城市公园冷岛效应影响机制研究方法进展

辜智慧 \/ GU Zhi-hui刘雅婷 \/ LIU Ya-ting袁 磊* \/ YUAN Lei谭明艳 \/ TAN Ming-yan   2016-11-24 22:15:10

辜智慧 / GU Zhi-hui刘雅婷 / LIU Ya-ting袁 磊* / YUAN Lei谭明艳 / TAN Ming-yan

摘要:城市公园绿地作为减缓城市热岛效应的重要手段已被广泛接受,然而由于其影响因素繁多,研究方法不一,导致其影响机制仍缺少深入研究。通过梳理当前主要的3种研究方法:地面监测研究、遥感与地理信息系统分析研究和数值模拟研究,分析其优缺点以及在不同尺度上的适宜性,认为随着数值模型计算能力和精度的提高,结合地面实测数据验证的数值模型将成为中小尺度上城市公园冷岛效应研究的主要方向,而基于遥感和地理信息系统的分析模型更适宜于景观尺度上的研究,但应加入对公园外部空间格局及局部气候的考虑,以达到提高公园生态效益、减缓城市热岛、改善城市环境的目的。

关 键 词:风景园林;公园冷岛效应;研究方法;影响机制文章编号:1000-6664(2016)09-0113-03

中图分类号:TU 986 文献标志码:A

收稿日期:2015-06-08; 修回日期:2016-01-22

基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(编号51308341)和国家自然科学基金面上基金项目(编号51278308)共同资助

  Abstract: Urban park has been widely accepted as one important space of ameliorating urban heat island. However, due to the complexity of effect factors, and different research methods, the impact mechanism of park cool island still lacks depth research. This paper compared current three main methods: field observation, remote sensing and GIS analysis, and numerical simulation to assess their advantage and disadvantage. Results suggest that with improving of model calculation capacity and precision, numerical simulation model combined ground measured data validation, will become the main research subject of park cool island at small scale. Statistical model based on remote sensing and GIS should take the nearby space and climate environment into consideration for getting the best ecological effects, mitigating urban heat island and improving the urban environment.

Key words: landscape architecture; park cool island effect; research methodology; impact mechanism

21世纪是城市的世纪,我国已进入以城市型社会为主体的城市时代,城市问题正在成为可持续发展工作的焦点问题[1-3]。城市化的高速发展,通常伴随着生态环境的恶化,其中,城市热岛效应是城市气候不同于其外部地域的最明显特征之一。虽然城市热岛效应本身不会像热带气旋、暴雨等强烈天气那样直接造成重大的自然灾害,但往往会通过改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边界层结构污染物传播和扩散规律而对人类生产生活产生间接的危害。[4]随着人们对城市热岛效应对自然环境、区域气候造成负面影响认识的加深,开始有更多的专家学者和政府官员关注如何减缓城市热岛效应以改善人类生活环境[5]。增加城市绿地和森林覆盖面积是减缓城市热岛效应的主要途径,但仍然有很多问题需要进一步研究和分析。如设置多大面积的公园绿地、选择何种空间格局及如何配置植被类型对缓解城市热岛效应及抑制污染物更加有效。

已有的研究表明:不同的公园面积、形态参数、植被配置、周边环境、风速风向等因素均会影响到城市“公园冷岛效应”的强度和作用范围,但分析结果差异性较大,也缺乏对其影响机制的深入研究。究其原因,一方面是由于研究对象本身的复杂性和差异性,如不同的城市气候背景、不同的城市工业化和城市化程度及不同的城市地表空间复杂性均导致城市“公园冷岛效应”不同的作用效果,难以建立具有普适性的“公园冷岛效应”定量关系模型;另一方面则是由于研究方法的差异,现有的“公园冷岛效应”研究方法主要有3类:地面监测、遥感与GIS分析和数值模拟研究。这3类方法各有利弊,各自采用的数据源及分析方法不同,也从不同尺度上解释了城市公园冷岛效应的影响因素、范围及机制。本文通过梳理国内外城市公园冷岛效应研究的相关文献,试图找到目前研究主要存在的问题,以期为城市公园冷岛效应的深入研究提供参考,使得其研究成果能够对城市公园规划设计提出指导,对改善城市热环境、实现城市整体节能降耗发挥其重要作用。

1 地面监测研究

基于地面观测的城市“公园冷岛效应”研究主要是通过对公园绿地及其周边进行特定时间或长期的气象监测,采用统计相关的分析方法,研究公园和周边环境温度场的空间和时间变化特征及其影响因素。通常采用的手段是在特定公园内部及周边布置固定的监测点,进行长期监测。如Doick等采用不同传感器对英国伦敦肯辛顿公园(Kensington Garden)及其邻近街区进行了为期5个月的温度监测,统计模型分析结果表明绿地减弱城市热岛效应的作用占整个区域的45%,公园冷岛效应影响范围最远至440m,区域降温最高至4℃[6]。也有采用流动方式同步测量公园内部及周围环境的水平及垂直气温分布。如Winston等使用自行车流动测量干热城市内一个校园及其周边地区0.01~3m高度的温度数据,研究城市公园冷岛效应的水平和垂直分布的结构,结果发现越接近地表温度越低,公园冷岛效应具有明显的垂直结构,而其在水平方向上的空间扩展则主要取决于公园冷空气与邻近城市地表间的对流[7]。还有对多个公园进行同期观测的,如Chang等利用空气温度测量仪分时段收集了中国台北市内61个城市公园的气象数据,并计算各公园的相应配置指标,发现约有1/5的公园,由于硬质铺地过多,林冠层面积较少,使园内气温要比周边气温高,且发现大型公园降温效果比小型公园好,但两者不存在线性关系[8]。国内也有较多类似的研究,如史欣等对帽峰山森林公园和广州市区2004年的月平均气温、月平均最高气温和月平均最低气温进行了统计,进而对帽峰山森林公园的“冷岛”效应进行了分析[9]。朱纯和熊咏梅结合植被种类和群落结构调查,对广州4个城市公园进行了为期30天的连续气象观测,并采用主成分排序法分析广州市公园的“冷岛”效应与植被、公园面积等因子之间的相关性,结果表明白天公园气温降低与公园面积、水体面积和乔木平均胸径呈正相关[10]。

地面监测研究方法,通过对公园内外部环境的详细解析,揭示了在城市微气候环境下城市公园冷岛效应的影响因素、影响范围及其时空变化特征等。但由于其研究对象的独特性,不同研究间结果差异性较大,再考虑到其周边空间格局和气候条件的差异,其结论往往只能定性,不具有推广性,比较适宜于斑块尺度上的公园冷岛研究,但难以对城市公园规划设计的具体策略提供参考,如什么样的植被配置或覆盖率能够产生更好的公园冷岛效应,影响更大的空间范围。

2 遥感与地理信息系统分析研究

遥感监测方法是指利用航空或航天传感器对城市下垫面及其地表温度进行实时观测。随着航空及卫星遥感技术的不断进步,应用遥感同GIS、GPS等技术结合的手段已成为城市热岛效应研究中应用最多、最有效和最直观实时的方法[11]。相应的,这些方法也被广泛应用于城市“公园冷岛效应”研究当中,通过遥感数据反演地表温度或大气温度数据,借助GIS空间信息数据,分析城市公园冷岛效应的强度与其公园内部空间特征之间的关系。如Cao Xin等利用ASTER数据和IKONOS数据计算了日本Nagoya城市92个公园的“公园冷岛效应”PCI(Park Cool Intensity)指数,与IKONONS提取的公园属性数据进行对应,计算结果发现 “公园冷岛效应”主要依赖于公园的大小和季节辐射条件,但公园大小与PCI指数并不是线性相关,PCI指数主要受树木和灌木的面积以及公园的形状影响[12]。冯晓刚和石辉采用Landsat T M数据的热红外波段反演地表温度,并与IKONOS数据解译结果进行统计分析,对西安市城区7个主要公园对周边区域热环境的降温效应进行研究,结果表明PCI指数与远离公园的距离两者间呈现非线性的关系特征,不同形态参数的公园对其周边区域的热环境影响不同[13]。Lin等利用遥感影像估测PCI效应的作用范围发现公园周边的降温程度与公园形状有关,中位值约为85~284m,相邻的公园间降温效果还会互相影响[14]。

尽管遥感观测相对于传统观测,具有空间覆盖范围大,时空分辨率高的特点,但始终存在一个反演精度的问题,需要依赖传统观测数据进行交叉验证,有专家学者指出遥感所得地表辐射温度为城区-大气交界层实际温度,与地表真实温度间的差异往往达到5~6K[15],直接使用遥感数据进行公园冷岛效应研究容易造成较大的误差,甚至是错误的结论。此外,与地面观测资料类似,遥感定量分析的城市公园冷岛效应是公园设计、气象条件以及周边环境共同作用的结果,并不能揭示其内在的影响机制。基于统计分析模型的研究方法,通过多个公园样本收集相关数据,可以得到公园冷岛效应强度与影响因子之间的统计模型。这种方法从景观尺度上揭示了公园内部及外部因素对公园冷岛效应的影响程度,并建立了不同区域和不同气候背景下的量化关系。然而,无论是地面监测还是遥感监测,其分析的数据是在复杂城市空间环境和大气环境下共同作用的结果数据,已有的研究往往只选取了公园内部因素来统计分析,忽视了其外围环境,尤其是局地微气候环境和周边土地利用空间格局对统计模型的影响,导致模型的可靠性和可解释性较差。这其中公园绿地设计策略到底发挥了多大的“冷岛效应”是统计回归模型难以解释和验证的。如Johansson和Emmanuel研究了5个不同植被覆盖率的城市峡谷,发现离海距离、高宽比以及峡谷的方向都会对大气热环境造成影响,并且其影响比植被覆盖更加重要[16]。可见,在景观尺度上的公园冷岛效应影响机制分析仍有待进一步研究,其影响因素不能局限于公园内部因素的比较,而应扩展到外围土地利用格局及局地气候特征的比较上。

3 数值模拟研究

以热力学和动力学为理论基础的边界层数值模式是进行地表能量平衡与温度场时空变化分析的机制模型。目前在城市“公园冷岛效应”研究中国际上最常用数值模式有流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)模式和三维微气候模型ENVI-met。数值模拟的优势在于可以控制和改变大气环境、空间格局及公园内部结构等条件,通过情景模拟比较分析不同影响因素对公园冷岛效应的影响和作用。如Vidrih等选择极端天气条件下不同风速的稳态大气层作为初始和边界条件,与三维CFD模型进行耦合分析,发现包括公园尺寸、近似的植被密度和叶面积的具体量化系数可以将降温作用标准化,当标准化参数(LAIsp)等于3.16时,降温最高可达4.8℃,相当于每公顷种植45棵树龄50年的树木所产生的效果[17]。而Juan等采用ENVI-met模型模拟现有社区公园和经过专家设计过后的公园在同等气象条件下的“冷岛”作用,结果发现经过设计的公园比现有社区公园的降温更加明显,并且影响范围扩展至公园外围[18]。Katia等也通过ENVI-met模型模拟了不同的建筑高度、建筑密度、植被覆盖度及屋顶绿化率等对城市热环境的影响[19]。国内学者从20世纪80年代开始通过城市边界层结构的动力、热力特征的研究来评估城市热岛效应,但利用数值模式模拟城市“公园冷岛效应”的研究工作开展较少。刘艳红等运用CFD数值模拟方法,结合RS技术,对5类常见绿地空间格局在垂直和水平方向上进行温度场和风速场数值模拟,以探讨绿地空间格局对城市热环境的影响程度及方式,并采用RS技术的相关参量和结果对CFD模型的参数设置进行修正[20]。

数值模拟是最具物理意义的方法,使用边界层模式能够方便地模拟各种条件下的城区及其周围郊区温、湿、风场的时空变化,从而深入研究城市“公园冷岛效应”影响机制。但有限的城市气象观测资料使得模式初始条件资料难以获取,城市下垫面以及空间环境的复杂性都使得模型的精度难以保证,更关键的是模式结果难以检验。但随着计算机能力的增强,模型能力的提升,以及实验数据的积累,数值模式模拟已逐渐成为城市公园冷岛研究的主要方法。如Middle等将地面观测数据与ENVI-met数值模型模拟结果进行对比验证,发现两者一致性(d)在0.97~0.99[21]之间,进而采用数值模型分析不同的景观格局、不同植被绿化率、不同屋顶绿化率对热环境的影响[22]。可见,经过实验验证的数值模型在公园冷岛效应影响机制研究中可以发挥重要的模拟作用,从而对城市公园绿地空间的规划设计进行有效的指导。

4 结论与探讨

公园冷岛效应是缓解城市热岛改善城市热环境的重要措施,大量研究表明城市公园对小气候的影响不仅表现在公园内部,同时对周边区域也有显著的影响,其强度及影响范围与公园设计、城市空间环境及局地气候环境等因素之间存在联系。不合理的公园规划与设计也可能导致城市公园的气温比周边气温高,从而降低了城市公园绿地的生态效应作用。然而,目前的研究对于城市公园到底如何影响周边的环境,公园冷岛效应强度在多大程度上是取决于它所在的位置及其周边环境,还是其内部的景观设计,这些影响机制还缺乏深入的分析。通过梳理国内外相关研究文献,笔者认为现有的3种方法各有利弊,并且适宜于不同尺度上的公园冷岛效应研究,未来研究方向应集中在以下2个方面。

4.1 斑块尺度上与地面或遥感观测相结合的数值模拟研究

在斑块尺度上,数值模式模拟通过物理学和力学模型,在一定程度上能够解释城市微气候影响下特定空间范围内的城市公园冷岛效应作用机制,但其模拟结果难以验证,并且受输入参数及计算范围的影响较大。只有充分结合地面观测、遥感监测及数值模式模拟的研究手段,不断积累实验数据,发展可靠的验证方法,提高各种模型的分辨率与精度,才能促进城市公园冷岛效应影响机制研究工作不断向前发展,从而为城市公园的规划设计提供科学的理论依据和设计指引。

4.2 景观尺度上结合公园外部影响因素的统计分析模型研究

已有的景观尺度公园冷岛分析往往忽视了对公园外部影响因素的分析,在进一步的研究分析中应加以考虑,如结合中尺度的大气模型引入城市局部气候背景,从景观生态学入手加入公园周边环境的空间格局分析。只有在充分考虑周边影响因子的条件下,才能够深入理解中宏观尺度上公园冷岛效应的影响机制,通过公园面积、形状、配置等城市规划可调控的设计因子来对周边环境产生积极影响,进而发挥城市公园缓解城市热岛问题、改善城市热环境的重要生态效益。

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(编辑/王媛媛 王吉伟)

作者简介:

辜智慧/1979年生/女/湖北人/博士/深圳大学建筑与城市规划学院副教授/研究方向为城市生态学(深圳 518060)

刘雅婷/1991年生/女/广东人/深圳大学建筑与城市规划学院在读硕士研究生/研究方向为城市生态学(深圳 518060)

袁 磊/1976年生/男/山东人/博士/深圳大学建筑与城市规划学院教授/研究方向为绿色建筑(深圳 518060)

谭明艳/1981年生/女/湖北人/硕士/工程师/深圳市国家气候观象台/研究方向为气候观测(深圳 518000)

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