)環(huán)境綠化的背景下，這個系統(tǒng)框架的重要性變得尤為突出。

我們結(jié)合了氣候制圖的方法和對植物特性的評估，所提出的景觀規(guī)劃框架能同時滿足在設(shè)計中對熱舒適和美觀的要求。文中所給出的景觀規(guī)劃實例也表明，設(shè)計方案對戶外熱環(huán)境會產(chǎn)生重大的影響。因此在實際的設(shè)計過程中，景觀規(guī)劃師們需要了解當(dāng)?shù)氐奈夂颦h(huán)境，并充分考慮景觀對氣候的影響。本文中提出的氣候敏感型景觀設(shè)計框架，可以在日后的實踐中在改善城市的熱環(huán)境方面發(fā)揮重要的作用。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。