利用城市绿化缓解新加坡热岛效应方面的研究

(马来西亚)黄玉贤 (新加坡)陈俊良 童杉姗 撰文 童杉姗 译

1 新加坡的城市热岛效应

城市热岛效应是指城市化地区的温度明显高于周围农村地区的现象，这大多是由于在城市建成区内的绿地面积减少、高密度建筑物形成的低风速，以及城市表面的低反照率造成的[1]。与自然表面相比，建筑物和沥青表面吸收更多的太阳辐射，这不仅造成夏季在建筑物内部对空调制冷需求的增加，也带来更高的环境温度[2]。从城市的气温等值线也可观察出，由于热岛效应的影响，在城市中心地区的气温往往会比偏远的地区高[3]。

热岛效应的现象在新加坡表现得尤为明显。新加坡位于赤道带沿岸，属于热带气候，全年气温在23～32℃。每年的11月至次年3月为季风区，而4月和5月通常较热[4]。通过卫星影像，我们观察到新加坡工业区和商业区的地表温度明显较高(图1)，而公园和森林地区的温度较低[5]。

另一项研究表明，在中央商业区和拥有大量绿化的地区之间的气温差高达3.5℃[6]。这样的温差是由于商业区吸收了大量的太阳辐射，而减少了蒸腾散热量所造成的。热遥感影像显示新加坡的建成区和郊外地区的气温温差高达4.0℃[7]。在2001年测量的白天和夜间热岛效应的数据也表明，在人口稠密地区的夜间热岛效应高达4.0℃[8]。

新加坡政府认为气候变化对国家的发展有着重要的意义，并积极地面对因气候变暖所造成的水位上升和极端天气增加等环境问题。2007年，新加坡政府成立了IMCCC(Inter-Ministerial Committee on Climate Change)，旨在协调各政府机构之间在面对气候变化议题时的相互合作[10]。此外，《国家气候变化战略》(National Climate Change Strategy)也详细阐明了新加坡在应对气候变化问题时的策略。这些策略包括减轻热岛效应、减少碳排放和加强与国际伙伴的合作关系等[11]。

在建筑施工和管理层面，新加坡政府也采取了多项举措来减少建筑行业对环境的负面影响。2005年1月，新加坡建设局(Building Construction Authority, BCA)启动了“绿色建筑标志”(Green Mark)计划，该计划是国家推广绿色建筑的第一步。Green Mark对建筑设计和施工方案中各环节的环境友好型特征进行了归类评分。在设计中具有环境友好型特征的建筑会比没有这些特征的建筑得到更高的评分，其表现也更环保。根据Green Mark中所列出的标准，被评估的建筑物会得到一个综合评分，该分数可作为衡量其整体环境友好型的标准。这项举措充分地反映了新加坡建设局在推广绿色建筑、维持环境可持续性发展方面的决心。

2 城市绿化改善微气候

城市绿化在改善室外微气候方面也起着重要的作用。在建筑物密集区，树木和灌木不仅可以遮阴、降低环境气温，还有助于减少建筑围护结构的吸热。植物和树木不仅提供遮阳效果，还减少了建筑物屋顶和墙壁上的太阳辐射，并通过蒸腾作用降低了环境中的温度，增加空气中的湿度[12]。

近年来，新加坡一直积极推行将绿化融入城市环境的设计中。1967年国家提出了建设“花园城市”的理念，在全国范围内广泛推行种植树木[13]。作为环境保护的重要一环，绿化在BCA的Green Mark的绿色建筑评估框架中也有所体现。图2列出了Green Mark在绿化方面的评分细则。例如(a)在绿色容积率(Green Plot Ratio，GnPR)达到4或以上时，该建筑因此项特征可得到6分，而绿色容积率是“每单位地块面积上的单面叶面积总和”[14]。新加坡市区重建局(Urban Redevelopment Authority)也倡导通过Landscaping for Urban Spaces and High-Rises(LUSH)2.0项目(URA，2014b)[15]，在城市环境中进一步增加绿化的面积和密度。该项目的其中一项要求是确保所有复垦地区完全被景观覆盖，而且至少40%的用地被永久性的景观覆盖(URA，2014a)[16]。URA还提出了针对景观重建区(Landscape Replacement Areas)的设计指南[17]，以实现以下目标：

使用绿化提高居民的生活质量；

通过在地面和地上的绿化设计提高新加坡热带城市的形象；

通过绿化提高热舒适度和空气质量。

3 公园、垂直立面和屋顶绿化对城市热环境的改善

为了响应国家增加绿地面积的号召，我们进行了一系列研究来量化城市绿化给环境带来的益处。通过实验观察到[18]，城市公园能够有效地降低周围环境的温度，公园周围不同地点之间的温差达到1.3℃。实验结果也显示，公园内部的温差与建成区内温差相比较小，说明植被可起维持温度稳定的作用(图3)，而且园内测得的气温与植物的叶面积指数有很高的相关性。热分析模拟(TAS)的结果显示靠近公园的建筑节能高达10%，基于Envi-MET模拟结果显示公园能提供全天24h的降温效果。

在新加坡高密度的城市环境下，除了公园和花园这样传统的绿化形式，我们也常常看到垂直墙面和屋顶的绿化。政府大力鼓励在建筑立面和屋顶安装绿化，新加坡国家公园局颁布的Skyrise Greenery Incentive Scheme对垂直和屋顶绿化的安装提供高达50%的费用补贴。自从2009年该计划成立以来，已有超过110座建筑受益于该计划[19]，这有效地提高了建筑环境中的绿化覆盖率。

图1 新加坡不同地区的热岛效应分布[9]

研究结果显示，屋顶绿化对室内的环境也有显著的积极影响。通过测试绿化屋顶的传热的实验发现[20]，植物的遮阴可以给混凝土的屋顶表面带来至少3.0℃的降温，而且具有较厚叶片和较高叶面积指数(LAI)的植物所带来的降温效果更为明显。由于土壤和植被的隔热作用，从混凝土屋顶传递到房间内的热量明显减少了。在不同高度的温度测量结果表明，没有植物覆盖的屋顶上方比绿化后屋顶上方的气温高出4.2℃。而黑球温度的测量显示，19：00之后绿色屋顶的平均辐射温度(Mean radiant temperature)比没有植物的上方温度高出4.5℃，这表明植物直接削弱了热岛效应。另外，虽然混凝土屋顶和绿色屋顶上方的温差很明显，但其相对湿度是相近的。

我们的研究也同样调查了垂直立面绿化在减少建筑物传热方面的潜力。 我们研究了不同垂直绿化系统的传热特性[21]，所有参与调查的垂直绿化系统都能带来显著的降温。而不同的设计因素是造成系统之间不同降温性能的主要原因，包括下垫面类型、灌溉周期、隔热和遮阴的效果，植物特性如LAI和叶面颜色，以及太阳透射等微气候因素等。实验结果表明，垂直绿化能使墙壁表面的日间温度明显降低，这间接地帮助延长了建筑外立面的使用寿命。传热的减少也意味着节省了空调制冷系统的耗能，因为用垂直绿化覆盖的室内空间有较低的制冷需求。此外，垂直绿化系统也被证实可以有效地降低室外的环境温度。尽管不同系统的降温效果有所不同，但我们的实验观察到日最高气温的降温效果可以高达3.3℃。

我们也研究了垂直绿化在减少建筑传热方面的潜力[22]。垂直绿化系统可以有效遮挡太阳辐射，并最大限度地减少通过建筑立面的传热。在这项研究中，我们测量了绿墙植物的遮阳系数，并与建筑的整体能耗进行比较。遮阳系数被定义为植物下方的墙壁上吸收的太阳辐射度与同方向空气中太阳辐射度的比率。通常具有较高LAI的植物因为有更大的单位叶面积，可以提供更好的遮阴覆盖。通过大量实验，我们得出了植物遮阳系数与叶面积之间的经验推导关系，如公式(1)所示：

该公式中，SC(Shading coefficient)为植物的遮阳系数，LAI为叶面积指数。公式(1)表明植物遮阳系数与LAI呈线性负相关。较低的遮阳系数意味着提供更密集的绿化覆盖和更好的隔热。本研究的一个重要发现就是，具有高LAI值的植物是垂直绿化的理想选择。TAS模拟的仿真结果表明，在建筑外围结构上引入垂直绿化，可以大大节省建筑内的制冷负荷。近年来，我们也研究了不同植物的特性对其降温效果和节能潜力的影响。我们研究了3种不同类型的屋顶绿化植物(Heliconia'American Dwarf'，Sphagneticola trilobata和Phyllanthus cochinchinensis)[23]。研究结果表明，植物的性状因子，如灌木反射率和植物蒸散率，是影响周围空气中平均辐射温度的重要因子。通过大量实验，我们得出平均辐射温度与植物性能因子之间的经验关系：

其中，TmrtPlant是屋顶绿地上方的平均辐射温度(℃)，Tmrtref是混凝土上方的平均辐射温度(℃)，ET(evapotranspiration rate)是植物蒸散率(mm·min-1)，SA(shrub albedo)是灌木反照率。该研究的另一重要发现是，不同植物表现出明显不同程度的冷却潜力，但高LAI值的植物并不总能提供最大的冷却效果。设计师在选择植物的过程中，尤其需要考虑植物的冷却潜力，而不是单纯依靠美学。植物的叶片反射率和蒸散率都会影响其整体的降温潜力。

除了植物特性外，我们的另一项研究[24]表明植物的硬件种植条件对其降温效果也有明显的影响。例如，在植物种植箱中增加水槽可以加强植物的降温潜力，并在天气干旱时延长其存活期。硬件上的提升有助于提高植物适应环境的能力，并进一步减缓气候变化，减轻热岛效应的影响。

图2 新加坡绿色建筑评价系统Green Mark中关于绿化的评分细则

图3 公园(BBNP)到居住区(HDB Blocks)之间的日平均温度分布[18]

4 减少热岛效应的资源

我们之前的研究不仅证实了城市绿化带来的环境益处，也深入探讨了如何优化植物和系统的特性来加强绿化的益处。而如何将这些研究成果转化到实际的城市规划与设计中来也是至关重要的。城市气候制图(Urban Climatic Mapping, UCM)就是传递和应用这些研究成果的有效方法之一。城市气候制图是指通过叠加与建筑环境相关的信息，包括城市规划、地形地貌和气候数据(气温场和风场分布)等，将这些信息以地图的形式进行视觉化的表达，并在此基础上进行定性的空间分析。UCM能帮助城市规划人员认识和理解城市形态与微气候之间的相互影响。这有非常重要的实际价值，因为城市规划人员往往缺乏对气候因素的了解，而气候工作者又不大熟悉城市规划的要求[25]。随着世界各国和相关国际组织对可持续发展的逐步重视，工业界和学术界也出现越来越多通过UCM来寻求合作的声音。这样的跨学科平台不仅有助于在不同领域之间传达新颖的城市规划思想，更有助于他们了解宏观与微观气候之间的影响[26]。

4.1 使用STEVE Tool进行空气温度模拟

在新加坡我们开展了广泛的温度制图研究，其中包括一些重要的地区，例如滨海湾区、榜鹅生态区、裕廊国际商业园和一些工业区等。这类温度制图的研究主要是通过我们所开发的STEVE(Screening Tool for Estate Environment Evaluation)模型来进行的。STEVE是我们结合了在气候科学和城市规划2个领域的研究成果自主开发的温度预测经验模型。通过GIS程序插件的形式，STEVE可以被用来预测建筑环境中各具体位置的气温，包括每日最高温度、最低温度和平均温度。利用STEVE模型，规划师们不仅可以迅速模拟出其规划设计方案对环境温度带来的影响，还可以找出区域中气温较高的“热点”地区，并进行重新设计以达到整体更好的热舒适性(图4)。而相应的降温措施包括增加绿化面积，减少环境中的天空开阔度(Sky View Factor，SVF)等，而重新设计改善热环境的过程可以通过不断地测试调整来进行，直到得到理想的解决方案。

基于城市温度是城市形态因子和气象环境因子共同函数的假设，我们提出了针对新加坡气候的城市气候制图框架，并开发了相应的温度预测模型[27]。模型中的城市形态因子包括建筑物占地面积、建筑外围面积、绿化覆盖率和SVF等[28]。城市规划者能够利用STEVE模型评估其设计对建筑环境的热影响。在中国(天津)、德国(卡塞尔)、印度(钦奈)、孟加拉国(达卡)和印度尼西亚(日惹)等国家和地区，STEVE模型也得到了使用和验证。

图4 新加坡国立大学校园15：00的温度分布图[25]

图5 利用STEVE Tool进行景观规划和Tmrt模拟的过程和实例分析

4.2 城市绿化的选择和安装

除了研究城市绿化对室外温度的影响，我们也努力将绿化融入建筑设计和城市规划的过程中去，并在景观设计中考虑到绿化对建筑外围传热和日光照射的影响[29-30]。

为了帮助设计人员了解其设计对室外热环境的影响，图5提出了基于概念性的景观规划和设计的工作流程。首先要搭建起该研究设计区域的城市三维模型，然后在GIS平台上叠加城市形态和气候信息，并评价不同景观条件下环境中的平均辐射温度(Tmrt)。图5说明了为公园进行景观规划的过程。在第1次测试中，只考虑了种植树冠半径为2.5m的树木。在第2次测试中，种植了树冠半径稍大为7.5m的树木。我们可以观察到，由于树木提供的阴影增加，Tmrt值明显降低了。在第3次测试中，通过优化大树的种植位置，区域内Tmrt值进一步降低。而在最后一次测试中，我们加入了灌木并评估其降温效果。通过比较4个不同测试所生成的Tmrt分布图，我们清楚地观察到绿化带来的降温效果分布。试验所提出的工作流程，可以帮助规划者理解其设计对室外环境的热影响，并修改其方案来达到理想的效果。这样可以使设计人员避免不良的规划方案，例如主要行人通道的遮阳供应不足，或者在为工厂的选址缺乏足够的光线供应等。

5 结论

近年来，城市绿化方面的研究已逐步从认识绿化带来的环境益处，转移到如何预测和优化绿化带来的降温潜力上来。本文探讨了新加坡在城市绿化方面取得的研究成果，并指出了未来的发展方向应着重于如何将研究成果转化到城市景观设计的过程中。基于在城市热岛效应和绿化方面多年的研究，我们也提出了利用STEVE模型进行景观规划和设计的系统框架。在如今新加坡大力倡导环境绿化的背景下，这个系统框架的重要性变得尤为突出。

我们结合了气候制图的方法和对植物特性的评估，所提出的景观规划框架能同时满足在设计中对热舒适和美观的要求。文中所给出的景观规划实例也表明，设计方案对户外热环境会产生重大的影响。因此在实际的设计过程中，景观规划师们需要了解当地的微气候环境，并充分考虑景观对气候的影响。本文中提出的气候敏感型景观设计框架，可以在日后的实践中在改善城市的热环境方面发挥重要的作用。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。