譚 興 廖建軍 王志遠(yuǎn)，2 李家宇

1 南華大學(xué)建筑學(xué)院 湖南衡陽 421001 2 湖南省健康城市營造工程技術(shù)研究中心 湖南衡陽 421001 3 中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院 長沙 410083

隨著城市化進(jìn)程的加快，一系列資源環(huán)境問題逐漸突出，其中城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市內(nèi)溫度升高、城市環(huán)境的熱舒適性降低等問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到城市居民正常的生產(chǎn)與生活，甚至威脅居民的生命健康。住區(qū)作為城市的重要組成部分，良好的居住環(huán)境有利于居民的身體健康。而位于夏熱冬冷氣候地區(qū)的住區(qū)不僅面臨著日趨嚴(yán)重的城市熱島問題，還遭受其夏季高溫潮濕的氣候特征影響，使住區(qū)熱環(huán)境更為惡化。因此，改善夏熱冬冷地區(qū)的住區(qū)熱環(huán)境問題比以往更有必要。

綠化被認(rèn)為是緩解城市熱島最有效的策略之一。目前，研究者已從多種尺度探究了綠化對城市熱環(huán)境的影響。宏觀尺度上，利用遙感技術(shù)探究土地利用對城市熱島的影響[1-3]。中小尺度上，大多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究[4-6]。近期研究發(fā)現(xiàn)，綠地覆蓋率也可以影響城市熱環(huán)境[7-8]，綠地覆蓋率越高，溫度越低，熱舒適條件越好[9]。王桂芹等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠地率為5%時(shí)，降溫效果僅為0.13℃，而當(dāng)綠地率提高到20%～35%時(shí)，平均降溫達(dá)0.29℃，且整個(gè)片區(qū)的降溫效果比較均衡分布。由于植被的高度、葉面積密度等物理特征也可以影響綠化對熱環(huán)境的降溫作用，因此不同綠化類型所引起的降溫效益也會有所不同。劉海萍等[11]通過ENVI-met探究喬木、灌木、草地等綠化類型對住區(qū)熱環(huán)境的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)喬木的降溫效果最為顯著。近期也有研究比較分析了不同綠化組合對城市熱環(huán)境的降溫影響，如Lee等[12]探究喬木、草地以及喬-草組合3種綠化類型對住區(qū)熱環(huán)境的影響，其中喬-草組合的降溫效果最好。任斌斌等[13]采用實(shí)地測量的方法發(fā)現(xiàn)夏季喬-灌-草組合場景的熱舒適度最好。

目前，雖有研究調(diào)查了城市地區(qū)應(yīng)使用的最佳綠地覆蓋率，但這僅僅指的是整體的綠地覆蓋率，并沒有研究者對綠化組合中不同綠化類型所占比率進(jìn)行進(jìn)一步的定量研究。在現(xiàn)實(shí)情況下，住區(qū)往往會為了景觀美化的需求，采用喬-灌-草組合種植，并不僅僅只是種植單一綠化類型，并且也有研究[14]發(fā)現(xiàn)，在夏季，綠化組合場景可以營造更舒適的戶外環(huán)境，因此進(jìn)一步對綠化組合內(nèi)不同綠化類型所占比例進(jìn)行定量研究非常必要。

本文在控制總體綠地覆蓋率不變的前提下，采用ENVI-met量化評估住區(qū)不同綠化組合比率對熱環(huán)境的冷卻影響。該研究創(chuàng)新點(diǎn)在于在控制綠地覆蓋率不變的前提下，對綠化組合內(nèi)喬木與灌木所占的比例進(jìn)行定量研究，通過合理控制綠化組合比例，實(shí)現(xiàn)住區(qū)在有限綠地空間內(nèi)發(fā)揮更大的冷卻效益，為住區(qū)綠化規(guī)劃設(shè)計(jì)策略提供科學(xué)指導(dǎo)，以更有效地改善住區(qū)熱環(huán)境。

1 研究區(qū)概況

長沙(27°51′—28°40′N，111°53′—114°5′E)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏熱冬冷。夏季日照輻射充足且持續(xù)高溫多雨，日平均氣溫達(dá)到28℃，日平均最高氣溫達(dá)到43.7℃。長沙年平均相對濕度為70%～80%，最高為95%～100%。

2 研究方法

2.1 ENVI-met軟件校驗(yàn)

選取長沙一處住宅小區(qū)，采用ENVI-met模擬評估不同綠化組合比率對住區(qū)熱環(huán)境的影響[15-19]。測點(diǎn)A1為住區(qū)中喬木較多、灌木相對較少的位置，測點(diǎn)A2為喬木較少、灌木相對較多的位置。實(shí)測時(shí)間為7月31日的6∶00至8月1日的5∶00，每小時(shí)記錄一次溫度數(shù)據(jù)。對比結(jié)果(圖1、圖2)表明，模擬值與實(shí)測值的變化趨勢基本相似，但實(shí)測溫度普遍高于模擬溫度，這主要是因?yàn)镋NVI-met沒有考慮周邊交通等人為放熱的情況。此外，本文采用均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)評價(jià)模型模擬的可靠性。計(jì)算公式如下:

圖1 測點(diǎn)A1處的模擬值與實(shí)測值對比

圖2 測點(diǎn)A2處的模擬值與實(shí)測值對比

式(1)和式(2)中，Xmeasure，i為現(xiàn)場實(shí)測值，Xmodel，i為軟件模擬值，n為次數(shù)。經(jīng)計(jì)算，測點(diǎn)A1處的RMSE的值為2.77℃，MAE的值為2.46℃，測點(diǎn)A2處的RMSE值為2.83℃，MAE的值為2.3℃。目前公認(rèn)RMSE介于0.52～4.3℃、MAE介于0.27～3.67℃是 可 以 接 受的[20]。因此，該驗(yàn)證結(jié)果表明，采用ENVI-met進(jìn)行綠化組合熱環(huán)境的模擬分析是科學(xué)可行的。

2.2 模擬綠地構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

模擬綠地的平面空間形態(tài)如圖3所示，場景設(shè)置參考長沙市多層住區(qū)的調(diào)研結(jié)果，采用行列式布局，是常見的住區(qū)綠地空間布局形態(tài)。模型場景整體尺寸為235 m×85 m，每棟住區(qū)樓的尺寸為52 m×16 m，建筑高度為18 m。模擬綠地內(nèi)均采用喬-灌-草組合種植，在控制綠地覆蓋率及植被總數(shù)量不變的前提下，通過控制喬木與灌木的植被數(shù)量得到不同綠化組合比率場景，因此本文所說的喬灌比例指的是喬木與灌木的植被數(shù)量之比。設(shè)置一個(gè)無綠化場景作為參考場景，并且在控制綠地覆蓋率以及植被總數(shù)量不變的前提下，通過逐步增加10%的喬木數(shù)量，得到不同綠化組合比例的場景(喬灌比例分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3)。ENVI-met中不同植物模型的相關(guān)參數(shù)詳見表1。

圖3 所有模型場景的平面示意

表1 ENVI-met中不同植物模型的參數(shù)設(shè)置

為了避免模型初始化的影響以及更好地追蹤太陽輻射，本文將研究模擬時(shí)間設(shè)置為03∶00-17∶00，總共模擬14 h。為了盡可能減小模型邊界的影響以及提升模擬的穩(wěn)定性，本文通過國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取當(dāng)天的每小時(shí)溫濕度及風(fēng)速風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)作為模擬的邊界條件。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣溫度

對比分析不同模型場景內(nèi)距地表1.5 m處的平均空氣溫度(圖4)發(fā)現(xiàn)，喬木所占比例越高的場景內(nèi)，低溫區(qū)域面積越大，即喬木所占比例越高，對空氣溫度的冷卻效果越強(qiáng)。這主要是由于喬木的降溫效果強(qiáng)于灌木，且喬木的冠幅比灌木更大，因此更多的喬木數(shù)量可以影響更大的范圍并產(chǎn)生更強(qiáng)的冷卻效果。如圖5所示，不同綠化組合比率對空氣溫度影響的變化趨勢相同，且各個(gè)綠化組合比率場景均在16∶00時(shí)降溫幅度最大，這是因?yàn)殚L沙一般在16∶00時(shí)溫度最高。當(dāng)喬灌比例為7∶3時(shí)，該場景達(dá)到了最佳的空氣溫度冷卻效果，平均空氣溫度差值達(dá)到了0.18℃；而喬灌比例為1∶9時(shí)，對空氣溫度的冷卻影響最弱，平均空氣溫度差值僅為0.09℃。其中不同綠化組合比例場景對空氣溫度的最大冷卻效果分別為:70%喬木(0.18℃)、60%喬木(0.17℃)、50%喬木(0.15℃)、40%喬木(0.14℃)、30%喬木(0.12℃)、20%喬木(0.10℃)、10%喬木(0.09℃)。

圖4 各個(gè)模型場景的空氣溫度平面分布(16∶00，1.5m)

圖5 不同綠化組合比率場景與參考場景在不同時(shí)間的空氣溫度差值(1.5 m)

3.2 平均輻射溫度

將各個(gè)綠化組合比例場景與參考場景內(nèi)距地表1.5 m處平均輻射溫度進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，喬木所占比例越高，對平均輻射溫度的冷卻影響越強(qiáng)。相比空氣溫度，綠化組合對平均輻射溫度的冷卻影響更強(qiáng)。如圖6所示，灌木以及喬木位置處的平均輻射溫度顯著低于周圍環(huán)境的平均輻射溫度，且喬木對平均輻射溫度的影響范圍明顯大于灌木，這主要是由于喬木可以提供更多的陰影面積所導(dǎo)致的。此外，各個(gè)綠化組合比率場景對平均輻射溫度影響的變化趨勢相似，但降溫幅度有所不同(圖7)。各個(gè)綠化組合場景在16∶00時(shí)對平均輻射溫度的降低幅度最大，70%喬木場景的平均輻射溫度差達(dá)到了12.29℃，而10%喬木場景的平均輻射溫度差僅為5.64℃。各個(gè)綠化組合比率場景對平均輻射溫度最大冷卻效果分別為:70%喬木(12.29℃)、60%喬木(11.61℃)、50%喬木(10.10℃)、40%喬木(9.57℃)、30%喬木(6.95℃)、20%喬 木(6.97℃)、10%喬木(5.64℃)。研究還發(fā)現(xiàn)，同等增加10%的喬木數(shù)量，當(dāng)從30%增加到40%時(shí)所引起的冷卻效益最大。

圖6 各個(gè)模型場景的平均輻射溫度平面分布(16∶00，1.5 m)

圖7 不同綠化組合比率場景與參考場景在不同時(shí)間的平均輻射溫度差值(1.5 m)

3.3 熱舒適指標(biāo)

平均輻射溫度反映的是環(huán)境中的熱舒適度，而預(yù)測平均指標(biāo)(PMV)則代表同一環(huán)境中大多數(shù)人的冷熱感覺的平均，是使用最廣泛的熱環(huán)境評價(jià)指標(biāo)。由于地域條件、季節(jié)氣候條件等方面的不同，熱舒適區(qū)也會有所不同，由于涉及到主觀評價(jià)，因此本文僅將PMV作相對比較。對比各個(gè)場景內(nèi)距地表1.5 m處的平均PMV值發(fā)現(xiàn)，喬木所占比例越高，熱舒適改善越顯著，PMV降幅越大。如圖8所示，各個(gè)綠化組合比率場景的PMV變化趨勢一致，在8∶00以及16∶00時(shí)PMV降低幅度較大，其中PMV最大降幅出現(xiàn)在喬灌比例為7∶3場景中，PMV下降幅度為0.65。各個(gè)綠化組合比例場景中PMV最大下降幅度分別為:70%喬木(0.65)、60%喬木(0.61)、50%喬 木(0.54)、40%喬 木(0.50)、30%喬 木(0.36)、20%喬木(0.35)、10%喬木(0.33)。由此可見，從30%喬木增加到40%喬木時(shí)，其所引起的下降幅度最大，這個(gè)結(jié)果與平均輻射溫度的結(jié)果一致。如圖9所示，PMV的分布圖與平均輻射溫度分布圖也基本相似，喬木所占比例越高的綠化組合場景，PMV值較低的區(qū)域面積越大，且在喬木周圍的PMV遠(yuǎn)低于灌木、草地周圍的PMV值。

圖8 不同綠化組合比率場景與參考場景在不同時(shí)間的PMV差值(1.5 m)

圖9 各個(gè)模型場景的PMV平面分布(16∶00，1.5 m)

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)不同綠化組合比率所帶來的降溫效果有所不同，并且其降溫效果強(qiáng)弱主要取決于喬木在綠化組合中所占的比例，喬木所占比例越高，其所帶來的降溫效果就越強(qiáng)，這與王桂芹等[10]研究結(jié)果一致。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于喬木的蒸發(fā)蒸騰作用以及遮蔽陰影效果更強(qiáng)，其所帶來的降溫效果也最為顯著。因此，在綠化組合比率中增加喬木所占比例，可以提供更大的遮蔽陰影面積，產(chǎn)生更強(qiáng)的降溫效果。

雖然喬木在綠化組合中所占比例越高，其所帶來的降溫效果越強(qiáng)，但增加喬木所占比例與其所帶來的降溫效果之間呈非線性關(guān)系，即同等增加10%的喬木數(shù)量占比，其所帶來的降溫效益并不相等，30%增加到40%時(shí)所帶來的降溫效益最為顯著，之后再增加10%時(shí)，其所帶來的降溫效益卻逐漸減弱，這一研究發(fā)現(xiàn)與Wu等[18]研究結(jié)果一致。其主要原因是:在植被稀疏分布時(shí)，每棵喬木可以發(fā)揮其全部的降溫潛力，而隨著喬木數(shù)量增加，植被種植密度增加，樹冠產(chǎn)生重疊，進(jìn)而限制了單棵喬木的降溫潛力。

此外，綠化組合比率對空氣溫度以及平均輻射溫度的影響效果存在差異，其對空氣溫度的影響效果較弱，對平均輻射溫度的影響效果較為顯著，這一研究結(jié)果與Feng等[21]研究結(jié)果一致。其主要原因是:喬木主要是通過蒸發(fā)蒸騰作用帶走大氣中一部分熱量，進(jìn)而降低空氣溫度，而喬木自身茂密的樹冠可以阻攔一部分太陽輻射直接照射地表，且喬木提供遮蔽陰影，可以進(jìn)一步減弱太陽輻射的影響，使平均輻射溫度大幅降低。因此，在未來住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)關(guān)注綠地覆蓋率，還應(yīng)關(guān)注住區(qū)內(nèi)遮蔽陰影程度。

本研究僅探究了不同綠化組合比例對多層住區(qū)(6層及以下)的影響，以及綠化組合的最佳比率，未來研究還可以調(diào)查不同綠化組合比例對高層住區(qū)(10層及以上)等其他建筑類型的影響，以及在控制綠化組合比率的前提下，探究不同綠化組合的空間布局方式對熱環(huán)境的影響，以獲取住區(qū)最佳的綠地組合布局方式，為住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步指導(dǎo)。

5 結(jié)論

1)不同綠化組合比率所產(chǎn)生的降溫效果不同，喬木所占比例越高，其對熱環(huán)境的冷卻效果越強(qiáng)。喬灌比例為7:3時(shí)所產(chǎn)生的冷卻效果最強(qiáng)，喬灌比例為1∶9時(shí)所產(chǎn)生的冷卻效果最弱。

2)改變綠化組合比率對區(qū)域內(nèi)空氣溫度的影響較弱，對平均輻射溫度的影響則更為顯著。綠化組合比率變化所帶來空氣溫度最大冷卻值約為0.09～0.18℃，而平均輻射最大冷卻值卻達(dá)5.64～12.29℃。

3)同等增加10%的喬木數(shù)量占比，其所帶來的降溫效益并不相等。30%喬木增加到40%喬木時(shí)所帶來的降溫效益得到顯著增強(qiáng)，之后再增加10%時(shí)，其所帶來的降溫效益逐漸減弱。因此，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本以及降溫效益的前提下，建議在位于夏熱冬冷地區(qū)的住宅小區(qū)優(yōu)先采用喬灌比例為4∶6的綠化組合比率，有利于改善街區(qū)尺度的熱環(huán)境。