住区不同绿化组合比率的绿地热环境模拟*

谭 兴 廖建军 王志远，2 李家宇

1 南华大学建筑学院 湖南衡阳 421001 2 湖南省健康城市营造工程技术研究中心 湖南衡阳 421001 3 中南大学建筑与艺术学院 长沙 410083

随着城市化进程的加快，一系列资源环境问题逐渐突出，其中城市热岛效应导致城市内温度升高、城市环境的热舒适性降低等问题已经严重影响到城市居民正常的生产与生活，甚至威胁居民的生命健康。住区作为城市的重要组成部分，良好的居住环境有利于居民的身体健康。而位于夏热冬冷气候地区的住区不仅面临着日趋严重的城市热岛问题，还遭受其夏季高温潮湿的气候特征影响，使住区热环境更为恶化。因此，改善夏热冬冷地区的住区热环境问题比以往更有必要。

绿化被认为是缓解城市热岛最有效的策略之一。目前，研究者已从多种尺度探究了绿化对城市热环境的影响。宏观尺度上，利用遥感技术探究土地利用对城市热岛的影响[1-3]。中小尺度上，大多采用数值模拟的方法进行研究[4-6]。近期研究发现，绿地覆盖率也可以影响城市热环境[7-8]，绿地覆盖率越高，温度越低，热舒适条件越好[9]。王桂芹等[10]研究发现，当绿地率为5%时，降温效果仅为0.13℃，而当绿地率提高到20%～35%时，平均降温达0.29℃，且整个片区的降温效果比较均衡分布。由于植被的高度、叶面积密度等物理特征也可以影响绿化对热环境的降温作用，因此不同绿化类型所引起的降温效益也会有所不同。刘海萍等[11]通过ENVI-met探究乔木、灌木、草地等绿化类型对住区热环境的影响，结果发现乔木的降温效果最为显著。近期也有研究比较分析了不同绿化组合对城市热环境的降温影响，如Lee等[12]探究乔木、草地以及乔-草组合3种绿化类型对住区热环境的影响，其中乔-草组合的降温效果最好。任斌斌等[13]采用实地测量的方法发现夏季乔-灌-草组合场景的热舒适度最好。

目前，虽有研究调查了城市地区应使用的最佳绿地覆盖率，但这仅仅指的是整体的绿地覆盖率，并没有研究者对绿化组合中不同绿化类型所占比率进行进一步的定量研究。在现实情况下，住区往往会为了景观美化的需求，采用乔-灌-草组合种植，并不仅仅只是种植单一绿化类型，并且也有研究[14]发现，在夏季，绿化组合场景可以营造更舒适的户外环境，因此进一步对绿化组合内不同绿化类型所占比例进行定量研究非常必要。

本文在控制总体绿地覆盖率不变的前提下，采用ENVI-met量化评估住区不同绿化组合比率对热环境的冷却影响。该研究创新点在于在控制绿地覆盖率不变的前提下，对绿化组合内乔木与灌木所占的比例进行定量研究，通过合理控制绿化组合比例，实现住区在有限绿地空间内发挥更大的冷却效益，为住区绿化规划设计策略提供科学指导，以更有效地改善住区热环境。

1 研究区概况

长沙(27°51′—28°40′N，111°53′—114°5′E)属于亚热带季风气候，夏热冬冷。夏季日照辐射充足且持续高温多雨，日平均气温达到28℃，日平均最高气温达到43.7℃。长沙年平均相对湿度为70%～80%，最高为95%～100%。

2 研究方法

2.1 ENVI-met软件校验

选取长沙一处住宅小区，采用ENVI-met模拟评估不同绿化组合比率对住区热环境的影响[15-19]。测点A1为住区中乔木较多、灌木相对较少的位置，测点A2为乔木较少、灌木相对较多的位置。实测时间为7月31日的6∶00至8月1日的5∶00，每小时记录一次温度数据。对比结果(图1、图2)表明，模拟值与实测值的变化趋势基本相似，但实测温度普遍高于模拟温度，这主要是因为ENVI-met没有考虑周边交通等人为放热的情况。此外，本文采用均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)评价模型模拟的可靠性。计算公式如下:

图1 测点A1处的模拟值与实测值对比

图2 测点A2处的模拟值与实测值对比

式(1)和式(2)中，Xmeasure，i为现场实测值，Xmodel，i为软件模拟值，n为次数。经计算，测点A1处的RMSE的值为2.77℃，MAE的值为2.46℃，测点A2处的RMSE值为2.83℃，MAE的值为2.3℃。目前公认RMSE介于0.52～4.3℃、MAE介于0.27～3.67℃是 可 以 接 受的[20]。因此，该验证结果表明，采用ENVI-met进行绿化组合热环境的模拟分析是科学可行的。

2.2 模拟绿地构建及参数设置

模拟绿地的平面空间形态如图3所示，场景设置参考长沙市多层住区的调研结果，采用行列式布局，是常见的住区绿地空间布局形态。模型场景整体尺寸为235 m×85 m，每栋住区楼的尺寸为52 m×16 m，建筑高度为18 m。模拟绿地内均采用乔-灌-草组合种植，在控制绿地覆盖率及植被总数量不变的前提下，通过控制乔木与灌木的植被数量得到不同绿化组合比率场景，因此本文所说的乔灌比例指的是乔木与灌木的植被数量之比。设置一个无绿化场景作为参考场景，并且在控制绿地覆盖率以及植被总数量不变的前提下，通过逐步增加10%的乔木数量，得到不同绿化组合比例的场景(乔灌比例分别为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关参数详见表1。

图3 所有模型场景的平面示意

表1 ENVI-met中不同植物模型的参数设置

为了避免模型初始化的影响以及更好地追踪太阳辐射，本文将研究模拟时间设置为03∶00-17∶00，总共模拟14 h。为了尽可能减小模型边界的影响以及提升模拟的稳定性，本文通过国家气象科学数据中心获取当天的每小时温湿度及风速风向等气象数据作为模拟的边界条件。

3 结果与分析

3.1 空气温度

对比分析不同模型场景内距地表1.5 m处的平均空气温度(图4)发现，乔木所占比例越高的场景内，低温区域面积越大，即乔木所占比例越高，对空气温度的冷却效果越强。这主要是由于乔木的降温效果强于灌木，且乔木的冠幅比灌木更大，因此更多的乔木数量可以影响更大的范围并产生更强的冷却效果。如图5所示，不同绿化组合比率对空气温度影响的变化趋势相同，且各个绿化组合比率场景均在16∶00时降温幅度最大，这是因为长沙一般在16∶00时温度最高。当乔灌比例为7∶3时，该场景达到了最佳的空气温度冷却效果，平均空气温度差值达到了0.18℃；而乔灌比例为1∶9时，对空气温度的冷却影响最弱，平均空气温度差值仅为0.09℃。其中不同绿化组合比例场景对空气温度的最大冷却效果分别为:70%乔木(0.18℃)、60%乔木(0.17℃)、50%乔木(0.15℃)、40%乔木(0.14℃)、30%乔木(0.12℃)、20%乔木(0.10℃)、10%乔木(0.09℃)。

图4 各个模型场景的空气温度平面分布(16∶00，1.5m)

图5 不同绿化组合比率场景与参考场景在不同时间的空气温度差值(1.5 m)

3.2 平均辐射温度

将各个绿化组合比例场景与参考场景内距地表1.5 m处平均辐射温度进行对比，结果发现，乔木所占比例越高，对平均辐射温度的冷却影响越强。相比空气温度，绿化组合对平均辐射温度的冷却影响更强。如图6所示，灌木以及乔木位置处的平均辐射温度显著低于周围环境的平均辐射温度，且乔木对平均辐射温度的影响范围明显大于灌木，这主要是由于乔木可以提供更多的阴影面积所导致的。此外，各个绿化组合比率场景对平均辐射温度影响的变化趋势相似，但降温幅度有所不同(图7)。各个绿化组合场景在16∶00时对平均辐射温度的降低幅度最大，70%乔木场景的平均辐射温度差达到了12.29℃，而10%乔木场景的平均辐射温度差仅为5.64℃。各个绿化组合比率场景对平均辐射温度最大冷却效果分别为:70%乔木(12.29℃)、60%乔木(11.61℃)、50%乔木(10.10℃)、40%乔木(9.57℃)、30%乔木(6.95℃)、20%乔 木(6.97℃)、10%乔木(5.64℃)。研究还发现，同等增加10%的乔木数量，当从30%增加到40%时所引起的冷却效益最大。

图6 各个模型场景的平均辐射温度平面分布(16∶00，1.5 m)

图7 不同绿化组合比率场景与参考场景在不同时间的平均辐射温度差值(1.5 m)

3.3 热舒适指标

平均辐射温度反映的是环境中的热舒适度，而预测平均指标(PMV)则代表同一环境中大多数人的冷热感觉的平均，是使用最广泛的热环境评价指标。由于地域条件、季节气候条件等方面的不同，热舒适区也会有所不同，由于涉及到主观评价，因此本文仅将PMV作相对比较。对比各个场景内距地表1.5 m处的平均PMV值发现，乔木所占比例越高，热舒适改善越显著，PMV降幅越大。如图8所示，各个绿化组合比率场景的PMV变化趋势一致，在8∶00以及16∶00时PMV降低幅度较大，其中PMV最大降幅出现在乔灌比例为7∶3场景中，PMV下降幅度为0.65。各个绿化组合比例场景中PMV最大下降幅度分别为:70%乔木(0.65)、60%乔木(0.61)、50%乔 木(0.54)、40%乔 木(0.50)、30%乔 木(0.36)、20%乔木(0.35)、10%乔木(0.33)。由此可见，从30%乔木增加到40%乔木时，其所引起的下降幅度最大，这个结果与平均辐射温度的结果一致。如图9所示，PMV的分布图与平均辐射温度分布图也基本相似，乔木所占比例越高的绿化组合场景，PMV值较低的区域面积越大，且在乔木周围的PMV远低于灌木、草地周围的PMV值。

图8 不同绿化组合比率场景与参考场景在不同时间的PMV差值(1.5 m)

图9 各个模型场景的PMV平面分布(16∶00，1.5 m)

4 讨论

本研究发现不同绿化组合比率所带来的降温效果有所不同，并且其降温效果强弱主要取决于乔木在绿化组合中所占的比例，乔木所占比例越高，其所带来的降温效果就越强，这与王桂芹等[10]研究结果一致。造成这一现象的主要原因在于乔木的蒸发蒸腾作用以及遮蔽阴影效果更强，其所带来的降温效果也最为显著。因此，在绿化组合比率中增加乔木所占比例，可以提供更大的遮蔽阴影面积，产生更强的降温效果。

虽然乔木在绿化组合中所占比例越高，其所带来的降温效果越强，但增加乔木所占比例与其所带来的降温效果之间呈非线性关系，即同等增加10%的乔木数量占比，其所带来的降温效益并不相等，30%增加到40%时所带来的降温效益最为显著，之后再增加10%时，其所带来的降温效益却逐渐减弱，这一研究发现与Wu等[18]研究结果一致。其主要原因是:在植被稀疏分布时，每棵乔木可以发挥其全部的降温潜力，而随着乔木数量增加，植被种植密度增加，树冠产生重叠，进而限制了单棵乔木的降温潜力。

此外，绿化组合比率对空气温度以及平均辐射温度的影响效果存在差异，其对空气温度的影响效果较弱，对平均辐射温度的影响效果较为显著，这一研究结果与Feng等[21]研究结果一致。其主要原因是:乔木主要是通过蒸发蒸腾作用带走大气中一部分热量，进而降低空气温度，而乔木自身茂密的树冠可以阻拦一部分太阳辐射直接照射地表，且乔木提供遮蔽阴影，可以进一步减弱太阳辐射的影响，使平均辐射温度大幅降低。因此，在未来住区规划设计中不仅应关注绿地覆盖率，还应关注住区内遮蔽阴影程度。

本研究仅探究了不同绿化组合比例对多层住区(6层及以下)的影响，以及绿化组合的最佳比率，未来研究还可以调查不同绿化组合比例对高层住区(10层及以上)等其他建筑类型的影响，以及在控制绿化组合比率的前提下，探究不同绿化组合的空间布局方式对热环境的影响，以获取住区最佳的绿地组合布局方式，为住区规划设计提供进一步指导。

5 结论

1)不同绿化组合比率所产生的降温效果不同，乔木所占比例越高，其对热环境的冷却效果越强。乔灌比例为7:3时所产生的冷却效果最强，乔灌比例为1∶9时所产生的冷却效果最弱。

2)改变绿化组合比率对区域内空气温度的影响较弱，对平均辐射温度的影响则更为显著。绿化组合比率变化所带来空气温度最大冷却值约为0.09～0.18℃，而平均辐射最大冷却值却达5.64～12.29℃。

3)同等增加10%的乔木数量占比，其所带来的降温效益并不相等。30%乔木增加到40%乔木时所带来的降温效益得到显著增强，之后再增加10%时，其所带来的降温效益逐渐减弱。因此，在综合考虑经济成本以及降温效益的前提下，建议在位于夏热冬冷地区的住宅小区优先采用乔灌比例为4∶6的绿化组合比率，有利于改善街区尺度的热环境。