城市绿地对夏季热环境的调节效应测算与模拟研究文献综述

 2022-06-14 10:06

0.引言

随着城市化的进展,密集的人类生产建设活动使城市格局发生巨大改变。城市道路和建筑体的建设,使城市下垫面由原来的自然地表被水泥、柏油路面等非渗透性材料替代。城市区域小气候和整体天气状况发生改变,产生热岛效应,使城市年平均气温比郊区高,夏季更为严重。热岛效应不仅影响人体舒适性,加大能源损耗,消费更多电力用于降温,而且使大气污染物向市区聚集,严重影响人体健康,对人类生产生活造成巨大影响。热岛效应被认为是影响城市环境的主要因素之一,城市热环境问题已经成为城市气候、人居环境的关注热点。

1.热岛效应与绿地对其削减机制

热岛效应的发现起源于1833年,Howard L首次提出城市热岛(Urban Heat Island, UHI)的现象,越来越多的学者开始了对城市气候的系统研究。随着科技的不断发展,卫星遥感、红外摄像仪等高科技技术的产生为城市热岛的研究带来了更好的观测方法。近年来,这些研究不再仅仅局限于对温度、湿度、太阳辐射和风速等常规气象参数的观测统计,还拓展到了生物对热环境的舒适度、污染物的扩散等其它领域。

利用卫星遥感对城市热岛的研究,研究结果大都表明了城市绿地缓解热岛效应具有显著作用。其主要有:城市热岛效应的演化、基于MODIS数据和Landast数据分析城市热岛时空变化、城市下垫面与热岛关系、地表温度与NDVI数据的相关关系、热岛景观格局、热岛形成机制等。研究结果大都表明了城市绿地缓解热岛效应具有显著作用。近年来,为了更好指导实际规划,研究范围逐渐缩小,由城市整体热环境转为区域热环境,并且逐渐向局部热环境转变,如广场、街道及校园等。研究方法也由利用卫星遥感转为进行实地测量温度、湿度、风向、风速等数据。Hemiddi(1991)[1]测量了加州大学洛杉机分校校园内的不同绿地的空气温度及表面温度,发现在日照充足的夏季,公园灌木丛温度比临近人行道温度低3℃,而无遮阴开放场地地面最高可达50℃,而同一时刻有树荫人行道只有23℃,草地为29℃。马秀梅等(2007)[2]通过利用HOBO便携式气象站对林荫道、草坪、广场的实测发现,林荫道与广场的最大温差可达2.76℃,相对湿度最大差值达12.5%。且在天气较晴朗时,随福射强度的增加,林荫道气温低于草坪,且相对湿度则高于草坪。吴菲(2007)[3]经过测量发现,在同一广场内,有林荫处比无林荫处平均低1.9℃。Chang等人(2007)[4]测量了台北市内61个城市公园以及周围环境的空气温度。结果表明,公园内温度普遍低于周围环境温度,且面积较大的公园温度普遍低于面积较小的公园。这些基于实测数据的研究大多表明,绿地在夏季能够很好的起到缓解热环境的作用,且效果受到绿地面积、植被类型、昼夜等要素的影响。

2.热岛效应对健康的影响

国内外很多研究表明,而热岛效应会导致城市热浪的产生和加剧,热浪对健康影响显著。研究内容其主要针对死亡率及发热、心脑血管疾病、呼吸道疾病和神经系统疾病的发病率的影响。Nitscheke 等人(2011)[5]在研究中发现,热浪期间救护车出诊量、医院就诊量以及入院人数都有显著增加,且主要为中暑、热中风、传染病、慢性病等疾病,少数人还出现严重昏迷、器官衰竭等。Paldy(2005)[6]在对1970-2000年布达佩斯热浪的研究中,发现热浪期间人群总死亡率上升,死亡率高峰与热浪温度高峰相吻合,且死亡人群多为老年人。康宁(2008)[7]在园林景观对人体心理影响的研究中,利用脑波测定仪对测试者进行环境刺激测试,得出以下结论:对人身心放松状态促进作用的大小为植物群落景观gt;水际景观gt;铺装广场景观,植物群落景观与水际景观效果相近,但植物群落景观的促进作用更积极。由这些研究可以得出,绿地不仅对城市热岛效应状况有良好的缓解作用,对人体身心健康也产生深远影响。

3.热环境模拟

城市热岛效应与城市热环境息息相关,热岛效应加剧了城市热环境的恶化。随着计算机运算能力的不断提高,产生了许多流体力学数值模拟软件,并且逐渐运用于城市热环境的研究中。如ENVI-met与CFD,CFD软件应用己经相对较为成熟,但不适宜用于城市街区尺度。王振(2008)[8]对比CFD类模型和ENVI-met对室外环境进行模拟时,发现CFD有利于细致地模拟出复杂的室外热环境状况,但是对于城市边界层和城市冠层的瞬态计算存在技术支持不足的问题,而ENVI-met可以进行动态模拟日循环的微气候,并且对空间和时间的分辨率较高,由于使用的数据种类较多,可对复杂城市结构进行更详细解析。ENVI-met比较CFD,更好的模拟小尺度范围内地表-植物-大气之间的相互作用,在城市街区微气候尺度更方便进行计算,因而在城市气候学和城市热环境设计领域受到广泛欢迎。例如,陈卓伦(2010)[9]在对绿化体系对室外热环境的影响的研究中,利用ENVI-met模型对植物、水体及不同类型的下垫面进行模拟分析,并从景观设计、热安全性、热舒适性及景观绿化设计等四个方面进行了不同时间的分析,对场地的热舒适状况等有了一定的了解,进而去改善环境状况。林波荣(2004)[10]对室外热环境的观测中,表明不同下垫面在无遮阴的情况下,1.5m处温差小于1℃,并通过大量数值模拟实验得出提高下垫面蒸发率是改善室外热环境质量的有效手段。在无建筑遮挡的情况下,树木改善效果最好,其次灌木,再者草坪。王振(2008)[8]使用ENVI-met模型对不同条件下的城市街区进行模拟,并和夏季与冬季的室外实测实验数据结果进行比对,并基于模拟结果对城市街区设计提出建议。

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