绿地对居住区热环境的改善效果研究

曹利娟，杨英宝，张宁宁，柳小涛

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

绿地对居住区热环境的改善效果研究

曹利娟1，杨英宝1，张宁宁1，柳小涛1

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098）

以城市居住区为研究对象，运用微气候模型ENVI—met的流体模拟手段分析绿地对居住区热环境的改善效果，并与实测数据进行对比。在验证模拟结果可靠性的基础上，设计几种改善方案进行模拟对比。结果表明，改变绿化类型、增加绿化面积和屋顶绿化，对居住区热环境具有不同的改善效果。

居住区热环境；绿地；模拟；ENVI-met

大规模的生产改造引发的城市污染、热岛等环境问题，给城市居民的生活质量和身体健康带来严重威胁。其中，城市热岛不仅会增加城市能源消耗，还会导致地球海平面上升，对城市居民的生活产生诸多不利影响[1]。有数据表明，夏季城市温度每升高1 ℃，降温能耗就要增加2%～4%[2]。

绿地是改善城市热环境的主要手段之一[3-5]。袁伟红等研究表明，绿化覆盖率高于47．5%时，能保证城市具有最佳的热岛效应值[6]。高峻等指出，绿化覆盖率低于40%时，绿地的内部结构和空间布局对周围环境温度的影响尤为重要[7]。刘艳红等对城市中5类常见的绿地空间格局进行模拟，得出楔状格局具有较好的热环境效应，而环状格局最弱[8]。就不同绿化类型，陈宏等认为建筑外壁绿化对于降低建筑物外壁表面温度、室外空气温度以及平均辐射温度有着积极的影响[9]。Pompeii II就绿色屋顶对整个城市热环境的影响进行了研究，得出绿色屋顶可以使室内外温度分别降低1．77 ℃和0．24 ℃[10]。关于城市绿地的研究很多，但关于绿地对居住区热环境影响的研究却比较少。

本文以城市居住区为研究对象，结合LiDAR数据和CFD模拟手段，就绿化面积、类型和屋顶绿化进行方案设计和模拟，揭示居住区不同绿地因子对小区热环境的影响方式、强度与空间差异，实验结果将对居住区规划起到指导作用。

1 研究方法

本文采用基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）原理设计的ENVI-met软件进行绿地对城市居住区温度影响的研究。本文的研究思路如下：①从LiDAR数据中获取居住区建筑物的高度，这是在微气候软件ENVI-met建立三维物理模型时重要的输入参数；以高分辨率航空影像作为底图，结合实地调研，导入到微气候软件ENVI-met中建立真实的居住区三维模型。②利用实测数据与模拟结果进行验证，并对输入参数进行调整，找出适合该研究区的参数条件，验证模型模拟精度。

在小区一定绿化面积的基础上，从绿化面积、类型、和屋顶绿化等方面设计不同的模拟方案，分析绿地面积、类型和屋顶绿化对热环境的定量影响，探讨最适合该居住区的改善方式。技术路线如图1。

图1 本文技术路线

1.1 研究区概况

丹佛小镇位于南京江宁开发区，坐落于金智路东侧，总建筑面积12．8 hm2，占地面积8 hm2，由10多栋小高层组成。该住宅区楼房是典型的中高层建筑，内部建筑多为住房，其中有一个幼儿园、一个菜市场；研究区南部为高层住宅，东部为密集的低层住区。研究区绿化多以低矮的草坪为主，灌木很少，高大植株也比较少。研究区的东南角空地为裸露地表，没有水体景观。研究区LiDAR图与三维模型图如图2。

图2 研究区域

1.2 模型校正

为了对微气候模型ENVI-met进行可靠性验证，必须结合现场实测数据。本次观测时间为2013-06-12 10：00～2013-06-13 12：00，每隔1 h读取一次数据，观测项目包括1．5 m高度的大气温度、相对湿度，2 m高度的风速。以10：00的观测数据及收集的气象数据作为初始参数，对区域进行微气候模拟，并且按照实际观测点的分布，在模型中所对应的位置设置监视器，记录该点不同高度在时间维度上的模拟数据。在区域设置7个实际观测点，涵盖建筑物外围、道路、2栋建筑物之间、空旷地区、草地等有代表性的地点。

1.2.1 参数设计

由于软件中原始参数默认值并不适合本研究区域，要结合实际情况对参数作一些修正，如表1。

表1 模型的默认参数值与修正参数值

1.2.2 修正后模型模拟结果与实测分析

利用校正后的输入参数对研究区进行模拟，7个监测点在13日12时的实测温度与模拟温度对比如图3。

从图3得出，对软件默认参数进行修正之后，运用ENVI-met软件进行模拟的结果与实测值平均温差0．447 K，相关系数达0．952。由于其他气象因素的影响，使监测点的模拟结果与实测结果有一些小的差距。

图3 监测点实测温度与模拟温度对比

1.3 方案设计和模拟

在小区一定绿化面积的基础上，本文设计3种模拟方案：①在已有的一定绿化面积的基础上，用落叶树、灌木和草地代替绿化现状进行模拟，对比分析相同面积的不同绿化类型对小区热环境的定量影响。②在绿化现状周围增加一定面积的不同绿化类型，对比分析增加相同面积的不同绿化类型对小区热环境的定量影响。③分别用草地和灌木对小区的楼房进行100%屋顶绿化，分析屋顶绿化对小区热环境的影响，具体方案如表2。

2 实验结果和分析

2.1 不同方案模拟结果

运用校正后的模型对表2各方案进行26 h的模拟，模拟时间从2013-06-12 10：00～2013-06-12 12：00，分析对比7个监测点在12时的空气温度分布。

图4 不同方案温度模拟对比图

从图4可以看出，用落叶树代替绿化现状和在现状基础上增加10%的树木温度改善效果较明显，用灌木代替绿化现状和增加10%的灌木这2种方案的改善效果次之，而用草地代替绿化现状、增加10%草地和进行100%屋顶绿化对于温度的改善几乎没有影响。不同绿化方案对环境改善的定量效果如表3。

表2 方案设计

表3 不同绿化方案对热环境的定量改善效果

增加绿地面积、改变绿化类型、进行屋顶绿化等对小区的热环境都有改善作用，但它们有着量的区别。绿化现状大都是草地，所以在草坪周围增加10%的草地对于小区的温度几乎没有影响。增加同等面积的树木，小区温度平均降低了0．85 K，其中3号监测点的平均温度降低了1．3 K。而增加10%的灌木时，改善效果只有0．24 K，不及树木明显，说明在原有绿化基础上增加与现状不同的绿化类型，即混合绿化类型可以有效改善小区热环境。树木由于加快了高空中的气体流动，且在地表形成较多的阴影区，使得改善效果比低矮的灌木更明显。分别用草地和灌木对小区所有楼房进行100%屋顶绿化实验，模拟得出屋顶绿化对于温度的改变仅有0．06 K和0．12 K，但小区的风速却增大了，1．5 m高处的风速分别增加了0．07 m/s和0．12 m/s，预计屋顶绿化对于室内温度的影响较明显。

2.2 模型校正的重要性

ENVI-met软件运行中所运用的很多参数都是根据当地的气候条件设置而成，要想将其用于南京市的研究，必须针对研究区域建立合适的参数。采用控制变量的方法，逐一改变参数并加以实验，找出灵敏度高、适合研究区的参数。从图2可以看出，用初始参数进行模拟时，模拟温度比实际温度高，且无相关性，而用已校正模型计算的温度与实际温度具有很强的相关性，且误差仅有0．4 K左右，可以很好地满足实验要求。

2.3 周围环境对方案降温效果的影响

监测点处的热环境是相邻建筑、景观和复杂下垫面相互作用的结果。在研究区域的不同位置分别选取涵盖建筑物外围、道路、两栋建筑物之间、空旷地区、草地等有代表性的地点设置7个监测点。经实验分析可得，同等设计方案下，7个监测点的降温效果不同，风速改变量也有明显区别。对于1号监测点，由于处于3栋建筑物的封闭区，通风效果不好，所以各方案的实施对此处的影响并不是很明显；而3、4号监测点由于处于广阔区域，无障碍物遮挡，各种方案的实施对2点处的风速和温度影响都比较明显，灵敏度比较高。

3 结 语

相对于绿地面积的影响，绿地类型对居住区的影响更大。相同面积的灌木和落叶树，较草地而言可使空气温度降低0．54 K和0．71 K左右；而屋顶绿化对于研究区这样中高层小区的室外温度改善并不适用，无显著效果。实验结果也说明，在城市居住区进行绿地规划的过程中，要尽量避免使用单一的草地进行绿化，

应该和其他类型如灌木和成熟落叶树一起配置，使相同面积下绿地对城市热环境的改善效果更明显。

[1] 马卫武,张翼,吴春玲,等．住宅小区室外微气候及热岛潜势分析[J]．中南大学学报:自然科学版，2013,44(12):5 117-5 124 [2] 秦俊． 绿地缓解城市居住区热环境效应的研究[D]．上海:华东师范大学,2014

[3] 王雪． 城市绿地空间分布及其热环境效应遥感分析[D]．北京:北京林业大学,2006

[4] 贾刘强． 城市绿地缓解热岛的空间特征研究[D]．成都:西南交通大学,2009

[5] Skelhorn C, Lindley S, Levermore G． The Impact of Vegetation Types on Air and Surfaces in a TemperateCity: A Fine Scale Assessment in Manchester, UK [J]． Landscape and Urban Planning, 2014(121): 129-140

[6] Ashie Y, Kono T． Urban-scale Analysis InSupport of a Climatesensitive Design for the Tokyo BayArea [J]．International Journals of Climatology, 2011,31(2):174-188

[7] 高峻,杨名静,陶康华．上海城市绿地景观格局的分析研究[J]．中国园林,2000,16(1):53-56

[8] 刘艳红,郭晋平,魏清顺．基于 CFD 的城市绿地空间格局热环境效应分析[J]．生态学报,2012,32(6):1 951-1 959

[9] 陈宏．屋顶绿化:缓解城市热岛效应,改善城市生态环境的有效措施[J]．引进与咨询,2006(9):39-40

[10] Pompeii II W C． Assessing Urban Heat Island Mitigation Using Green Roofs: a Hard Scale Modeling Approach [M]．Shippensburg: Shippensburg University, 2010

P237.9

：B

：1672-4623（2016）02-0015-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.005

曹利娟，硕士，主要从事遥感图像处理及城市热环境形成机制、动态模拟研究。

2015-01-13。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41271538）。