不同景觀要素對城市公園微氣候的影響研究

陳茜 侯欣欣

(河南科技大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院，河南 洛陽 471000)

1 研究背景與意義

隨著我國城市化的進(jìn)程加速，人口大量涌進(jìn)城市，城區(qū)的建筑密度持續(xù)增長，加劇了城市熱島效應(yīng)(Urben heat island，UHI)，這一現(xiàn)象嚴(yán)重威脅著城市的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展。近幾年，微氣候的研究逐漸成為風(fēng)景園林領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注焦點。在影響微氣候的多個因素中，風(fēng)景園林的設(shè)計元素包括但不僅限于地形、水體、植物群落和建筑布局等，被廣泛認(rèn)為扮演著至關(guān)重要的角色[1]。研究證實，城市綠地可以有效緩解熱島效應(yīng)，而城市公園作為城市綠地重要的組成部分，對于城市微氣候的調(diào)節(jié)同樣占據(jù)著關(guān)鍵地位。城市公園中的景觀要素復(fù)雜多樣，對于不同景觀因素對城市公園微氣候影響作用的探究十分必要，本文收納整理了近15年部分國內(nèi)外風(fēng)景園林學(xué)者在這一方向的研究，歸納出影響城市公園微氣候效應(yīng)的影響因素，填補現(xiàn)有研究的空白，為未來城市公園微氣候的深入研究提供有益的參考。

2 微氣候理論簡述

依據(jù)現(xiàn)代氣象學(xué)的研究成果，可以將“氣候”根據(jù)各種不同的尺度進(jìn)行分類，包括大氣候、中氣候、地區(qū)氣候和微氣候。其中，相對較小的地域性氣候被稱為微氣候，與人們的日常生活有著緊密的聯(lián)系，并且可以通過人為的方法進(jìn)行相對簡單的管理[2]。近些年來，國內(nèi)外對于微氣候理論研究逐漸成熟，搜集文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，研究的焦點主要是校園和城市的街區(qū)、公園、廣場等不同的風(fēng)景園林空間類型；研究手段主要涵蓋了實地測量和計算機模擬兩大方面。面對日益加劇的城市熱島效應(yīng)，城市發(fā)展已經(jīng)從增量建設(shè)轉(zhuǎn)入存量更新，而作為城市建設(shè)中重要一環(huán)的城市公園，在這其中發(fā)揮著不可或缺的作用。

3 不同景觀要素對城市公園微氣候的影響不同

作為城市生態(tài)系統(tǒng)的基石，城市綠地不僅調(diào)控著生態(tài)平衡，更是為生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的重要組成部分，而城市公園則扮演著不可或缺的角色。城市公園既可以起到美化環(huán)境等作用，又具有一定的休閑娛樂功能，同時還能提供大量市民休憩場所，對于提高人們生活水平和健康有著積極促進(jìn)作用。多項研究表明，城市公園具有顯著的生態(tài)環(huán)境改善作用，能夠有效降溫增濕，調(diào)節(jié)城市局部微氣候。因此，在規(guī)劃城市公園的布局時，必須綜合考慮其獨特的微氣候環(huán)境，以創(chuàng)造出更加適宜人體舒適的活動場所，而非僅僅關(guān)注其美麗的景色。

公園綠地所包含的景觀元素極為豐富，其所涉及的降溫和增濕的景觀因素異常復(fù)雜，通過歸納整理，筆者重點從下墊面和水體2個方面梳理不同景觀因素對城市公園微氣候的影響作用，以期為未來的研究規(guī)劃提供有益的參考依據(jù)。

3.1 下墊面

城市化進(jìn)程的加快潛移默化地影響著環(huán)境的變遷，其中下墊面的種類有了顯著變化，同時有關(guān)研究顯示，下墊面在微氣候中起著極其重要的作用。Yan等研究了北京奧林匹克森林公園內(nèi)不同下墊面的微氣候效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)水體和林地比越越大、建筑和道路比越越小，公園降溫增濕的效果越好[3]。城市公園調(diào)節(jié)微氣候受其本身各方面因素影響較大，公園內(nèi)不同下墊面類型微氣候差異顯著，不同類型下墊面組成及占比對于公園總體降溫增濕效果亦有決定性影響[4]。彭歷等在對北京市街頭景觀下墊面溫濕度基礎(chǔ)研究中表明，灰墊面材質(zhì)的使用更利于城市街頭綠地溫度和濕度的調(diào)控[5]。上述研究表明，下墊面并不只是城市公園的簡單組成部分，其對城市公園微氣候調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。

3.1.1 綠地

綠地具有改善城市微氣候的功能。當(dāng)陽光透過樹木時，樹木的冠層可以顯著降低太陽的直接照射和炫光，同時也能有效減少天空和周圍地表的散射光，從而顯著降低周圍環(huán)境的溫度；植物光合作用產(chǎn)生的二氧化碳可被吸收并存儲在植株根部土壤內(nèi)，這些都有利于周圍大氣環(huán)境的改善，植物通過葉子將其體內(nèi)的液態(tài)水分以氣態(tài)釋放到周圍的空氣中，使其蒸發(fā)并吸收熱量，這一過程導(dǎo)致周圍的溫度下降和濕度上升；此外，植物的枝葉也能有效阻擋風(fēng)的速度。

綠地降溫增濕效果早在20世紀(jì)80年代就已得到驗證[6]。張偉對城市居住區(qū)綠地的布局在微氣候調(diào)節(jié)中的作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)綠地覆蓋率不同，降溫增濕效果也不同，當(dāng)綠地覆蓋率小于40%時，二維綠量相同，但結(jié)構(gòu)不同的綠地在微氣候中的效果存在顯著差異[7]。李海峰在對綿陽市的熱環(huán)境進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)，綠地面積的擴(kuò)大與降溫效果之間存在明顯的正向關(guān)聯(lián)，也就是說，綠地面積越大，其降溫效果也就越顯著，降溫效果越佳，2hm2為降溫增濕的最優(yōu)面積，而在一定面積下，綠地形狀越復(fù)雜，降溫效果越好[8]。以色列特拉維夫市的的中小型綠地具有顯著的降溫效果，其輻射范圍可達(dá)100m之外，因此在規(guī)劃時，小尺度綠地(面積約為0.1hm2)以相隔200m為佳[9]。肖湘東等在研究蘇州工業(yè)園區(qū)的9個公園下墊面因子及其特性因子對夏季溫濕效應(yīng)的影響時，發(fā)現(xiàn)公園的面積和其降溫增濕效應(yīng)之間的正相關(guān)性是最顯著的，而公園的周長面積比降溫增濕作用貢獻(xiàn)最大[10]。

3.1.1.1 植被特征

植物景觀作為園林設(shè)計的一項重要內(nèi)容，對微氣候具有不可低估的調(diào)節(jié)作用。黃海選擇平面綠量效率作為衡量樹木遮蔭效果的標(biāo)準(zhǔn)，研究結(jié)果顯示，具有高葉面積指數(shù)和較大冠幅的落葉喬木在微氣候改善方面表現(xiàn)出較好的效果[11]。董冬等在進(jìn)行植被配置結(jié)構(gòu)對人體熱舒適度影響的數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)，喬木加草地的植物配置類型的降溫增濕效果最優(yōu)，降溫指標(biāo)較最差的方案最大差值達(dá)1.36℃，增濕6.29%[12]。

太陽輻射受樹葉影響，風(fēng)速受樹干影響，微氣候受樹高、枝下高和郁閉度等形態(tài)特征影響顯著。有研究顯示，對成年單株樹木來說，葉片密度、葉片類型及布局等因素可以有效阻擋太陽輻射85%左右[13]。趙曉龍等對哈爾濱4條步行街行道樹的研究發(fā)現(xiàn)，其溫濕效應(yīng)受到樹木冠層的高度、冠幅和高度的顯著影響[14]。Wang及其團(tuán)隊在對城市公園6個典型樣品樹類型進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，樹冠的尺寸對植物的熱穩(wěn)定性有著最明顯的影響，這是因為樹的陰影密度會對濾光產(chǎn)生各種不同的效果，導(dǎo)致降溫過程也有所不同[15]。Sahar等用ENVI-met軟件對25個理想化情景進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，冠層面積大的樹木降溫效果最佳[16]。王嘉綺等在實地監(jiān)測城市濱水綠地郁閉度和平均樹高對微氣候影響的研究中表明，中郁閉度和高平均數(shù)濱水綠地能有效地提高微氣候水平[17]。

3.1.1.2 植物群落

植物群落作為城市綠地中最基本的組成元素，在城市公園微氣候環(huán)境塑造過程中起著關(guān)鍵性作用。不同植物群落具有不同的降溫增濕能力，研究者從各個角度對植物群落中各小因子(葉面積指數(shù)，蓋度和綠量)對微氣候的影響進(jìn)行了分析比較。晏海等以北京城市公園內(nèi)8個不同植物群落為研究對象，定量化研究了其微氣候，結(jié)果表明，不同植物群落對于微氣候具有極為明顯的調(diào)節(jié)作用，植物群落葉面積指數(shù)和蓋度與降溫增濕效果成正相關(guān)關(guān)系[18]。李克克等基于微尺度下的公園綠地春夏秋3個季節(jié)植物群落微氣候特征檢測，結(jié)果表明，喬灌草結(jié)構(gòu)的植物群落降溫增濕增濕效果最好[19]。龍潔等對懷化市五溪文化公園的植物群落對群落內(nèi)微氣候的影響研究發(fā)現(xiàn)，群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，三維綠量越大，郁閉度越高，平均胸徑越大，植物群落降溫增濕效果越明顯，且群落高度越高，增濕作用越明顯[20]。

植物群落的布局形式在微氣候中起著很大的影響。王麗雯采用實地監(jiān)測法，定量化分析了北京秋季城市綠地中具有不同空間特征的植物群落的微氣候效應(yīng)，結(jié)果表明，自然集群式調(diào)節(jié)空氣溫度效果最佳，三點式調(diào)節(jié)相對濕度較好；此外，冠下高的植物群落降溫強度較低，冠下高為2m的植物群落增濕強度最高[21]。

3.1.2 下墊面構(gòu)成

在城市空間中，不同的下墊面所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)對于微氣候的影響也存在著顯著的差異。因此，通過分析不同下墊面特征下的城市熱島強度變化情況，可以更好地理解城市熱環(huán)境狀況，進(jìn)而指導(dǎo)城市規(guī)劃建設(shè)工作。綠地的溫濕效應(yīng)受到多種因素的影響，其中就有下墊面的構(gòu)成和組成類型，包括群落類型和面積、草坪面積以及鋪裝面積所占比例等，這些構(gòu)成中綠地植被的降溫效果則是最為顯著的。范舒欣等利用實地測量法，探究城市居住區(qū)綠地微觀尺度下墊面構(gòu)成對環(huán)境所造成的影響差異，結(jié)果表明，不同下墊面類型的日均溫度、濕度均存在顯著差異，且不同下墊面類型的排序存在季節(jié)性變化[22]。

3.1.3 鋪裝材料

在考慮下墊面材質(zhì)時，需要特別關(guān)注鋪裝材料對微氣候的影響，因為鋪裝材料的熱屬性和透水性是決定其影響的2個關(guān)鍵因素。另外，與其他表面相比，鋪裝層溫度更容易被人體感知到。隨著顏色的加深，材質(zhì)的質(zhì)感變得更加粗糙，從而增強了其對熱能的吸收能力，同時也增強了其升溫效應(yīng)。由于材料的差異，其透水性也會隨之變化，從而對空氣濕度產(chǎn)生影響。因此，城市公共環(huán)境中，鋪裝宜選擇綠色或淺色為主，以降低溫度、改善空氣質(zhì)量。鋪裝面積的大小將直接影響到城市公園微氣候。當(dāng)城市中綠地面積較小時，鋪裝層對溫度、風(fēng)速及風(fēng)向具有明顯的調(diào)節(jié)作用。隨著鋪裝面積的增加，城市公園微氣候的調(diào)節(jié)效果逐漸減弱，研究表明，在17%～19%的場地鋪裝面積范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)與綠地相同的降溫效果，因此在場地設(shè)計時，應(yīng)盡可能控制鋪裝面積占比[23]。

3.2 水體

水體比熱容比空氣大4倍，本身具有熱屬性，這就決定其無論升溫還是放熱過程均比較慢，從而可以使鄰近陸地區(qū)域氣溫下降，且越接近水面降溫作用越顯著。水體影響城市公園微氣候的因素主要是水體面積，形狀形態(tài)和風(fēng)向等。李吉富總結(jié)發(fā)現(xiàn)，不同形式的水體對于微氣候的影響效應(yīng)略有不同，其中湖泊與降雨對微氣候的影響效果顯著，河流對微氣候的影響效果較顯著，噴泉對微氣候的影響作用一般[24]。

水體的面積大小不僅對蒸發(fā)面積產(chǎn)生影響，同時也對周邊微氣候產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。因此，準(zhǔn)確測定水體的面積對于分析周圍微氣候有著重要意義。李書嚴(yán)在研究水體微氣候效應(yīng)時，運用實測和軟件模擬的綜合手段，研究結(jié)果表明，水體的微氣候效應(yīng)與其面積的大小成正比[25]。因此，對于一個區(qū)域而言，如果要提高其微氣候效應(yīng)，必須考慮該區(qū)域內(nèi)的水體規(guī)模。朱春陽等運用小尺度定量測定技術(shù)揭示，在春夏秋3季，城市河流呈現(xiàn)出明顯的溫度下降和濕度增加的趨勢，同時隨著河流寬度的增加，這種影響逐漸顯現(xiàn)，其對周圍綠地的微氣候影響效應(yīng)也逐漸顯現(xiàn)[26]。城市公園的微氣候受到水體形態(tài)的潛移默化影響，這種影響是不可忽視的。根據(jù)岳文澤的研究，線狀河流景觀對微氣候的影響相對于面狀水體景觀而言較為有限[27]。吳昊等研究證實，水體的形狀是影響地表溫度波動的關(guān)鍵要素[28]。在城市公園規(guī)劃中，水體扮演著至關(guān)重要的角色，盡管目前的研究還不夠全面，但已經(jīng)有學(xué)者表明，水體對城市公園微氣候的影響是深遠(yuǎn)的，因此需要根據(jù)周圍環(huán)境的特點，合理規(guī)劃水體的面積和形態(tài)。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，越來越多的人開始重視自身居住環(huán)境與自然環(huán)境的融合問題。對于城市公園微氣候影響因素的研究，需綜合考慮水體布局、綠化結(jié)構(gòu)和公園內(nèi)部下墊面對微氣候的影響，以創(chuàng)造一個符合人體舒適度的城市公園，這還需進(jìn)行深入而系統(tǒng)的研究。因此，本文從這一角度出發(fā)，重點從下墊面和水體2個方面探究不同景觀要素對城市公園微氣候的影響作用，填補現(xiàn)有研究的空白，為未來城市公園微氣候的深入研究提供有益的參考。此外，在探究城市公園微氣候效應(yīng)的過程中，必須及時將研究成果融入實際生活，以全面改善城市公園的微氣候環(huán)境，提升人們的生活質(zhì)量。城市公園規(guī)劃設(shè)計產(chǎn)生的微氣候效應(yīng)在地域環(huán)境、空間類型以及設(shè)計需求等方面存在較大差異，且有別于室內(nèi)熱環(huán)境可控性，未來的研究具有更高的挑戰(zhàn)性和復(fù)雜度。