城市公園降溫效益的測度與氣候適應(yīng)性設(shè)計策略

殷若晨 方 家 朱 丹 胡 楊

隨著城市化進程的加快，城市建設(shè)用地不斷擴張，人工不透水面取代了自然下墊面，使得城市地表的熱力性質(zhì)發(fā)生了顯著變化。同時，城市中的人口越來越多，人類活動產(chǎn)生了大量的人為散熱，在二者的共同影響下，形成了以熱島效應(yīng)為代表的城市氣候變化[1]。城市熱環(huán)境的改變，不僅關(guān)系到人居環(huán)境質(zhì)量和居民健康[2]，還對城市能源消耗和可持續(xù)發(fā)展[3]、生態(tài)系統(tǒng)的多樣性[4]等方面有著深遠影響。

面對正在發(fā)生的氣候變化，聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)于1992年明確將氣候適應(yīng)(Climate Adaptation)作為應(yīng)對氣候變化的基本策略[5]。在此背景下，氣候適應(yīng)也逐漸成為可持續(xù)城市設(shè)計的重要原則之一，強調(diào)城市設(shè)計對象應(yīng)當(dāng)適應(yīng)氣候變化而做出調(diào)整或改變，同時也在積極探索設(shè)計對象對氣候的主動干預(yù)，以降低氣候變化對城市發(fā)展和居民生活所帶來的損失和影響[6]。相關(guān)研究主要涉及2個方面內(nèi)容：1)與居民日常生活有關(guān)的開放空間[7]和街道空間[6]等，關(guān)注于改善戶外環(huán)境的舒適性；2)與城市整體環(huán)境相關(guān)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施[8]和濱水空間[9]等，試圖通過增加自然下墊面等方式促進城市氣候的調(diào)節(jié)。

城市公園既是居民日常活動場所，又能整合一定規(guī)模的藍綠空間資源，是氣候適應(yīng)性城市設(shè)計的載體[10]。目前既有研究多從宏觀視角出發(fā)，分析城市用地和景觀格局對城市溫度的影響[11]，認為增加綠色空間是一種經(jīng)濟效益高、環(huán)境友好、且容易被接受的緩解熱島效應(yīng)的有效措施：這是由于綠色空間通過植物蒸騰和光合作用，吸收輻射熱量、增加蒸騰率，加速了陸地表面與大氣層熱交換[12]。同時結(jié)合植物遮陰的方式，阻擋太陽輻射，降低地表溫度[13]。盡管此類研究證實了城市綠色空間的植物配置[14-15]、面積與形狀[16-17]、景觀格局[17-20]等要素對城市熱環(huán)境的影響，但忽略了城市用地本身的稀缺性，經(jīng)濟發(fā)展需要占用更多土地資源用于開發(fā)建設(shè)，一味增加綠色空間面積并不符合當(dāng)前城市的實際發(fā)展需要，這為綠色空間降溫效益的研究提出了新要求。

再者，基于實測的相關(guān)研究也已證實了城市公園對周邊環(huán)境確有降溫作用，公園與建成環(huán)境發(fā)生溫度平流，使公園的降溫效果延伸至公園以外地區(qū)，甚至可以降低周邊建筑的冷卻能耗[3，21]。但此類研究大多停留在單個公園的研究層面，缺少全樣本下對公園設(shè)計要素普適性的指導(dǎo)。盡管熱紅外遙感技術(shù)在近些年逐漸發(fā)展成熟，公園降溫作用的研究得以進一步深化，但目前多以大型公園為研究對象，而忽略了小型公園的降溫作用，正是由于公園樣本選擇的偏差，也易造成對公園降溫作用的片面認知[22-24]，研究結(jié)論對規(guī)劃設(shè)計所產(chǎn)生的指導(dǎo)意義也被削弱。

目前，中國城市正面臨著存量發(fā)展與氣候變化的雙重壓力，提高降溫效益是氣候適應(yīng)性賦予城市公園設(shè)計的目標(biāo)之一。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以氣候適應(yīng)性為導(dǎo)向，跨學(xué)科應(yīng)用遙感技術(shù)，利用Landsat 8 OLI遙感影像反演地表溫度，從降溫范圍和降溫幅度2個方面，評估448個城市公園的降溫效益，基于大數(shù)據(jù)樣本對公園設(shè)計要素進行分析，聚焦公園面積、公園形狀、植被覆蓋度、地形變化以及藍綠空間面積比，探索實現(xiàn)高降溫效益的城市公園設(shè)計要素配置規(guī)則；同時，將應(yīng)對策略應(yīng)用于城市高溫?zé)狳c片區(qū)的模擬，評估實施前后的降溫效果，為城市公園的氣候適應(yīng)性設(shè)計提供指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

本文以北京市五環(huán)內(nèi)作為研究范圍，一方面，高密度建成環(huán)境是城市熱島效應(yīng)加劇的重要原因[1]，北京市在近10年間極端高溫天數(shù)不斷攀升，夏季平均溫度也逐年增加①，尤其以五環(huán)范圍內(nèi)的建成區(qū)更為顯著[20]；另一方面，五環(huán)范圍內(nèi)的公園體系建設(shè)正逐步完善，三環(huán)與五環(huán)之間形成“一道綠隔”[17]，各類型公園也在留白增綠的政策下建成。以此作為研究范圍具有一定代表性和典型性，同時研究結(jié)論也可對高密度人居環(huán)境下的城市公園建設(shè)進行指導(dǎo)。

本研究以北京市園林綠化局公布的公園數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)②，結(jié)合百度地圖選取北京市五環(huán)內(nèi)的公園作為研究對象，共計448個公園，小于1hm2的公園占53.13%，1～10hm2的公園占28.35%，10～25hm2的公園占8.48%，25hm2以上的大型公園占10.04%，能夠反映各類規(guī)模公園的建設(shè)比例(圖1)。

圖1 北京市五環(huán)范圍內(nèi)的城市公園分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 城市公園降溫效益評估框架

公園降溫效益的測度，一般通過降溫幅度和降溫范圍兩指標(biāo)評估，對公園不同距離緩沖區(qū)的地表溫度變化進行單獨建模，根據(jù)溫度擬合曲線由上升變?yōu)槠骄徎蛳陆堤幍奈恢?，確定“拐點”[22-27]。公園邊界到“拐點”的距離則為降溫范圍，公園內(nèi)部與“拐點”緩沖區(qū)的溫差則為降溫幅度。在面對大量的城市公園樣本時，無法對每一個公園進行單獨建模?；虿捎闷骄肮拯c”距離的計算方式，以降溫的最遠距離作為降溫范圍，但并非公園發(fā)揮顯著降溫效果的有效范圍[28]。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著與公園距離的增加，公園降溫幅度呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)的變化趨勢[27]，與公園較近距離的降溫幅度變化大，隨著距離的增加，受復(fù)雜建成環(huán)境的干擾，降溫幅度降低。不同于上述最遠降溫范圍，有效降溫范圍內(nèi)的降溫幅度最能體現(xiàn)公園的降溫作用。當(dāng)超過有效降溫范圍后，城市公園對周邊環(huán)境依然存在降溫作用，但降溫幅度隨距離不再顯著(圖2)。

圖2 城市公園降溫作用隨距離的示意圖

為了對研究范圍內(nèi)大量公園樣本的降溫效益進行測度，需要建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，同時有效整合降溫幅度和降溫范圍兩指標(biāo)?；诖耍疚奶岢霾⒍x了城市公園降溫效益的測度指標(biāo)。首先對研究范圍內(nèi)的城市公園以相同距離間隔生成緩沖區(qū)，擬合并尋求平均有效降溫范圍，之后計算公園的平均有效降溫范圍與公園范圍的地表溫度，評估城市公園的降溫效益(式1)。

2.2 地表溫度反演

本文選取2017年9月28日，云量為0%且研究范圍成像較好的Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星遙感影像，采用大氣校正法對研究范圍的地表溫度進行反演和計算[29]。

既有研究表明，地表溫度與近地面氣溫存在顯著的線性相關(guān)，能夠有效反映其變化趨勢[32]。所以，通過熱紅外遙感影像反演而得到的地表溫度，在一定程度能夠反映出城市公園對周邊建成環(huán)境的降溫作用。下文提到的“溫度”“降溫”等均指基于此方法計算得出的地表溫度。

2.3 特征要素選擇

城市公園由于自身特征差異，表現(xiàn)出的降溫效果各有差異[7]。本文嘗試將公園設(shè)計的公園面積、邊界形態(tài)、植被覆蓋度、地形變化、藍綠空間面積比5個特征參數(shù)與降溫效益相結(jié)合，采用Pearson相關(guān)分析，進行曲線估計，探討各要素與公園降溫效益的相關(guān)性(表1)。

表1 公園設(shè)計特征要素選取

在城市公園設(shè)計中，首先要保證城市綠地依據(jù)規(guī)劃所要求的面積建設(shè)，不同級別公園有不同規(guī)模下限；邊界形狀決定了公園與城市空間交互的界面，邊緣面積比越小表示公園形狀越規(guī)整，與城市空間的接觸面越??；植被覆蓋度與植物景觀配置密切相關(guān)，綠色植物是公園能夠發(fā)揮降溫作用的主要因素[15]；山體與湖泊形成的地形起伏是公園重要的物質(zhì)設(shè)計要素，計算公園內(nèi)高程的方差和極差，評估公園地形變化；藍綠空間是產(chǎn)生降溫效益的自然景觀資源，統(tǒng)計水體和綠地2類空間的面積，計算公園的藍綠空間面積比。

3 城市公園降溫效益的測度

3.1 地表溫度的分布特征

北京市五環(huán)范圍是城市熱島效應(yīng)的典型片區(qū)，地表溫度呈“圈層遞減，南高北低，楔形嵌入”的特征(圖3)。1)“圈層遞減”，三環(huán)內(nèi)，建筑人口密度高，綠色空間數(shù)量少且布局分散，容易形成局部熱島空間，如琉璃廠和平安里的老胡同街區(qū)；而三環(huán)外，得益于“一道綠隔”的建設(shè)，公園的數(shù)量增多且更具規(guī)模，形成分布相對集中和連綿成環(huán)的組團，有效降低片區(qū)溫度，如位于北五環(huán)的奧林匹克森林公園、望湖公園等。2)“南高北低”，北三環(huán)以北地表溫度低于南三環(huán)以南，除與公園數(shù)量和面積有關(guān)外，還因北部靠近北京生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，大面積的山地林地和河湖水庫營造出適宜的小氣候。3)“楔形嵌入”，多條楔形綠色廊道從不同方向嵌入城市，降低周邊環(huán)境溫度，如頤和園、圓明園、海淀公園等組成的公園系統(tǒng)，承擔(dān)了西北片區(qū)的溫度調(diào)節(jié)功能。

圖3 地表溫度和綠色空間的分布

3.2 城市公園有效降溫范圍的確定

結(jié)合公園與地表溫度的分布關(guān)系發(fā)現(xiàn)，公園自身能夠形成相對低溫的“冷島”，并在一定程度上對周圍環(huán)境溫度產(chǎn)生影響。為量化公園的有效降溫范圍，以熱紅外遙感影像的精度30m為間隔，統(tǒng)計樣本在相同距離間隔的溫度變化，尋求平均降溫幅度的“拐點”作為公園的有效降溫范圍。根據(jù)擬合結(jié)果，北京市五環(huán)范圍內(nèi)的公園對周圍環(huán)境溫度的影響近似對數(shù)函數(shù)，隨距離增加降溫幅度逐漸減弱，在90m的范圍內(nèi)公園降溫幅度最大，與距離的關(guān)系近似線性，每增加30m距離，地表溫度上升約0.16℃，而在90～500m內(nèi)溫度變化逐漸放緩，當(dāng)超過500m后，公園幾乎無降溫作用。故本研究得出北京城市公園的有效降溫范圍約為90m，最遠降溫范圍約為500m，基于此進行城市公園降溫效益的計算。

3.3 城市公園降溫效益的分布特征

根據(jù)上述所得90m有效降溫范圍以及公式1，計算公園的降溫效益。依據(jù)降溫效益對公園進行劃分，發(fā)現(xiàn)降溫效益較低甚至無降溫作用的公園，主要為面積過小的綠地或者是植被覆蓋度較低的廣場，其降溫效益受外部環(huán)境的影響較大；當(dāng)面積超過10hm2，植被覆蓋度高于40%，公園才能發(fā)揮較為穩(wěn)定的降溫作用(表2)。

表2 不同城市公園降溫效益

由圖4可知，公園的降溫效益受到所處片區(qū)的影響，呈“中心高，外圍低”的分布。三環(huán)至五環(huán)范圍，不僅分布著大面積的公園，還有大量的農(nóng)田、林地、草地等共同組成自然空間，整體的地表溫度低于城市中心，使得外圍公園的降溫效益并不明顯，而位于城市中心的公園則更能夠充分發(fā)揮對周邊的降溫作用。例如，人定湖公園的降溫效益較高，約5.84%，周邊環(huán)境以高密度的人口活動和建筑群為主，形成高降溫效率的情景。而北塢公園其周邊以山地和公園為主，該片區(qū)的整體溫度已處于相對低溫的狀態(tài)，公園很難再降低，降溫效益僅為1.06%。

圖4 城市公園降溫效益的分布特征

4 影響城市公園降溫的要素分析

城市公園的降溫效益除了與其所處環(huán)境有關(guān)，也受公園自身設(shè)計要素的影響。在公園設(shè)計的初始及過程中，若充分考慮設(shè)計要素的溫度調(diào)節(jié)作用，通過設(shè)計要素的調(diào)整實現(xiàn)局部空間微氣候的改善，將有助于公園主動適應(yīng)氣候變化。

4.1 面積大小

公園面積是影響降溫效益的重要因素，總體來說隨公園面積的增加，降溫效益在不斷增強，但兩者為非線性的對數(shù)關(guān)系。相比于小型公園，大型公園在保證居民日?；顒釉O(shè)施的配置基礎(chǔ)上，進行綠色空間營造和水體設(shè)計，此類要素皆是提高降溫作用的重要內(nèi)容。同時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)公園面積超過25hm2后，降溫效益隨公園面積增加的幅度放緩(圖5-1)。所以，當(dāng)公園面積超過一定閾值后，單方面提升公園面積難以提高降溫效益，需進一步考慮其他設(shè)計要素以實現(xiàn)更高的降溫作用。此外，不同面積的公園在區(qū)位分布上也存在一定差異，超大面積的公園往往分布在城市外圍，周邊建設(shè)水平和人口活動量低，溫度也偏低，難以產(chǎn)生較大的降溫效果。

圖5 單要素的相關(guān)性

對公園面積進一步劃分后探討相關(guān)性(表3)，發(fā)現(xiàn)公園面積小于1hm2時，兩者間的關(guān)系并不顯著，表明小型公園的降溫作用不穩(wěn)定，藍綠空間的面積小，加之受周圍建成環(huán)境的熱影響，公園降溫效益更加難以測度。

表3 公園面積與降溫效益的相關(guān)性

4.2 邊界形態(tài)

公園邊界形態(tài)呈由內(nèi)到外逐漸規(guī)整的趨勢(圖6-1)，城市外圍的公園用地選址受外部環(huán)境約束小，靠近中心的公園用地情況復(fù)雜，邊界形態(tài)曲折。與城市空間的接觸面越大，降溫效益越低，兩者呈現(xiàn)顯著負相關(guān)(圖5-2)。當(dāng)公園的邊緣面積比大于約0.2時，邊界形態(tài)過于曲折，難以發(fā)揮穩(wěn)定的降溫效益。而帶狀公園這類具有特殊形態(tài)的公園，邊緣面積比值較大，藍綠空間布局也因公園的寬度而受到限制，但與同等面積的塊狀公園相比，公園邊界更長，降溫影響范圍更廣。如元大都城垣遺址公園得益于貫穿其中的小月河，具有較高的降溫效益，加之其面積較大，平均寬度達到了300m。

圖6 單要素的分布特征

4.3 植被覆蓋度

研究范圍的綠量分布呈“外高內(nèi)低”特征，四環(huán)-五環(huán)的范圍有較高的綠化覆蓋。而中心的北京老城區(qū)綠量水平有待提高。在北京市域綠色空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃中，可以看出針對中心城區(qū)采取的措施是“綠化隔離”，而非“綠化滲透”(圖6-2)。

植被覆蓋度是量化自然地表的指標(biāo)之一，城市綠化能夠有效緩解熱島效應(yīng)，已有研究多次論證其與地表溫度呈現(xiàn)出很強的負相關(guān)。本文在分析植被覆蓋度與公園降溫效益的關(guān)系時，結(jié)果同樣也呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)，植被覆蓋度增加10%，則降溫效益提高約0.348%(圖5-3)。這是由于高覆蓋的植被對太陽輻射的截獲和冠層蒸發(fā)的潛熱吸收，能夠有效減緩地表升溫。

4.4 地形變化

研究范圍內(nèi)90%以上的公園具有地形變化(圖6-3)，其中25%的城市公園高程極差在12m以上。公園地形變化由描述公園地形起伏情況的高程方差，以及表征地形高差的高程極差組成。2個指標(biāo)與公園降溫效益均呈非線性的對數(shù)關(guān)系，即超過一定閾值后，對降溫效益的影響逐漸降低。高程方差對降溫效益的影響相對較弱，其閾值約為5(圖5-4)；高程極差的增加顯著提高降溫效益，其閾值約為20m(圖5-5)。在公園設(shè)計中，挖湖堆山的地形營造能夠顯著提高降溫效益，并在實際設(shè)計中與水體結(jié)合，復(fù)合而產(chǎn)生更大的降溫效果；同時地形設(shè)計中的地形起伏不必過大，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

4.5 藍綠空間面積比

在有限的城市公園空間內(nèi)，綠地與水體面積互斥，最優(yōu)的藍綠空間配置在公園設(shè)計中尤為重要。篩選出98個有水體空間的公園，發(fā)現(xiàn)藍綠比多集中在0～0.2(圖6-4)。由藍綠面積比與降溫效益的關(guān)系可知(圖5-6)，水體空間的增加能提高降溫效益，但二者為非線性關(guān)系。降溫效益的提升作用在藍綠空間比大于約0.3之后開始放緩，再大比例的水體對于公園降溫效益的提升作用不再明顯，當(dāng)藍綠比大于1之后降溫效益又繼續(xù)增加，但此時大面積水體的建設(shè)會帶來較高的經(jīng)濟成本。

5 情境模擬與應(yīng)對策略

5.1 情景模擬

通過ArcGIS熱點分析對研究區(qū)域地表溫度進行Getis-Ord G＊運算，基于距離權(quán)重矩陣的局部空間自相關(guān)指標(biāo)，探測高低值的聚集特征。提取Z值于95%以上的正顯著區(qū)域，該區(qū)域表示研究范圍內(nèi)地表溫度較高的聚集區(qū)。高溫?zé)狳c區(qū)域面積為2 717.82hm2(圖7-1)，平均地表溫度為35.73℃，遠高于五環(huán)范圍平均地表溫度32.23℃。根據(jù)上文城市公園降溫要素特征的探討，選取面積適宜、邊界規(guī)整、植被覆蓋度高、具有適當(dāng)?shù)牡匦纹鸱约八{綠空間比，同時降溫效益較高的“標(biāo)準(zhǔn)公園”，作為理想情境置入熱點區(qū)域，評估城市公園建設(shè)的前后降溫效果。

圖7 公園置入前(7-1)后(7-2)的情境對比

本文以東單公園為例(與全部公園樣本特征參數(shù)的中位數(shù)相近)，面積約4.5hm2，降溫效益約為4.97%。為使置入公園的降溫范圍全部覆蓋所識別的高溫?zé)狳c地區(qū)，結(jié)合上文城市公園降溫作用最遠距離500m的結(jié)論，以1km為間隔置入標(biāo)準(zhǔn)單元，共計28個，總面積為126hm2。結(jié)果表明，置入后區(qū)域的平均地表溫度由35.73℃降低為33.53℃，高溫?zé)狳c面積減少1 082.16hm2(圖7-2)。若結(jié)合北京市相關(guān)的城市綠地建設(shè)政策，采取高降溫效益的公園設(shè)計，以及多點分散的布局原則，能夠充分發(fā)揮城市公園的降溫作用并有效緩解集中的熱島區(qū)域。

5.2 氣候適應(yīng)性設(shè)計的應(yīng)對策略

在全球氣候變暖的背景下，城市熱島效應(yīng)日益加劇，尤其是在建筑物高度集中且綠化有限的高密度建成區(qū)域。如何使城市空間適應(yīng)正在發(fā)生的氣候變化挑戰(zhàn)，尋找減輕城市熱島效應(yīng)和促進城市可持續(xù)發(fā)展的方法，成為城市規(guī)劃、管理和政策制定部門持續(xù)關(guān)注的議題。在既有研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建城市公園降溫效益的評估框架，從公園規(guī)劃設(shè)計角度出發(fā)，尋找影響降溫的相關(guān)要素，為應(yīng)對氣候變化提供設(shè)計引導(dǎo)。

具體而言，在大規(guī)模增加城市公園用地受限的情景下，通過優(yōu)化城市公園的設(shè)計要素、騰退更新后選取合適規(guī)模的公園、合理布置公園的間隔距離等方式提升公園降溫效益，是緩解城市熱島效應(yīng)的有效措施。1)城市公園能夠在約90m范圍內(nèi)顯著降低地表溫度，最大降溫范圍可達500m左右。2)基于地表溫度和降溫效益的分布特征可知，公園降溫效益除了受到自身要素影響外，還受到周邊所處建成環(huán)境的影響。盡管城市中心“孤島式”公園布局的降溫效益更高，但對區(qū)域整體環(huán)境溫度的影響有限。3)有關(guān)公園設(shè)計，面積大小、邊界形態(tài)、植被覆蓋度、地形變化、藍綠空間面積比5個要素對降溫效益有顯著影響，且多以非線性方式存在。4)將上述認知應(yīng)用于理想情境的熱環(huán)境模擬，高溫?zé)狳c區(qū)域的面積減少超過50%。需要注意的是，本文在有關(guān)公園設(shè)計要素中，對非線性趨勢的“閾值”判斷是通過數(shù)據(jù)繪制圖紙觀測所得，盡管不是準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)定義，但也具有一定參考價值。

基于以上分析結(jié)果，研究建議北京市中心區(qū)應(yīng)當(dāng)依托城市更新策略與計劃，適度增加面積在1～10hm2形態(tài)簡單規(guī)整的城市公園，其間距控制在約1km。在城市公園內(nèi)部設(shè)計要素中，提高植被覆蓋度，保持適宜藍綠比，適當(dāng)挖湖疊山的地形營造等，提升公園的降溫效益?？傮w來說，本研究在證實公園有助于調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境共識的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)公園降溫效益既受外部片區(qū)環(huán)境影響，也與公園自身要素有關(guān)，進一步尋找提升降溫效益的相關(guān)城市公園設(shè)計要素，完善了城市熱島研究在指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計實踐方面的不足。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① 中國天氣網(wǎng)：《37.3℃！北京8日氣溫創(chuàng)今年來新高 大數(shù)據(jù)顯示北京夏天越來越熱》。http://news.weather.com.cn/2020/06/3338445.shtml。

② 北京市園林綠化局(首都綠化委員會辦公室)：《城市公園》。http://yllhj.beijing.gov.cn/ggfw/gyfjqyl/cs/。