从大规模绿化转向“灰色空间”绿化：利用数据量化高架桥下空间的微气候和能源效益

《ENERGY AND BUILDINGS》：Shifting from large-scale greening to gray-space greening: Leveraging data to quantify the microclimate and energy benefits of viaduct under-spaces

基于山东半岛六座高架桥的实地测量与模拟分析，研究发现桥下空间（UVS）具有低光照（平均透光率39.89%）、低温（平均降低3.60℃）、高湿度（平均湿度增加12.5%）及强风速（平均风速提升8.2%）的典型微气候特征，植被结构以乔木为骨架搭配常绿灌木，形成稳定生态调节系统。其年碳汇效益达1800美元/公里，为低成本提升城市生态韧性提供新路径。

　　

马春燕|黄宇|于凯|刘洲|兰凤云|刘斌|季嘉欣|梁玉香|贾春云|盛倩倩|朱尊玲

中国南京林业大学

摘要

高架桥下空间（UVS）是一个未被充分利用的潜在绿色网络。研究这些区域可以将灰色基础设施转化为城市生态发展的工具，这对于建设有韧性的城市和可持续的人类居住区至关重要。与大规模的城市蓝绿空间不同，UVS作为整合交通和社会服务的生态走廊，但对其生态特征的研究仍然有限。本研究在中国胶东半岛六个典型高架桥下空间进行了关键微气候因素的实地测量，包括光照强度、温度、湿度和风速，测量时间选在夏季白天。通过多种统计分析、Ecotect光照模拟和i-Tree生态效益评估，我们探讨了这些空间的微气候特征、结构影响及其潜在的生态效益。结果显示，胶东半岛的高架桥下空间具有典型的环境特征：光照不足、温度较低、湿度较高、风速较大以及土壤养分贫瘠。这种环境促进了以树木为主、灌木为补充的典型植物群落结构。中央通道区域的光照穿透率最低，仅为25%，显示出最显著的降温和增湿效果。南北走向的高架桥最适合建立连续的降温走廊，而优化高度与宽度的比例可以创建城市通风走廊。植被的碳封存和氧气释放带来的潜在年生态效益约为1800美元，代表了一种低成本、高效益的生态补偿措施。作为初步探索，本研究为未来的机制性和综合性研究提供了参考和科学假设，为低碳城市发展提供了新的见解。

引言

城市热岛效应的加剧、不断上升的能源需求、生态碎片化以及绿色空间不足等问题已成为全球城市可持续发展的挑战[1]、[2]、[3]。为应对这些挑战，扩大大规模绿色空间被视为改善城市热环境和减少建筑冷却能耗的有效方法[4]。大量研究表明，传统的绿色基础设施（如城市公园）能够有效调节城市微气候并提高建筑能源效率[5]、[6]。屋顶绿化和垂直绿化也有助于缓解城市热岛效应[7]、[8]。然而，新的大型绿色空间的用地极其有限且成本高昂[9]，这与对高质量生态环境的需求存在矛盾。值得注意的是，广泛分布的城市灰色基础设施，特别是高架桥下的线性空间，提供了大量未被充分利用的空间[10]。与传统公园和屋顶绿化相比，高架桥下空间（UVS）结合了灰色基础设施和绿色生态系统，兼具生态和交通功能，形成了稳定的降温和增湿区域[11]。它们的线性形状使它们能够充当生态走廊和通风走廊，连接破碎的栖息地[12]。它们的功能已经从单纯的绿化扩展到公共娱乐[13]。将灰色基础设施转化为城市生态发展的工具，并量化这种特定线性空间的微气候调节能力，是城市可持续发展的关键途径。

近年来，关于UVS的研究主要集中在植物景观、植物生态、污染暴露和单一环境因素上[14]。垂直绿化系统已成为利用这些空间的可持续方法[7]。此外，软件模拟表明，UVS内的光照条件主要受桥梁方向、桥梁高度比（B/H）和障碍物影响[10]。大多数关于高架桥下污染暴露的研究采用了CFD或LES模拟。例如，Lu等人[15]将CFD模拟与实地测量相结合，发现高架桥改变了街道峡谷的气流，地面和桥面的排放对颗粒物分布有不同的影响；Xu等人[16]使用大涡模拟（LES）表明，在0.75H的高架桥高度处污染物浓度较低；Zheng等人[17]利用LES研究了高架桥和噪音屏障对社区尺度污染物扩散的影响。他们的结果表明，高架桥可能会根据风向增加或减少污染物浓度。然而，大多数研究依赖于理想化的二维街道峡谷模型。在实际城市UVS中进行实地测量和数值模拟的研究很少。Zhi等人[18]使用RANS模拟和实地数据将高架桥与颗粒物扩散联系起来；Yin等人[11]指出夏季气象条件主导了UVS内的颗粒物浓度，但没有量化高架桥结构的贡献。以往的研究主要集中在传统的绿色空间（如公园）上，对UVS生态效益的系统性定量研究尚缺乏。虽然有一些研究探讨了UVS的再利用，但主要集中在照明和景观设计上。高架桥结构的微气候机制及其整体生态影响仍不清楚。

当前关于微气候的研究范围广泛且方法成熟[19]、[20]、[21]。这些研究通常使用计算流体动力学模型，如ENVI-met[22]、PALM-4U[24]和MITRAS[25]，这些模型可以三维解析城市峡谷内的流体动力学和辐射传输方程，从而解决风速、辐射预算和能量平衡问题。近年来，关于城市微气候的尖端研究越来越强调综合辐射传输过程的重要性。Salim等人[26]表明，辐射传输是驱动城市冠层微气候形成的核心物理机制。他们使用PALM模型首次系统量化了短波遮荫、长波辐射和多次反射对表面辐射预算和流场的不同贡献。Jin等人[27]使用中尺度气候模型（CCLM/DCEP-BEM）发现，由于建筑物的遮荫，城市核心区域的日平均辐射温度低于郊区，但夜间由于长波辐射而较高。然而，很少有研究将辐射传输理论应用于高架桥下的微气候分析。

因此，本研究将高架桥重新定义为一种线性绿色基础设施，旨在通过实地测量初步量化其下桥空间的微气候调节能力。作为特定场地条件下的初步调查，本研究主要探讨两个问题：(1) 高架结构如何影响微气候因素的空间异质性？(2) UVS是否具有节能效益？本研究将UVS重新定义为线性绿色基础设施，而非孤立的灰色结构，并试图利用辐射传输框架从物理角度解释观察到的微气候特征，为后续的机制性研究提供科学假设。同时，也为将高架桥从单纯的能源消耗者重新定位为潜在的节能贡献者提供了初步的数据支持和新的视角。

研究区域

胶东半岛位于山东省东部，胶莱河以东（东经119°16′–122°42′，北纬35°05′–37°50′）。该地区主要包括青岛、烟台、威海和日照等城市（图1(a)），这些城市构成了山东半岛蓝色经济区发展的核心区域[28]。胶东半岛的城市群具有温带季风气候，具有明显的海洋性特征和明显的季节变化。截至2020年底，山东省的高架桥总长度达到2,110公里

胶东半岛高架桥下空间的综合环境特征

本研究结果表明，高架桥下的微气候与桥外的开阔空间存在显著差异。如补充表S4所示，UVS内的光照强度显著降低，平均光透射率仅为38.88%，比自然光照条件降低了61.12%。在温度和湿度方面，UVS具有降温和增湿效果：平均相对湿度（RAT）为3.60%

UVS内的光照环境特征

光照特性及其趋势是分析高架桥下空间条件并设计绿化方案的基础[37]。我们的研究表明，高架桥下的平均光照穿透率为39.89%，比周围开阔空间低60.11%。这证实了高架桥下光照不足的现象，与先前的研究结果一致[38]。高架桥下的光照分布显示出

结论

本研究实证分析了胶东半岛夏季白天高架桥下空间的微气候特征和潜在生态效益。结果表明，这些空间通常形成了一个稳定的微环境，其特征是光照不足、温度较低、湿度较高、风速较大以及土壤养分含量较低。高架桥下的植被群落以乔木为主，灌木为补充

未引用的参考文献

[52]。

CRediT作者贡献声明

马春燕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，数据管理。黄宇：撰写 – 原稿，调查，数据管理。于凯：软件应用，调查。刘洲：资源获取，项目管理，调查。兰凤云：资源获取，项目管理，调查。刘斌：资源获取，调查。季嘉欣：软件应用，调查。梁玉香：调查。贾春云：调查。盛倩倩：监督，资金支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。