城市“藍綠空間”的降溫效應(yīng)研究進展

連欣欣，劉興詔，李 倩，林賽男，陳玥忻

（福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州350002）

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市人口快速膨脹，城市規(guī)模不斷擴大。根據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《2014 全球城市化發(fā)展報告》，至2050年，約超過60%的世界人口將居住在城市[1]?？焖俚某鞘谢瘜?dǎo)致城市下墊面和冠層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，人為熱和污染物的排放快速增加，城區(qū)氣溫及地溫迅速上升，引發(fā)了嚴重的城市熱島效應(yīng)。城市熱島不僅影響了人們的生活環(huán)境和生活質(zhì)量，還對城市生態(tài)系統(tǒng)和公共安全造成了嚴重危害，影響城市物質(zhì)循環(huán)和能量流動，加重大氣污染，制約城市的發(fā)展。

城市綠地是指城區(qū)內(nèi)大部分由綠色植物組成的地面，在城市中形成了獨特的“綠色下墊面”，而城區(qū)內(nèi)包括流經(jīng)城區(qū)的河流、湖泊、池塘及人工水庫、人工湖等則稱之為“藍色下墊面”[2]。因此可視城市“藍綠空間”為城市綠地和水體的統(tǒng)稱。水體和綠地對城市熱島具有一定的降溫效應(yīng)，能夠有效的降低周圍環(huán)境的溫度，緩解城市熱島效應(yīng)。城市“藍綠空間”的建設(shè)是緩解城市熱島效應(yīng)的重要手段，綜述國內(nèi)外學(xué)者對城市“藍綠空間”降溫效應(yīng)的研究，了解目前“藍綠空間”的研究現(xiàn)狀，找出影響城市“藍綠空間”降溫效應(yīng)的因素，能夠為城市“藍綠空間”的建設(shè)和優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)，以期充分利用“藍綠空間”的最大效能。

1 綠地的降溫效應(yīng)研究

1.1 綠地植被特征對降溫效應(yīng)的影響

1.1.1 植被類型

不同植被類型的降溫效應(yīng)存在明顯差異，研究發(fā)現(xiàn)，喬木能有效阻止陽光直射，降溫效應(yīng)顯著強于周圍的草本植物[6-7]。何介南等[8]對不同綠地類型進行研究，發(fā)現(xiàn)綠地的降溫效果從大到小依次為喬木林＞喬灌木＞灌叢＞草地。綠地降溫效應(yīng)還與植被群落類型相關(guān)，森林和混合綠地的降溫效果明顯好于草坪和裸地，不同群落類型的降溫強度從高到低依次為喬灌草型＞喬草型≈喬木型＞灌草型＞草地型[9-10]。說明喬灌草型的綠地配置結(jié)構(gòu)對城市熱島的緩解效果最好，具有較好的降溫作用，因此，在綠地面積相同的條件下，盡可能多的使用喬灌草混合種植方式，能最大限度的發(fā)揮綠地的降溫效應(yīng)，有效改善城市熱環(huán)境。

1.1.2 植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù) (NDVI，Normalized Differential Vegetation Index)、葉面積指數(shù)(LAI，Leaf Area Index)和植被覆蓋度(VF，Vegetation Fraction)是常用以反映植被分布狀況的植被指數(shù)，能直觀的描述植被覆蓋的濃密程度。大量研究表明，歸一化植被指數(shù)、植被覆蓋率與地表溫度呈顯著負相關(guān)，與降溫效應(yīng)呈顯著正相關(guān)[11-13]。植被的郁閉度、平均冠幅與植被群落的降溫效應(yīng)呈顯著正相關(guān)，葉面積指數(shù)對群落的降溫效應(yīng)起到一定促進作用[14]。另外也有不少定量研究，例如李延明等[15]發(fā)現(xiàn)當綠化率達到30%時，熱島效應(yīng)明顯減弱，綠化覆蓋率超過50%時，降溫效應(yīng)極其明顯。Alavipanah 等[16]研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋率在70%～79%時，綠地的降溫效應(yīng)最強，之后降溫效應(yīng)并未隨著覆蓋率的增加而顯著增強。說明植被覆蓋率增加到一定比例后，綠地降溫效應(yīng)和植被覆蓋率之間的關(guān)系是非線性增加的。

1.2 綠地形態(tài)特征對降溫效應(yīng)的影響

近年來，國內(nèi)外學(xué)者們深入探討了綠地面積、周長、幾何形狀等形態(tài)特征對降溫強度和降溫范圍的影響。研究表明，綠地降溫效應(yīng)與綠地面積、周長呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與綠地周長面積比值呈顯著負相關(guān)，綠地面積越大，其降溫效應(yīng)越大，但當面積達到一定值時，降溫效應(yīng)趨于穩(wěn)定[17-18]。在綠地形狀方面，王娟等[19]認為綠地降溫效應(yīng)與形狀指數(shù)、邊緣率呈正相關(guān)，具體形狀的降溫能力順序為圓形＜矩形＜環(huán)狀＜帶狀。Park 等[20]分別對多邊形、線形、單一型和混合型綠地的降溫效應(yīng)進行對比研究，發(fā)現(xiàn)多邊形和混合型綠地的降溫效應(yīng)最明顯。部分學(xué)者還研究了城市帶狀綠地的降溫效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)綠帶寬度對降溫效應(yīng)有一定影響，且寬度越大，降溫效應(yīng)越強[21-23]。

1.3 綠地景觀特征對降溫效應(yīng)的影響

目前許多學(xué)者通過實測和模擬手段，基于不同尺度研究了綠地格局與溫度之間的關(guān)系。大部分研究者選用景觀格局指數(shù)來構(gòu)建綠地格局與溫度之間的關(guān)系。一些研究者們對景觀格局與溫度間的關(guān)系進行了定性與定量的研究，發(fā)現(xiàn)最大斑塊指數(shù)、聚集度、連接度與溫度呈正相關(guān)，而斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、破碎度與溫度呈負相關(guān)[24]。在一定尺度上，熱島強度會隨著綠地斑塊密度指數(shù)、分維數(shù)、聚集度指數(shù)的增大而增大；隨著均勻度和碎裂化指數(shù)的增大而降低[25-26]。

景觀格局包括組成和配置兩部分。不少學(xué)者認為綠地景觀組成（綠地數(shù)量和占城市面積的比例）越大，其降溫效應(yīng)也越大[27]，但其實不同的空間配置所產(chǎn)生的降溫效果也存在顯著差異，深入研究后發(fā)現(xiàn)，綠地景觀組成和配置對其降溫效應(yīng)的影響是協(xié)同且相當?shù)腫28]。

1.4 外界因素對降溫效應(yīng)的影響

除綠地面積、形狀、植被類型、景觀布局、植被綠量等因素對其降溫效應(yīng)有影響以外，城市綠地的降溫效應(yīng)也受到季節(jié)、氣候、時間等環(huán)境因素的影響。部分學(xué)者對不同氣候條件、不同季節(jié)、不同時段下城市綠地的降溫效應(yīng)進行了研究，發(fā)現(xiàn)與潮濕低溫的氣候相比，城市綠地的降溫效果在干燥高溫的環(huán)境下更明顯；綠地的降溫效應(yīng)存在季節(jié)差異性，夏季的降溫效果通常比冬季的明顯；綠地的降溫效果在同一天的不同時段存在差異，白天綠地的降溫效果比夜晚明顯[29-31]。

在穿越高鐵橋梁樁基期間，建立足夠的土倉壓力平衡刀盤前端水土壓力，以保證掌子面穩(wěn)定，利用5個土倉壓力傳感器數(shù)據(jù)綜合控制土壓，上部土壓控制在0.17MPa；將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.4r/min，以減小掘進對周邊土體和橋梁樁基的擾動；掘進推力控制在11 000kN，掘進速度控制在20～30mm/min[2]。

不同季節(jié)、不同氣候條件、不同時段下城市綠地降溫效應(yīng)的差異，其本質(zhì)是太陽輻照量、空氣濕度等因素對綠地降溫效應(yīng)的影響，屬于外部環(huán)境影響因素。綠地面積、形狀、葉面積指數(shù)、植被覆蓋率、景觀格局等綠地因子對綠地降溫效應(yīng)的影響屬于綠地自身特征因素。因此，可以認為城市綠地的降溫效應(yīng)主要受綠地自身特征和外界環(huán)境特征的影響。

2 水體的降溫效應(yīng)研究

水具有高熱容量、高熱慣性、低熱傳導(dǎo)率、低熱輻射率的特點，可以通過蒸發(fā)作用改變熱量在水體與空氣間的傳輸方式，降低周圍環(huán)境的溫度，緩解城市熱島效應(yīng)[32-33]。近年來。國內(nèi)外不少學(xué)者通過實地觀測、遙感監(jiān)測、數(shù)值模擬等研究方法探究城市水體對周邊環(huán)境溫濕度的影響，發(fā)現(xiàn)水體自身屬性和周邊環(huán)境是影響水體降溫效應(yīng)的主要因素。

2.1 面積、形狀

李東海等[34]、王琳等[35]、龍麗娟等[36]對城市河流與湖泊的降溫效應(yīng)進行研究，發(fā)現(xiàn)水體的面積和形狀指數(shù)都對其降溫效果有影響，水體面積比例越大，地表溫度就越低，降溫效應(yīng)越顯著；形狀指數(shù)越大，降溫影響范圍越大。另外，不同形狀的水體的降溫效果具有差異性，研究表明，面狀水域比線狀水域具有更明顯的熱島緩解作用，并且線狀河流景觀的降溫效應(yīng)受河流寬度、面積和流經(jīng)區(qū)域的共同影響，且河流越寬、面積越大，其降溫效果越顯著[37-38]。

2.2 氣候

水體的降溫效應(yīng)在季節(jié)上也存在一定差異，胡穎炫[39]和張棋斐等[40]對城市湖泊溫度效應(yīng)進行研究，發(fā)現(xiàn)湖泊的降溫效應(yīng)具有明顯的季相變化和日夜變化，湖泊在夏季、秋季白天呈現(xiàn)降溫效應(yīng)，夜晚呈現(xiàn)增溫效應(yīng)，在冬季白天呈現(xiàn)增溫效應(yīng)，而且從夏季到冬季，湖泊的降溫強度和影響范圍逐漸減小。除此之外，在不同的季節(jié)條件下，水體的降溫效果與其影響因素間的關(guān)系也會發(fā)生改變，例如，紀鵬等[41]發(fā)現(xiàn)在春季、夏季和秋季，河流的降溫幅度與河流寬度呈正相關(guān)，而在冬季，河流的降溫效果隨著寬度的增加而減弱甚至出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

2.3 布局

水體的面積和布局會影響水體的降溫效果，相較于單塊的、面積在0. 25 km2以下的水體，多塊、密集分布的小面積水體對環(huán)境的降溫效果更為顯著[42]。對于水體的放置方式，集中式水體布置方式的降溫效應(yīng)要優(yōu)于分散式布局[43]。另外，水體尺度、水體分散程度、水體形態(tài)和水體位置對水體降溫效果也有影響，且其影響程度為水體尺度＞水體位置=水體分散度＞水體形態(tài)[44]。

2.4 周邊環(huán)境

有研究表明，水體周圍的環(huán)境對水體的降溫效應(yīng)具有一定的影響，例如湖泊的降溫效應(yīng)會隨著周邊建筑高度的增大而逐漸減弱，水體的降溫效果與風向的大小、分布呈非線性關(guān)系，相對較大的湖泊在其邊緣和順風區(qū)域表現(xiàn)出較高的降溫效應(yīng)[45-46]。

雖然以上研究是基于不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同尺度進行的，但總體上水體的降溫效應(yīng)表現(xiàn)為面積比例越大，形狀越復(fù)雜，其降溫效應(yīng)越明顯；面狀水體的降溫效果比線狀水體強，且線狀水體寬度越大，降溫效應(yīng)越大；水體在不同季節(jié)和時段的降溫效應(yīng)具有顯著差異性，且夏季的降溫效應(yīng)普遍比冬季的強；水體所處位置和水體自身的布局因素對其降溫效應(yīng)有一定影響；水體周邊建筑和周圍風向也是影響水體降溫效應(yīng)的重要因素。

3 綠地和水體之間的協(xié)同效應(yīng)

眾多研究表明，城市綠地和水體都對城市熱環(huán)境有緩解作用，具有一定的降溫效應(yīng)。部分學(xué)者對綠地和水體降溫效應(yīng)之間的聯(lián)系進行研究，發(fā)現(xiàn)綠地和水體在降低環(huán)境溫度上具有協(xié)同效應(yīng)，兩者對周圍環(huán)境的降溫效應(yīng)是相互影響、相互促進的。

國外學(xué)者如Robitu 等[47]模擬有無植被和水體這兩種情況下城鎮(zhèn)廣場的微氣候效應(yīng)，通過比較分析模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在有植被和水體存在的情況下，地表溫度明顯比無植被和水體環(huán)境下的低。Di Wu 等[48]對城市水庫和森林的熱環(huán)境效應(yīng)及其相互作用進行研究，發(fā)現(xiàn)水庫水體的降溫效應(yīng)與植被之間存在非線性關(guān)系，水庫和森林對環(huán)境的調(diào)節(jié)作用是相互影響的。國內(nèi)學(xué)者如軒春怡等[49]發(fā)現(xiàn)水體和綠地結(jié)合的方式,更能發(fā)揮水體的小氣候效應(yīng)。劉雅婷[50]對濕熱地區(qū)城市公園的內(nèi)部要素進行組合模擬，發(fā)現(xiàn)喬木覆蓋率為40%、水體占比15%的組合比單獨喬木覆蓋率為60%時的降溫效果要好，水體能夠增強綠地的降溫效應(yīng)，使整體的降溫增濕效果更明顯，且水體比例越大降溫效果越好。宋曉程等[51]研究發(fā)現(xiàn)容積率和綠化對水體水蒸氣擴散的影響最為顯著，且容積率為1.5，綠化類型為草地和樹木的組合時，水體的降溫效果最佳。張麗紅等[52]發(fā)現(xiàn)城市水體對周邊綠地的溫濕度具有一定影響，且其降溫增濕效果和影響范圍受到綠地綠量和喬灌比例的影響。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

目前國內(nèi)外對城市“藍綠空間”降溫效應(yīng)的研究主要集中在水體和綠地在緩解城市熱環(huán)境方面的機理研究和影響因素研究。學(xué)者們通過實地觀測、氣象與遙感監(jiān)測、建立模型模擬等研究手段對城市綠地、水體與城市熱島間的關(guān)系進行了定量和定性研究，發(fā)現(xiàn)綠地面積、形狀、類型、葉面積指數(shù)、植被覆蓋率、景觀格局等綠地自身特征因素和太陽輻射量、空氣濕度等外部因素是城市綠地降溫效應(yīng)的主要影響因素。城市水體的降溫效應(yīng)主要與水體面積、形狀、寬度、布局、氣候、周邊環(huán)境等影響因素有關(guān)。另外，不少學(xué)者分析了綠地與水體之間降溫效應(yīng)的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)兩者在降溫效應(yīng)方面會互相影響，互相增強，具有一定的協(xié)同增效作用，因此水體和綠地相結(jié)合的方式比單一水體或綠地更能發(fā)揮降溫作用。

4.2 研究展望

目前，城市“藍綠空間”的降溫效應(yīng)及其影響因素研究取得了較大進展，但依然存在一些值得今后探索或解決的問題，具體如下。

1）整合現(xiàn)有研究方法，開展多尺度的綜合研究。當前大多數(shù)研究采用實地觀測、遙感反演或者熱環(huán)境模擬的方法。這3 種方法都有一定的局限性，因此，我們應(yīng)結(jié)合不同方法的優(yōu)點，系統(tǒng)開展多個尺度上降溫效應(yīng)的研究，從城市景觀規(guī)劃布局的角度來探討“藍綠空間”對熱島效應(yīng)的緩解作用。

2）需要進一步探究城市水體與綠地在降溫方面的協(xié)同效應(yīng)。目前對水體和綠地單獨的降溫效應(yīng)已有一定數(shù)量的研究成果，但是兩者的協(xié)同效應(yīng)研究較少，多數(shù)研究也只是將有水體和綠地的區(qū)域與僅有水體或者僅有綠地的區(qū)域進行比較，證明水體對綠地的降溫效應(yīng)有影響，或者綠地對水體的降溫效應(yīng)有影響，進而驗證水體和綠地的協(xié)同降溫效應(yīng)，但是并沒有更深入地進行分析。因此，在今后的研究中，應(yīng)側(cè)重于研究水體和綠地對周圍環(huán)境的協(xié)同降溫作用，進行機理研究，對水體和綠地協(xié)同作用的降溫范圍和降溫程度進行研究。

3）為便于指導(dǎo)城市“藍綠空間”的規(guī)劃建設(shè)，應(yīng)加強城市水體和綠地景觀降溫效應(yīng)與影響因素之間的定量研究。從景觀組成和景觀配置方面對綠地和水體的降溫效應(yīng)進行量化研究，例如，水體或綠地的面積比例、寬度、形狀指數(shù)、植被覆蓋率等指標達到多少能夠有明顯的降溫效應(yīng)？水體或綠地對周圍環(huán)境的降溫范圍和幅度的閾值是多少？水體和綠地要怎樣組合能使其降溫效應(yīng)達到最優(yōu)？另外，可以探討不同景觀格局與景觀配置對景觀降溫效應(yīng)的影響，為城市規(guī)劃或者決策者提供準確的量化指標。