基于绿化指标的城市绿地降温效应研究进展

周宏轩， 炎欣烨， 李童欣， 孙婧

(中国矿业大学建筑与设计学院， 徐州 221116)

以温暖化为主要特征的全球气候变化问题是21世纪人类社会面临的严峻挑战，土地利用变化所导致的温室气体排放是引起全球变暖的主要原因之一。城市是地球表面土地利用改变最剧烈的地区[1-3]：城市的扩张导致下垫面性质发生变化，沥青、混凝土等硬化地表取代了自然植被，并直接接受太阳辐射，导致地表升温剧烈，使室外热环境恶化[4]，严重危害人类生命健康[5-6]。因此，改善因高温而恶化的室外热环境，提升人居环境质量是重要的研究议题[7]。

研究表明，植被可以通过蒸腾作用消耗城市中的储热，并通过遮阴阻止太阳辐射及来自建筑、地面等相邻物体的热辐射，从而产生降温的生态效益[8]。当增至一定规模时，可显著改善周围热环境，缓解城市热岛效应[9]。增加城市绿化是改善室外热环境的有效手段[10]，但是不顾成本地大面积建造绿地种植植物并不现实。并且，以当前的研究成果来看，绿地降温程度具有一定的上限，即当绿化数量超过一定界限时，降温效果的增幅将不再会随植被数量的增加而显著增加[11-12]。因此，若以精准调控室外热环境的目的来规划绿地建设，以合适的绿化数量来指导绿地规划是较为科学的手段。在室外热环境亟须改善的当下，如何量化绿地对室外热环境的影响势必成为未来研究的重点。

现对在二维层面反映绿地绿化数量的绿地面积、绿化覆盖率、绿地率和乔木覆盖率的二维指标和在三维空间结构层面表征绿地植被数量的指标——三维绿量，以及在一定程度上反映植被覆盖特征的天空可视度(sky view factor，SVF)[13]共6种指标量化绿地降温增湿效益的研究中，总结归纳各指标的特点及局限性，并对精准量化绿地降温效应研究方法提出展望。

1 绿化指标的区别

绿地率、绿化覆盖率以及乔木覆盖率均表征区域内的植被占比。三者区别在于绿地率属于经济技术型指标；绿化覆盖率则偏向于反映绿化实际占比情况，并可反映绿地时间上的变化特征；乔木覆盖率在绿化覆盖率的基础上，单独表征对热环境影响较大的乔木的覆盖率，突出乔木的影响作用。绿地面积则不强调绿地的占比，而是关注绿地本身的尺度大小对周围热环境的影响作用，在相关研究中也较少涉及周围环境因子的影响。以上4种指标因在水平空间反映绿地植被特征，故均属于二维绿化指标。三维绿量，是在三维空间表征植被的空间体积，相较于二维指标在平面上的表征方式，三维绿量能更好地区分乔木、灌木和草地的生物量差异，能够更加直观地体现绿地植被的生态效益潜力。天空可视度则是在特定位置垂直方向上的对天空遮挡程度，倾向于表达特定位置接收太阳辐射的能力。以上各绿化指标在对绿地的表征和概况上都有各自的特点，在相关研究中，采用不同指标的量化研究也都有其侧重。基于此，对各绿化指标分开论述。

2 基于二维绿化指标的降温效应

2.1 绿地面积

绿地对室外热环境具有明显的调节作用，绿地面积的大小对绿地降温程度与降温覆盖范围具有显著的影响[14]，面积较大的绿地斑块内部温度更低[15]。在夏季的白天，面积为0.002～0.01 km2的绿地可以使气温平均降低1.43 ℃，湿度增加3.49%，且随着绿地面积的增加，降温增湿效果会更加明显[16]。也有研究发现绿地面积为0.03 km2时就已有明显的降温效果，面积为0.05 km2时候降温效果更加明显且稳定[17]。有研究认为，当绿地面积达到1.3 km2时的降温效果最好，绿地面积与其内部气温和地表温度均呈负相关关系[18]。

有关绿地面积与降温效率的相关研究发现，绿地面积无论如何增加，其降温效应对周围的影响都会限制在一定范围内[19]。在广州市的研究发现，小于21.35 km2的绿地地表温度随面积增加而减小，之后其降温幅度逐渐减弱[20]。在郑州市，当绿地面积超过2.9 km2时，其降温覆盖范围趋于平缓，并认为2.9 km2是绿地发挥降温效益对周围环境影响的最优值[21]。

对于这一现象，Yu等[22]根据绿地面积与降温效率的关系，在经济学中“边际效用递减定律”的基础上提出了效率阈值(threshold value of efficiency，TVoE)。TVoE指的是绿地面积达到该点之前，扩大绿地斑块面积能够显著增强绿地降温程度，当面积达到并超过TVoE时，继续增加面积只会对降温强度有较小的改善，从成本效益角度来看，TVoE是城市中绿地最佳斑块大小[12]。例如：福州市绿地斑块的TVoE为4.55 ha[22]；亚洲的7个湿热城市在植被覆盖丰富的情况下单个斑块的TVoE为0.92～0.96 ha[11]；在南京市，低核建筑密度和高核建筑密度的社区绿地斑块的最佳大小为0.384 ha和0.848 ha，当社区绿地面积达到这一阈值时可以使绿地面积与降温效率达到平衡[23]。

但是，有关绿地面积量化绿地降温效应所得研究结论并非都能达成一致，在绵阳市的研究中得出绿地的降温程度、降温覆盖范围与绿地面积无显著相关性，而与绿地内的植被覆盖程度有显著负相关关系[24]。绿地内植被覆盖程度对降温效应的影响非常显著[19]，即使面积为0.002 4 km2的小型绿地，其绿化覆盖率达到96.5%时，也可以具有明显的降温效果，其中心气温比周围街道低5.5～6.2 ℃。还有研究认为绿地内部温度主要受三维绿量的影响，而与绿地面积无关，应保证绿地面积的同时优化绿地内部植被数量与结构[25]。

总而言之，绿地的降温效应受绿地面积的影响，并且与绿地面积存在一定的相关关系，此方法主要适用于城市尺度绿地降温效应研究。而在较小范围尺度的研究中，绿地内部植被种类多样，种植方式与植被垂直分布等因素均会对降温效应产生一定的影响。而绿地面积指标未能清晰反映绿地内部实际植物生物量等其他因素，因此在某些特殊情况下仍会产生一定的误差。

2.2 绿化覆盖率

绿化覆盖率是影响室外热环境的重要影响因子[26]。两项中观尺度的研究通过数值模拟的手段将绿化覆盖率降低至0时，其中一项研究表明样区内气温显著升高，行人高度的高温面积比实际方案增加最大可达10%[27]；另一项研究得出整个研究区内气温≥36 ℃的区域增加34%，行人高度气温平均增加1～1.2 ℃[28]。即绿化覆盖率处于0时，场地内热环境明显恶化。当绿化覆盖率为100%时，与没有植物覆盖的区域相比，平均气温降低0.4 ℃，并且植被的降温效果与城市背景气候有紧密的联系[29]。

在气温方面，越南河内进行的研究表明，当绿化覆盖率分别增加10%和30%时，平均气温分别降低0.2 ℃和0.5 ℃[30]；在上海市的研究得出绿化率每增加10%，气温相应下降0.16～0.42 ℃[31]。在地表温度方面，青海省西宁市主城区绿化覆盖率每增加10%，地表温度下降1.23 ℃[32]；在江苏省，绿化覆盖率每增加10%，地表温度下降1.41 ℃[33]。绿化覆盖率与降温效应的相关研究在各省市均有进行，但受不同区位背景气候影响，所得量化结果有较大区别。

在具有相同气候背景环境下的研究中，有两项研究分别采用2010年和2013年上海市徐汇区与闵行区附近的多个居住小区的遥感数据进行反演，研究得出所测区域内平均气温处于35 ℃时，绿化覆盖率每增加10%，降温幅度分别为0.15 ℃和0.36 ℃[34-35]，可能受技术手段影响，所得结果具有稍许误差。

有关绿化覆盖率量化绿地降温效应的大多数研究主要采用实地测量、遥感反演或数值模拟的手段。且前关注点较多集中于住宅环境，此类空间尺度较小，绿地内部植被种类和空间排布方式等绿化特征具有较高的相似性。

而针对植被差异较大的绿地，有研究采用数值模拟的方法，将两块相同的样地的绿化覆盖率统一调整至56%，其中有乔木的方案可将气温降低1.8 ℃，没有乔木的方案降温效果并不显著[36]。同样的前提条件下，样地内的植被全部替换为草地或者灌木后所产生的最大降温效果低于全部为乔木的方案[37]。

综上所述，采用绿化覆盖率量化绿地降温效应，在宏观尺度城市绿地或中观尺居住区度范围的量化研究中，可以取得较好的结果。在较大的范围研究中，植被属性差异性被均化，而随着研究范围逐渐缩小，绿地内植被属性差异被放大，在特定植被种类环境下，导致采用绿化覆盖率量化可能会出现误差。

2.3 绿地率

绿地率是城市规划中重要的绿地指标，绿地率的提升可以有效提高植物绿量，并影响周围热环境。研究发现，在无绿化的基础上增加至40%的绿地率能够使气温降低11%[38]。有学者通过热红外遥感数据结合地理信息系统(geographic information system，GIS)等技术对杭州市进行研究并得出，在2～5 km2控规单元尺度上，绿地率与地表温度呈负相关关系：绿地率平均每增加1%，地表温度降低0.225 ℃，并且绿地率在30%能够显著降低地表温度[39]。

在绿地率相同的情况下，绿地分布情况对热环境也有显著影响，分散型的绿地比集中型的绿地对热环境有更好的调控能力[40]。而在居住区内，表征建筑特征的容积率和建筑密度对气温的影响大于绿地率；并且不同类型的植被对气温的影响具有较大差异[41]，研究证明，当乔木覆盖率处于同一水平时，随着绿地率继续提升，绿地的降温效果并没有随之增加[42]，有研究肯定了这一观点，并指出乔木覆盖率比绿地率能够更好地表达植被的投影面积以及区分乔、灌、草对热环境的作用差异[43]。

理论上讲，提升绿地率可以为植被种植提供更多的空间，从而增加一定范围内植物生物总量，但这种增加模式并不够明确，绿地内植被种类与垂直层次结构均无法清晰表达，也有研究证明，提升绿化覆盖率比增加绿地率对热环境的改善更明显[44]。

并且，绿地率属于经济技术型指标，在建设中有规定不同用地类型所对应绿地率的标准要求，而在实际建设中，并未明确要求绿地内植被数量或种类，因此采用绿地率指标进行量化可能会导致一定的误差。虽然在城市规划中明确了绿地率的基本要求，但仅通过绿地率仍然难以实现精准降温[42]。

因此，绿地率较为适用于对不同用地类型的最低绿地数量要求制定，根据绿化降温效益制定相对用地的最低绿地率，保证达到以植被降温为设计目标的不同用地类型所需要的绿化空间。

2.4 乔木覆盖率

已有研究证明，在绿地生态系统中，乔木是影响绿地降温效果的重要影响因子，乔木对室外热环境的影响作用强于灌木与草地[42-43,45]。例如，以广州老旧校区为对象的研究中，利用数值模拟的方法，在ENVI-met模型中将灌木去除后，与现状比较发现气温平均升高0.1 ℃，而去除乔木后平均气温升高0.4 ℃[46]。当乔木覆盖率达到50%时，其降温效果相当于30%乔木覆盖率与70%草地覆盖率的降温效果之和[47]。

在量化乔木覆盖率降温效应研究中，在18.4%的乔木覆盖率的基础上，建立3种模拟方案，每一种方案分别递增10%的乔木覆盖率，气温分别降低0.05、0.10、0.22 ℃，增加乔木可以阻挡更多的太阳辐射，可以显著降低气温[48]。此外，在上海市的研究得出每增加10%的乔木覆盖率，可以降低区域温度1.03 ℃[49]。相较于每增加10%绿化覆盖率可降温0.15～0.42 ℃[31,34-35]。当乔木覆盖率增加至50%后，继续增加乔木覆盖率并不能够产生与之前相同比例的降温效益，即可能存在一定的阈值范围[50]。通过增加乔木覆盖率以达到降温的目的是较为高效的途径，但还需进一步明确其阈值范围，合理控制降温费效比。

同时，绿地内乔木种类差异也是影响降温效应的重要因素之一。阔叶乔木对温度降低作用最大，其次是阔叶乔木与针叶乔木组合，针叶乔木的降温幅度相较于前两者最小[51]。落叶乔木的降温效果强于常绿乔木[52]，原因在于不同种类乔木的叶片大小、形状、厚度、气孔导度等物理属性具有差异，导致其对太阳辐射的遮挡程度以及蒸腾速率不同[53]。较为复杂的是，较厚的叶片对太阳辐射的阻隔作用更强，但这类植物的树冠密度通常较低，反而减弱了对太阳辐射的阻隔效果。相对的，叶片薄且小的植物具有更高的蒸腾效率，对气温调节的贡献更大[54]。

总之，在较小的空间范围内，不同绿地内植被种类和属性具有差别，所产生降温效果差异也被放大。乔木对比于灌木和草地，在一般情况下，其在单株形态上具有较大的差异，乔木的绝对生物数量远大于灌木与草地，因此产生的降温效应最为显著，在调控室外热环境中起主导作用[17]。但乔木种类繁多，不同树种的树高、冠幅、叶片大小等都有其特点，例如，鸡爪槭与圆柏在二维视角所占据的比例基本相同，但其形态和生态功能上的差别则相对较大，广玉兰与香樟在体型形和树冠大小上相似，但其降温效果上仍具有差别。因此，乔木覆盖率量化植被降温效应仍需要明确相对的树种范围。

3 三维绿量与降温效应

与二维绿化指标类似，只有在一定范围内三维绿量到达一定程度时，绿地才具有降温效应。在400 m2的范围内，三维绿量需要达到200 m3，绿地才能发挥降温作用[55]；三维绿量达到750～900 m3时，绿地降温效果达到最佳；三维绿量超过800 m3时，继续增加三维绿量场地内温度不再有更大变化[56]。随着三维绿量持续增加，绿地内温度也随之下降而后趋于缓和[25]。以上研究表明，三维绿量在降温效率方面存在下限和上限，即当三维绿量达到一定量时才可发挥降温效应(下限)，当三维绿量达到一定量时绿化降温效应趋于稳定(上限)。

单位面积三维绿量密度(单位面积上三维绿量)大于1 m3/m2时，绿地降温效果明显，最大降幅为1.5 ℃；而三维绿量密度超过5 m3/m2时，其降温效果趋于平缓[57]。也有研究得出，绿地中单位三维绿量至少需要达到3 m3/m2时，才能起到明显的降温效应，当达到5 m3/m2以上时，才能发挥绿地降温作用[58]，也可能受不同背景气候影响，两项研究结果具有一定的差异。

三维绿量的提出完善了量化绿地降温效应研究中对绿地植被生物量无法确切量化的不足，为更加精准量化绿地降温效应研究提供方法支持，其在各尺度范围量化研究中均有所应用，是量化绿地降温效应的新方向。

三维绿量主要对植被的体积进行表达，通过对植物茎叶体积的测量，以表明植物三维绿量与植物生态功能的相关性，进而量化植物所能提供生态效益的能力[59]。现阶段三维绿量已达到对单位面积绿量进行精准量化，但无法体现绿量在垂直空间中的分布情况，在微观尺度范围中的绿地植被生态系统里，植物的茎叶在垂直空间分布情况多样，植物的枝下高度不同，例如高大的乔木与低矮的灌木，其绿量在垂直空间中的分布状况对周围热环境也具有一定的影响。例如，西安市的一项研究认为，具有高三维绿量、高郁闭度的复层结构绿地的降温效应越明显，在提升三维绿量的同时也要重视植被的空间结构[60]。

因此在量化绿地降温效应的过程中，表征绿地植被占据的空间的同时，还应反映绿量的空间分布位置情况，以此才能较全面地表达绿地植被特征，以更加精准地量化三维绿量及其降温效益。

4 天空可视度与室外热环境

天空可视度(SVF)较多应用于城市街道峡谷等小尺度范围热环境研究中，在街谷中植被的存在对SVF也具有一定的影响，同时能够调节街谷内热环境状况。

研究发现，SVF增高会使地面接收更多的太阳辐射而升温，进而导致该区域的热环境恶化[61]。当SVF值降低至0.5左右时，能够减少空间内70%的太阳辐射量，从而改善该区域的热环境[62]。研究发现，植被冠层是影响SVF的主要因素之一，植被通过冠层可以降低SVF，其产生的遮阴效果能够有效降低白天气温[63]。在SVF较低且拥有茂密植被的城市公园中，夏季降温可达3.8 ℃[64]。当较高的绿化覆盖率与较低的SVF相结合时，可以改善室外热环境[65]。数值模拟结果表明绿化覆盖率增加10%后，对应的SVF降低0.3，平均辐射温度降低16.48 ℃，增加植被可降低SVF，从而阻挡太阳辐射[66]。即在拥有较高太阳辐射的地区，降低SVF是改善气温的有效手段[29]。

总之，SVF能反映局部区域植被等物体对天空的遮挡程度，在很大程度上决定地面所接受的太阳辐射，从而达到调节室外热环境的目的。但在建筑与植被等物体同时存在复杂的环境条件下，建筑的高宽比、容积率等综合类的指标相较于SVF更能影响地面降温强度[67]。

并且，SVF主要反映地面上某个点的天空遮挡程度，对较大面积的绿地采样则会有一定的困难，同时，SVF表征绿地内植被的种类、数量以及空间布局等特征也具有一定的局限性。因此，SVF量化植被降温效应，更适用于小尺度范围，且环境简单，非植被类影响因素较少的绿地，达到对特定点热环境优化分析的研究。

5 绿化指标量化绿地降温效应局限性

如表1所示，绿地面积、绿化覆盖率、绿地率三种指标适用于较为宏观的尺度下量化绿化数量，对指导绿地规划具有明确的指导作用，扩大绿地面积以及占比有助于绿地内植物生物量的提升。对小尺度研究范围而言，以上指标对绿地内植被种类和空间分布情况的表达并不明确，难以满足精准量化绿地降温效应的需求。

乔木覆盖率注重绿地生态系统中影响植被降温效应的主要影响因素的量的变化，通过乔木覆盖率可以较为明确地调控绿地降温能力，但对于精准量化绿地降温效应的需求，又因在二维平面反映覆盖率，缺少对植被的高度以及种类的概括，所以还需进一步限制植被属性范围。

三维绿量能够反映出植被在空间中所占据的体积，将植被的量化方式从二维的角度提升至三维的层次，主要关注于决定植被降温能力的众多因素中最为核心的因素，即植物绝对生物数量，很大程度上弥补二维指标的不足。现阶段三维绿量研究对植被具体垂直空间分布特征的表达仍需进一步完善，以此满足精准量化植被降温效应的需求。

天空可视度对植被特征的表达方式上具有特殊性，一定程度反映植被冠层厚度、密度以及叶片大小等属性，也决定了植被对太阳辐射的遮挡程度，反映地表所能够接收的能量程度。通过SVF能够实现较小尺度范围的热环境研究和绿地景观设计，有利于精准量化植被降温效应。

现阶段量化绿地降温效应研究中，往往需要对绿化数量进行概括，通过绿化指标表征绿地实际绿化情况，从而建立绿化数量和降温效应之间的具体联系。现阶段采用的绿化指标达到精准表征绿地实际绿化情况尚有一定的距离，导致在实际应用层面难以预测绿地的真实降温效果，其具体的植被种植方式难以参考。且仍有大部分研究仅对存在现象进行解释，而非探索二者之间明确的内在联系，这些研究不在讨论之内。因此，完善绿化指标体系，达到对绿地内植被特征进行全面的表达，减少潜在的影响因素干扰，明确绿地与降温效应的具体内在联系，以此推动政策的制定与实施，是当下面临的重要问题。

6 结论与展望

6.1 绿化指标互补

在先前的研究中，采用单一指标量化绿地降温效应在一定情况下易忽视某些潜在影响因素，导致研究之间结果差别较大的情况。在今后的研究中可以采用特点互补的绿化指标同时量化绿地降温效应，例如表征水平绿化程度的绿地面积结合表征植被属性的乔木覆盖率，或绿化覆盖率结合三维绿量以限制植被生物量等。通过互补的方式，减少绿化指标在表征绿地绿化数量时不够全面的问题，从而减少其他影响因素对量化结果的干扰。

6.2 完善三维绿量空间分布表达

有多位学者采用激光雷达测量法结合微分法或体素法等计算方法来测定植被的三维绿量，其测得的三维绿量与其他方法相比具有非常高的精度，但其研究仅止步于植被的三维绿量的测定[68]。而借助激光雷达所测得的植被点云数据包含了植被的茎叶在空间中的三维坐标，对于表征植被空间分布具有非常大的潜力，可以在此研究基础上进一步深化对点云数据的使用。在对点云数据处理的环节上，对包含点云的体素，称之为三维绿量体，赋予三维绿量体空间坐标，并标记树种信息，最后建立三维绿量体空间模型，三维绿量体创建过程如图1所示。由于每个三维绿量体都具有自身的三维坐标，因此可以精准表征植被的空间分布状况。通过三维绿量体可以计算出多种现有指标，而且对每个三维绿量体进行植被种类标注，也便于统计不同树种的蒸腾作用，能够较全面地概括绿地植被的特征，完善三维绿量垂直空间表达方式。

图1 三维绿量体模型创建过程

6.3 三维绿量体的空间效率阈值

绿地的三维绿量达到降温所需的下限值时才具有降温效应，而三维绿量值持续增加到一定程度后其降温效应再无明显变化，即三维绿量也具有调节室外热环境的效率阈值。但根据以往的研究发现，单位面积三维绿量的阈值研究仍有一定争议，因此在今后的研究中，可以将三维绿量的空间分布及树种差异性与三维绿量的阈值研究相结合，将研究重点放在三维绿量的空间分布与树种差异上，探索不同空间分布与各类树种的三维绿量阈值范围，从而达到精准指导以室外热环境调控为目的的城市绿地设计目标。

6.4 推动绿视率与室外热环境的关系研究

绿视率是指视域中绿色植物的占比[69]，在一定程度上反映出行人高度范围周围植被的分布状况、群落结构以及垂直绿化水平[70]。其中植被的种类、树高、冠幅、叶面积等属性是绿视率的主要影响因素[71]，可以描述较小尺度空间内绿化特征[72]。并且绿视率在时间与空间上具有异质性[70]，与各热环境因子(地面温度、气温、湿度等)具有显著的相关关系，可以影响室外热环境，如地面温度、气温、湿度与风速等[72-73]。

绿视率与其他视率的空间分布情况可以反映城市内绿化水平，增加绿视率可以降低气温并使绝对湿度增加，从而影响室外热环境[74-75]。随着计算机技术的发展，绿视率的计算将更加快捷方便[74-76]，是探寻绿地降温效应影响因素的新的手段，量化绿地降温效应研究新方向。