社区尺度屋顶绿化热效应及其对城市形态结构的响应机理研究

Green roof presents an innovative type of urban green spaces, contributing to urban heat island (UHI) mitigation, climate change adaptation, and low-carbon sustainable development. Previous studies on green-roof thermal effects have largely focused on the responses of temperature parameters and energy consumption at single building or the entire city scales, with less exploration on the microclimate at community scale. This study aims to explore the community-scale three-dimensional distribution of green-roof thermal effects and analyze the impacts of urban geometry factors based on field measurement and micro-climate modeling in Nanjing city. Firstly, on-site monitoring data at both the green-roof site and a sample community provides input data for modeling. Secondly, several typical communities will be selected with two roof-greening scenarios (extensive and intensive) created for each community. The microclimate model ENVI-met 4.0 provides three-dimensional distribution of climate parameters as output for each scenario and thus the vertical and horizontal pattern of green-roof thermal effects. Multi-regression analysis will be adapted to identify key influential design factors on thermal effects, such as building height, density and sky view factor (SVF). Thirdly, a parametric study will be used to build the quantitative relationships between key influential factors and green-roof thermal effects. The study could enhance understanding of building-vegetation-climate interaction in subtropical cities and provide reference for green-roof application in these cities.

屋顶绿化是一种新型城市绿地，它能缓解热岛效应，有助城市应对气候变化、实现低碳可持续发展。以往屋顶绿化热效应研究着重分析建筑或者城市尺度温湿度、建筑能耗等指标的变化，较少关注城市冠层三维空间热环境的响应，也没有深入研究城市形态结构对热效应的影响。本项目以南京为研究区，现场观测与微气候模拟相结合，探讨社区尺度屋顶绿化热效应的三维空间分布，识别关键影响因子并分析其作用机理。首先，基于屋顶绿化场地及研究样区观测数据，获取模型输入参数，验证模拟精度；其次，对典型社区不同屋顶绿化情景进行微气候模拟，揭示热效应空间分布，建立建筑高度、密度等城市形态结构因子与热效应之间的多元回归模型，识别关键影响因子；最后，采用参数研究法分析每个影响因子与热效应之间的定量关系及其作用机理。研究结果能加深对亚热带城市地区建筑-植被-气候相互关系认识，并为屋顶绿化选址及空间布局提供科学依据。

快速城市化与气候变化双重作用下，热岛效应与城市内涝成为最为突出的城市环境问题。绿化屋顶因能有效利用闲置屋面添緑、帮助城市缓解热岛和暴雨径流而受到关注。以微气候观测与模拟相结合的方法，探讨建筑与街区尺度屋顶绿化热环境效应、影响因素及作用机理。（1）基于5个典型绿化屋面的2年长时间序列观测数据，分析了夏季热效应强度、日变化特征及其与植被、土壤因子的关系。表明：绿化屋顶降温与升温效应并存，晴朗无风天气条件下，距离屋面10cm和150cm两个高度上，绿化屋顶最高可降低气温5.3℃和2.5℃，多云及降雨天气条件下降温强度下降，升温时段延长；降温效应按照大面积花园、草坪、小面积花园、裸土、菜地的顺序递减。（2）分析了屋顶草坪和花园的径流削减效应。表明：径流削减率与绿化类型及降雨强度密切相关，屋顶花园对一次典型暴雨、大雨、中雨、小雨的径流削减率分别为50.8%、78%、100%、100%，屋顶草坪的四次径流削减率分别为24.3%，58.6%，98.2%和100。（3）采用ENVI-met4.2模型对8个典型街区、2种朝向、3种屋顶绿化方案共48个情景做微气候模拟与分析。表明：街区尺度屋顶绿化产生的“冷岛”可从屋顶扩散到地面空间，缓解城市冠层热岛效应；白天14时，8个样区屋顶1.5米高处的降温强度最高可达0.64℃，样区平均降温强度最大值为0.44℃；地面1.5米高处的降温最大值为0.55℃，样区平均降温强度最大值为0.25℃。（4）计算与比较8种不同形态结构街区的平均降温强度，并分析城市形态结构因子与降温强度之间的相关关系。表明：紧凑低层建筑区和开敞低层建筑区实施屋顶绿化后产生的降温效应明显高于紧凑和开敞高层建筑区；街道走向与主导风向呈45°夹角比与主导风向平行具有更高的降温强度；建筑高度、高宽比、容积率与屋顶、地面处的降温强度之间均存在显著负相关关系，建筑密度与屋顶降温强度显著正相关，但与地面降温强度之间无显著相关性。研究结果能够促进对亚热带城市地区建筑-植被-大气相互关系的深入认识，并为屋顶绿化实践提供科学参考。