特大型城市“蓝绿空间”冷岛效应及其影响因素研究

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随着全球气候变暖和城市化进程的推进,全球各地频繁出现极端高温天气,严重影响居民生活。上海是中国城市化水平最高、经济最发达的地区之一,近年来城市热岛强度逐年提高,面积不断扩大,夏季高温灾害的发生频率与强度显著增加,缓解城市热岛效应是亟待解决的科学和社会问题。城市“蓝绿空间”具有显著的冷岛效应,充分利用城市“蓝绿空间”,并优化其周围景观格局配置来缓解热岛效应,对改善城市人居环境、提高城市生态建设水平具有重要意义。本文重点研究上海城市地表温度的时空分布格局,讨论城市“蓝绿空间”冷岛效应及其影响因素,并提出充分发挥“蓝绿空间”冷岛效应的规划对策。主要研究结论包括以下5个方面:(1)城市地表温度的时空分布格局及其影响因素时间变化特征为:近15年来,上海市热岛效应逐年增强,热岛面积逐年扩大;空间变化特征为:热岛空间分布的总体趋势由中心城区向周围不断扩张。不同用地类型的地表温度差异显著,各年份的地表平均温度排序均为:建设用地>裸地>绿地>农业用地>水体。建设用地对上海市的热岛效应贡献最大,易形成热岛中心;而水体和绿地对缓解热岛效应具有显著效果,易形成冷岛中心。绿地、水体景观斑块面积越大,景观破碎化程度越小,分布越集中,景观形状越复杂,平均地表温度越低,对热岛效应的缓解效果越好;建设用地与之相反,建设用地景观面积越大,景观破碎化程度越小,分布越集中,景观形状越复杂,平均地表温度越高,城市热岛现象越明显。(2)城市水体冷岛效应及其影响因素水体自身温度特征及其影响因子之间的相关关系研究表明水体自身温度与水体面积(Sw)、形状指数(LSIw)呈负相关关系,与周围环境中不透水面面积比(PCwo)显著正相关。水体的降温范围、降温幅度与PCwo显著负相关,与Sw和LSIw显著正相关;降温梯度与各影响因子间的关系不显著。当LSIw大于4或PCwo小于60%时,水体降温范围显著增强。因此在设计水体景观时,在水体面积一定的情况下,为了增强其降温范围可使LSIw>4,尽量增大水岸线的蜿蜒程度;周围环境配置中,尽量使PCwo小于60%。对水体冷岛效应与各影响因素之间进行多元线性回归分析得到水体降温范围和降温幅度的预测模型,应用所得的模型模拟未被用于建模的6个样点,对模型进行验证,模拟值与实际值的相关系数分别为0.879和0.762,模型可靠度较高。(3)城市绿地冷岛效应及其影响因素绿地自身温度特征与自身影响因子之间的相关关系研究表明:绿地自身温度与绿地面积(Sg)和形状指数(LSIg)负相关,与绿地内不透水面面积比(PCgi)显著正相关,Sg和PCgi是影响绿地内部温度的主要因素。Sg与其内部温度间存在明显阈值:当Sg小于40ha时,绿地自身温度随着绿地面积的增大而显著降低;当Sg大于40ha时,绿地的内部温度趋缓,不再随着面积的增大而显著变化。故降低绿地自身温度的有效措施为:在面积一定的情况下,降低绿地内不透水面面积比例或适当增加绿地的边缘率。绿地冷岛效应的影响因素研究表明:绿地Sg和绿地外部环境因子是影响绿地冷岛效应的主要因素。绿地的降温范围与Sg显著正相关,与绿地外部不透水面面积比例显著负相关;绿地的降温幅度除与Sg显著正相关外,与其他影响因素相关性不显著;绿地的降温梯度与LSIg和绿地外部环境中水体面积比例显著正相关,与其他影响因素相关性不显著。通过对绿地冷岛效应与各影响因素之间进行多元线性回归分析得到绿地降温范围、降温幅度和降温梯度的模型,应用所得的模型模拟为被用于建模的28个绿地样点的冷岛效应,实际值与模拟值的相关系数分别为0.743,0.605和0.692,模型可靠度较高。(4)城市“蓝绿空间”冷岛效应的仿真研究通过水体和绿地冷岛效应的对比结果可知,水体冷岛效应在降温范围和降温幅度方面强于绿地,但在降温效率方面略弱于绿地。根据计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术对不同形态水体冷岛效应的模拟结果可知,面状湖泊的冷岛效应强于线状河流,且形状越复杂的湖泊,冷岛效应越强。故进行水体景观规划设计时,增大水体冷岛效应的有效措施为:如果条件允许,应尽量多设置面状水体。根据CFD技术对不同形态绿地冷岛效应的模拟结果可知,不同形态的绿地冷岛效应由强到弱的顺序均依次为:楔状>放射状>点状>带状。即楔状绿地冷岛效应最强,带状绿地、点状绿地的冷岛效应较弱。但带状绿地对其所形成廊道内的空间具有明显的降温效果;点状绿地对周边小范围的降温效果最明显。因此在进行绿地景观规划设计时,如果条件允许,可将楔状绿地作为城市绿地建设的首要布局形式;点状绿地形态较为自由,对改善局部小气候具有重要作用,可在住宅小区内采用点状形式;带状绿地可形成城市的通风廊道,加强城市内部与外部的气流交换,增强城市的透风性,因此应设置与主导风向一致的道路绿化等,且在河道周围预留足够的缓冲区,充分发挥其“冷带廊道”效应。(5)城市“蓝绿空间”规划对策建议城市“蓝绿空间”总体规划:在城市总体规划设计中,遵循打造“冷带”、增加“冷点”,保护“冷面”的原则,来达到有效缓解城市热岛效应的目的。在城市内部主干道及绕城环路上增加“冷带”,增加城市的透风性、提高城市空气质量及热环境舒适度;在中心城区内部增加“冷点”,以“冷点”打散成片的热岛区域,减弱城市热岛效应,改善“冷点”周围的小气候;保护及增加中心城区外部的“冷面”区域,使其发挥最大冷岛效应,来调节城市整体热环境。本研究具有重要的科学意义。研究成果既可补充城市规划学科的理论体系,还可明确影响城市“蓝绿空间”冷岛效应的影响因素,及城市“蓝绿空间”冷岛效应的空间规律。
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