章 莉 詹慶明 藍(lán)玉良

武漢，位于中國(guó)的中部，東經(jīng)113°41'～115°05'，北緯29°58'～31°22'之間，主城區(qū)420km2，居住著約400萬(wàn)人。武漢屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候，具有光能充足、熱量豐富、夏熱冬冷、四季分明的特點(diǎn)。早在20世紀(jì)80年代，武漢就被譽(yù)為全國(guó)“四大火爐”之一。隨著全球氣候變暖、城市化快速推進(jìn)，武漢夏季高溫持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，且高溫逼近40℃，嚴(yán)重干擾著城市中居民的生產(chǎn)生活，為城市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響，從而降低城市中居民的生活品質(zhì)。

綠地被認(rèn)為是一種能降低城市溫度、緩解熱島效應(yīng)的有效途徑[1-4]。居住用地占城市用地比重較大，氣候適宜的居住環(huán)境有利于人們戶(hù)外休閑活動(dòng)，有助于鄰里交往，營(yíng)建和諧的社會(huì)氛圍。一些學(xué)者在研究居住區(qū)戶(hù)外熱環(huán)境時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑形式和景觀(guān)類(lèi)型均影響夏季小區(qū)戶(hù)外氣溫[5]，下午小區(qū)中陰影面積以及太陽(yáng)直射面積對(duì)組團(tuán)內(nèi)氣溫影響較大[6]。與草地相比，喬木能產(chǎn)生較大遮陰，降溫效果較為顯著；隨著喬木覆蓋率增加，溫度降低越多[7-8]。研究者也發(fā)現(xiàn)不同植物對(duì)溫度調(diào)節(jié)作用存在差異[9-11]。然而，武漢居住區(qū)綠地規(guī)劃建設(shè)時(shí)，依據(jù)《武漢市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃1996—2020》中提出的“新建居住小區(qū)綠地率不得低于30%”執(zhí)行[12]，但規(guī)定中指出的綠地率下限是否能有效緩解居住小區(qū)中夏季高溫問(wèn)題，不得而知。

為建設(shè)更為舒適、生態(tài)的武漢夏季城市環(huán)境，本文從與人們生活最相關(guān)的、占地比例最大的居住用地入手，分析當(dāng)下武漢市主城區(qū)居住空間形態(tài)，利用三維微氣候模型ENVI-met模擬夏季居住用地中不同比例綠地率、不同比例喬木覆蓋率對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用，研究目的：1)驗(yàn)證規(guī)定中的綠地率是否能發(fā)揮緩解熱島效應(yīng)作用；2)提出適合武漢居住用地空間形態(tài)的綠地率；3)提出適宜的喬木覆蓋率。從緩解武漢市夏季熱島效應(yīng)著手，為居住區(qū)綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)提供量化依據(jù)。

1 研究方法

1.1 武漢市居住區(qū)布局

利用GIS平臺(tái)，對(duì)2013年武漢城市用地現(xiàn)狀圖中居住用地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。武漢主城區(qū)居住用地包含3種類(lèi)型，一類(lèi)居住用地(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R1)以低密度的別墅為主，在主城區(qū)居住用地中約占3%；二類(lèi)居住用地既有20世紀(jì)80年代修建的多層居住小區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R21)，也有21世紀(jì)新建的中、高層住宅(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R22)，占所有居住用地的50%；三類(lèi)居住用地(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R3)是以低層住房為主，房屋配套設(shè)施差，建筑密度大，約占總居住用地47%。

結(jié)合2013年武漢市建筑普查數(shù)據(jù)，對(duì)居住用地中的建筑基地面積、建筑密度、容積率、平均建筑高度等屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用Spss10.0分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)分布情況進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)，提取普遍的各建筑指標(biāo)值(表1)，用于構(gòu)建各類(lèi)居住用地標(biāo)準(zhǔn)模型。

表1 武漢市居住用地普遍開(kāi)發(fā)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

將2013年建筑普查數(shù)據(jù)與2013年城市用地圖疊加，分析居住用地中建筑布局。分析結(jié)果顯示：3種不同類(lèi)型的居住用中建筑的布局呈現(xiàn)明顯的差異(圖1)。一類(lèi)居住用地以獨(dú)棟建筑行列式布局，二類(lèi)居住用地建筑布局呈現(xiàn)多層與中、高層2種不同的布局形式，三類(lèi)居住用地則表現(xiàn)為較密集的行列式布局。

結(jié)合3種居住用地建設(shè)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和各異的空間布局，在200m×200m的地塊中繪制3種居住用地標(biāo)準(zhǔn)模型。3種居住用標(biāo)準(zhǔn)模型中單體建筑面積、建筑高度、容積率、建筑密度等指標(biāo)(表2)，在現(xiàn)狀居住建筑布局基礎(chǔ)上，兼顧2014年1月武漢市開(kāi)始實(shí)行的《武漢市建設(shè)工程規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定》，合理布局建筑(圖2)。

圖1 武漢市3種居住用地典型布局圖

1.2 ENVI-met模型模擬

1.2.1 模型驗(yàn)證

圖3 實(shí)測(cè)場(chǎng)地及區(qū)位

實(shí)地測(cè)量[13-15]和模型模擬[16-21]是2種常用的研究綠地調(diào)節(jié)溫度效果的方法。ENVI-met是德國(guó)Michael Bruse開(kāi)發(fā)的一款用于微觀(guān)尺度城市微氣候研究的模擬軟件，它以空間分辨率0.5～10m、時(shí)間分辨率10s的精度研究城市街區(qū)地表要素與大氣間相互作用的模型，是被證實(shí)的研究地表要素與大氣間作用切實(shí)可靠的模型[22-24]。

實(shí)驗(yàn)選址為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)西苑小區(qū)中部，東西向約160m，南北向約150m。以多層(6層)和小高層(11層)建筑行列式布局(圖3)，宅間布置道路和綠地，屬于典型的居住小區(qū)布局形式。小區(qū)建設(shè)已有10年，喬木長(zhǎng)勢(shì)良好。小區(qū)東側(cè)1.8km處有一自主氣象站，為實(shí)測(cè)提供區(qū)域氣象數(shù)據(jù)。

夏季2016年8月16日?qǐng)龅剡M(jìn)行實(shí)測(cè)，夏季主要是關(guān)注綠地對(duì)溫度的影響，觀(guān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、3位于樹(shù)下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、4緊鄰綠地，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5位于喬木旁。5組儀器分別放置于觀(guān)測(cè)點(diǎn)，每組儀器包含HOBO溫濕度儀、里氏(LIS-LASTEM)熱線(xiàn)風(fēng)速儀和黑球溫度探頭(黑球直徑15mm)。實(shí)測(cè)時(shí)間9：00—18：00，每組儀器每分鐘自動(dòng)記錄溫度、濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)。

依據(jù)實(shí)測(cè)空間內(nèi)多層建筑和小高層建筑尺度和高度，在ENVI-met V4.0主體模型中構(gòu)建建筑模型，其中水平網(wǎng)格分辨率為2m，垂直方向起始網(wǎng)格0.9m，向上以20%增幅遞增。結(jié)合武漢市小區(qū)常用喬木，依據(jù)樹(shù)種季相、高度和樹(shù)形，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)使用率較高的喬木構(gòu)建模型。模擬時(shí)所設(shè)置邊界氣象條件由附近自主氣象站獲取，ENVI-met模型中氣象參數(shù)、植被和建筑有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。模擬從當(dāng)日6：00開(kāi)始，模擬48h，前24h是模型充分計(jì)算時(shí)間，后24h數(shù)據(jù)用于實(shí)測(cè)對(duì)比分析。

從模擬結(jié)果中提取實(shí)測(cè)點(diǎn)15：00對(duì)1.5m高的空氣溫度，將實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5)，兩者呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2為0.889，這說(shuō)明用ENVI-met模型比較可靠，可以用于本次研究。

圖4 實(shí)測(cè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖5 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相關(guān)性分析

表2 武漢市居住用地標(biāo)準(zhǔn)模型建筑指標(biāo)

表3 ENVI-met 模型驗(yàn)證參數(shù)

1.2.2 模型模擬

本次研究著重于分析不同綠地率、喬木覆蓋率與場(chǎng)地溫度的關(guān)系，利用微氣候模擬軟件分別對(duì)“無(wú)綠地”“草地”“草地+喬木”3種情景進(jìn)行模擬：“草地”情景中，將草地綠地率從15%開(kāi)始，以10%梯度增加至草地鋪滿(mǎn)整個(gè)居住空間；“草地+喬木”情景是在 “草地”情景之上，以5%的增幅布置喬木。綠地與喬木均衡布置，喬木選用武漢市常用基調(diào)樹(shù)種樟樹(shù)，2個(gè)喬木最小間距6m均勻分布于綠地中。最終，對(duì)4種居住空間布局共226種情景進(jìn)行模擬研究。

ENVI-met中建模使用水平方向網(wǎng)格2m×2m，垂直方向選用嵌套網(wǎng)格：0.9m高、向上以20%增幅分布。選擇武漢市夏季炎熱8月中的一天2015年8月22日進(jìn)行模擬，各氣象參數(shù)見(jiàn)表4，模擬時(shí)間從6：00開(kāi)始，模擬48h，每小時(shí)讀取模擬數(shù)據(jù)，植物參數(shù)設(shè)置與模擬驗(yàn)證時(shí)一致。

圖6 草地與場(chǎng)地平均空氣溫度相關(guān)性分析

圖7 草地對(duì)空氣溫度調(diào)節(jié)作用分析

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)綠地時(shí)居住用地溫度分析

模擬結(jié)果(表5)顯示：3種居住用地中平均空氣溫度有差異，但氣溫均在36℃以上，氣溫偏高。其中R1溫度最高39.4℃，R2最低36.8℃，R3處于中間37.4℃。從建筑高度看，R2類(lèi)建筑高度遠(yuǎn)高于R1、R3類(lèi)，15：00，R2用地內(nèi)建筑形成遮陰比R1和R3多，使得R2用地內(nèi)平均空氣溫度較R1和R3低。R1類(lèi)與R3類(lèi)建筑高度類(lèi)似，均在10m以下，但R3用地中建筑布局較密，直接受太陽(yáng)輻射的地表面積較R1類(lèi)少，且R3用地中建筑高度與建筑間距的比值較R1類(lèi)的大，表示R3類(lèi)地表接受太陽(yáng)輻射時(shí)間較R1短，進(jìn)而R3中空氣溫度較R1低。

2.2 草地調(diào)節(jié)溫度效果分析

綠地中無(wú)喬木時(shí)，隨著草地面積增加，居住用地中的平均溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，草地面積與平均空氣溫度表現(xiàn)為線(xiàn)性負(fù)相關(guān)(圖6)，這表明草地能降低場(chǎng)地空氣溫度；隨著草地面積增加，場(chǎng)地平均空氣溫度降低越多。將各類(lèi)不同綠地率(草地)中平均空氣溫度與無(wú)綠地時(shí)比較，獲得各類(lèi)居住用地草地的降溫效果(圖7)：草地規(guī)模從15%至綠地率最大化的過(guò)程中，降溫效果在0～0.45℃。受建筑高度、建筑密度等因素影響，同樣綠地率情況下，不同建筑布局下，草地對(duì)場(chǎng)地空氣溫度調(diào)節(jié)作用也有所差異：R22中草地降溫效果最弱； R3中草地調(diào)節(jié)溫度效果相對(duì)較好。從模擬結(jié)果分析，草地對(duì)夏季熱環(huán)境起到積極調(diào)節(jié)降低作用，但是草地對(duì)空氣溫度降低作用不顯著。

2.3 喬木調(diào)節(jié)溫度效果分析

將“草地+喬木”情景與“無(wú)綠地”情景進(jìn)行比較。分析R1類(lèi)用地，如圖8所示，當(dāng)喬木覆蓋率為0時(shí)，綠地對(duì)溫度調(diào)節(jié)作用較弱，僅降低0.18～0.43℃；當(dāng)喬木覆蓋率增加至5%時(shí)，綠地可以有效降低場(chǎng)地溫度0.72～1.0℃；隨著喬木數(shù)量增多，綠地對(duì)場(chǎng)地的降溫效果也明顯加強(qiáng)，當(dāng)喬木覆蓋率達(dá)到75%時(shí)，場(chǎng)地內(nèi)平均溫度降低了7.58℃，比僅有草地時(shí)又降低了7℃。由此可見(jiàn)，喬木對(duì)場(chǎng)地降溫作用非常顯著。結(jié)果也顯示：當(dāng)喬木覆蓋率相同時(shí)，不同綠地率下呈現(xiàn)的場(chǎng)地平均溫度差異較小，這表明喬木的降溫效果遠(yuǎn)大于草地降溫效果，武漢市喬木對(duì)緩解夏季高溫起到重要調(diào)節(jié)作用。

其他3種居住布局模擬結(jié)果與R1呈現(xiàn)相同的規(guī)律：隨著喬木覆蓋率的增大，場(chǎng)地內(nèi)1.5m高的空氣溫度降低越多，喬木較草地而言對(duì)場(chǎng)地降溫作用顯著。

模擬結(jié)果也表明：當(dāng)喬木覆蓋率相同時(shí)，隨著綠地率的增加，綠地降溫作用并沒(méi)有持續(xù)增強(qiáng)。如R1中，當(dāng)喬木覆蓋率為20%時(shí)，25%綠地率情景下綠地降溫效果優(yōu)于35%綠地率情景，這主要是因?yàn)樵谧裱瓎棠揪獠季衷瓌t下，當(dāng)綠地面積增加時(shí)，喬木的位置發(fā)生了變化，如圖9所示，這表明喬木布局也會(huì)影響綠地降溫效果，但與喬木覆蓋率相比，喬木布局的影響較小。

喬木覆蓋率相同時(shí)，綠地率變化對(duì)溫度影響較弱，因此忽略綠地率變化，將喬木覆蓋率相同時(shí)場(chǎng)地平均空氣溫度與無(wú)綠地時(shí)比較，獲取不同類(lèi)型居住空間喬木的平均降溫效果(圖10)。喬木在R22中降溫效果遠(yuǎn)低于其他3種居住空間，這主要是因?yàn)镽22中建筑較高，15：00時(shí)形成較多遮陰，導(dǎo)致其空間中喬木產(chǎn)生陰影所發(fā)揮的降溫作用較其他3種類(lèi)型都弱，香港大學(xué)吳恩融教授在研究香港地區(qū)植物對(duì)溫度調(diào)節(jié)作用時(shí)也發(fā)現(xiàn)同樣喬木覆蓋率情況下，建筑越高，其降低溫度效果越明顯。

為進(jìn)一步分析喬木覆蓋率變化對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以泡泡圖的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中X軸表示綠地率變化，Y軸是降溫效果，泡泡大小則代表喬木覆蓋率。4種居住布局喬木覆蓋率變化降溫效果分析見(jiàn)圖11。結(jié)果表明： R1中，當(dāng)喬木覆蓋率以5%的增幅增加時(shí)，場(chǎng)地降溫效果越來(lái)越顯著，但是喬木覆蓋率從0～30%的變化過(guò)程中，每增加5%的喬木覆蓋率，場(chǎng)地平均溫度降低約0.7℃；喬木覆蓋率為30%～50%時(shí)，每增加5%的喬木覆蓋率，場(chǎng)地平均溫度降低約0.5℃；喬木覆蓋率到達(dá)50%～65%時(shí)，每增加5%的喬木覆蓋率，場(chǎng)地平均溫度降低約0.3℃；當(dāng)喬木覆蓋率達(dá)到65%時(shí)，再增加5%的喬木覆蓋率，場(chǎng)地平均溫度降低僅約0.1℃。這表明：盡管隨著喬木覆蓋率的持續(xù)增加，喬木降低場(chǎng)地1.5m高處空氣平均溫度是越來(lái)越顯著，但是當(dāng)綠地覆蓋率達(dá)到30%時(shí)，每增加相同量的喬木數(shù)，其有效降低空氣溫度的能力在減弱。

以相同的方法對(duì)R21、R22和R3進(jìn)行分析，分析發(fā)現(xiàn)在其他3種類(lèi)型居住布局中，喬木覆蓋率遞增與喬木降溫效果之間有相似的規(guī)律。

上述分析可知：?jiǎn)棠緦?duì)居住用地1.5m高空氣平均溫度調(diào)節(jié)起到重要作用，隨著喬木覆蓋率的增加，喬木降低場(chǎng)地平均溫度的效果越顯著，但是隨著喬木覆蓋率的增大，單位喬木有效降低溫度的效能并非一成不變，當(dāng)喬木覆蓋率超過(guò)一定規(guī)模時(shí)，單位喬木調(diào)節(jié)溫度作用變?nèi)?。誠(chéng)然，城市居住建設(shè)時(shí)，喬木規(guī)劃建設(shè)受到居民活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、管理等諸多因素限制，不可能無(wú)限制種植喬木；研究結(jié)果也表明：一類(lèi)居住用地和二類(lèi)居住中有效調(diào)節(jié)溫度的喬木覆蓋率為25%～30%，可以降低場(chǎng)地平均空氣溫度3.5～4℃；3類(lèi)居住用地中喬木覆蓋率15%時(shí)， 喬木能有效降低場(chǎng)地平均空氣溫度2.5℃。

圖8 喬木覆蓋率與溫度變化分析

圖9 綠地布局：R1-G25-T25(9-1)；R1-G35-T25(9-2)

3 結(jié)論

為緩解武漢夏季熱環(huán)境，營(yíng)造更為舒適的居住空間，本文基于武漢市居住用地現(xiàn)狀提取4種典型布局，借助ENVI-met模型模擬不同綠地率和喬木覆蓋率情景下，夏季15：00時(shí)綠地對(duì)場(chǎng)地1.5m高空氣溫度改善情況。

1)當(dāng)無(wú)綠地時(shí)，居住區(qū)內(nèi)氣溫偏高。建筑高度、建筑密度對(duì)場(chǎng)地溫度影響較大：建筑密度相似時(shí)，建筑高度越高，15：00建筑形成更多遮陰，使得場(chǎng)地平均空氣溫度較低；建筑高度相似時(shí)，建筑密度越大，直接接受太陽(yáng)輻射的地表面積較少，場(chǎng)地空氣溫度較低。

圖10 綠地喬木降溫效果分析

表4 2015年8月22日武漢市氣象數(shù)據(jù)

表5 4種居住模型無(wú)綠地時(shí)場(chǎng)地平均空氣溫度

圖11 綠地降溫效果分析

2)綠地可以降低場(chǎng)地空氣平均溫度。當(dāng)居住用地中無(wú)喬木時(shí)，隨著草地規(guī)模擴(kuò)大、綠地率增加，場(chǎng)地平均溫度與綠地率呈現(xiàn)線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，但草地能有效調(diào)節(jié)空氣溫度的能力較弱， 草地降溫效果并不顯著。

3)與草地相比，喬木具有高效的降溫能力，隨著喬木覆蓋率的增加，場(chǎng)地空氣平均溫度較無(wú)綠地時(shí)溫度降低越來(lái)越多，但是，單位喬木量對(duì)溫度改善能力隨著喬木覆蓋率增加而降低，一類(lèi)居住用地和二類(lèi)居住用地，發(fā)揮喬木最佳降溫效能的喬木覆蓋率是25%～30%，3類(lèi)居住用地喬木覆蓋率則是15%。

目前，居住區(qū)綠地規(guī)劃中，總體規(guī)劃明確各類(lèi)居住用地綠地率控制要求，但對(duì)于緩解武漢市夏季熱環(huán)境，僅有綠地率要求略顯薄弱，喬木對(duì)溫度起到重要的調(diào)節(jié)作用，研究者也證實(shí)喬木降溫作用80%是由于喬木形成遮陰[25-26]，因而，需在城市用地控制性規(guī)劃層面補(bǔ)充和完善場(chǎng)地中喬木覆蓋率的界定，更好地發(fā)揮綠地的生態(tài)效益。本次研究喬木覆蓋率的量化界定對(duì)完善居住區(qū)綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)起到了很好的指導(dǎo)作用，為營(yíng)造舒適的夏季居住環(huán)境提供可能。誠(chéng)然，3類(lèi)居住用地建筑密度較高、建筑間間距較小，以增加喬木的方式調(diào)節(jié)高溫的途徑并不適用；再者，不同喬木種類(lèi)、喬木布局也會(huì)影響降溫效果，后續(xù)將深入、完善居住區(qū)綠地降溫效果研究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。