卓志雄,吳天杰,洪長興,黃啟堂

(1.廈門大學 嘉庚學院,福建 龍海 363105；2.福建農(nóng)林大學 園林學院,福州 350002)

城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island Effect,簡稱UHI)是城市中心區(qū)比城市周圍郊區(qū)溫度高的一種現(xiàn)象[1]。由于城市化的影響,城市熱島效應(yīng)已成為人類健康和能源消耗的威脅,對城市生態(tài)環(huán)境等方面產(chǎn)生了一系列負面的影響[2-4]。城市熱島效應(yīng)會引起夏季能源消耗的增加、溫室氣體的過度排放,從而干擾城市可持續(xù)性的發(fā)展和破壞城市生態(tài)環(huán)境[5]。熱島效應(yīng)問題導致的高溫現(xiàn)象還可能會引起城市居民身體不適、中暑等與熱環(huán)境相關(guān)的疾病,從而影響城市居民的戶外活動、身體健康和熱舒適度[2,6]。隨著全球城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展以及全球氣候變暖,熱島效應(yīng)問題將日益凸顯[7]。近期,福州市被中國氣象局國家氣候中心評為四大“火爐城市”之首,由此可見,福州市熱島效應(yīng)問題較為嚴重,熱環(huán)境問題亟需妥善解決[8]。相關(guān)研究成果表明,緩解城市熱島效應(yīng)最有效的途徑是提升城市中的綠量,這在一定程度上可使城市降溫1℃,并且節(jié)能10%[9-10]。

由于城市化的迅速發(fā)展,城市發(fā)展建設(shè)的用地需求無法滿足城市中央公園的開發(fā)和城市公園數(shù)量的無限增加?？诖珗@(Pocket park)又被稱為袖珍公園,實質(zhì)上就是小型的城市自然綠色開放空間,最早是由風景園林師羅伯特·宰恩提出的,他所表達的是一種游人能夠隨時在那里得到逗留、休息的空間[11]。這一類型的袖珍公園因為具有面積小、選址靈活的特點,一般作為新型公園建于緊湊型高密度的城市中心區(qū)。它可以遠離交通的噪聲喧嘩,形成一個具有私密性和安全感的綠色活動空間。同時,它能夠解決高密度城市中居民對公園綠地的要求,其天然屬性在一定范圍內(nèi)可以發(fā)揮降溫增濕的作用,由此改善城市熱環(huán)境[12-15]?？诖珗@作為城市公園重要組成部分,在塑造城市中起著極其重要的作用。因此,探討口袋公園在有限的空間中如何發(fā)揮最大的生態(tài)效益,對提升城市的人居環(huán)境具有重要現(xiàn)實意義。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

福州市是福建省省會,位于福建省閩江下游出?？?地理坐標為25°15′～26°39′N,118°08′～120°31′E,是福建省的政治、經(jīng)濟、文化、交通、科研中心。根據(jù)《福州市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃(2015—2020年)》(1)福州市規(guī)劃設(shè)計研究院.福州市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃(2015—2020年).2016.獲得福州市夏季(7—9月)中心城區(qū)地表溫度概況和熱環(huán)境指數(shù)概況,福州市中心城區(qū)內(nèi)的地表溫度在30℃以上的區(qū)域占中心城區(qū)總面積約為88%,在三環(huán)內(nèi)除了閩江流域幾乎沒有出現(xiàn)30℃以下區(qū)域,三環(huán)內(nèi)地表溫度高于40℃的面積占比59.6%,由此分析得出福州市夏季城市熱島效應(yīng)嚴重,熱環(huán)境舒適度較差。

1.2 樣地選擇

根據(jù)福州城區(qū)地表溫度圖與熱環(huán)境指數(shù)分級圖,選取地表溫度較高且酷熱的福州中心城區(qū)區(qū)域。通過參考福州綠地系統(tǒng)規(guī)劃概況,發(fā)現(xiàn)鼓樓區(qū)城市建筑密度較大,口袋公園數(shù)量多,分布比較廣泛,且類型眾多,所以本研究的樣地選址主要以鼓樓區(qū)域為主,最終選取出15處不同形態(tài)特征且具有代表性的城市口袋公園作為研究對象。其中包含了同壽園、王南湖公園、光祿坊公園、西洪公園、洋下公園、左海社區(qū)室外文化活動廣場、青年廣場、榕蔭廣場、力寶天馬廣場、文廟前廣場、福州廣場、西二環(huán)萬科九如府前廣場、烏塔公園、鼓樓前公園、冶山春秋公園(圖1)。

圖1 樣地選擇分布圖

1.3 數(shù)據(jù)來源

為了量化口袋公園景觀特征和城市設(shè)計特征,本文采用了一些設(shè)計特征指標進行后續(xù)的相關(guān)分析,通過ArchGIS軟件以及GoogleMaps的鳥瞰圖片,

根據(jù)矢量化公園和綠地,計算得出綠化面積、公園面積和周長、形狀指數(shù)的數(shù)據(jù)。其中形狀指數(shù)為口袋公園的周長與面積之比即為形狀指數(shù),可以用于反映城市綠地的形狀復雜程度,計算公式如下:

(1)

式中:C為公園的周長,A為口袋公園的面積,D為形狀指數(shù)。

城市設(shè)計指標通常被規(guī)劃設(shè)計師廣泛應(yīng)用于城市早期規(guī)劃階段,以此控制城市發(fā)展的強度。從城市規(guī)劃的角度來看,操縱城市土地利用強度是緩解城市熱環(huán)境的重要策略,特別是城市中的建筑密度和容積率[16]。因此,本研究引入了建筑密度和容積率指標進行分析,并運用ArchGIS軟件計算建筑密度和容積率,基于該場地邊界提取口袋公園和城市形態(tài)特征數(shù)據(jù)?？诖珗@研究對象的場地特征,如表1所示。

表1 研究對象場地特征統(tǒng)計表

1.4 研究方法

本研究參照國外學者Steemers[17]研究中的數(shù)據(jù)分析方法,以400m×400m作為研究的立地邊界,范圍涵蓋選定的口袋公園及其周邊街道地區(qū)。本研究中的測量點是精心選擇的,以反映特定地區(qū)的氣候狀況。為了最大限度地發(fā)揮設(shè)計特性的變化,選擇了具有不同特征的實測點,如,公園中心點、公園周邊點、街道交叉口點、街道中間點、遮陰點、無遮蔭點等。與其他研究相比,本研究中的測量網(wǎng)格比較密集,每個地點的測量點包括口袋公園內(nèi)的和周圍街道上的,以便進行分析比較研究(圖2)。

圖2 15處口袋公園實測點分布以及研究邊界

熱環(huán)境實測方案采用Kestrel5400熱應(yīng)力跟蹤儀,其為美國NK手持綜合氣象站的新一代產(chǎn)品,解決了傳統(tǒng)氣象站重量大、移動不便的問題,是新型專業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與記錄儀。由于夏季的熱島強度可能加劇室內(nèi)和室外的熱應(yīng)力并增加制冷負荷,且7—9月是福州較為炎熱的月份,午后13:00—15:00溫度通常超過33℃。因此,本研究著重于夏季7—9月,所有現(xiàn)場實測都在這段時間內(nèi)進行。夏季的熱島強度較為嚴峻,為了減少由云量不穩(wěn)定引起的實測誤差和保證測試的精確度,本研究選擇連續(xù)的夏季高溫晴朗,無雨天氣進行實測[18-20]。在本次研究的實測期間,用三腳架將實驗儀器固定在距地面1.5m高處,能最為準確地獲得人體熱環(huán)境感知的數(shù)據(jù)[21]。由于實驗儀器數(shù)量有限,每個地點的實測點比較多,不能同時測量,故對研究范圍內(nèi)的口袋公園逐一進行連續(xù)移動測量[22-24]。在結(jié)合相關(guān)學者的研究基礎(chǔ)上,對15處福州市口袋公園進行連續(xù)3天的實測,每次實測時間從9:00—21:00,涵蓋了白天最熱的時期和人們戶外活動仍然活躍的早期夜間時期[25-26]。在此期間,每小時進行一次移動實測,每天共進行13輪實測。

2 結(jié)果與分析

2.1 口袋公園與周邊場地熱環(huán)境的差異性比較

通過獲取的實測數(shù)據(jù)計算得到表2和表3,得知在既定的場地內(nèi),大部分口袋公園的日間平均溫度比周圍環(huán)境都要低0.45℃,溫度最高相差1.038℃,最低相差0.108℃。在夜間,口袋公園斑塊內(nèi)部平均溫度為29.15℃,周邊平均溫度為32.86℃,兩者相差3.71℃,與白天相比,口袋公園夜間平均溫度與周圍環(huán)境相差較大,說明夜間的城市熱島效應(yīng)更為嚴重?？诖珗@作為城市綠地中的重要組成部分,因為斑塊內(nèi)的溫度比周邊場地溫度要低而成為城市中獨立的冷島,可形成一個濕潤、涼爽的小氣候,這種現(xiàn)象被稱為冷島效應(yīng)(Cold island effect)[27]。

表2 口袋公園與周邊日間平均溫度比較

表3 口袋公園與周邊夜間平均溫度比較

公園與周邊居住區(qū)對于太陽輻射的反射率不同,周邊居住區(qū)在日間的輻射下溫度驟增,由于大氣流動作用,熱量被帶到城市綠地上空,形成一個上熱下冷的逆溫層。而上下兩層空氣中的熱量難以交換,下層公園由于植物蒸騰作用以及比熱容大等原因,產(chǎn)生的冷空氣得以保持穩(wěn)定,由此產(chǎn)生冷島效應(yīng)。公園冷島(Park cool island,簡稱PCI)通常用來定義綠地的冷卻效果,可通過從周圍區(qū)域測得的溫度減去公園內(nèi)部測得的溫度來計算PCI值[28]。由圖3可以看出,所有口袋公園之間的PCI值差異在白天波動比較大,并且隨著時間的變化逐漸減小。在早期夜間,空氣溫度差異幅度較小,冷島效應(yīng)強度在晚9點基本保持在0～0.5°C范圍內(nèi)。由此可以得出,口袋公園在白天和夜間都比周圍的城市街道涼爽,尤其在白天特別明顯,這意味著口袋公園在微觀尺度上可以改善城市熱環(huán)境。

圖3 各個口袋公園冷島效應(yīng)的比較分析

2.2 口袋公園景觀特征與熱環(huán)境的關(guān)系

2.2.1口袋公園綠化覆蓋率與熱環(huán)境的關(guān)系

對上述的15個口袋公園斑塊的日間平均溫度和綠化覆蓋率進行相關(guān)分析,計算得到 Pearson 相關(guān)系數(shù)r=-0.745,在0.01水平上顯著性相關(guān),這充分說明綠地斑塊平均溫度和綠化覆蓋率具有顯著相關(guān)性(表4)。通過模型進行分析,如圖4所示,發(fā)現(xiàn)口袋公園綠化覆蓋率和其日間平均溫度的擬合優(yōu)度為0.614,擬合度較好,F檢驗的P值小于0.01。對口袋公園綠化覆蓋率和其日間平均溫度關(guān)系進行回歸分析得到方程為:

y=-4.709×lnx+51.254 (R2=0.614)

(2)

表4 綠化覆蓋率與日間平均溫度的相關(guān)性分析

圖4 綠化覆蓋率對斑塊內(nèi)日間 夜間溫度的統(tǒng)計關(guān)系

因此,當口袋公園的綠化覆蓋率逐漸增高,對應(yīng)的日間平均溫度也會降低。通過回歸分析可以看出綠化覆蓋率與口袋公園斑塊夜間平均溫度之間顯示微弱的負相關(guān)關(guān)系,這可能由于樹木在夜間可能會阻擋來自地面的長波輻射,較高的綠化覆蓋率可能導致夜間熱環(huán)境變差。

2.2.2口袋公園面積與熱環(huán)境的關(guān)系

圖5為口袋公園面積與其內(nèi)部日間和夜間氣溫關(guān)系的直線回歸模型模擬,得到回歸方程分別為:

y=-0.000316x+33.23(R2=0.502)

(3)

y=0.000105x+28.752(R2=0.023)

(4)

由圖可知,口袋公園斑塊日間平均溫度隨著面積的增加,呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,對平均溫度和面積進行相關(guān)分析,計算得到Pearson相關(guān)系數(shù)r=-0.709,在顯著性水平α=0.01上,這充分說明,口袋公園日間平均溫度和面積具有顯著相關(guān)性,并且是顯著的負相關(guān)關(guān)系。由此可以得出,隨著口袋公園面積的增加,其對應(yīng)的溫度也逐漸減小。在夜間環(huán)境中,平均氣溫受到口袋公園面積的增大影響很小,對兩者進行相關(guān)性分析,得到Pearson 相關(guān)系數(shù)r=-0.150,說明兩者在夜間口袋公園面積與溫度兩者之間的相關(guān)性并不顯著。因此,相對夜晚來說,公園面積與熱環(huán)境的關(guān)系在日間較為顯著。

圖5 面積對斑塊內(nèi)日間溫度的統(tǒng)計關(guān)系

2.2.3口袋公園周長與熱環(huán)境的關(guān)系

通過對口袋公園周長與溫度進行二次項分析,結(jié)果如圖6所示,發(fā)現(xiàn)樣本整體上比較發(fā)散,不具備高度相關(guān)性,起初平均溫度隨著周長的增大而變大,當周長達到300m時,平均溫度呈現(xiàn)出一個較高值,之后隨著口袋公園周長的繼續(xù)增大,平均溫度會隨之下降。因此,在口袋公園周長小于300m范圍的時候,口袋公園對應(yīng)的平均溫度隨著周長增大呈現(xiàn)上升的趨勢；當周長超過300m的時候,平均溫度與口袋公園周長呈負相關(guān),隨著周長的增大,其對應(yīng)的平均溫度會隨之迅速減小。

圖6 周長對斑塊內(nèi)日間 夜間溫度的統(tǒng)計關(guān)系

2.2.4口袋公園形狀指數(shù)與熱環(huán)境的關(guān)系

形狀指數(shù)是周長與面積之比的數(shù)值,形狀指數(shù)越大表明周長面積比越大,綠地斑塊的形狀也較復雜,并且與其周邊場地的熱交換的能力就越大。通過對形狀指數(shù)和其內(nèi)部平均溫度進行統(tǒng)計分析,由圖7可知,形狀指數(shù)與平均溫度在日間和夜間都呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系,并且形狀指數(shù)與平均溫度的關(guān)系擬合較好,說明口袋公園的形狀指數(shù)越大,則平均溫度越低。

2.3 周邊城市設(shè)計指標與口袋公園熱環(huán)境的關(guān)系

2.3.1建筑密度與口袋公園熱環(huán)境的關(guān)系

研究地點的建筑密度值從16%到37%不等,通過線性回歸分析,如圖8所示,發(fā)現(xiàn)建筑密度與口袋公園日間平均溫度存在正相關(guān)聯(lián)系。當建筑密度從20%增加到30%時,口袋公園的日間平均溫度可以增加0.096℃。然而,在口袋公園的夜間早期階段,建筑密度與夜間平均溫度的關(guān)聯(lián)性較低,不存在顯著關(guān)系。

圖7 形狀指數(shù)對斑塊內(nèi)日間 夜間溫度的統(tǒng)計關(guān)系

圖8 建筑密度與口袋公園熱環(huán)境的關(guān)系

2.3.2容積率與口袋公園熱環(huán)境的關(guān)系

通過計算獲取口袋公園周圍的容積率,并與其內(nèi)部溫度進行二次項分析,如圖9所示。分析出來的結(jié)果與周長和平均溫度的分析結(jié)果相似,樣本在整體上也是比較發(fā)散,在容積率小于1.25的時候,口袋公園對應(yīng)的平均溫度隨著容積率增大呈現(xiàn)上升的趨勢；當容積率超過1.25的時候,平均溫度與口袋公園容積率呈負相關(guān),隨著容積率的增大,其對應(yīng)的平均溫度會隨之迅速減小。出現(xiàn)這種情況可能是由于當容積率較大的時候,周圍建筑遮擋住了太陽的直接輻射,口袋公園吸收了少量的太陽輻射而導致其溫度較低。

2.4 口袋公園景觀特征與降溫幅度的關(guān)系

口袋公園斑塊與周圍場地的溫差反映了斑塊內(nèi)部和周邊場地之間的熱交流的差異性,溫差較小說明熱交流能力作用比較大,溫差較大表明了熱交流能力不夠活躍,溫差幅度△t是口袋公園斑塊緩解城市熱環(huán)境最直接的表現(xiàn)。

通過散點圖進行回歸分析得到圖10,發(fā)現(xiàn)綠化覆蓋率與形狀指數(shù)對溫差幅度△t有明顯的負相關(guān)關(guān)系,也就說明,當口袋公園的綠化覆蓋率和形狀指數(shù)越大時,對應(yīng)的溫差幅度逐漸變小,即對周邊的降溫幅度越大；口袋公園面積與降溫幅度表現(xiàn)出微弱的正相關(guān),也就說明口袋公園面積逐漸增大的時候,不一定對周圍環(huán)境起到降溫的作用；周長與降溫幅度不存在相關(guān)性,主要原因是周邊環(huán)境溫度受到口袋公園景觀特征影響的同時,也受到周邊城市建筑密度、容積率、建筑材料、城市風廊等因素的影響。

圖9 容積率與口袋公園熱環(huán)境的關(guān)系

圖10 景觀特征與溫差幅度散點圖分析

3 結(jié)論

1)口袋公園斑塊的日間、夜間平均溫度都要比周圍環(huán)境要低,在日間,口袋公園的溫度比周邊環(huán)境要低0.45℃,而在夜間則低至3.71℃,與白天相比,口袋公園夜間平均溫度與周圍環(huán)境相差較大,顯示出夜間的城市熱島效應(yīng)更為嚴重。口袋公園的冷島效應(yīng)強度(PCI)在白天波動比較大,并且隨著時間的變化逐漸減小,冷島效應(yīng)強度在晚上9:00基本保持在0～0.5℃范圍內(nèi),口袋公園在白天和夜間比周圍城市街道要涼爽,在微尺度上可以改善城市熱環(huán)境。

2)口袋公園綠化覆蓋率、公園面積與其熱環(huán)境存在負相關(guān)關(guān)系,這種關(guān)系在早期夜間顯示比較微弱。形狀指數(shù)與空氣溫度存在顯著的負相關(guān)關(guān)系,這種關(guān)系在白天和夜間都較為明顯?？诖珗@綠化覆蓋率、公園面積、形狀指數(shù)逐漸增大,均可以降低空氣溫度,改善城市熱環(huán)境。當口袋公園周長小于300m時,其與平均溫度的關(guān)系是正相關(guān)；當口袋公園大于300m時,其與溫度的關(guān)系是負相關(guān)關(guān)系。

3)建筑密度與口袋公園的空氣溫度在日間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,當建筑密度從20%增加到30%時,口袋公園的日間平均溫度可以增加0.096℃,在夜間卻顯示得比較微弱；容積率與溫度呈現(xiàn)拋物線關(guān)系,容積率超過一定數(shù)值(1.25)可以降低環(huán)境溫度。

4)口袋公園綠化覆蓋率和形狀指數(shù)對周邊環(huán)境降溫程度具有一定的影響,綠化覆蓋率越大,形狀指數(shù)越復雜,降溫幅度越大。

4 優(yōu)化建議

1)口袋公園在城市大尺度上對于生態(tài)環(huán)境的影響作用較為微小,但對周邊場地一定范圍內(nèi)的熱環(huán)境是可以發(fā)揮其降溫增濕的作用。因此綠地空間應(yīng)該大力提倡植樹,增加城市的總綠量。

2)將城市一些閑置空間建設(shè)為綠地開放空間,通過規(guī)劃設(shè)計提高綠地的形狀指數(shù),增加綠地的邊界復雜程度,提升綠地面積緩解熱環(huán)境效應(yīng)的能力與范圍,并盡量把口袋公園的周長控制在300m以上,以期達到冷島效應(yīng)產(chǎn)生最大化作用。

3)城市應(yīng)該合理建設(shè)自然開放空間,對于城市舊地改造項目和新建居住區(qū),要合理控制其建筑密度和容積率,降低中心城區(qū)人口密度與人為熱排放。此外,立體綠化發(fā)揮著吸收太陽輻射的功能,對建筑物起到遮光的作用。針對建筑設(shè)計應(yīng)提倡立體綠化,以降低建筑物與太陽輻射直接接觸面積,有效降低建筑內(nèi)部空間溫度,減少空調(diào)制冷的能源消耗與溫室氣體的排放,對城市熱環(huán)境的緩解有積極的作用。