國內(nèi)水體小氣候研究現(xiàn)狀及展望

呂鳴楊，金荷仙，王亞男

（浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江杭州 311300）

我國的城市規(guī)模隨著不斷加快的城市化進(jìn)程不斷擴(kuò)大，在全球變暖的大背景下城市氣候問題日益突出，人們對(duì)健康、舒適的戶外環(huán)境的追求與惡劣城市氣候的矛盾逐漸凸顯。因此城市氣候問題引起人們的廣泛關(guān)注，大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及風(fēng)景園林等專業(yè)相繼對(duì)城市氣候、城市小氣候展開研究。水體作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分對(duì)氣候環(huán)境有重要影響作用，是各學(xué)科的研究重點(diǎn)之一。對(duì)小氣候的影響主要表現(xiàn)在熱環(huán)境、濕環(huán)境以及風(fēng)環(huán)境，因自身特征的不同表現(xiàn)出的小氣候效應(yīng)可能會(huì)有很大差異，這些自身特征包括水體形態(tài)、水面形狀、體量、深度、流速，而類似的水體在不同環(huán)境下，受大氣候背景、海拔、周邊地形、植物等因素影響表現(xiàn)出的小氣候效應(yīng)也會(huì)有所不同，小氣候效應(yīng)的差異主要體現(xiàn)在影響效果、影響范圍及影響強(qiáng)度。目前國內(nèi)對(duì)水體的小氣候效應(yīng)已經(jīng)有了一定的研究，也存在一些不足，因此需要對(duì)已有研究進(jìn)行梳理，對(duì)探明的不同水體的影響規(guī)律、效果進(jìn)行總結(jié)，以便于為后續(xù)研究提供借鑒。

1 不同形式水體的小氣候效應(yīng)研究

1.1 湖泊小氣候效應(yīng)

大量對(duì)湖泊氣候特征的實(shí)測(cè)研究表明，湖泊對(duì)周邊氣候有顯著的影響作用，影響效果受各種因素影響差異較大[1-7]。崔麗娟等對(duì)北京8個(gè)典型濕地進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)湖泊濕地對(duì)局部環(huán)境的降溫能力明顯高于河流，增濕效果平均在8%～14%之間，強(qiáng)于河流的3%～9%，整體小氣候效應(yīng)較河流更顯著[8]。彭小芳等研究了廣州5處濕地發(fā)現(xiàn)，位于市郊的濕地較市區(qū)內(nèi)的平均氣溫可低約2.7℃，相對(duì)濕度年平均值可高10%；而濕地邊緣的氣溫較距水邊200m處可低1.1～1.3℃，相對(duì)濕度可高4%[9]。陸鴻賓分析了太湖氣溫效應(yīng)，結(jié)果表明湖岸平均氣溫比遠(yuǎn)湖區(qū)低0.3～1.0℃，湖面最低溫較遠(yuǎn)湖區(qū)高3～5℃；下風(fēng)岸氣溫較上風(fēng)岸高0.2～0.6℃，當(dāng)氣流通過水面時(shí)，對(duì)溫度升降、溫率隨通過水面的距離增加而降低[3]。有研究表明湖泊面積越大、湖水越深、蓄水量越大，對(duì)氣候調(diào)節(jié)作用越明顯[10]。朱春陽研究了武漢地區(qū)14塊湖泊濕地，發(fā)現(xiàn)湖泊的氣候效應(yīng)受其面積、形狀、位置及環(huán)境的影響，其中面積的影響最大[11]。張偉對(duì)西湖小氣候的研究發(fā)現(xiàn)湖泊的小氣候有明顯季節(jié)性差異及晝夜差異[12]。此外，研究表明湖泊的降水效應(yīng)不明顯[4,12]。

1.2 河流小氣候效應(yīng)

城市河流指流經(jīng)城區(qū)的河流或河段，也包括人工開挖但經(jīng)多年演化已具自然河流特點(diǎn)的水系，是生態(tài)環(huán)境功能的重要部分[13]。齊靜靜對(duì)松花江及其周邊區(qū)域氣候進(jìn)行研究，結(jié)果表明夏季時(shí)河流在晴天作為城市冷源，起降溫作用，陰雨天則作為城市熱源，可一定程度上減緩降溫；同時(shí)對(duì)周邊氣候的降溫增濕作用與主導(dǎo)風(fēng)向及下墊面類型、建筑區(qū)密度、人工排熱等密切相關(guān)，水域兩岸溫度分布變化差異明顯[14,15]。紀(jì)鵬對(duì)北京7條不同寬度河流的研究發(fā)現(xiàn)，河流在春、夏、秋季均有降溫增濕作用，并且隨著河流寬度增加而增強(qiáng)，冬季同樣有降溫增濕作用，但是降溫幅度隨河流寬度而不斷減弱直至消失、逆轉(zhuǎn)，而增濕作用隨寬度增加而增強(qiáng)[16]。同時(shí)河流寬度對(duì)岸旁綠地溫濕效應(yīng)影響顯著，當(dāng)河流8m寬時(shí)，綠地有增濕效應(yīng)，降溫效應(yīng)不明顯；14～33m時(shí)降溫增濕效果明顯，但不穩(wěn)定；大于40m時(shí)效果顯著且穩(wěn)定[17]。宋曉程通過實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，河道越寬影響范圍越大，可達(dá)250m左右，河流附近氣溫根據(jù)河道寬度不同可下降0.6～1.0℃；另一方面由于水面較寬且上方風(fēng)速低，對(duì)于周邊高溫空氣的影響較河道上空小[18,19]。

1.3 其他水體小氣候效應(yīng)

目前對(duì)河流、湖泊以外的水體的研究主要是城市公共空間的噴泉、水池。楊凱的研究表明，噴泉有利于增強(qiáng)綠地水體對(duì)小氣候的降溫增濕作用[20]。曹丹對(duì)上海開放空間的研究表明噴泉對(duì)小氣候的調(diào)節(jié)作用主要與距離及風(fēng)環(huán)境有關(guān)：距離越近，地面溫度越低，相對(duì)濕度越高；周圍風(fēng)速越高，調(diào)節(jié)作用越明顯[21,22]。陳茗針對(duì)西安公共空間小型水體進(jìn)行研究，結(jié)果表明夏季時(shí)不同水體形式調(diào)節(jié)程度有差異，水池噴泉對(duì)溫濕度調(diào)節(jié)效果最好，冬季時(shí)涌泉、人工湖較深的水體保溫效果較好，旱噴增濕效果最弱；而涌泉和旱噴在冬夏均對(duì)地表溫度有較好調(diào)節(jié)效果[23]。另外，水體與適宜的風(fēng)場相結(jié)合、水體的流動(dòng)可以通過加快水面蒸發(fā)，促進(jìn)與環(huán)境的熱傳遞，從而提高降溫能力[24]。

2 不同水體特征對(duì)水體小氣候效應(yīng)的影響

2.1 水體面積的影響

大量研究表明，水體面積對(duì)其小氣候效應(yīng)有顯著影響。楊凱對(duì)上海6個(gè)水體的觀測(cè)顯示，面積較大的湖泊溫濕效應(yīng)較其他水體更顯著[20]。張叢通過軟件模擬廣場水體發(fā)現(xiàn)，水體尺度越大，降溫增濕提高風(fēng)速越明顯，夏季熱舒適好，冬季差[25]。傅抱璞的研究表明，水上氣象要素的變化是隨著通過水域路程的增加而變大的，因此水域面積越大氣候效應(yīng)越大[26]。王浩通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，水體的影響幅度會(huì)隨面積減小而減弱，寬度5km、1km的水體影響幅度分別為10km的90%～95%、50%[27]。另一方面，也有研究表明，水體的氣候效應(yīng)并不完全隨面積增加而增強(qiáng)。水體的降溫效應(yīng)的增強(qiáng)與面積的關(guān)系可能存在一個(gè)閾值[28]。李書嚴(yán)的研究表明，當(dāng)湖泊面積增加到一定值時(shí)其降溫增濕作用趨于穩(wěn)定，不再顯著增強(qiáng)，此時(shí)適當(dāng)增加其形狀指數(shù)可有效提高整體環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)面積小于0.25km2的單塊水體影響不顯著[29,30]。薛思寒對(duì)濕熱地區(qū)園林的研究發(fā)現(xiàn)，園林中水面過大會(huì)導(dǎo)致上方濕度增加，使蒸發(fā)變慢對(duì)庭院散熱產(chǎn)生不利影響，因此庭院水體并非越大越好[31]。

2.2 水體形狀的影響

研究表明不同形狀的水體其影響效果也會(huì)有差異。吳昊研究了南京市15塊水體發(fā)現(xiàn)水體面積與周邊地表溫度的降低無明顯相關(guān)性，而與水體形狀緊密相關(guān)[28]。紀(jì)鵬等研究了大慶市5種不同形狀的城市濕地小氣候發(fā)現(xiàn)不規(guī)則形狀濕地降溫增濕效果最強(qiáng)，其次是規(guī)則形狀（近圓形、近矩形），最后是長條形濕地[32]。崔麗娟的研究也表明圓環(huán)形水體比條形河道影響范圍廣[8]。張叢認(rèn)為廣場水體形態(tài)越緊湊降溫增濕越明顯，而相較于面積、位置、離散度，水體形態(tài)影響最小[25]。

2.3 水體深度的影響

水體面積和形狀主要影響小氣候效應(yīng)強(qiáng)度，但深度會(huì)影響水體對(duì)氣候的調(diào)節(jié)效果。王浩對(duì)不同深度水體的研究表明水體較深時(shí)主要是較大的熱容量起作用，在白天和暖季起降溫作用，夜間有升溫作用；而深度僅0.1m的淺水體主要是水陸的反射率差異起作用，無論白天還是夜間都起增溫作用；深度在0.1～1m間的水體增溫作用變化最強(qiáng)[33]。傅抱璞指出深水域在冬季和全年平均效果都有增溫作用，在夏季一般起減溫作用（高原仍為增溫）；淺水除在干旱地區(qū)夏季起減溫作用外一般全年有增溫作用[34]。陳茗的研究表明夏季同面積淺水的降溫增濕作用比深水強(qiáng)，冬季同面積深水的保溫增濕作用比淺水強(qiáng)[23]。

2.4 與水體不同距離的影響

研究表明水體的小氣候效應(yīng)會(huì)隨距離增大而逐漸減弱[8,9]。一般在下風(fēng)岸影響距離要長[27]，城市水體在夏季對(duì)環(huán)境的影響主要在上風(fēng)岸2km以內(nèi)和下風(fēng)岸9km以內(nèi)，2.5km以內(nèi)最為明顯[29,30]。小型水體中心位置的小氣候效應(yīng)也比邊界位置顯著，人工湖兩者之間可差4℃，旱噴可相差0.3℃[23]。風(fēng)速的最大變化在10～20km高度以下，變化隨距離增大而迅速減小[35]。

2.5 水體占地比例與布局的影響

城市綠地中水體所占面積比例以及水體的的布局都會(huì)對(duì)水體的小氣候效應(yīng)產(chǎn)生影響。肖捷穎等研究表明，城市綠地中水體所占面積比例不低于19%，不透水地面低于50%即可有效降低環(huán)境氣溫[36]。軒春怡等通過軟件模擬與實(shí)測(cè)，認(rèn)為水體面積占比由4%增加到12%時(shí)，其影響增幅最大，之后增幅不顯著[37]。張叢認(rèn)為廣場水體越聚集對(duì)水體周邊降溫增濕越強(qiáng)烈，但是就整個(gè)廣場區(qū)域來講，水體適度分散會(huì)有利于整體的溫度調(diào)節(jié)，縮小廣場各處氣候要素差異[25]。吳昊研究表明，城市中心水體降溫效果較其他位置的更為顯著，可有效降低熱島效應(yīng)，而相同面積濕地，分散的多個(gè)小面積水體整體效應(yīng)好于一個(gè)大水體[28]。李書嚴(yán)與軒春怡的研究結(jié)果類似，也認(rèn)為多塊、密集分布的小面積水體降溫增濕更顯著[29,30,37,38]。

3 與其他景觀因素的結(jié)合作用

建筑布局與水體小氣候效應(yīng)發(fā)揮有密切關(guān)系[9]。楊凱認(rèn)為密集的大型建筑會(huì)通過遮陰及改變風(fēng)環(huán)境對(duì)水體小氣候效應(yīng)產(chǎn)生影響[20]。楊召等通過對(duì)北方濱河住區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沿河建筑布局有利于形成冷濕廊道時(shí)有利于改善熱環(huán)境，綜合來看建筑與河流呈45°夾角較好，越接近平行越不利[39]。宋曉程研究表明，臨河住區(qū)建筑布局宜為點(diǎn)板式、容積率為1.5[40]。

同時(shí)水體與植物的配合可更有效地改善室外熱環(huán)境[31]?！八G”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有利于河流及水體環(huán)境效應(yīng)的發(fā)揮[20]。劉濱誼等對(duì)蘇州河濱水帶的研究認(rèn)為，喬——草類植被結(jié)構(gòu)在降溫增濕和導(dǎo)風(fēng)方面都有較好效果，有利改善夏季小氣候[41]。陳茗認(rèn)為夏季喬木與水體組合的小氣候效應(yīng)好于灌木與水體組合，冬季則相反[23]。

除了建筑與植物，大氣候背景、駁岸形式、周邊環(huán)境下墊面等也會(huì)影響水體小氣候效應(yīng)。傅抱璞指出氣候越干燥、天氣越晴朗，水陸氣候差異越大；而隨著陸地粗糙度的增加，水、陸上風(fēng)速差異也會(huì)變大；而在潮濕、干旱地區(qū)水體小氣候也會(huì)有所差異[26]。宋曉程研究發(fā)現(xiàn)，水體對(duì)濕熱環(huán)境的調(diào)節(jié)作用隨堤岸高度增加而迅速下降，高于9m時(shí)已無明顯調(diào)節(jié)作用[42]。水岸坡面形式也會(huì)產(chǎn)生不同影響，臺(tái)階降溫增濕效果最好，臺(tái)地與坡地類似；而臺(tái)地引導(dǎo)風(fēng)最有效，臺(tái)階與坡道效果接近[41]。

4 總結(jié)與展望

經(jīng)過多年、多學(xué)科的研究，對(duì)水體的小氣候效應(yīng)已有了較為全面的研究，積累了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，也發(fā)展出豐富的研究方法。大氣科學(xué)依托深厚的理論基礎(chǔ)對(duì)水體小氣候的影響機(jī)制及原理進(jìn)行了深入研究，對(duì)其他學(xué)科的研究提供了理論基礎(chǔ)，而其豐富的數(shù)據(jù)獲取、分析處理方法也有較大借鑒意義；環(huán)境科學(xué)的研究主要集中在水體生態(tài)氣候效益、熱氣候效應(yīng)以及其他自然元素對(duì)水體氣候效應(yīng)的影響，其研究方法偏重于實(shí)地觀測(cè)[43]。風(fēng)景園林學(xué)科對(duì)小氣候的研究主要是探索各種不同氣候區(qū)域背景、用地類型的小氣候以及景觀要素對(duì)小氣候與人體舒適度的影響，以營造更為舒適宜人的空間。研究方法多以現(xiàn)場實(shí)測(cè)、軟件模擬為主，遙感監(jiān)測(cè)相對(duì)較少，對(duì)單一景觀要素的研究主要集中在植物方面，而針對(duì)水體的研究相對(duì)較少。對(duì)已有研究進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前的研究多是城市尺度的大型水體，而對(duì)于城市中更為常見的公園綠地中的小型水體研究較少；另一方面，水體流速差異的影響研究也非常匱乏，未來的研究可以著眼于這兩方面，完善對(duì)水體小氣候的研究，為城市水體設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。