城市熱島效應對城市規劃的影響

  根據我國新版的《城市規劃編制辦法》, 城市規劃是政府調控城市空間資源、指導城鄉發展與建設、維護社會公平、保障公共安全和公眾利益的重要公共政策之一。《不列顛百科全書》也指出, 城市規劃是一項政府職能, 是一種職業實踐, 也是一項社會運動。城市規劃具有政策性、綜合性、長期性、地方性、可操作性等特點。城市規劃基本上是脫胎于建筑學和工程學, 因此, 城市規劃還具有研究起點高的特點。迄今為止, 我國學者在城市規劃的如下幾個方面作了大量的研究, 如城市規劃理論、數字化對城市規劃的影響、景觀規劃、園林綠化規劃、生態城市規劃、多元空間特色規劃、能源戰略規劃、交通規劃、色彩規劃、城市規模以及水環境規劃等[ 1 -8] 。也有一些學者認為, 可持續的人居環境研究是城市規劃的發展方向之一 , 要從多學科或跨學科角度來研究城市規劃[ 10] 。我國學者對城市規劃的研究是廣泛的, 然而, 很少有學者從城市熱島效應角度來研究城市規劃。雖然有學者對城市規劃的存在問題與對策進行了分析, 但他們也忽略了城市熱島效應對城市規劃的影響。作為城市的一種普遍氣候現象, 城市熱島效應對城市規劃具有極大的影響。正確認識城市熱島效應對城市規劃的影響, 對合理管理城市具有積極的意義。

 

  因此, 本文擬對城市熱島效應進行綜合論述后, 探討城市熱島效應對城市規劃的影響。

 

  1 城市熱島效應的時空分布特征及成因分析

 

  城市熱島效應是指當城市發展到一定規模, 由于城市下墊面性質的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市溫度明顯高于郊區, 形成類似高溫孤島的現象。城市熱島效應提高了城市溫度,降低了城市舒適度, 影響了城市居民的健康, 也增加了居民的經濟負擔。

 

  1.1 城市熱島效應的分布特征

 

  城市熱島效應是一種典型的城市氣候, 它具有明顯的時空分布特征。在時間上, 它表現出明顯的周期變化, 即年變化、季節變化和日變化。國外研究表明城市熱島效應正以每年0.01 ℃的速度上升,我國珠江三角洲地區熱島效應的增幅更大, 近10年來以平均每年0.04 ℃的幅度上升。多數研究表明秋冬季熱島效應強, 夏季熱島效應弱;晴朗無風條件下表現出夜間熱島強, 午間熱島弱。在空間上, 城市熱島效應主要表現為水平變化和垂直梯度變化。城市熱島效應在人口密集、經濟活動強度大和建筑物密集的地區表現明顯, 并呈現熱島效應強度沿市中心向郊區遞減的趨勢, 有的地區因市區環境改善也出現市中心熱島緩解, 熱島效應從市中心向城郊轉移的現象。白天熱島效應垂直變化不明顯, 夜間熱島效應隨高度的增加而降低, 并在一定的高度出現“交叉”。

 

  1.2 城市熱島效應的成因分析

 

  城市熱島效應的形成與許多因子有關。綜合國內外文獻, 城市熱島效應主要與如下因子有關:

 

  ①城市下墊面。城市熱島效應隨城市下墊面性質的變化而變化。植被覆蓋率高, 濕地面積大, 熱島效應強度小或熱島效應不明顯;混凝土覆蓋率高, 大量太陽輻射被吸收, 熱島效應增強。②城市建筑物密度和負荷。高密度的建筑物增加了太陽輻射的直接吸收和太陽輻射反彈吸收, 增強了熱島效應;建筑負荷與城市熱島效應呈正相關。③城市能耗。城市大量的能耗增加了表面大氣的溫度, 也使熱島效應增強。④城市空氣動力學。大量研究表明,城市空氣動力學與城市熱島效應緊密相關。當表面大氣風速較小或靜風時, 熱島效應明顯且有加強的趨勢, 典型的熱島環流也發生在弱風或靜風,有強逆溫的晴夜[ 20] 。⑤城市熱島效應與大氣懸浮顆粒物、城市水循環、城市立體綠化以及城市大氣污染也存在一定的關系。此外, 城市建成率、幾何形狀、城市規模和城市地理位置也與熱島效應存在明顯的相關關系。

 

  2 城市熱島效應對城市規劃的影響

 

  城市熱島效應的形成給城市規劃部門提出了新的挑戰。為了建立一個人與自然協調持續發展的宜居城市, 如何消除城市熱島效應是城市規劃者應考慮的一個重要內容。城市熱島效應的時空分布特征及其成因分析為城市規劃提供了參考依據。下面從城市空氣動力學、城市色彩、城市森林、城市能源和城市規模五個方面論述城市熱島效應對城市規劃的影響。

 

  2.1 城市熱島效應對城市空氣動力學的影響

 

  這里所討論的城市空氣動力學是指在大氣邊界

 

  層中風的流動特性尤其是湍流擴散規律、各種顆粒物在大氣中的擴散規律、風與各種結構物和人類活動間的相互作用以及由風引起的物質和能量的遷移等。

 

  城市熱島效應與城市空氣動力學的相關關系主

 

  要表現為:城市風速小, 大氣層結穩定, 不利于熱量的散發, 有利于熱島效應的形成[ 26 -28] ;不利于通風的城市地貌、不合理的城市布局、高密度和高負荷的建筑導致通風不良, 熱量難以擴散, 也有利于熱島效應的形成

 

  [ 29 -30] ;不合理的道路設置和粗

 

  糙的下墊面導致渦流加劇, 廢熱迂回環流, 熱島加強[ 25] 。根據城市熱島效應與城市空氣動力學的關系, 城市布局規劃應在如下幾個方面加強規劃:

 

  選擇通氣流暢的地形進行城市建設;因地制

 

  宜, 對城市的各個功能區進行合理布局, 尤其是工業園區和商業帶的布局;調整和完善舊城區的建設與布局;控制建筑物的高度和密度, 尤其是在城市的順風口和逆風口, 應避免高大建筑物和高密度建筑物對風的阻擋而導致大量熱量和溫室氣體滯留;有江、河、湖、海分布的城市, 要充分利用江河湖海的風以及水能降溫增濕特點, 在它們的沿岸留出足夠的空間, 讓風和水汽能進入城市;主干道路的走向應與城市主導風向一致, 同時還應對大量交通進行有層次的劃分, 對車輛進行分流, 這樣風可以迅速將城市大量集聚的熱量、溫室氣體以及懸浮顆粒物分散, 減少塵罩作用, 降低熱島效應。

 

  2.2 城市熱島效應對城市色彩規劃的影響

 

  城市色彩, 是指城市公共空間中所有裸露物體

 

  外部被感知的色彩總和, 由自然色和人工色兩部分構成。早在19世紀70年代, “城市” 作為色彩載體的問題就引起了國際學術界的關注。但是, 由于長期以來在城市色彩領域觀念上的滯后和研究水平上的差距, 城市色彩處于隨意的狀態, 造成了

 

  “色彩” 在城市景觀中的缺失[ 31] 。近年來, 城市色彩規劃引起了城市規劃部門及學者們的重視, 然而在確定城市的主色調中, 專家們主要考慮的是城市色彩是否繼承了歷史文脈, 是否和諧美觀[ 32 -33] ,幾乎沒有考慮色彩對城市熱島效應的影響, 在部分地區的色彩規劃中體現的更是長官的意志。

 

  城市熱島效應與城市色彩的相互關系主要通過

 

  色彩的反射率來體現, 這是因為不同顏色的物體對光的反射率不一致, 從而導致城市的熱平衡不一致。一般認為, 白色物體的反射率為64% ～

 

  92.3%, 灰色物體的反射率為10% ～ 64%, 黑色物體的反射率不足10%。研究表明, 不同顏色的水泥的反射率也不一致, 深灰色水泥對太陽光的反射率是13.23%, 淺灰色水泥的反射率是32.76%,褐色水泥的反射率是30.06%, 石棉水泥的反射率是39.35%[ 34] 。城市下墊面顏色深, 反射率低, 吸收的太陽輻射熱大, 吸收的太陽輻射能又通過長波輻射的形式釋放到表面大氣, 使表面大氣升溫, 熱島效應增強[ 35] 。

 

  集聚的城市混凝土建筑物和瀝青柏油路面具有

 

  明顯的增溫效應, 淺色的建筑材料和地面鋪張材料能夠有效的降低熱島效應。深色的建筑物吸收大量熱量的同時, 增加了室內空調的能耗, 也導致熱島效應加劇。因此, 在城市色彩規劃中, 除了考慮城市的文脈與和諧美觀外, 還應考慮色彩與城市熱島效應的關系, 盡量用淺色的材料和涂料。

 

  2.3 城市熱島效應對城市森林規劃的影響

 

  這里沿用彭鎮華[ 36] 關于城市森林的定義, 即城市森林是指城市地域內改善城市生態環境為主,促進人與自然協調, 滿足社會發展需求, 由以樹木為主體的植被及其所在的環境所構成的森林生態系統, 是城市生態系統的重要組成部分。城市森林的組成成分包括全部的綠地和各種水體, 郊區的片林, 護路林、河道林、農田防護林、水體等。

 

  城市熱島效應與城市森林的相互關系主要體現

 

  在兩個方面:城市森林能夠有效的截留太陽輻射,降低大氣表面溫度, 緩解熱島效應(包括因減少空調能耗引起的熱島下降)[ 37] ;城市森林通過蒸散能夠增加大氣水汽, 從而降低熱島效應。國內外學者對城市森林做了大量研究[ 38 -40] , 但是城市森林規劃仍然處于被動的“填空狀態”, 通常是犧牲森林來滿足建設。同時, 森林比重小、結構不合理、立體綠化不足以及濕地環境被破壞等問題依然存在。因此在城市規劃中, 應充分認識城市森林的重要性, 加強城市規劃中的森林規劃。城市森林應從如下幾個方面進行規劃:

 

  增加城市森林的比重, 使其覆蓋率達到30%

 

  ～ 50%。研究表明, 當一個區域的綠化覆蓋率達到30%, 熱島強度明顯減弱;綠化覆蓋率大于50%,

 

  熱島緩解現象極其明顯[ 41] 。另有研究也表明, 城市森林覆蓋率每增加10%, 氣溫降低的理論最高值為2.6%, 當覆蓋率達到50%時, 氣溫降低的理論最高值可達13%, 若夏季最高日氣溫為38 ℃,可降低氣溫5 ℃, 基本可以消除“城市熱島效

 

  應”[ 42] 。與30% ～ 50%的城市森林覆蓋率相比,我國的森林規劃面積還相差很遠, 因此在城市規劃中, 應增加城市森林的比重, 使其覆蓋率達到

 

  30% ～ 50%。

 

  進行合理的城市森林結構搭配。目前盛行草坪

 

  熱, 種植名貴樹種。草坪遮蔭效應差, 不能大幅度減少太陽的直接輻射熱, 草坪的葉面積較林木小,蒸騰小, 其環境效應較差[ 36, 43] , 不能有效的緩解或消除熱島效應[ 18] 。種植名貴樹種需要高的成本投入, 而且難以養活, 其降溫致濕的效果也不太理想。因此在城市森林規劃中應舍棄大量種植草坪和一味攀比種植名貴大樹的不合理做法, 進行合理的喬灌草搭配, 尤其是鄉土樹種的種植。

 

  加強立體綠化。由于城市用地緊張, 城市森林

 

  規劃中除了進行水平方向森林規劃外, 同時應向城市立體綠化方向發展。城市有大量的水泥或混凝土屋頂、墻體、立交和邊坡, 這些裸露表面為立體綠化提供了可能。發展立體綠化是緩解城市熱島效應的重要方法, 也是增加綠化面積和綠化總量較為有效的方法。

 

  最大限度保護自然濕地, 努力構建人工濕地。

 

  城市化導致大量的城市農田、水塘、湖泊、內河、沼澤等濕地減少或消失, 從而使城市蓄存降水的濕地減少, 也使濕地與空氣的接觸面積和降溫范圍減小或消失。混凝土堆砌的不透水建筑、道路和廣場, 使大量的降水直接通過排水網流失。濕地的減少或消失, 天然降水的白白流失, 致使城市失去了通過蒸發帶走城市熱量, 降低熱島效應的機會及水通過促進林木生長, 間接降低熱島效應的可能性。

 

  雖然城市管理者在這方面做了一些補救措施, 如建立保護區、公園或在社區建立噴泉、人工小溪或人工瀑布, 但這些措施能夠落實的極其有限, 其影響范圍也比較小。因此有學者認為, 在城市建設中將原來的濕地進行改造、鋪換, 無益于城市熱島效應的緩解[ 38] 。相反, 要在大力保護原有濕地的基礎上(包括城郊濕地的保護), 在城市進行人工濕地的構建, 這是降低熱島效應的有效方法[ 11] 。

 

  2.4 城市熱島效應對城市能源規劃的影響

 

  城市大量的能耗對城市熱島的形成起十分重要

 

  的作用, 是導致城市熱島效應的主要原因[ 31, 45] 。

 

  因此, 有必要通過加強城市能源規劃來調節能源消耗, 降低熱島效應。這里以降低空調能耗為例, 探討城市應如何通過能源規劃來緩解熱島效應。

 

  城市空調能耗是城市能耗的重要組成部分, 有

 

  學者認為降低空調耗能是降低城市熱島效應的重要途徑[ 44] 。目前, 空調直接節能技術仍然較落后,需要不斷的改進;間接節能技術沒有相應政策的支持。現代城市規劃可以從如下幾個方面來降低空調能耗:①改進建筑空調技術。有學者認為可以通過改進空調設備來達到降低能耗, 如制定更好的制冷能效標準, 改進空調的零件, 提高空調節能[ 38] 。

 

  ②積極探索和推廣新能源利于技術, 如地源熱泵技術, 它通過循環液在封閉地下埋管中流動, 實現系統與大地之間的傳熱, 它是一種可持續發展的建筑節能新技術。1998年美國能源部頒布法規, 要求在全國聯邦政府機構的建筑中推廣應用地源熱泵供熱空調系統。為了表示支持這種節能環保的新技術, 美國總統布什在他的得克薩斯州的宅邸中也安裝了這種地源熱泵空調系統(見2001年5月18日

 

  《參考消息》)。③在城市大力構建城市森林, 在建筑的外圍進行立體綠化。Kikegawa等

 

  [ 40]

 

  的研究表

 

  明, 在建筑周圍種樹可以節省因制冷而消耗的能源的4% ～ 40%。④在屋頂及墻體加蓋鋪裝材料或濾光遮陽的“雙層表皮” 來降低建筑物溫度, 從而減少空調能耗。⑤使用淺色的建筑材料或涂料。采用高反射率的淺色屋頂可比暗色屋頂減少40%的空調用電量, 其降溫效果十分明顯[ 24] 。⑥制定相應的政策法規, 推動降低空調能耗措施的落實。

 

  空調能耗只是城市能耗的一方面, 城市規劃中

 

  應改進能源消耗設備如機動車輛和鍋爐等的構件,更新能源使用方法, 提高能源使用效率, 減少能源損耗。在條件允許的城市, 應推廣和普及使用太陽能和生物能, 減少煤和石油等不可再生能源的消耗, 降低熱島效應。

 

  2.5 城市熱島效應對城市規模規劃的影響

 

  城市熱島效應與城市規模有一定的相關性。有

 

  學者認為城市擴展是城市熱島效應形成的主要原因[ 24] 。據研究, 1 萬人口城市的熱島強度可達0.11 ℃, 10萬人口的城市熱島效應可達0.32 ℃,100萬人口的城市熱島效應可達0.91 ℃[ 23] 。丁金才等[ 27]在上海的研究結果也表明, 熱島強度與城市規模相關性明顯。因此, 城市規劃中, 必須對城市規模進行規劃, 將城市的人口數量控制在一定范圍之內。

 

  3 討 論

 

  城市熱島效應對城市規劃的影響是多方面的,

 

  上面論述的只是其中的幾個重要方面。為了消除或緩解城市熱島效應, 減少這種潛在的危害, 城市規劃部門和有關專家應根據城市熱島效應形成的原因及其分布的時空特點, 在尊重城市歷史文脈的基礎上, 充分考慮城市熱島效應對城市規劃的影響, 制定合理的城市規劃, 以期最大限度地消除或緩解城市熱島效應, 實現經濟、社會的和自然的和諧發展。