从停车场到城市公园：微气候模型揭示了安特卫普地区的协同降温效应

《Urban Forestry & Urban Greening》：From parking lot to urban park: microclimate modelling reveals synergistic cooling effects in Antwerp

　　蒂姆·古森（Tim Goossen）、马尔扬·德穆因克（Marjan Demuynck）、汤姆·泰特加特（Tom Tytgat）、凯拉·科赫（Kyra Koch）、西格弗里德·德尼斯（Siegfried Denys）
安特卫普大学工程、光电化学与传感研究组（A-PECS）
地址：Groenenborgerlaan 171, 2020 Antwerp, Belgium

**摘要**
由于气候变化和城市化，城市热岛效应及由此引发的热不适问题在欧洲城市日益严重。本研究通过使用ENVI-met软件进行模拟，并结合实地测量数据，评估了将铺设的停车场改造为植被覆盖的城市公园（位于比利时安特卫普的Zuidpark）所带来的热舒适度提升效果。研究比较了三种情景：完全铺设的停车场、当前带有少量植被的现状，以及未来树木冠层完全发育的情景。结果表明，植被显著降低了热应力——未来情景下的空气温度最多降低了1.2°C，生理等效温度（PET）最多降低了4.6°C。极端热应力的持续时间从停车场情况下的9小时减少到现状下的7小时，再到未来情景下的5小时。随着树木视野系数（TVF）的增加，PET也随之降低；当TVF达到0.4时，可避免极端热应力的发生。区域级分析显示，成簇生长的树木能提供最大的舒适度，尽管在体力活动期间热应力仍较高。高叶面积密度（LAD）的树木能增强降温效果。水分胁迫会减少蒸散作用，尤其是在植被稀疏的区域。研究结果突显了遮荫、蒸散作用和通风走廊在缓解城市热岛效应中的协同作用，为城市规划者提供了基于实证的指导与设计目标。

**引言**
随着全球人口的增长和城市化进程的加快，城市面临日益严重的热应力问题。到2050年，超过60%的人口将居住在城市地区（联合国经济和社会事务部《世界城市化报告》，2019年）。高建筑密度和有限的空间导致大量不透水表面、植被稀少以及水体匮乏（Biney等人，2024年）。绿色和蓝色基础设施通过蒸散作用降温，而反射率低的建筑表面则吸收并保留热量（Cleugh和Grimmond，2012年）。此外，人为产生的热量以及密集建筑结构中的气流受限进一步扰乱了城市能量平衡，使得城市升温更快、降温更慢，从而加剧了热浪的影响（Shahmohamadi等人，2011年；Oke等人，2017年）。城市温度可能比周边农村地区高出4°C，极端情况下甚至高达10°C，这种现象被称为“城市热岛效应”（Tong等人，2021年）。气温升高会危害健康、经济、空气质量及能源需求；每升高1°C，死亡率增加4.1%（Goggins等人，2012年）。老年人、儿童、社会经济地位较低的人群以及有（慢性）健康问题的人尤其脆弱（Campbell等人，2018年）。世界卫生组织（WHO）指出，气温每升高1°C，生产力下降2-3%，预计到2030年全球将损失8000万个全职工作岗位（Kjellstrom等人，2019年；世界卫生组织与世界气象组织，2025年）。空调需求的增加形成了正反馈循环，加剧了全球变暖（Li等人，2014年），而城市热岛效应则通过促进臭氧和烟雾形成恶化空气质量（Oke等人，2017年）。气候变化增加了热浪的频率、强度和持续时间。在高风险RCP8.5气候情景下，预计到本世纪末热浪频率将增加十倍，城市将受到更严重的影响（Amengual等人，2014年）。

为了评估市民实际受热程度的情况，研究人员采用了“热舒适度”（Thermal Comfort, TC）这一指标——它反映了人们对热环境的满意度（van Hove等人，2015年）。空气温度（Ta）只是影响热舒适度的因素之一；太阳辐射、气流和相对湿度等气象变量也起着重要作用。个人因素如着装、活动类型、年龄和健康状况也会影响TC。目前存在165种不同的热舒适度指数（de Freitas和Grigorieva，2017年），这些指数试图将这些因素整合到一个统一的指标中。其中，生理等效温度（PET）和通用热气候指数（UTCI）最为常用，它们结合多种室外参数并通过参考温度值来反映室外条件（Blazejczyk等人，2012年）。这些指数有助于基于实证的城市设计，确保城市在热功能方面具备前瞻性。

为缓解城市热岛效应并提升人类舒适度，城市设计策略通常侧重于增加遮荫、提高表面反射率、促进蒸散作用和改善气流，但很少采用综合性的方法（Lai等人，2019年）。干预措施的有效性往往取决于具体环境，需要仔细评估成本、管理便捷性等因素（Rahman等人，2020a）。例如，土地覆盖材料对室外热舒适度有显著影响（Azodo等人，2020年）。高反射率材料（如涂层或白色涂料）可降低表面温度，但对其对热舒适度的具体影响存在争议：反射的太阳辐射增加可能对行人舒适度产生负面影响（Karimi等人，2020年）。植被尤其是树木通过提供遮荫和促进蒸散作用发挥关键作用。街道旁的树木可将UTCI降低6°C，空气温度降低1.8°C（Coutts等人，2015年；Herath等人，2018年）。树木的遮荫作用还能使混凝土表面温度降低13-23°C，平均辐射温度降低5-7°C（Rahman等人，2020a；Armson等人，2012年）。适宜的树种包括落叶树、具有高叶面积指数的树木、木质结构疏松的树木以及体型较大的树木（Rahman等人，2020a；Razzaghmanesh等人，2021年；Shahidan等人，2012年；Li等人，2023年）。成群的树木比单株树木具有更强的降温效果（Terrani等人，2024年）。低矮植被（如草、灌木和树篱）虽然遮荫效果有限，但仍能促进蒸散作用并降低即时表面温度；与混凝土表面相比，草地可使土壤温度降低24°C，并在高温时段降低PET值（Armson等人，2012年）。蓝色基础设施因其高热容量也具有降温潜力（Lai等人，2019年）。

综上所述，城市公园可作为绿色社交空间，通过结合植被、树木、水体和透水表面的降温效果来缓解城市热岛效应（Kim等人，2018年）。综合这些缓解措施，公园能带来多重效益。例如，Rahman等人（Rahman等人，2020a）发现，生长在草丛中的树木比生长在沥青地面上的树木蒸散作用强十倍；Karimi等人（Karimi等人，2020年）发现，具有宽大树冠和高树干的树木结合低反射率材料能最大程度降低城市温度；Shahidan等人（Shahidan等人，2012年）发现，结合冷却地面材料和高树冠密度的树木比单独种植树木效果更好。多项实地研究表明，城市公园通常比周边建筑区凉爽0.5-3°C，某些情况下温差可达5-7°C（Shahidan等人，2012年；Chang和Li，2014年；Du等人，2017年；Yan等人，2018年；Zhou等人，2024年；Lauwa等人，2020年），具体取决于当地气象条件。值得注意的是，大型公园的降温效果可延伸至其边界外1.4公里范围内（Yan等人，2018年）。

大多数城市公园还具有多种功能：除了缓解热岛效应和提升热舒适度外，还能增加生物多样性、增强抗虫害能力（Jactel等人，2021年）、改善空气质量（Edeigba等人，2024年；Marino，2022年）、促进心理健康（Edeigba等人，2024年；Wu等人，2024年）、增强雨水渗透（Godoi等人，2025年），并为城市提供休闲场所。

城市热岛效应和热舒适度的评估方法多种多样，每种方法各有优缺点（Huang和Lu，2017年；Mirzaei和Haghighat，2010年；Schmidt，2024年）。现场测量（固定或移动式）能提供高时间分辨率的气象参数数据，但空间覆盖范围有限、维护成本高且耗时（Oke，2004年）。公民科学项目有助于提高空间数据密度（Feichtinger等人，2020年），但数据可靠性有待验证。遥感技术能提供大范围的空间温度和土地覆盖信息（Goldblatt等人，2021年），但难以捕捉行人层面的微气候条件和遮荫、气流、辐射之间的动态交互作用。尽管适用于二维空间评估（Zawadzka等人，2021年），但这些方法通常无法准确评估行人层面的复杂热缓解策略或评估缓解设计方案。风洞和气候室在城市物理学研究中常用于在特定条件下研究气流、热传递和人体热舒适度（Zhao等人，2023年），但这些方法过于简化，难以全面评估实际微气候。计算建模是一种无需物理实验限制的定量数据生成工具；在提供准确输入数据的情况下，可用于参数研究、基于情景的分析和未来城市设计。根据复杂程度不同，计算模型范围从简化的能量平衡模型到详细的三维模拟。特别是计算流体动力学（CFD）能够模拟复杂的城市气流（Blocken，2015年）。ENVI-met是一款广泛使用的基于CFD的软件，可模拟城市冠层内的气流、辐射和植被相互作用（Tsoka等人，2018年）。然而，ENVI-met模拟存在一些局限性，如对湍流建模的敏感性、边界条件设置、表面属性假设以及定义真实风场的限制。尽管模型结果受网格限制，但误差通常小于实际缓解措施造成的差异。建筑物的简化处理（如不允许斜屋顶）和网格尺寸限制了热传递过程的准确表示。尽管如此，ENVI-met仍适用于基于情景的研究，尤其是评估行人高度和远离建筑物表面的区域。为提高模拟准确性，建议将模拟结果与现场测量或遥感数据结合使用。

关于城市热岛效应的早期研究可追溯至20世纪70年代，自2010年起相关研究数量呈指数级增长。CFD模拟（尤其是ENVI-met等软件）被广泛用于评估局部微气候。表1概述了使用ENVI-met研究热舒适度的相关论文。这些研究往往侧重于单一因素，较少关注不同因素之间的协同效应。验证问题是常见短板：Toparlar等人（Toparlar等人，2017年）指出，许多研究缺乏验证，即使有验证也仅限于单一天份和单一测量地点，且常忽略风速（va）、平均辐射温度（MRT）和相对湿度（RH）等变量。Elnabawi和Hamza（Elnabawi和Hamza，2024年）也指出，需要更多关于室外热舒适度的研究，尤其是结合工业4.0技术的综合研究（如智能传感、数据整合和计算建模）。现有文献多针对炎热、干旱或热带气候，对西欧等温带海洋性气候的研究不足（Tsoka等人，2018年）。政策制定也反映了这一趋势，温带气候下的城市过热问题常被忽视（Ulpiani等人，2024年）。大多数基于CFD的研究模拟未来或假设性干预措施，很少将模拟结果与实际干预后的数据进行对比（Toparlar等人，2017年）。

虽然已有证据表明城市公园对热舒适度有积极影响，但关于哪些具体公园特征（如植被类型、遮荫结构、水体设计或空间布局）对降温效果最显著的科学证据仍有限。特别是，这些因素的综合或协同效应尚未得到充分的量化，尤其是在温带海洋性气候条件下。本文的目的是在真实世界条件下评估比利时安特卫普新建城市公园的热性能。相较于以往的研究（Toparlar等人，2017年；Elnabawi和Hamza，2024年），我们（i）评估了一个实际的干预后案例，而非假设的设计；（ii）在多个地点和时间段实施了多变量、实地验证的ENVI-met建模；（iii）量化了在温带海洋性气候条件下遮荫、蒸散作用、通风和树冠结构的单独作用及其协同效应；（iv）根据公园的预期用途评估了空间-昼夜舒适度。为了捕捉时间动态，我们模拟了一个树木成熟后的未来场景，以揭示树冠发展如何增强降温效果并与通风走廊相互作用。我们研究了从铺砌的城市空间转变为公园对当地气温（Ta）和空气温度（TC）的影响，提供了微气候改善的全面视角。这为气候适应性城市设计的实际性能提供了基于证据的见解，强调了将实际热舒适度建模更好地融入城市规划政策的必要性（Martinez等人，2025年）。

**从停车场到公园**
在20世纪，比利时安特卫普市中心的三个码头（北纬51° 12.63’，东经4° 23.43’）被关闭，留下了一片毫无特色的灰色广场，一直作为停车场使用到2022年（停车场场景）。在过去的几年里，该区域被改造成了Zuidpark（当前场景），停车场被迁到了地下。新的7公顷公园整合了绿色基础设施，以提高密集城市环境中的宜居性，并配备了游乐场、运动场地和草坪。

**现场结果和模型验证**
三个现场测量点之间的气温（Ta）存在明显差异。树木覆盖的区域（A）记录的平均气温最低，介于29.2至33.3°C之间，其次是草坪区域（B），为32.1至36.9°C，而铺砌的交叉口（C）则在所有时间段内保持在33.2至39.4°C之间。这种模式反映了树木遮荫和蒸散作用的降温效果，而铺砌的硬质表面则储存并释放热量，导致温度更高。随着时间的推移，树木区域的温度逐渐下降。

**建议**
低矮植被和草坪有助于表面降温（Armson等人，2012年），但其效果取决于水分供应情况。这突显了良好灌溉的多层植被结构的重要性。在炎热天气中，遮荫区域仍适合户外活动，而铺砌的空间则会更早变得不适宜居住。城市规划者应优先考虑在城市公园中发展树冠，目标是：（i）至少30%的树冠覆盖率，透光率（TVF）为0.3；（ii）...

**结论**
本研究表明，将铺砌的停车场转变为植被丰富的城市公园可以显著提高户外热舒适度，在热应激期间降低空气温度和皮肤温度（PET）。与那些仅关注假设性干预或单一特征的研究不同，我们的方法评估了一个已实施的公园，并整合了过去、现在和未来的场景，揭示了成熟树冠和通风走廊在温带海洋性气候条件下的协同降温效果。

**资金来源**
本研究未获得公共、商业或非营利部门任何特定的资助。

**作者贡献声明**
Marjan Demuynck：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、监督、项目管理、方法论、概念化。
Goossens Tim：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、调查、数据分析、概念化。
Tom Tytgat：监督、软件资源。
Siegfried Denys：监督、资源、项目管理。
Kyra Koch：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督。

**关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT-5来提高文章的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**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报告的工作。