城市公园降温效益的测度与气候适应性设计策略

殷若晨 方 家 朱 丹 胡 杨

随着城市化进程的加快，城市建设用地不断扩张，人工不透水面取代了自然下垫面，使得城市地表的热力性质发生了显著变化。同时，城市中的人口越来越多，人类活动产生了大量的人为散热，在二者的共同影响下，形成了以热岛效应为代表的城市气候变化[1]。城市热环境的改变，不仅关系到人居环境质量和居民健康[2]，还对城市能源消耗和可持续发展[3]、生态系统的多样性[4]等方面有着深远影响。

面对正在发生的气候变化，联合国气候变化框架公约(UNFCCC)于1992年明确将气候适应(Climate Adaptation)作为应对气候变化的基本策略[5]。在此背景下，气候适应也逐渐成为可持续城市设计的重要原则之一，强调城市设计对象应当适应气候变化而做出调整或改变，同时也在积极探索设计对象对气候的主动干预，以降低气候变化对城市发展和居民生活所带来的损失和影响[6]。相关研究主要涉及2个方面内容：1)与居民日常生活有关的开放空间[7]和街道空间[6]等，关注于改善户外环境的舒适性；2)与城市整体环境相关的绿色基础设施[8]和滨水空间[9]等，试图通过增加自然下垫面等方式促进城市气候的调节。

城市公园既是居民日常活动场所，又能整合一定规模的蓝绿空间资源，是气候适应性城市设计的载体[10]。目前既有研究多从宏观视角出发，分析城市用地和景观格局对城市温度的影响[11]，认为增加绿色空间是一种经济效益高、环境友好、且容易被接受的缓解热岛效应的有效措施：这是由于绿色空间通过植物蒸腾和光合作用，吸收辐射热量、增加蒸腾率，加速了陆地表面与大气层热交换[12]。同时结合植物遮阴的方式，阻挡太阳辐射，降低地表温度[13]。尽管此类研究证实了城市绿色空间的植物配置[14-15]、面积与形状[16-17]、景观格局[17-20]等要素对城市热环境的影响，但忽略了城市用地本身的稀缺性，经济发展需要占用更多土地资源用于开发建设，一味增加绿色空间面积并不符合当前城市的实际发展需要，这为绿色空间降温效益的研究提出了新要求。

再者，基于实测的相关研究也已证实了城市公园对周边环境确有降温作用，公园与建成环境发生温度平流，使公园的降温效果延伸至公园以外地区，甚至可以降低周边建筑的冷却能耗[3，21]。但此类研究大多停留在单个公园的研究层面，缺少全样本下对公园设计要素普适性的指导。尽管热红外遥感技术在近些年逐渐发展成熟，公园降温作用的研究得以进一步深化，但目前多以大型公园为研究对象，而忽略了小型公园的降温作用，正是由于公园样本选择的偏差，也易造成对公园降温作用的片面认知[22-24]，研究结论对规划设计所产生的指导意义也被削弱。

目前，中国城市正面临着存量发展与气候变化的双重压力，提高降温效益是气候适应性赋予城市公园设计的目标之一。在上述研究的基础上，本文以气候适应性为导向，跨学科应用遥感技术，利用Landsat 8 OLI遥感影像反演地表温度，从降温范围和降温幅度2个方面，评估448个城市公园的降温效益，基于大数据样本对公园设计要素进行分析，聚焦公园面积、公园形状、植被覆盖度、地形变化以及蓝绿空间面积比，探索实现高降温效益的城市公园设计要素配置规则；同时，将应对策略应用于城市高温热点片区的模拟，评估实施前后的降温效果，为城市公园的气候适应性设计提供指导和科学依据。

1 研究区域概况

本文以北京市五环内作为研究范围，一方面，高密度建成环境是城市热岛效应加剧的重要原因[1]，北京市在近10年间极端高温天数不断攀升，夏季平均温度也逐年增加①，尤其以五环范围内的建成区更为显著[20]；另一方面，五环范围内的公园体系建设正逐步完善，三环与五环之间形成“一道绿隔”[17]，各类型公园也在留白增绿的政策下建成。以此作为研究范围具有一定代表性和典型性，同时研究结论也可对高密度人居环境下的城市公园建设进行指导。

本研究以北京市园林绿化局公布的公园数据为基础②，结合百度地图选取北京市五环内的公园作为研究对象，共计448个公园，小于1hm2的公园占53.13%，1～10hm2的公园占28.35%，10～25hm2的公园占8.48%，25hm2以上的大型公园占10.04%，能够反映各类规模公园的建设比例(图1)。

图1 北京市五环范围内的城市公园分布

2 数据与方法

2.1 城市公园降温效益评估框架

公园降温效益的测度，一般通过降温幅度和降温范围两指标评估，对公园不同距离缓冲区的地表温度变化进行单独建模，根据温度拟合曲线由上升变为平缓或下降处的位置，确定“拐点”[22-27]。公园边界到“拐点”的距离则为降温范围，公园内部与“拐点”缓冲区的温差则为降温幅度。在面对大量的城市公园样本时，无法对每一个公园进行单独建模。或采用平均“拐点”距离的计算方式，以降温的最远距离作为降温范围，但并非公园发挥显著降温效果的有效范围[28]。

研究发现，随着与公园距离的增加，公园降温幅度呈现对数函数的变化趋势[27]，与公园较近距离的降温幅度变化大，随着距离的增加，受复杂建成环境的干扰，降温幅度降低。不同于上述最远降温范围，有效降温范围内的降温幅度最能体现公园的降温作用。当超过有效降温范围后，城市公园对周边环境依然存在降温作用，但降温幅度随距离不再显著(图2)。

图2 城市公园降温作用随距离的示意图

为了对研究范围内大量公园样本的降温效益进行测度，需要建立统一标准，同时有效整合降温幅度和降温范围两指标。基于此，本文提出并定义了城市公园降温效益的测度指标。首先对研究范围内的城市公园以相同距离间隔生成缓冲区，拟合并寻求平均有效降温范围，之后计算公园的平均有效降温范围与公园范围的地表温度，评估城市公园的降温效益(式1)。

2.2 地表温度反演

本文选取2017年9月28日，云量为0%且研究范围成像较好的Landsat 8 OLI_TIRS卫星遥感影像，采用大气校正法对研究范围的地表温度进行反演和计算[29]。

既有研究表明，地表温度与近地面气温存在显著的线性相关，能够有效反映其变化趋势[32]。所以，通过热红外遥感影像反演而得到的地表温度，在一定程度能够反映出城市公园对周边建成环境的降温作用。下文提到的“温度”“降温”等均指基于此方法计算得出的地表温度。

2.3 特征要素选择

城市公园由于自身特征差异，表现出的降温效果各有差异[7]。本文尝试将公园设计的公园面积、边界形态、植被覆盖度、地形变化、蓝绿空间面积比5个特征参数与降温效益相结合，采用Pearson相关分析，进行曲线估计，探讨各要素与公园降温效益的相关性(表1)。

表1 公园设计特征要素选取

在城市公园设计中，首先要保证城市绿地依据规划所要求的面积建设，不同级别公园有不同规模下限；边界形状决定了公园与城市空间交互的界面，边缘面积比越小表示公园形状越规整，与城市空间的接触面越小；植被覆盖度与植物景观配置密切相关，绿色植物是公园能够发挥降温作用的主要因素[15]；山体与湖泊形成的地形起伏是公园重要的物质设计要素，计算公园内高程的方差和极差，评估公园地形变化；蓝绿空间是产生降温效益的自然景观资源，统计水体和绿地2类空间的面积，计算公园的蓝绿空间面积比。

3 城市公园降温效益的测度

3.1 地表温度的分布特征

北京市五环范围是城市热岛效应的典型片区，地表温度呈“圈层递减，南高北低，楔形嵌入”的特征(图3)。1)“圈层递减”，三环内，建筑人口密度高，绿色空间数量少且布局分散，容易形成局部热岛空间，如琉璃厂和平安里的老胡同街区；而三环外，得益于“一道绿隔”的建设，公园的数量增多且更具规模，形成分布相对集中和连绵成环的组团，有效降低片区温度，如位于北五环的奥林匹克森林公园、望湖公园等。2)“南高北低”，北三环以北地表温度低于南三环以南，除与公园数量和面积有关外，还因北部靠近北京生态涵养区，大面积的山地林地和河湖水库营造出适宜的小气候。3)“楔形嵌入”，多条楔形绿色廊道从不同方向嵌入城市，降低周边环境温度，如颐和园、圆明园、海淀公园等组成的公园系统，承担了西北片区的温度调节功能。

图3 地表温度和绿色空间的分布

3.2 城市公园有效降温范围的确定

结合公园与地表温度的分布关系发现，公园自身能够形成相对低温的“冷岛”，并在一定程度上对周围环境温度产生影响。为量化公园的有效降温范围，以热红外遥感影像的精度30m为间隔，统计样本在相同距离间隔的温度变化，寻求平均降温幅度的“拐点”作为公园的有效降温范围。根据拟合结果，北京市五环范围内的公园对周围环境温度的影响近似对数函数，随距离增加降温幅度逐渐减弱，在90m的范围内公园降温幅度最大，与距离的关系近似线性，每增加30m距离，地表温度上升约0.16℃，而在90～500m内温度变化逐渐放缓，当超过500m后，公园几乎无降温作用。故本研究得出北京城市公园的有效降温范围约为90m，最远降温范围约为500m，基于此进行城市公园降温效益的计算。

3.3 城市公园降温效益的分布特征

根据上述所得90m有效降温范围以及公式1，计算公园的降温效益。依据降温效益对公园进行划分，发现降温效益较低甚至无降温作用的公园，主要为面积过小的绿地或者是植被覆盖度较低的广场，其降温效益受外部环境的影响较大；当面积超过10hm2，植被覆盖度高于40%，公园才能发挥较为稳定的降温作用(表2)。

表2 不同城市公园降温效益

由图4可知，公园的降温效益受到所处片区的影响，呈“中心高，外围低”的分布。三环至五环范围，不仅分布着大面积的公园，还有大量的农田、林地、草地等共同组成自然空间，整体的地表温度低于城市中心，使得外围公园的降温效益并不明显，而位于城市中心的公园则更能够充分发挥对周边的降温作用。例如，人定湖公园的降温效益较高，约5.84%，周边环境以高密度的人口活动和建筑群为主，形成高降温效率的情景。而北坞公园其周边以山地和公园为主，该片区的整体温度已处于相对低温的状态，公园很难再降低，降温效益仅为1.06%。

图4 城市公园降温效益的分布特征

4 影响城市公园降温的要素分析

城市公园的降温效益除了与其所处环境有关，也受公园自身设计要素的影响。在公园设计的初始及过程中，若充分考虑设计要素的温度调节作用，通过设计要素的调整实现局部空间微气候的改善，将有助于公园主动适应气候变化。

4.1 面积大小

公园面积是影响降温效益的重要因素，总体来说随公园面积的增加，降温效益在不断增强，但两者为非线性的对数关系。相比于小型公园，大型公园在保证居民日常活动设施的配置基础上，进行绿色空间营造和水体设计，此类要素皆是提高降温作用的重要内容。同时也发现，当公园面积超过25hm2后，降温效益随公园面积增加的幅度放缓(图5-1)。所以，当公园面积超过一定阈值后，单方面提升公园面积难以提高降温效益，需进一步考虑其他设计要素以实现更高的降温作用。此外，不同面积的公园在区位分布上也存在一定差异，超大面积的公园往往分布在城市外围，周边建设水平和人口活动量低，温度也偏低，难以产生较大的降温效果。

图5 单要素的相关性

对公园面积进一步划分后探讨相关性(表3)，发现公园面积小于1hm2时，两者间的关系并不显著，表明小型公园的降温作用不稳定，蓝绿空间的面积小，加之受周围建成环境的热影响，公园降温效益更加难以测度。

表3 公园面积与降温效益的相关性

4.2 边界形态

公园边界形态呈由内到外逐渐规整的趋势(图6-1)，城市外围的公园用地选址受外部环境约束小，靠近中心的公园用地情况复杂，边界形态曲折。与城市空间的接触面越大，降温效益越低，两者呈现显著负相关(图5-2)。当公园的边缘面积比大于约0.2时，边界形态过于曲折，难以发挥稳定的降温效益。而带状公园这类具有特殊形态的公园，边缘面积比值较大，蓝绿空间布局也因公园的宽度而受到限制，但与同等面积的块状公园相比，公园边界更长，降温影响范围更广。如元大都城垣遗址公园得益于贯穿其中的小月河，具有较高的降温效益，加之其面积较大，平均宽度达到了300m。

图6 单要素的分布特征

4.3 植被覆盖度

研究范围的绿量分布呈“外高内低”特征，四环-五环的范围有较高的绿化覆盖。而中心的北京老城区绿量水平有待提高。在北京市域绿色空间结构规划中，可以看出针对中心城区采取的措施是“绿化隔离”，而非“绿化渗透”(图6-2)。

植被覆盖度是量化自然地表的指标之一，城市绿化能够有效缓解热岛效应，已有研究多次论证其与地表温度呈现出很强的负相关。本文在分析植被覆盖度与公园降温效益的关系时，结果同样也呈现出显著的正相关，植被覆盖度增加10%，则降温效益提高约0.348%(图5-3)。这是由于高覆盖的植被对太阳辐射的截获和冠层蒸发的潜热吸收，能够有效减缓地表升温。

4.4 地形变化

研究范围内90%以上的公园具有地形变化(图6-3)，其中25%的城市公园高程极差在12m以上。公园地形变化由描述公园地形起伏情况的高程方差，以及表征地形高差的高程极差组成。2个指标与公园降温效益均呈非线性的对数关系，即超过一定阈值后，对降温效益的影响逐渐降低。高程方差对降温效益的影响相对较弱，其阈值约为5(图5-4)；高程极差的增加显著提高降温效益，其阈值约为20m(图5-5)。在公园设计中，挖湖堆山的地形营造能够显著提高降温效益，并在实际设计中与水体结合，复合而产生更大的降温效果；同时地形设计中的地形起伏不必过大，应控制在一定范围内。

4.5 蓝绿空间面积比

在有限的城市公园空间内，绿地与水体面积互斥，最优的蓝绿空间配置在公园设计中尤为重要。筛选出98个有水体空间的公园，发现蓝绿比多集中在0～0.2(图6-4)。由蓝绿面积比与降温效益的关系可知(图5-6)，水体空间的增加能提高降温效益，但二者为非线性关系。降温效益的提升作用在蓝绿空间比大于约0.3之后开始放缓，再大比例的水体对于公园降温效益的提升作用不再明显，当蓝绿比大于1之后降温效益又继续增加，但此时大面积水体的建设会带来较高的经济成本。

5 情境模拟与应对策略

5.1 情景模拟

通过ArcGIS热点分析对研究区域地表温度进行Getis-Ord G＊运算，基于距离权重矩阵的局部空间自相关指标，探测高低值的聚集特征。提取Z值于95%以上的正显著区域，该区域表示研究范围内地表温度较高的聚集区。高温热点区域面积为2 717.82hm2(图7-1)，平均地表温度为35.73℃，远高于五环范围平均地表温度32.23℃。根据上文城市公园降温要素特征的探讨，选取面积适宜、边界规整、植被覆盖度高、具有适当的地形起伏以及蓝绿空间比，同时降温效益较高的“标准公园”，作为理想情境置入热点区域，评估城市公园建设的前后降温效果。

图7 公园置入前(7-1)后(7-2)的情境对比

本文以东单公园为例(与全部公园样本特征参数的中位数相近)，面积约4.5hm2，降温效益约为4.97%。为使置入公园的降温范围全部覆盖所识别的高温热点地区，结合上文城市公园降温作用最远距离500m的结论，以1km为间隔置入标准单元，共计28个，总面积为126hm2。结果表明，置入后区域的平均地表温度由35.73℃降低为33.53℃，高温热点面积减少1 082.16hm2(图7-2)。若结合北京市相关的城市绿地建设政策，采取高降温效益的公园设计，以及多点分散的布局原则，能够充分发挥城市公园的降温作用并有效缓解集中的热岛区域。

5.2 气候适应性设计的应对策略

在全球气候变暖的背景下，城市热岛效应日益加剧，尤其是在建筑物高度集中且绿化有限的高密度建成区域。如何使城市空间适应正在发生的气候变化挑战，寻找减轻城市热岛效应和促进城市可持续发展的方法，成为城市规划、管理和政策制定部门持续关注的议题。在既有研究的基础上，构建城市公园降温效益的评估框架，从公园规划设计角度出发，寻找影响降温的相关要素，为应对气候变化提供设计引导。

具体而言，在大规模增加城市公园用地受限的情景下，通过优化城市公园的设计要素、腾退更新后选取合适规模的公园、合理布置公园的间隔距离等方式提升公园降温效益，是缓解城市热岛效应的有效措施。1)城市公园能够在约90m范围内显著降低地表温度，最大降温范围可达500m左右。2)基于地表温度和降温效益的分布特征可知，公园降温效益除了受到自身要素影响外，还受到周边所处建成环境的影响。尽管城市中心“孤岛式”公园布局的降温效益更高，但对区域整体环境温度的影响有限。3)有关公园设计，面积大小、边界形态、植被覆盖度、地形变化、蓝绿空间面积比5个要素对降温效益有显著影响，且多以非线性方式存在。4)将上述认知应用于理想情境的热环境模拟，高温热点区域的面积减少超过50%。需要注意的是，本文在有关公园设计要素中，对非线性趋势的“阈值”判断是通过数据绘制图纸观测所得，尽管不是准确的数据定义，但也具有一定参考价值。

基于以上分析结果，研究建议北京市中心区应当依托城市更新策略与计划，适度增加面积在1～10hm2形态简单规整的城市公园，其间距控制在约1km。在城市公园内部设计要素中，提高植被覆盖度，保持适宜蓝绿比，适当挖湖叠山的地形营造等，提升公园的降温效益。总体来说，本研究在证实公园有助于调节城市热环境共识的基础上，发现公园降温效益既受外部片区环境影响，也与公园自身要素有关，进一步寻找提升降温效益的相关城市公园设计要素，完善了城市热岛研究在指导规划设计实践方面的不足。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

① 中国天气网：《37.3℃！北京8日气温创今年来新高 大数据显示北京夏天越来越热》。http://news.weather.com.cn/2020/06/3338445.shtml。

② 北京市园林绿化局(首都绿化委员会办公室)：《城市公园》。http://yllhj.beijing.gov.cn/ggfw/gyfjqyl/cs/。