基于气候适应性的城市屋顶绿化系统规划研究以成都为例

董靓 黄瑞

1 引言

我国的城市化进程正步入了高速发展期。工业化和城市化在丰富人们的物质享受和带来便捷生活的同时，也对城市生态环境产生巨大的影响。世界上污染最严重的10个城市之中，有7个位于中国。中国500个大型城市中，只有不到1%达到世界卫生组织空气质量标准[1]。建筑与路面吸收大量热量、人口集中及高消耗带来的热量累加等使得城市内部的温度高出郊区形成城市“热岛”，从而更加恶化城市环境[2]。

根据当地气候条件来进行城市规划，是解决城市环境问题、实现可持续发展的重要途径。德国斯图加特市（Stuttgart）的实践也证明了这一点[2]。斯图加特市的周围被丘陵包围着，由于风力很弱，且常常产生逆温层，因此随着城市的不断发展，大气污染成为非常严重的问题。规划时首先对城市气候进行分析, 并据此对城市做出规划。规划人员为城市开辟了“风道”。模拟冷气的流动通道并消除通道上的障碍物，使冷气通过“风道”能够无障碍地流入城市。夜间从城市周围的斜面和峡谷吹来的冷气流山风，给城市带来了新鲜的空气，同时也减轻了大气污染。

现代城市自然景观高度破碎化，其生态服务功能严重缺失。作为生态基础设施的绿地系统成为维护完整连续生态格局的关键，是改善城市生态环境的重要途径。然而，城市，特别是中心区域土地稀缺始终是妨碍绿地系统发展的主要因素，这里的绿地率往往低于城市整体平均水平。屋顶绿化免去了高额的拆迁费用，能经济快捷地增加城市三维绿量，从而倍受许多国家和地区关注。国内外各种类型、规模的屋顶绿化应运而生，相关的科学研究也随之展开[3-5]。生态系统的效益远大于个体。屋顶绿化正经历着从创造优美景致、单体建筑节能到解决城市生态环境问题的漫长历程。其格局也从零星分布向成片成系统的空中绿地演变。屋顶绿化将成为城市绿地系统的有益补充，同其一道在解决空气污染、热岛效应等生态环境问题发挥着举足轻重的作用。

气候适应性规划强调城市规划包括绿地系统的规划应以本地地域气候特征为基本出发点和落脚点。本文以成都为例，从改善城市环境的角度，探讨城市尺度的屋顶绿化系统的气候适应性规划问题。

2 成都现行绿地系统规划的气候适应性分析

成都市现行的《绿地系统规划（2003-2020年）》通过3S技术、景观格局分析、生态效益核算等方法，针对当地气候条件分别从热岛效应缓解、绿地面积及分布、通风策略等方面提出了相应的规划对策[6]。

城市热岛分析从遥感数据的现状解译入手分析了城市热环境的分布格局。结果显示[7]以城市中心——天府广场东南为西界, 向东向南至三环路, 是热量分布的主要区域。线状分布依托于城市交通干线。绿地规划措施针对性地增加了热岛效应明显区域绿地面积，并利用水系及湿地保护建设发挥河流对热岛的阻隔作用。

景观格局分析显示，中心城区绿地景观结构存在的主要问题有：绿地斑块分布与布局极不平衡；绿地景观多样性较低；绿地斑块破碎度大等。规划方案提出了若干条解决措施，如增加绿地面积、加强绿地斑块联结、增加各类绿地斑块的自然性和复杂性等，并提出了各类绿地面积的数量化指标。

绿地系统规划对于城市通风的考虑也是一大亮点。成都这样的静风城市，通风策略尤为重要。如前所述，它不但能有效缓解热岛效应，同时也是消除城市空气污染的重要措施。在北、东北两主导风向上方即新都-青白江组团和郫县组团之间、新都-青白江组团和龙泉驿组团之间设置人口密度上限，利用绿地等开敞空间建设气流通道，形成城市绿系轴心地带。

尽管如此，仍然有一些棘手的问题需要解决。如由于城市人均建设用地数值偏低，导致用地紧张限制绿地发展；绿地布局还不尽合理，特别是二环路以内的城市核心区，由于土地资源紧张导致绿地比例偏低；城市气流通道没有延续进入二环路内的城市核心区等。

3 成都市屋顶绿化系统气候适应性规划

国家气象中心数据显示，成都市全年晴天少、阴天多，年平均日照时数为1 003 小时。年平均降水总量850.9 mm，且主要集中在6-9月，其降水量占全年的76%。月平均相对湿度全年平均值为81%。成都市热量丰富，四季分明，无霜期长达350天左右。年平均温度16.3 ℃，最热月极端最高温度37.3 ℃，最冷月极端最低温度-3.6 ℃。年平均静风率高，年平均风速为1.2 m/s。

图01 成都市二环路内屋顶绿化热环境图

3.1 研究范围及现状

从上节分析得知，成都市绿地系统突出的问题主要集中在二环路以内的城市核心区。这里城市建设历史悠久，土地资源稀缺，拓展绿地实属不易。屋顶是扩展绿化的重要空间。成都地区属亚热带湿润季风气候，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒。晴天少、热量充足、雨量充沛、静风率高。气候适宜屋顶绿化。

本研究范围为成都市二环路内全部屋顶。现状调研采用在线电子地图的遥感影像作为基础底图，在此之上运用地理信息技术对影像中的单体建筑屋顶逐一描图，实现对屋顶及其绿化数据的数字化和分析。同时结合实地调研，完善数据成果。气候因子分析是在国家气象中心提供的成都市1981-2010年地面及高空气象数据的基础上，运用统计、文献分析和定量计算等方法，对屋顶光照、风、水分、温度环境进行数量化研究。在此基础上结合热岛分布状况，实现对成都市中心区屋顶绿化系统气候适应性的规划。

数字化之前，已通过人工判读去除了能清晰判别的具有玻璃及金属等材料屋顶、采光屋顶，以及大型体育、观演、展览（功能、形态、装饰等需保持完整性）等明显不适宜做屋顶绿化的建筑。现状研究结果表明，成都市二环路内建筑约1.6万余座，屋顶总面积1 059.1hm2，占整个二环路内区域总面积的17.6%。屋顶绿化面积达142.2hm2，占总建筑屋顶面积的13.4%，且绿化方式以密集型为主。未绿化的屋顶面积仍高达916.9 hm2。空间分布来看，绿化率最高的区域集中在一、二环路之间的西南和西北两处；整个城西半侧多于城东半侧；一、二环路之间的建筑屋顶绿化面积及绿化率均明显高于一环路以内的。7层及以下居住建筑是目前屋顶绿化的主力军，绿化率为17.1%，商业建筑及公共建筑屋顶绿化率都不到5%。

3.2 基于热环境和风环境改善的屋顶绿化规划

由于城市热岛和逆温现象并存，成都市二环路内温度垂直变化复杂。高空气象数据显示，屋顶界面以下温度与地面相比变化不大。近地面温度高于470 m高空温度，差值在0.15 ℃到0.75 ℃之间。而在水平方向热量分布差异大，热岛效应明显。资料显示[8]，2005-2010年，成都市多数地方的热岛强度在1.5-3.5 ℃。一环内、一环与二环之间平均热岛强度分别为1.8 ℃和1.9 ℃，且呈明显的季节变化。6月开始增强，7月最强，从8月开始逐渐减弱。6、7、8三个月二环路内平均热岛强度为4.1 ℃。

按照热岛亮度图[7]，将成都市二环路内屋顶区域分为A、B两部分（图01）。A为强热岛效应区，B为弱热岛效应区。2006年数据显示，A区域3月份热岛强度约为2以上，7月份约为4.5以上；B区域这两者的数值分别在2及4.5以下。从热环境规划而言，区域A是屋顶绿化的优先建设区。它的绿化建设对二环路内热岛效应的缓解至关重要。

通过植被的蒸腾散热及对太阳辐射热的遮挡，绿化后的屋顶成为新的低温区。由于太阳辐射近地面加热及汽车等人工热源的存在，道路这个线状污染源与绿化后的屋顶会形成温度差。如果屋顶绿化面积大、绿量高，则会形成林源风。即使无法满足成风条件，温差也会引起局部空气湍流，促使污染物扩散稀释。

国家气象中心数据显示，成都地区年平均静风率高，年平均风速为1.2 m/s。非静风风向除6-8月以N为主外，其余月均以NNE为主，且平均风频分别为8%和11.6%。水平方向上，风吹过城市，由于下垫面参差不齐的庞大建筑物群的摩擦阻力，导致风速减小。垂直方向，风速随高度呈指数律增加。在风道范围内，热岛引起的局部热湍流会抬升及削减风速，而较低的温度能保证风顺利吹过城市。将北、东北两主导风向上方的新都-青白江组团和郫县组团之间、新都-青白江组团和龙泉驿组团之间的两片进风绿地沿风向穿过城市，与下风方向的排气绿地相连，此轨迹即为风道（图02）。二环路风道范围内的屋顶则需要通过绿化降温，以保证风顺利通行。不仅如此，绿化将原本裸露的建筑屋顶覆盖，进而降低了风将已沉降的尘土等污染物重新带入空气的机会。另外，风还与屋顶绿化协同工作，将被植被净化后的新鲜空气及其中的氧气与周围及下风方向空气混合，扩大了屋顶绿化的生态效应范围。

综合考虑风、热环境（图03），绿色区域即为成都市屋顶绿化的核心建设区域。此区域约占二环路内屋顶总面积的89%。这一区域对成都市二环路内热岛的缓解和主导风道的通畅起着重要的作用。

图02 成都市二环路内屋顶绿化风环境图

除了对热环境和风环境的考虑外，屋顶绿化可观的绿量也是影响规划的重要因素。虽然屋顶单体面积有限，但庞大的数量使得它的总体面积可观。成都市二环路内绿地面积为535.44hm2，绿地率仅为8.9%。本研究规划屋顶绿化核心区的面积约940hm2，基本是地面绿地面积的1.8倍。其中，符合《成都市屋顶绿化及垂直绿化技术导则（试行）》要求的12层或40 m以下屋顶面积约846hm2，约为地面绿地面积的1.6倍。按照前述的《成都市城区建设项目配套绿地面积计算技术标准（试行）》计算（假设为绿化面积达到60%），可折合成169hm2绿地。这样成都市二环路内绿地率可达到11.7%。其余11%的非核心区屋顶仍需鼓励绿化。

4 关于城市屋顶绿化系统规划的气候适应性规划的讨论

通过上面的分析，基于气候适应性的城市屋顶绿化系统规划时需要注意：

（1）为消除空气污染，绿化布局应有利于城市通风。由于城市绿化面积所占比例不高，植物对污染物的干降解能力非常有限，清除城市空气污染物最有力的手段是通风[10]。这一点对微风及静风城市尤为重要。成片绿地与邻近的建成区之间因两处的升、降温速度不一,可以导致出现速度达1m/s的局地风[11]。除利用城市热岛和周围大片绿地共同作用制造城市环流外，在城市风道上的屋顶应尽可能进行绿化，从而减少局部屋顶高温对风的削减作用，使得气流能通畅得经过城市。此外，屋顶绿化造成的局部林源风也成为扩散稀释降解空气污染的新生力量。

（2）利用屋顶绿化分散污染高浓度区域。根据空气污染物的低空辐凑原理，城市混凝土下垫面组团面积越大，空气污染越严重。利用屋顶绿化打破城市中心区域建筑等人工构筑物成片连续分布的格局。通过屋顶绿化过滤净化及扩散稀释降解空气污染物。这样可以将原本集中的一个高浓度污染区分散成若干个，浓度得以稀释，有助于分散治理。

（3）增加屋顶绿化面积。国外许多学者认为，合理的绿化覆盖率是市区面积的50%[12]。在寸土寸金的城市特别是中心区域，屋顶绿化无疑为我们向目标靠近提供了新途径。从理论上讲，现有的技术及进一步的政策支持能够实现城市屋顶的全面绿化。借鉴德国经验[13]，增加屋顶绿化面积可以从建设开敞型屋顶绿化入手。

（4）提升屋顶绿化质量。主要有两方面：一是指植物的生存质量，需要从各个城市特有的气候环境出发，根据植物的生存条件将屋顶分类后，制定选择绿化植物的标准进而针对性的推荐适宜植物种类；一是指屋顶绿化景观格局。包括从气候适宜角度优先鼓励和建设核心区；从生态学及景观生态学出发，优化屋顶绿化景观格局，如不同格局对污染物扩散及稀释过程的影响等。提升质量是下一步研究的主要内容。

5 结语

气候适应性规划强调城市规划包括绿地系统的规划应以本地地域气候特征为基本出发点和落脚点。基于气候适应性的城市屋顶绿化系统规划时需要注意：为消除空气污染，布局应有利于城市通风；合理布局，利用热岛环流造风；利用屋顶绿化分散污染高浓度区域。屋顶绿化应作为城市绿地系统的一部分，从整个城市生态系统的角度入手研究和规划。我们从气候适应性角度出发，对成都市二环路内城市屋顶绿化进行规划研究，是这一方面的有益尝试，意在抛砖引玉。

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