殷若晨 方 家 朱 丹 胡 楊
隨著城市化進程的加快,城市建設用地不斷擴張,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,形成了以熱島效應為代表的城市氣候變化[1]。城市熱環(huán)境的改變,不僅關系到人居環(huán)境質量和居民健康[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(Climate Adaptation)作為應對氣候變化的基本策略[5]。在此背景下,氣候適應也逐漸成為可持續(xù)城市設計的重要原則之一,強調城市設計對象應當適應氣候變化而做出調整或改變,同時也在積極探索設計對象對氣候的主動干預,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]。相關研究主要涉及2個方面內容:1)與居民日常生活有關的開放空間[7]和街道空間[6]等,關注于改善戶外環(huán)境的舒適性;2)與城市整體環(huán)境相關的綠色基礎設施[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節(jié)。
城市公園既是居民日?;顒訄鏊?,又能整合一定規(guī)模的藍綠空間資源,是氣候適應性城市設計的載體[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,一味增加綠色空間面積并不符合當前城市的實際發(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計要素普適性的指導。盡管熱紅外遙感技術在近些年逐漸發(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],研究結論對規(guī)劃設計所產(chǎn)生的指導意義也被削弱。
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性賦予城市公園設計的目標之一。在上述研究的基礎上,本文以氣候適應性為導向,跨學科應用遙感技術,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計要素配置規(guī)則;同時,將應對策略應用于城市高溫熱點片區(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性設計提供指導和科學依據(jù)。
本文以北京市五環(huán)內作為研究范圍,一方面,高密度建成環(huán)境是城市熱島效應加劇的重要原因[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)范圍內的建成區(qū)更為顯著[20];另一方面,五環(huán)范圍內的公園體系建設正逐步完善,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,同時研究結論也可對高密度人居環(huán)境下的城市公園建設進行指導。
本研究以北京市園林綠化局公布的公園數(shù)據(jù)為基礎②,結合百度地圖選取北京市五環(huán)內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)模公園的建設比例(圖1)。
圖1 北京市五環(huán)范圍內的城市公園分布
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茫_定“拐點”[22-27]。公園邊界到“拐點”的距離則為降溫范圍,公園內部與“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,有效降溫范圍內的降溫幅度最能體現(xiàn)公園的降溫作用。當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
為了對研究范圍內大量公園樣本的降溫效益進行測度,需要建立統(tǒng)一標準,同時有效整合降溫幅度和降溫范圍兩指標?;诖?,本文提出并定義了城市公園降溫效益的測度指標。首先對研究范圍內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)。
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,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。
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)與降溫效益相結合,采用Pearson相關分析,進行曲線估計,探討各要素與公園降溫效益的相關性(表1)。
表1 公園設計特征要素選取
在城市公園設計中,首先要保證城市綠地依據(jù)規(guī)劃所要求的面積建設,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小;植被覆蓋度與植物景觀配置密切相關,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設計要素,計算公園內高程的方差和極差,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。
北京市五環(huán)范圍是城市熱島效應的典型片區(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,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,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),承擔了西北片區(qū)的溫度調節(jié)功能。
圖3 地表溫度和綠色空間的分布
結合公園與地表溫度的分布關系發(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)擬合結果,北京市五環(huán)范圍內的公園對周圍環(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的范圍內公園降溫幅度最大,與距離的關系近似線性,每增加30m距離,地表溫度上升約0.16℃,而在90~500m內溫度變化逐漸放緩,當超過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。
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
城市公園的降溫效益除了與其所處環(huán)境有關,也受公園自身設計要素的影響。在公園設計的初始及過程中,若充分考慮設計要素的溫度調節(jié)作用,通過設計要素的調整實現(xiàn)局部空間微氣候的改善,將有助于公園主動適應氣候變化。
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)關系。相比于小型公園,大型公園在保證居民日?;顒釉O施的配置基礎上,進行綠色空間營造和水體設計,此類要素皆是提高降溫作用的重要內容。同時也發(fā)現(xiàn),當公園面積超過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 單要素的相關性
對公園面積進一步劃分后探討相關性(表3),發(fā)現(xiàn)公園面積小于1hm2時,兩者間的關系并不顯著,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性
公園邊界形態(tài)呈由內到外逐漸規(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(圖5-2)。當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
研究范圍的綠量分布呈“外高內低”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構規(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之一,城市綠化能夠有效緩解熱島效應,已有研究多次論證其與地表溫度呈現(xiàn)出很強的負相關。本文在分析植被覆蓋度與公園降溫效益的關系時,結果同樣也呈現(xiàn)出顯著的正相關,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。
研究范圍內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個指標與公園降溫效益均呈非線性的對數(shù)關系,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,并在實際設計中與水體結合,復合而產(chǎn)生更大的降溫效果;同時地形設計中的地形起伏不必過大,應控制在一定范圍內。
在有限的城市公園空間內,綠地與水體面積互斥,最優(yōu)的藍綠空間配置在公園設計中尤為重要。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會帶來較高的經(jīng)濟成本。
通過ArcGIS熱點分析對研究區(qū)域地表溫度進行Getis-Ord G*運算,基于距離權重矩陣的局部空間自相關指標,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)域表示研究范圍內地表溫度較高的聚集區(qū)。高溫熱點區(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?shù)牡匦纹鸱约八{綠空間比,同時降溫效益較高的“標準公園”,作為理想情境置入熱點區(qū)域,評估城市公園建設的前后降溫效果。
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熱點地區(qū),結合上文城市公園降溫作用最遠距離500m的結論,以1km為間隔置入標準單元,共計28個,總面積為126hm2。結果表明,置入后區(qū)域的平均地表溫度由35.73℃降低為33.53℃,高溫熱點面積減少1 082.16hm2(圖7-2)。若結合北京市相關的城市綠地建設政策,采取高降溫效益的公園設計,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。
在全球氣候變暖的背景下,城市熱島效應日益加劇,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正在發(fā)生的氣候變化挑戰(zhàn),尋找減輕城市熱島效應和促進城市可持續(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)關注的議題。在既有研究的基礎上,構建城市公園降溫效益的評估框架,從公園規(guī)劃設計角度出發(fā),尋找影響降溫的相關要素,為應對氣候變化提供設計引導。
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的有效措施。1)城市公園能夠在約90m范圍內顯著降低地表溫度,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)有關公園設計,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)將上述認知應用于理想情境的熱環(huán)境模擬,高溫熱點區(qū)域的面積減少超過50%。需要注意的是,本文在有關公園設計要素中,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。
基于以上分析結果,研究建議北京市中心區(qū)應當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。在城市公園內部設計要素中,提高植被覆蓋度,保持適宜藍綠比,適當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節(jié)城市熱環(huán)境共識的基礎上,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,進一步尋找提升降溫效益的相關城市公園設計要素,完善了城市熱島研究在指導規(guī)劃設計實踐方面的不足。
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/。