高校校園綠地秋季小氣候效應(yīng)人體舒適度感知研究

程惠珊 姚 杰 程哲煬 楊天嬌 李霄鶴 蘭思仁

（福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州 353002）

園林綠地作為城市系統(tǒng)中的自然生產(chǎn)力主體，在改善空氣質(zhì)量、調(diào)節(jié)局部小氣候方面發(fā)揮著一定的作用［1-2］。校園綠地不但擔(dān)負(fù)著保護和改善學(xué)校生態(tài)環(huán)境的功能，而且能綠化和美化校園環(huán)境，給師生提供一個舒適、休閑的活動空間［3］。然而，如何實現(xiàn)校園綠地生態(tài)效益和服務(wù)功能最大化，使其改善校園小氣候，提高校園環(huán)境的舒適性，具有重要意義［4］。近年來，有關(guān)學(xué)者對城市綠地的生態(tài)效應(yīng)進行了研究。馮悅怡等在夏季高溫季節(jié)對不同類型綠地進行了研究，結(jié)果表明各類綠地對人體舒適性均有一定的改善作用，改善程度上呈半天然喬灌草＞人工喬草＞人工喬草＞人工草坪的趨勢［5］。胡秀麗等研究了綠化對校園小氣候的影響，結(jié)果表明校園中栽植的樹木、花草在小區(qū)域范圍內(nèi)有著顯著的降溫、增濕、防風(fēng)效應(yīng)，證實了綠化能起到改善環(huán)境的作用［6］。

然而，以往研究多側(cè)重于夏季高溫綠地的降溫增濕效應(yīng)，而關(guān)于校園秋季小氣候效應(yīng)的研究則缺乏相關(guān)的理論貢獻。因此，本文以福建農(nóng)林大學(xué)校園內(nèi)幾處具有代表性的綠地為例，以人體舒適度感知為指標(biāo)，定量分析秋季校園不同綠地類型對校園小氣候的改善作用，為之后建設(shè)更舒適的校園環(huán)境提供科學(xué)參考。

1 試驗樣地與研究方法

1.1 樣地選擇

本試驗選擇享有“全國生態(tài)文明教育基地”美譽的福建農(nóng)林大學(xué)金山校區(qū)為研究地，以不同類型的綠地為例，選取校園內(nèi)具有代表性的平地及濱水2種綠地空間類型，分別為校內(nèi)中華園景觀和觀音湖濱水景觀。在2種類型綠地中分別對小氣候影響變量中的地表溫度、空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速進行實測記錄。

1.2 試驗內(nèi)容與方法

試驗時間為秋季氣候較為明顯的2017年10月23—25日，對樣地進行溫濕度及風(fēng)速的測量，每天07：00測量溫濕度及風(fēng)速，每2 h測一次。試驗期間參照的福州市氣象參數(shù)由福州市氣象站自動測量。測量儀器采用臺灣生產(chǎn)的Lutron LM-8000，具備記錄功能。溫度測定范圍為-100～1 300℃，精度為0.1℃；相對濕度測定范圍為10%～95%，當(dāng)相對濕度＜70%RH時，其精度為±4%RH；當(dāng)相對濕度≥70%RH時，則精度為±（4%rdg+1.2%RH）。風(fēng)速的測定范圍為0.4～30.0 m/s，風(fēng)速≤20 m/s，精度為±3%F.S；風(fēng)速＞20 m/s時，則精度為±4%F.S。儀器設(shè)置在人體對溫、濕度最敏感的1.5 m處。對所得數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件進行統(tǒng)計。

1.3 人體舒適度研究方法

人體舒適度指數(shù)是從氣象角度評價不同氣候條件下的人體舒適感，根據(jù)人類機體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的生物氣象指標(biāo)［7］。影響人對熱環(huán)境感受的因素很多，除了生理因素，還包括溫度、濕度、風(fēng)、太陽輻射和氣壓等氣象因素［5］。國內(nèi)外許多研究表明，溫度、濕度及風(fēng)速是影響人體舒適度的重要因子。關(guān)于人體舒適度的預(yù)報公式有很多，本文采用人居環(huán)境氣候舒適度作為評價指標(biāo)（GB/T 27963—2011），其等級劃分是按照中國氣象局規(guī)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，見表1。溫濕指數(shù)計算公式如下：

式（1）中，I表示溫濕指數(shù)，保留一位小數(shù)；T表示某一評價時段平均溫度，單位為℃；RH表示某一評價時段平均空氣相對濕度，單位為%。

表1 人居環(huán)境舒適度等級劃分

2 平地景觀對小氣候效應(yīng)影響研究

2.1 觀測點設(shè)置及其環(huán)境特征

為研究各小氣候要素變化與植物空間形態(tài)、植物郁閉度的關(guān)系，本試驗以福建農(nóng)林大學(xué)中華名特植物園為研究對象。中華名特植物園位于福建農(nóng)林大學(xué)校本部中華廣場中央，占地面積約7萬m2。整體為平地空間，最大高差僅1.5 m。在園內(nèi)植物空間及下墊面選取特征點處布置測點（見圖1），中華園供試點綠地基本信息如表2所示。

圖1 福建農(nóng)林大學(xué)中華植物園各測點位置

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 植被空間結(jié)構(gòu)對小氣候及人體舒適度的影響

2.2.1.1 溫度日變化影響。由圖2可知，3種不同植物空間結(jié)構(gòu)氣溫日變化特征基本一致，呈先上升后下降的倒“V”型單峰值變化，最高溫出現(xiàn)在13：00—15：00。在最高溫度的時刻呈現(xiàn)P2（水泥地）＞P4（草地）＞P6（喬草）＞P9（喬灌草）的溫度順序；在07：00—09：00、09：00—11：00及19：00—21：00這3個時間段，各樣地的空氣溫度呈P9＞P6＞P4＞P2，其他時間段，不同類型樣地的內(nèi)部環(huán)境溫度順序則與之相反。

2.2.1.2 濕度日變化影響。由圖3可知，3種不同植物空間結(jié)構(gòu)的相對濕度變化特征基本一致，與溫度變化相反，呈下降后上升的“V”型連續(xù)變化。盡管通過數(shù)據(jù)整理分析可以看出相對濕度的變化在很大程度上與溫度變化有關(guān)，然而其變化也與風(fēng)速有著密切的關(guān)系。由溫度表可知，溫度在13：00—15：00為最高值，一般其相對濕度應(yīng)在13：00—15：00出現(xiàn)最小值，然而在13：00—15：00各樣地均具有風(fēng)速，因此相對濕度的最小值出現(xiàn)在11：00—13：00，最小相對濕度表現(xiàn)為喬灌草＞喬草＞草地＞水泥地。即使不同植物空間的綠地在秋季所呈現(xiàn)的增濕效應(yīng)較為不明顯，但對于水泥地均表現(xiàn)出相應(yīng)的增濕效應(yīng)。

圖2 不同植物空間類型溫度比較

表2 中華園供試點綠地基本信息

2.2.1.3 舒適度日變化影響。將測點P2、P4、P6、P9的3 d平均舒適度進行比較（見圖4）可知，測點P9（喬灌草）＞P6（喬草）＞P4（草地）＞P2（水泥地）。結(jié)果表明植被空間越復(fù)雜，其舒適度的值越接近最適舒適度的值。

圖3 不同植物空間類型濕度比較

圖4 不同植物空間舒適度比較

2.2.2 喬木郁閉度對小氣候及舒適度的影響。喬木的郁閉度在一定程度上會影響所在空間的空氣溫度。在秋季，植物的小氣候效應(yīng)表現(xiàn)在保溫、增濕、減緩溫度變化方面。

2.2.2.1 溫度日變化影響。由圖5可知，紫葉李在達到一天最高氣溫前，其升溫速率高于榔榆。紫葉李一天中最高氣溫為30.55℃，比榔榆高0.55℃，對比榔榆，紫葉李空間執(zhí)行著保溫和減緩溫度變化的職能。因此，在一定范圍內(nèi)，秋季喬木的郁閉度越高，其保溫效果越明顯。

圖5 不同郁閉度喬木的溫度比較

2.2.2.2 濕度日變化影響。由圖6可知，紫葉李濕度下降的速率高于榔榆，全天溫度最高時段榔榆濕度達到一天最低。然而結(jié)合風(fēng)速圖可知，此時在其測量空間具有風(fēng)速，所以出現(xiàn)榔榆濕度高于紫葉李的現(xiàn)象。因此，在一定范圍內(nèi)，喬木郁閉度越高，其增濕效果越明顯，其濕度與溫度、風(fēng)速有著密切的關(guān)系。

圖6 不同郁閉度喬木的相對濕度比較

2.2.2.3 地表溫度日變化影響。由圖7可知，榔榆地表溫度提升速率高于紫葉李，全天溫度最高時段紫葉李達23.7℃，而此時榔榆最高溫度為23.0℃，兩者相差0.7℃。對比榔榆，紫葉李的空間呈現(xiàn)出保溫效果。因此，在一定范圍內(nèi)，提高喬木的郁閉度，可以降低地表溫度的變化速率，還表現(xiàn)出保溫作用。

2.2.2.4 舒適度日變化影響。將測點P7、P8的3 d平均舒適度進行比較（見圖8）可知，測點P7（紫葉李）＞P8（榔榆）。結(jié)果表明植被空間郁閉度越高，其舒適度的值越接近最適舒適度的值。

圖7 不同郁閉度喬木的地表溫度比較

圖8 不同郁閉度植物舒適度比較

3 濱水景觀對小氣候效應(yīng)的影響

3.1 觀測點設(shè)置及其環(huán)境特征

為了解各小氣候要素變化與校園濱水綠道空間形態(tài)間的關(guān)系，本試驗以福建農(nóng)林大學(xué)觀音湖景觀為研究對象。觀音湖是福建農(nóng)林大學(xué)校園內(nèi)最大的湖塘，位于校園北區(qū)。觀音湖的平面形狀為較正規(guī)的長方形（見圖9），其改造前的水域面積為7 hm2，統(tǒng)計范圍為15 m×15 m。在觀音湖綠道選擇特征點測量，觀音湖供試點綠地基本信息如表3所示。

圖9 福建農(nóng)林大學(xué)觀音湖平面圖

表3 觀音湖供試點綠地基本信息

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 溫度日變化影響。一是不同方位植物空間溫度日變化。由圖10～12可知，無論封閉的植物空間、水封路開還是兩邊開敞的植物空間，相對東西走向的植物空間，南北走向較早達到一天中最高溫度，且南北走向的最高溫度均低于東西走向的最高溫度。這是由于南北走向的植物空間東側(cè)具有建筑，早上比東西走向植物空間較晚接受到太陽，一天中受到太陽輻射少于東西走向的植物空間。

圖10 不同方位兩閉溫度日變化

圖11 不同方位水封路開溫度日變化

圖12 不同方位兩開溫度變化

二是同一方位的植物空間溫度變化。由圖13、14可知，無論在東西走向還是南北走向，均呈現(xiàn)出兩開植物空間＞水封路開植物空間＞兩閉植物空間。因此，在秋季濱水植物空間，兩閉的植物空間在三者空間類型中保溫效果最明顯，其次是水封路開，最差為兩開的植物空間。南北走向植物空間最高溫度比東西走向植物空間最高溫度出現(xiàn)的早，為11：00—13：00，而東西走向植物空間最高溫度出現(xiàn)在13：00—15：00。這是由于南北向受光時間短，接受到的太陽輻射強度不同。

圖13 南北走向不同植物空間日變化溫度比較

圖14 東西走向不同植物空間日變化溫度比較

3.2.2 濕度日變化影響。一是不同方位的植物空間濕度變化。由圖15～17可知，無論封閉的植物空間、水封路開還是兩邊開敞的植物空間，相對東西走向的植物空間，南北走向植物空間的空氣濕度下降速率較快，但其相對濕度仍大于東西走向植物空間的空氣相對濕度。這是由于南北走向上的植物空間東側(cè)具有建筑，早上比東西走向植物空間較晚接受到光照，一天中接受到的太陽輻射少于東西走向的植物空間。17：00—19：00以后，其相對濕度變化則相反，這與東西走向植物空間所處位置有關(guān)，其位于操場旁，具有周邊硬質(zhì)化率高、人流量大（此時有許多同學(xué)去操場鍛煉）等特點。

圖15 不同方位兩閉日變化濕度比較

圖16 不同方位水封路開日變化濕度比較

圖17 不同方位兩開日變化濕度比較

二是同一方位植物空間濕度變化。由圖18～19可知，無論在東西走向還是南北走向，相對濕度值均呈現(xiàn)出兩開植物空間＜水封路開植物空間＜兩閉植物空間。因此，在秋季濱水植物空間，兩閉的植物空間在三者空間類型中保濕效果最明顯，其次是水封路開，最差為兩開的植物空間。南北走向植物空間最低濕度比東西走向植物空間最低濕度出現(xiàn)得早，為11：00—13：00，而東西走向植物空間最濕度出現(xiàn)在13：00—15：00。這說明相對濕度與溫度具有一定的關(guān)系。

3.2.3 地表溫度日變化影響。由圖20可知，無論在南北走向還是東西走向，3中植物空間類型的地表溫度均呈現(xiàn)出石板溫度＞路邊草地＞水邊草地。石板路呈現(xiàn)出升溫速率快，降得也快，由于水邊草地含水分與路邊草地不同，因此在溫度上存在差異。

圖18 南北走向不同植物空間濕度比較

圖19 東西走向不同植物空間濕度比較

圖20 濱水景觀各測點地表溫度變化

由圖21、22可知，在同一方位上，由于植物空間類型不同其石板地溫呈現(xiàn)出兩開＞水封路開＞封閉。結(jié)果表明，植物空間類型對地溫有直接的影響，在一定程度上，植物空間越封閉，在地上的陰影程度越重，對下降地表溫度的效果越明顯。

圖21 南北走向不同植物空間地溫變化

圖22 東西走向不同植物空間地溫變化

由圖23～25可知，同一植物空間類型在不同方位上，其石板的地表溫度呈東西＞南北。結(jié)果表明，接受光照程度越高、時間越久的方位，對提升地表溫度的效果越明顯（在秋季太陽為東南方向）。

3.2.4 人體舒適度日變化影響。由圖26可知，同一走向上，其舒適度均呈水封路開＞兩閉＞兩開。而且南北走向的植物空間比東西走向舒適度高。結(jié)果表明，可以適當(dāng)增加植物空間的郁閉度來提高人體的舒適度；在秋冬季節(jié)濱水步道的方位選擇與冬季主導(dǎo)風(fēng)相垂直可以達到保溫效果。

圖23 不同走向兩開植物空間地溫變化

圖24 不同走向兩閉植物空間地溫變化

圖25 不同走向水封路開植物空間地溫變化

圖26 濱水植物空間舒適度變化

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對福建農(nóng)林大學(xué)金山校區(qū)平地植物景觀（中華植物園）不同植物空間類型的小氣候要素進行對比觀測，從整體上來看，喬灌草的保濕增溫效果最明顯，喬草次之，純草坪最差。在一定范圍內(nèi)增加喬木的郁閉度，其保濕增溫的效果越明顯。通過對福建農(nóng)林大學(xué)金山校區(qū)濱水植物景觀（觀音湖）不同植物空間類型以及不同方位的小氣候要素進行對比觀測，從整體上來看，兩閉空間的保溫增濕效果最明顯，一封一閉次之，純開放最差。

4.2 建議

秋冬季節(jié)在進行校園平地景觀綠化建設(shè)時，應(yīng)優(yōu)先考慮喬灌草的植物空間結(jié)構(gòu)，這種植物空間類型可以有效減緩溫度變化的速率，起到保溫增濕的作用，還可以吸收較多的二氧化碳，釋放氧氣，給師生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高人體舒適度。此外，在一定范圍內(nèi)，增加喬木的郁閉度可以達到保溫增濕的效果。

秋冬季節(jié)在進行校園濱水綠化建設(shè)時，應(yīng)優(yōu)先考慮一封一閉的植物空間結(jié)構(gòu)，這種空間植物空間類型不但可以起到有效的保溫增濕作用，還可以提高視覺景觀，提高人體舒適度。此外，從不同方位來看，東西走向的保溫增濕效果高于南北走向。因此，在秋冬季節(jié)，要考慮與秋冬季主導(dǎo)風(fēng)垂直的步道能有效阻擋風(fēng)速，達到降溫的效果。