热岛效应视角下口袋公园对城市热环境的影响研究

卓志雄,吴天杰,洪长兴,黄启堂

(1.厦门大学 嘉庚学院,福建 龙海 363105；2.福建农林大学 园林学院,福州 350002)

城市热岛效应(Urban Heat Island Effect,简称UHI)是城市中心区比城市周围郊区温度高的一种现象[1]。由于城市化的影响,城市热岛效应已成为人类健康和能源消耗的威胁,对城市生态环境等方面产生了一系列负面的影响[2-4]。城市热岛效应会引起夏季能源消耗的增加、温室气体的过度排放,从而干扰城市可持续性的发展和破坏城市生态环境[5]。热岛效应问题导致的高温现象还可能会引起城市居民身体不适、中暑等与热环境相关的疾病,从而影响城市居民的户外活动、身体健康和热舒适度[2,6]。随着全球城市化、工业化的快速发展以及全球气候变暖,热岛效应问题将日益凸显[7]。近期,福州市被中国气象局国家气候中心评为四大“火炉城市”之首,由此可见,福州市热岛效应问题较为严重,热环境问题亟需妥善解决[8]。相关研究成果表明,缓解城市热岛效应最有效的途径是提升城市中的绿量,这在一定程度上可使城市降温1℃,并且节能10%[9-10]。

由于城市化的迅速发展,城市发展建设的用地需求无法满足城市中央公园的开发和城市公园数量的无限增加。口袋公园(Pocket park)又被称为袖珍公园,实质上就是小型的城市自然绿色开放空间,最早是由风景园林师罗伯特·宰恩提出的,他所表达的是一种游人能够随时在那里得到逗留、休息的空间[11]。这一类型的袖珍公园因为具有面积小、选址灵活的特点,一般作为新型公园建于紧凑型高密度的城市中心区。它可以远离交通的噪声喧哗,形成一个具有私密性和安全感的绿色活动空间。同时,它能够解决高密度城市中居民对公园绿地的要求,其天然属性在一定范围内可以发挥降温增湿的作用,由此改善城市热环境[12-15]。口袋公园作为城市公园重要组成部分,在塑造城市中起着极其重要的作用。因此,探讨口袋公园在有限的空间中如何发挥最大的生态效益,对提升城市的人居环境具有重要现实意义。

1 研究数据与方法

1.1 研究区域概况

福州市是福建省省会,位于福建省闽江下游出海口,地理坐标为25°15′～26°39′N,118°08′～120°31′E,是福建省的政治、经济、文化、交通、科研中心。根据《福州市城市绿地系统规划(2015—2020年)》(1)福州市规划设计研究院.福州市城市绿地系统规划(2015—2020年).2016.获得福州市夏季(7—9月)中心城区地表温度概况和热环境指数概况,福州市中心城区内的地表温度在30℃以上的区域占中心城区总面积约为88%,在三环内除了闽江流域几乎没有出现30℃以下区域,三环内地表温度高于40℃的面积占比59.6%,由此分析得出福州市夏季城市热岛效应严重,热环境舒适度较差。

1.2 样地选择

根据福州城区地表温度图与热环境指数分级图,选取地表温度较高且酷热的福州中心城区区域。通过参考福州绿地系统规划概况,发现鼓楼区城市建筑密度较大,口袋公园数量多,分布比较广泛,且类型众多,所以本研究的样地选址主要以鼓楼区域为主,最终选取出15处不同形态特征且具有代表性的城市口袋公园作为研究对象。其中包含了同寿园、王南湖公园、光禄坊公园、西洪公园、洋下公园、左海社区室外文化活动广场、青年广场、榕荫广场、力宝天马广场、文庙前广场、福州广场、西二环万科九如府前广场、乌塔公园、鼓楼前公园、冶山春秋公园(图1)。

图1 样地选择分布图

1.3 数据来源

为了量化口袋公园景观特征和城市设计特征,本文采用了一些设计特征指标进行后续的相关分析,通过ArchGIS软件以及GoogleMaps的鸟瞰图片,

根据矢量化公园和绿地,计算得出绿化面积、公园面积和周长、形状指数的数据。其中形状指数为口袋公园的周长与面积之比即为形状指数,可以用于反映城市绿地的形状复杂程度,计算公式如下:

(1)

式中:C为公园的周长,A为口袋公园的面积,D为形状指数。

城市设计指标通常被规划设计师广泛应用于城市早期规划阶段,以此控制城市发展的强度。从城市规划的角度来看,操纵城市土地利用强度是缓解城市热环境的重要策略,特别是城市中的建筑密度和容积率[16]。因此,本研究引入了建筑密度和容积率指标进行分析,并运用ArchGIS软件计算建筑密度和容积率,基于该场地边界提取口袋公园和城市形态特征数据。口袋公园研究对象的场地特征,如表1所示。

表1 研究对象场地特征统计表

1.4 研究方法

本研究参照国外学者Steemers[17]研究中的数据分析方法,以400m×400m作为研究的立地边界,范围涵盖选定的口袋公园及其周边街道地区。本研究中的测量点是精心选择的,以反映特定地区的气候状况。为了最大限度地发挥设计特性的变化,选择了具有不同特征的实测点,如,公园中心点、公园周边点、街道交叉口点、街道中间点、遮阴点、无遮荫点等。与其他研究相比,本研究中的测量网格比较密集,每个地点的测量点包括口袋公园内的和周围街道上的,以便进行分析比较研究(图2)。

图2 15处口袋公园实测点分布以及研究边界

热环境实测方案采用Kestrel5400热应力跟踪仪,其为美国NK手持综合气象站的新一代产品,解决了传统气象站重量大、移动不便的问题,是新型专业环境数据监测与记录仪。由于夏季的热岛强度可能加剧室内和室外的热应力并增加制冷负荷,且7—9月是福州较为炎热的月份,午后13:00—15:00温度通常超过33℃。因此,本研究着重于夏季7—9月,所有现场实测都在这段时间内进行。夏季的热岛强度较为严峻,为了减少由云量不稳定引起的实测误差和保证测试的精确度,本研究选择连续的夏季高温晴朗,无雨天气进行实测[18-20]。在本次研究的实测期间,用三脚架将实验仪器固定在距地面1.5m高处,能最为准确地获得人体热环境感知的数据[21]。由于实验仪器数量有限,每个地点的实测点比较多,不能同时测量,故对研究范围内的口袋公园逐一进行连续移动测量[22-24]。在结合相关学者的研究基础上,对15处福州市口袋公园进行连续3天的实测,每次实测时间从9:00—21:00,涵盖了白天最热的时期和人们户外活动仍然活跃的早期夜间时期[25-26]。在此期间,每小时进行一次移动实测,每天共进行13轮实测。

2 结果与分析

2.1 口袋公园与周边场地热环境的差异性比较

通过获取的实测数据计算得到表2和表3,得知在既定的场地内,大部分口袋公园的日间平均温度比周围环境都要低0.45℃,温度最高相差1.038℃,最低相差0.108℃。在夜间,口袋公园斑块内部平均温度为29.15℃,周边平均温度为32.86℃,两者相差3.71℃,与白天相比,口袋公园夜间平均温度与周围环境相差较大,说明夜间的城市热岛效应更为严重。口袋公园作为城市绿地中的重要组成部分,因为斑块内的温度比周边场地温度要低而成为城市中独立的冷岛,可形成一个湿润、凉爽的小气候,这种现象被称为冷岛效应(Cold island effect)[27]。

表2 口袋公园与周边日间平均温度比较

表3 口袋公园与周边夜间平均温度比较

公园与周边居住区对于太阳辐射的反射率不同,周边居住区在日间的辐射下温度骤增,由于大气流动作用,热量被带到城市绿地上空,形成一个上热下冷的逆温层。而上下两层空气中的热量难以交换,下层公园由于植物蒸腾作用以及比热容大等原因,产生的冷空气得以保持稳定,由此产生冷岛效应。公园冷岛(Park cool island,简称PCI)通常用来定义绿地的冷却效果,可通过从周围区域测得的温度减去公园内部测得的温度来计算PCI值[28]。由图3可以看出,所有口袋公园之间的PCI值差异在白天波动比较大,并且随着时间的变化逐渐减小。在早期夜间,空气温度差异幅度较小,冷岛效应强度在晚9点基本保持在0～0.5°C范围内。由此可以得出,口袋公园在白天和夜间都比周围的城市街道凉爽,尤其在白天特别明显,这意味着口袋公园在微观尺度上可以改善城市热环境。

图3 各个口袋公园冷岛效应的比较分析

2.2 口袋公园景观特征与热环境的关系

2.2.1口袋公园绿化覆盖率与热环境的关系

对上述的15个口袋公园斑块的日间平均温度和绿化覆盖率进行相关分析,计算得到 Pearson 相关系数r=-0.745,在0.01水平上显著性相关,这充分说明绿地斑块平均温度和绿化覆盖率具有显著相关性(表4)。通过模型进行分析,如图4所示,发现口袋公园绿化覆盖率和其日间平均温度的拟合优度为0.614,拟合度较好,F检验的P值小于0.01。对口袋公园绿化覆盖率和其日间平均温度关系进行回归分析得到方程为:

y=-4.709×lnx+51.254 (R2=0.614)

(2)

表4 绿化覆盖率与日间平均温度的相关性分析

图4 绿化覆盖率对斑块内日间 夜间温度的统计关系

因此,当口袋公园的绿化覆盖率逐渐增高,对应的日间平均温度也会降低。通过回归分析可以看出绿化覆盖率与口袋公园斑块夜间平均温度之间显示微弱的负相关关系,这可能由于树木在夜间可能会阻挡来自地面的长波辐射,较高的绿化覆盖率可能导致夜间热环境变差。

2.2.2口袋公园面积与热环境的关系

图5为口袋公园面积与其内部日间和夜间气温关系的直线回归模型模拟,得到回归方程分别为:

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

(3)

y=0.000105x+28.752(R2=0.023)

(4)

由图可知,口袋公园斑块日间平均温度随着面积的增加,呈现逐渐降低的趋势,对平均温度和面积进行相关分析,计算得到Pearson相关系数r=-0.709,在显著性水平α=0.01上,这充分说明,口袋公园日间平均温度和面积具有显著相关性,并且是显著的负相关关系。由此可以得出,随着口袋公园面积的增加,其对应的温度也逐渐减小。在夜间环境中,平均气温受到口袋公园面积的增大影响很小,对两者进行相关性分析,得到Pearson 相关系数r=-0.150,说明两者在夜间口袋公园面积与温度两者之间的相关性并不显著。因此,相对夜晚来说,公园面积与热环境的关系在日间较为显著。

图5 面积对斑块内日间温度的统计关系

2.2.3口袋公园周长与热环境的关系

通过对口袋公园周长与温度进行二次项分析,结果如图6所示,发现样本整体上比较发散,不具备高度相关性,起初平均温度随着周长的增大而变大,当周长达到300m时,平均温度呈现出一个较高值,之后随着口袋公园周长的继续增大,平均温度会随之下降。因此,在口袋公园周长小于300m范围的时候,口袋公园对应的平均温度随着周长增大呈现上升的趋势；当周长超过300m的时候,平均温度与口袋公园周长呈负相关,随着周长的增大,其对应的平均温度会随之迅速减小。

图6 周长对斑块内日间 夜间温度的统计关系

2.2.4口袋公园形状指数与热环境的关系

形状指数是周长与面积之比的数值,形状指数越大表明周长面积比越大,绿地斑块的形状也较复杂,并且与其周边场地的热交换的能力就越大。通过对形状指数和其内部平均温度进行统计分析,由图7可知,形状指数与平均温度在日间和夜间都呈现负相关关系,并且形状指数与平均温度的关系拟合较好,说明口袋公园的形状指数越大,则平均温度越低。

2.3 周边城市设计指标与口袋公园热环境的关系

2.3.1建筑密度与口袋公园热环境的关系

研究地点的建筑密度值从16%到37%不等,通过线性回归分析,如图8所示,发现建筑密度与口袋公园日间平均温度存在正相关联系。当建筑密度从20%增加到30%时,口袋公园的日间平均温度可以增加0.096℃。然而,在口袋公园的夜间早期阶段,建筑密度与夜间平均温度的关联性较低,不存在显著关系。

图7 形状指数对斑块内日间 夜间温度的统计关系

图8 建筑密度与口袋公园热环境的关系

2.3.2容积率与口袋公园热环境的关系

通过计算获取口袋公园周围的容积率,并与其内部温度进行二次项分析,如图9所示。分析出来的结果与周长和平均温度的分析结果相似,样本在整体上也是比较发散,在容积率小于1.25的时候,口袋公园对应的平均温度随着容积率增大呈现上升的趋势；当容积率超过1.25的时候,平均温度与口袋公园容积率呈负相关,随着容积率的增大,其对应的平均温度会随之迅速减小。出现这种情况可能是由于当容积率较大的时候,周围建筑遮挡住了太阳的直接辐射,口袋公园吸收了少量的太阳辐射而导致其温度较低。

2.4 口袋公园景观特征与降温幅度的关系

口袋公园斑块与周围场地的温差反映了斑块内部和周边场地之间的热交流的差异性,温差较小说明热交流能力作用比较大,温差较大表明了热交流能力不够活跃,温差幅度△t是口袋公园斑块缓解城市热环境最直接的表现。

通过散点图进行回归分析得到图10,发现绿化覆盖率与形状指数对温差幅度△t有明显的负相关关系,也就说明,当口袋公园的绿化覆盖率和形状指数越大时,对应的温差幅度逐渐变小,即对周边的降温幅度越大；口袋公园面积与降温幅度表现出微弱的正相关,也就说明口袋公园面积逐渐增大的时候,不一定对周围环境起到降温的作用；周长与降温幅度不存在相关性,主要原因是周边环境温度受到口袋公园景观特征影响的同时,也受到周边城市建筑密度、容积率、建筑材料、城市风廊等因素的影响。

图9 容积率与口袋公园热环境的关系

图10 景观特征与温差幅度散点图分析

3 结论

1)口袋公园斑块的日间、夜间平均温度都要比周围环境要低,在日间,口袋公园的温度比周边环境要低0.45℃,而在夜间则低至3.71℃,与白天相比,口袋公园夜间平均温度与周围环境相差较大,显示出夜间的城市热岛效应更为严重。口袋公园的冷岛效应强度(PCI)在白天波动比较大,并且随着时间的变化逐渐减小,冷岛效应强度在晚上9:00基本保持在0～0.5℃范围内,口袋公园在白天和夜间比周围城市街道要凉爽,在微尺度上可以改善城市热环境。

2)口袋公园绿化覆盖率、公园面积与其热环境存在负相关关系,这种关系在早期夜间显示比较微弱。形状指数与空气温度存在显著的负相关关系,这种关系在白天和夜间都较为明显。口袋公园绿化覆盖率、公园面积、形状指数逐渐增大,均可以降低空气温度,改善城市热环境。当口袋公园周长小于300m时,其与平均温度的关系是正相关；当口袋公园大于300m时,其与温度的关系是负相关关系。

3)建筑密度与口袋公园的空气温度在日间呈现显著的正相关关系,当建筑密度从20%增加到30%时,口袋公园的日间平均温度可以增加0.096℃,在夜间却显示得比较微弱；容积率与温度呈现抛物线关系,容积率超过一定数值(1.25)可以降低环境温度。

4)口袋公园绿化覆盖率和形状指数对周边环境降温程度具有一定的影响,绿化覆盖率越大,形状指数越复杂,降温幅度越大。

4 优化建议

1)口袋公园在城市大尺度上对于生态环境的影响作用较为微小,但对周边场地一定范围内的热环境是可以发挥其降温增湿的作用。因此绿地空间应该大力提倡植树,增加城市的总绿量。

2)将城市一些闲置空间建设为绿地开放空间,通过规划设计提高绿地的形状指数,增加绿地的边界复杂程度,提升绿地面积缓解热环境效应的能力与范围,并尽量把口袋公园的周长控制在300m以上,以期达到冷岛效应产生最大化作用。

3)城市应该合理建设自然开放空间,对于城市旧地改造项目和新建居住区,要合理控制其建筑密度和容积率,降低中心城区人口密度与人为热排放。此外,立体绿化发挥着吸收太阳辐射的功能,对建筑物起到遮光的作用。针对建筑设计应提倡立体绿化,以降低建筑物与太阳辐射直接接触面积,有效降低建筑内部空间温度,减少空调制冷的能源消耗与温室气体的排放,对城市热环境的缓解有积极的作用。