顧子暔，王燕飛，楊溫鑫，王俊港，劉壯洋

(河南科技大學,河南 洛陽 471000)

0 引言

城市短期內的迅猛發(fā)展不僅為城市帶來經濟紅利,隨之而來的還有過量剩余人口以及基礎設施負荷超重、鐘擺式交通加劇等硬件問題。其中最容易被經濟效益遮擋下的負面效益則是城市生態(tài)問題,尤以“城市熱島”現(xiàn)象[1]最為突出。以城市用地日趨緊湊為代表,高層建筑阻礙主風向流通、工業(yè)活動對周遭綠地的蠶食及城市下墊面構成要素的變動影響小氣候自我調節(jié)能力等其他問題,綜合反映出人居環(huán)境質量受制城市污染間的影響。

從現(xiàn)有學術資料來看,景觀微環(huán)境逐漸成為改善人居質量的研究要素,且多數研究都集中在各類設計要素[2]。城市公園因其獨特的綠地開放空間、不同周遭的下墊面與水系排布、饒有意味的植物景觀布局影響著城市整體環(huán)境與人體熱舒適度?；谄鋬炔恳蜃拥膹碗s多樣性,城市公園對調節(jié)城市局部微氣候并在夜間形成“城市冷島效應”有著很大功效。

雖然針對微氣候熱舒適性的研究成果頗豐,但都是集中在公園綠地內的個別設計因素,如對植物高度與葉面積指數對人體熱舒適性的影響、下墊面材質對人體熱舒適度的影響等,難以系統(tǒng)串聯(lián)其他因素。因此,通過對綜合公園微氣候要素影響梳理,確定出設計要素組合相對最優(yōu)解,為后續(xù)的城市公園微氣候改善研究提供參考顯得尤為重要。

1 微氣候與城市公園

1.1 微氣候的定義

根據城市設計的尺度規(guī)范、區(qū)域環(huán)境,可以將氣候分為大中微尺度和局部地區(qū)氣候四類。微氣候影響因子分為自然與外部兩類,自然因子包含局部溫度、濕度、風速,局部降雨量、相對氣溫及太陽輻射等;外部因子包括建筑單體或建筑群的形狀、布局、高度排布及地面熱性等。

1.2 城市公園的定義

根據GJI/T 85—2017城市綠地分類標準進行綠地分類,可將城市公園綠地分為:綜合公園、社區(qū)公園、專類公園與游園四大類別。對于城市總體規(guī)劃來說,綠地達到一定面積時會對周圍建筑產生降溫效應[3],且公園面積限制在32 hm2時,其降溫效能最佳。

1.3 微氣候調節(jié)城市公園途徑

在所有氣候因子中,由于人體對于空氣濕度的感知最弱,所以改善地區(qū)微環(huán)境因子從溫度、濕度及風速進行且任何微氣候因子的改變都會影響其他因素的相應特性。就地理位置而言,位于四周開闊的城市公園會呈現(xiàn)出:濕度上午迅速下降而后緩慢上升、風速受周圍影響較大的特性;位于建筑圍合的公園綠地會呈現(xiàn)出:其濕度緩慢降低后會繼續(xù)緩慢升高、風速易受峽谷效應的特性[4]。

2 微氣候影響下的城市公園研究

城市公園整體環(huán)境(如圖1所示)主要包含外部地勢類型、邊界形態(tài)、邊界圍合形式及周邊建筑層高和有無水系五類情況。

2.1 城市公園外部環(huán)境的微氣候影響研究

2.1.1 地勢

公園地勢分為高勢(見圖2)、低勢(見圖3)、平坦型(與低勢和高勢相比,園內高差沒有過多起伏)三類。地勢較低的城市公園一般空氣流通性較差,如果周遭再有高層建筑,甚至會增加公園的陰影遮蔽率。地勢較低的公園水環(huán)境區(qū)域擁有較好的景觀視覺效果,如果在建筑與公園間設有合適的風道,形成峽谷效應增加風速的流通,其熱舒適性會改善很多。平坦型公園活動區(qū)域硬質鋪裝較多,且內部鋪裝宜多采用橡膠、瀝青等建筑材料,但要盡量避免花崗巖鋪裝占比過大并在水體的周邊增加植物覆蓋度改善微氣候。其中,平坦型公園的林下空間也是常用改善微氣候的目標之一,一般會構建出足夠的林下空間配以座椅等休息區(qū)域改善人體舒適度。地勢較高的城市公園一般靠近山體,園內高差起伏較大、風速較為通暢且視覺效果較好,其中就要注意好亭廊的構造,要盡可能選在地勢較高且通風舒暢的遮陰區(qū)。

2.1.2 水系

水體于夏季結合風速蒸發(fā)吸熱獲能,增加周圍濕度;冬季依托比熱容較大的物理特性保持周圍熱量,因而對周邊微環(huán)境有著很大影響,其熱屬性決定了自身加熱與放熱過程都較為緩慢,所以水體的全天熱環(huán)境舒適度變化起伏都小于其他要素。Sun等[5]發(fā)現(xiàn)城市公園水體對降低其周邊溫度有著重要作用。入江彰昭[6]表明,100 m寬的水體在周圍有綠植的情況下可以影響周圍兩倍左右距離的微氣候。Theeuwes[7]對水系面積相同但含水量不同的湖泊對比研究,發(fā)現(xiàn)較大的水面積覆蓋對氣溫不會產生非線性影響。王海濤等[8]研究發(fā)現(xiàn),水體聚集程度與降溫效能成正比關系。簡言之,增加水系表面積比加深其深度來的更加有效,而且水體對公園微氣候的影響主要取決其水體面積以及主要風向。

公園水系分為大面積與小面積水系兩類,一般情況下,盡可能讓大面積水體位于城市公園的上風向,這樣排布方便風向穿過園內蒸發(fā)水氣吸熱,人體能較為明顯的感覺不到濕熱感。對于分散式小水系環(huán)繞類布局要盡可能避免出現(xiàn)(除非水體在公園下風向,可以降低周邊環(huán)境濕度),因為如果風速流通性不好的話,水體周邊的水氣無法蒸發(fā)很容易造成局部悶熱感。

2.1.3 邊界/地形

目前常見的公園邊界形式主要有柔性與硬性兩種類別。柔性邊界如人行道綠籬、鋪裝圍合。以南方為例,甚至還存在水體圍合的柔性邊界情況,硬性邊界則是構筑物等剛性圍合。較為特殊且理想的邊界條件是帶有一定高差的圍合情況(見圖4)。通過改造地形而影響綜合公園內部微環(huán)境的效果并沒有直接改造其內部要素效果來的要好,但依然可以作為改善微氣候的手段之一。前人對社區(qū)公園微環(huán)境進行軟件模擬,發(fā)現(xiàn)地形是影響風環(huán)境的關鍵因素。想要優(yōu)化公園內部微環(huán)境,主要手法之一便是改變園內垂直高差形成微峽谷效應加速內外空氣流通,公園地形邊界的高差適合控制在0.3 m～2.0 m,坡度控制在13°～35°最佳[9]。NG等[10]模擬香港街區(qū)建筑與綠化覆蓋率共同變化的33個場景,發(fā)現(xiàn)城市綠化覆蓋率到達33%時可降低空氣溫度1 ℃。邢洋等[11]發(fā)現(xiàn)樹冠基部較低的濃密喬木更適合種植在公園邊界,以此阻礙道路中汽車尾氣排放的PM2.5,PM10等污染物向公園內部擴散。趙冬琪[12]發(fā)現(xiàn)樹木依托枝葉的阻礙或疏導對風場產生通風或防風效應。可見,柔性綠植邊界是通過改變風效應而影響微氣候,從而引起空氣的局部換流。

2.2 城市公園內部要素的微氣候影響研究

近幾年針對城市公園內部形態(tài)的研究居多,主要是包含軟件模擬的單一因子對比定量研究、通過配置植物要素引入正交試驗篩選最優(yōu)組合及公式(如WBGT等)推導熱舒適性等。溯其根源無非是排列場內設計因素從而影響人體熱舒適度,如更改綠植種類、改變下墊面材質以及改善景觀空間節(jié)點開敞度三類。

2.2.1 植物

所有城市公園微氣候研究中,針對于綠植的微氣候研究綜合占比最大。宏觀來說,植被的種植形式分為規(guī)則式與自然式。其中,人體對熱舒適性感知在上午時段對規(guī)則式植被種植舒適度較高,下午時段則是對自然式植被種植舒適度較高。

微觀來說,根據前人研究表明,綠植以喬木葉面積指數、喬灌草比例、喬木種植間距三大類影響著城市公園微氣候效應[13-14]。KIM等[15]模擬對比了瀝青路面、林地與草地的熱環(huán)境表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)1.5 m高度下樹林和草地可分別降溫3.1 ℃和1.1 ℃,同時地表溫度降低15 ℃以上。王慶等[16]發(fā)現(xiàn)由不同綠植構成的植物群落,呈現(xiàn)出復雜程度與舒適度正相關的規(guī)律。黃鈺麟等[17]以福建西湖公園為樣本,發(fā)現(xiàn)對于降溫降濕增加通風最好的綠植組合為喬灌草(喬木LAI指數為6.6)比例控制在3∶1∶1,種植密度為12 m。王琨等[18]以鄭州綠蔭空間為研究對象,利用軟件模擬進行定量研究發(fā)現(xiàn)公園內喬木覆蓋率達85%,其高度為4 m、葉面積指數為3.9、冠幅7 m的綠植組合方式是為夏季熱舒適性最佳組合,且喬木的降溫效果(較之草坪、灌木)最好、改善熱舒適能力最優(yōu)。此外,植物(以喬木為例)具有不同的樹冠形狀,而不同的樹冠形狀具有不同的特點模式,對微氣候產生的影響也不盡相同。其中對園內微氣候影響最容易忽視的影響因子是喬木的樹冠形狀。喬木的樹冠形狀大致可以分為:圓柱形、圓錐形、球形這三大類別。1)類圓柱形樹冠多見于道路、公園入口兩大空間,有著冠幅較小、樹下陰影遮蔽區(qū)較小的特點。2)類圓錐形樹冠多見于公園內部開敞空間,有著葉面積指數較大、樹下陰影遮蔽區(qū)較小、遮擋周邊風環(huán)境的特點。3)類球形樹冠多見于公園內部活動空間及園內構筑物附近,有著葉面積指數較大、樹下陰影遮蔽區(qū)較大、冠幅較大、高度適中的特點。

綜上,基于綠植的各因素作用下,其改善熱舒適能力排序應當是覆蓋率第一,冠幅次之,高度次之,葉面積指數最次,提升喬木覆蓋率主要目的是為周遭氣候增濕,留有空隙則是為了增加空氣流通。所以,在選擇樹種時,要盡可能選擇球形樹冠的喬木?？梢?喬木對于公園內部熱舒適性的影響不容小覷,不論是從整體的綠植面積到局部喬木外形輪廓及其樹干高度,還是從微觀內部因素到葉面積指數都是值得斟酌的綠植設計因素。

2.2.2 下墊面

城市公園下墊面主要由草地、道路鋪裝構成,而材料的熱物理性質會影響地下溫度和濕度表現(xiàn)[19]。一般情況下,依照熱舒適性最優(yōu)對鋪裝材質進行排序,橡膠是為灰墊面材質最優(yōu)解,其次是瀝青、木材、磚類、混凝土,再者大理石,最后花崗巖[20-22]。從生態(tài)改善角度來講,公園中硬質園路比例控制在17%～19%較為理想[23]。對于主次園路可多選擇瀝青,盡可能壓縮大理石與花崗巖的鋪裝占比。在公園游憩活動場地選擇橡膠作為下墊面,配以一定綠植比例栽植能有緩解活動人群的不適感。拋開微環(huán)境舒適度來說,不經過二次處理大理石鋪裝,露天園內空間遇到下雨活動場地極易打滑發(fā)生跌打現(xiàn)象,所以設計公園活動場地時,尤其是較大活動空間一定要盡可能避免大理石鋪裝?；◢弾r雖然硬度大、抗壓強度高,但是天然花崗石不會滲水,如果鋪裝面積過高,局部空間便不能形成良性水循環(huán),間接增加了人工維護綠植費用,并且花崗巖如果沒有做防水處理也會出現(xiàn)雨天人群打滑的安全危險。所以,無論是從人體熱舒適性進行公園微環(huán)境營造,還是從景觀效益出發(fā)建設公園主次景點都不應當大面積使用后兩類鋪裝材質。

2.2.3 空間開敞度

公園內部景觀節(jié)點空間主要由構筑物與綠植圍合交叉組成,可分為開敞空間、半開敞空間、密閉空間三種類別(見圖5)。前期在對構筑物進行設計時,除了要考慮其排布、建筑陰影距離,更應考慮構筑物與喬木的圍合關系。以木質長廊為例,如果朝向合理并通過周邊的喬木排布留有空隙引入風道穿過圍合空間,就能蒸發(fā)喬木產生的水蒸氣,水蒸氣吸熱便可改善人體熱舒適性。其中,程曉雪[24]選取重慶十個綜合公園作為研究對象,運用ENVI-met與ArcGIS兩個軟件得出結論:早晨8:00的公園熱舒適性最高,無論舒適度如何,人群分布最多的空間封閉度為21%～40%。彭歷等[25]指出在景觀材料的選取上,木、塑料、特殊材料比金屬、混凝土、石材更能創(chuàng)造舒適環(huán)境。

3 微氣候改善下的城市公園策略

如果要營造舒適的微尺度環(huán)境,就需要對公園內部的設計要素進行重組。不同的造園要素組合排列形成差異化的局部小氣候,尤其是利用喬木、構筑物引風入園。

3.1 城市公園外部改善策略

因城市總體規(guī)劃中,不可能先確定公園面積或形態(tài),再建設周邊建筑。所以對于建筑層高對其的影響不予贅述,但是對于周邊建筑來說,其密度與高度越低,公園風環(huán)境越好,所以公園建設時最好與周遭建筑留有相應距離,以便營造出合理風道提高公園人體熱舒適性。

由表1可知,常見的城市公園外部環(huán)境受周遭城市建筑環(huán)境(建筑組群及層高、建筑間距)、城市道路、公園外部過渡空間、公園邊界等因素綜合影響,而單一特殊因子的影響效果甚微。尤其以植物為主的公園邊界,要盡可能選用喬草結合的植物群落結構,通過喬木的樹下高差營造樹下風道,以便將其引入園內提高人體熱舒適度。如果采用喬灌草這類植物群落結構,很容易把風向堵在園外造成公園內部空間的悶熱感。

表1 城市公園外部影響因素

3.2 城市公園內部改善策略

由表2可知,針對公園內部熱舒適性的調節(jié),首要確定的是空間整體設計,然后在此基礎之上關注局部綠植布局、喬木選擇及下墊面的鋪裝。只有三者綜合作用才能對公園內部熱舒適性調節(jié)發(fā)揮到最佳效益。

表2 城市公園內部影響因素

4 結語

對于城市外延式的發(fā)展模式已經逐漸成為過去式,近年提出的城市提質也轉向了老城老舊區(qū)改造及新城精細化的發(fā)展方向。本文由外到內的列舉出每一個可能潛在影響公園熱舒適性的影響因子,針對舊城區(qū)公園改造及新區(qū)公園開發(fā)提出參考意見,將以往零散的公園微環(huán)境設計要素影響研究綜合匯總,提出各個設計要素下的最優(yōu)配比。通過分析城市公園外部及內部構成要素,構建出居民日常更為理想的生活、活動空間。對于設計者來說,公園不僅是城市綠地,更應該是重構人與自然關系的橋梁之一。通過人體對景觀微環(huán)境因子的舒適度作為標準(感知排序是溫度、風度、濕度)進行公園建設,將會進一步提升人地和諧關系。