下墊面類型對(duì)其溫濕效應(yīng)及人體舒適度的影響

吳思佳, 董 麗, 范舒欣

(北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100083)

城市熱島效應(yīng)作為城市化發(fā)展以來引起城市氣候變化最突出的問題，在長時(shí)間的城市人居環(huán)境改善研究中備受國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.國內(nèi)外已有大量研究證明，綠地具有降溫增濕效應(yīng)，可有效調(diào)節(jié)微氣候，改善城市熱環(huán)境[1-4].舒適度指標(biāo)作為反映綠地溫濕效應(yīng)的特征指標(biāo)，對(duì)提高環(huán)境宜居水平有一定指示作用，近年來國內(nèi)外廣泛展開了舒適度與綠地特征相關(guān)性的討論，并研究了舒適度指標(biāo)在綠地舒適度及其對(duì)環(huán)境適應(yīng)性方面的應(yīng)用[5-7].研究表明，不同下墊面類型及綠地下墊面結(jié)構(gòu)對(duì)其溫濕效應(yīng)及人體舒適度有顯著影響，通常綠地植被的降溫效應(yīng)最好，綠地中又以林地的最好[8,9]，不同結(jié)構(gòu)綠化覆蓋的人體舒適度均高于硬質(zhì)鋪裝的人體舒適度[10,11]，而鋪裝覆蓋率>50%的公園園內(nèi)氣溫甚至高于公園外氣溫[12]，即鋪裝面積對(duì)綠地溫濕效應(yīng)和人體舒適度有明顯消極影響，綠化覆蓋對(duì)降溫增濕效應(yīng)有積極影響.以上研究多探討夏季天氣下墊面構(gòu)成對(duì)其微氣候的影響，對(duì)綠地不同季節(jié)的溫濕效應(yīng)及人體舒適度改善缺乏廣泛研究，而綠地的降溫增濕效應(yīng)及人體舒適度改善效益是多季綜合的結(jié)果，應(yīng)對(duì)不同季節(jié)的綠地溫濕效應(yīng)影響機(jī)制進(jìn)行分析，方可充分發(fā)揮其人居環(huán)境改善作用.另外現(xiàn)有研究多圍繞植被、鋪裝兩大類下墊面進(jìn)行，對(duì)建筑的考慮不足，但隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑能耗對(duì)城市微氣候帶來的影響不可忽視.

本研究通過對(duì)春夏秋三季城市公園綠地多種下墊面內(nèi)溫濕特征進(jìn)行實(shí)地觀測，探討不同季節(jié)各下墊面的溫濕特征與人體舒適度變化特征及其季節(jié)變化差異，旨在探究下墊面類型在不同季節(jié)對(duì)綠地溫濕效應(yīng)及其人體舒適度的影響，以期為綠地改善城市人居環(huán)境提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究選取北京市奧林匹克森林公園(以下簡稱奧森)南園為研究對(duì)象.奧森地處北京市中軸線的北端，總占地面積達(dá)680 hm2，其中綠化面積約478 hm2，水域面積約67.7 hm2，綠化覆蓋率高達(dá)95.61%，同時(shí)植物結(jié)構(gòu)豐富、種類多樣，具有顯著的局地微氣候調(diào)節(jié)效益，對(duì)于改善城市熱環(huán)境及提高城市宜居度具有重要的生態(tài)意義.公園基底環(huán)境均質(zhì)性高，內(nèi)部包含綠地、水體、建筑等多種下墊面類型，試驗(yàn)樣地選擇具有可操作性.

1.2 研究方法

在奧森南園內(nèi)以Google Earth地圖結(jié)合實(shí)地踏查選取5個(gè)半徑為100 m的樣地進(jìn)行試驗(yàn)，所選樣地均包括5種下墊面類型(草地、林地、建筑、硬質(zhì)鋪裝、水體)，其中草地下墊面均為高度約10 cm草坪草，林地下墊面林齡基本一致，樹種為銀杏(Ginkgobiloba)、國槐(Sophorajaponica)，密度均為0.16株·m-2，面積均大于15 000 m2，建筑下墊面各建筑高度均在3～4 m之間，硬質(zhì)鋪裝下墊面材料均為不透水地面，水體均為自然駁岸式人工水體.草地、林地及硬質(zhì)鋪裝在中心設(shè)置測點(diǎn)，水體沿岸設(shè)置測點(diǎn)，建筑在其外部無建筑陰影處設(shè)置測點(diǎn).各樣地之間相距足夠距離，以避免彼此間產(chǎn)生干擾.為避免高程差異帶來的試驗(yàn)影響，各樣地均避免布置于奧森仰山區(qū)域.試驗(yàn)同時(shí)在奧森南門入口開闊廣場處設(shè)置一對(duì)照組測點(diǎn)，共設(shè)置測點(diǎn)26個(gè).試驗(yàn)于春夏秋三季(2017年8月、10月和2018年4月)各選擇氣候相近的晴朗無云無風(fēng)(日平均風(fēng)速≤2 m·s-1)試驗(yàn)日3天，于8:00—16:00時(shí)段對(duì)樣地的空氣溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測，每2 h測定1次.監(jiān)測方法為移動(dòng)路線觀測法，利用TES-1341風(fēng)速風(fēng)量儀在每個(gè)測點(diǎn)距地面1.5 m處重復(fù)測定空氣溫度和相對(duì)濕度，取觀測區(qū)域氣象站當(dāng)日空氣溫度和相對(duì)濕度逐小時(shí)的測值作為觀測數(shù)據(jù)校正參考值，對(duì)觀測值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理(圖1).

1.3 數(shù)據(jù)分析

將各下墊面在各樣地的測值的算術(shù)平均值作為該類型下墊面的溫濕值進(jìn)行日間變化特征和季變化特征分析；各下墊面類型的降溫強(qiáng)度、增濕強(qiáng)度與人體舒適度改善強(qiáng)度取其與對(duì)照組的溫濕值、人體舒適度差值，即：

降溫強(qiáng)度=對(duì)照點(diǎn)空氣溫度-測點(diǎn)空氣溫度

增濕強(qiáng)度=測點(diǎn)相對(duì)濕度-對(duì)照點(diǎn)相對(duì)濕度

人體舒適度改善強(qiáng)度=測點(diǎn)人體舒適度-對(duì)照點(diǎn)人體舒適度

人體舒適度指標(biāo)選取戶外熱環(huán)境評(píng)價(jià)適用性高、通過人體對(duì)環(huán)境最直觀感受的溫度和濕度指標(biāo)反映人體舒適情況的濕熱指數(shù)(Thermal Humidity Index,THI)[13]作為樣地人體舒適度衡量指標(biāo)，計(jì)算公式為：

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

其中，T為空氣溫度(℃)，RH為相對(duì)濕度(%).

表1 濕熱指數(shù)與人體舒適度對(duì)照表

舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[13].濕熱指數(shù)值越高，說明越不舒適，不適合進(jìn)行工作等活動(dòng)，反之濕熱指數(shù)越低，舒適度越高.

采用SPSS 24.0進(jìn)行ANOVA單因素方差分析和LSD多重比較，分析下墊面類型對(duì)空氣溫度、相對(duì)濕度、降溫增濕效應(yīng)及人氣舒適度的影響，及其組間差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)各下墊面的溫濕效應(yīng)特征分析

2.1.1 空氣溫度的日間變化特征分析 在觀測時(shí)間段內(nèi)，5種下墊面的氣溫在各季節(jié)的日間變化曲線均呈現(xiàn)先上升后下降的單峰型變化趨勢，在午后14:00達(dá)到全天最高溫度，三季的空氣溫度明顯呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季的特征(圖2).其中，各下墊面類型的各時(shí)間段空氣溫度在春夏秋三季均表現(xiàn)為林地最低、建筑最高的特點(diǎn)，是由于植物樹冠可反射紅外光，并且吸收一部分可見光，同時(shí)通過蒸騰作用調(diào)節(jié)樹冠下的空氣溫度，使得林地內(nèi)氣溫明顯更低[14,15]，而建筑則因?yàn)闊崛荽?、散熱慢，且存在室?nèi)的能耗及碳排放，導(dǎo)致其周圍氣溫較高.

2.1.2 相對(duì)濕度的日間變化特征分析 圖3反映了各下墊面類型三季的相對(duì)濕度日間變化特征.春夏兩季相對(duì)濕度明顯高于秋季的相對(duì)濕度，且春夏兩季相對(duì)濕度呈現(xiàn)先下降后上升的單谷型曲線，秋季則呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化趨勢，其中，春季的相對(duì)濕度最低點(diǎn)除草坪外均出現(xiàn)在14:00，且12:00—14:00間具有回升趨勢，夏季所有類型下墊面的最低點(diǎn)均出現(xiàn)在14:00.春夏兩季林地下墊面的相對(duì)濕度較高，秋季反之較低，主要是因?yàn)榱值卦诖合膬杉緲淠镜恼趄v作用強(qiáng)，加之土壤蒸發(fā)作用，使得其相對(duì)濕度較其他下墊面更高，而進(jìn)入秋季后植物蒸騰作用變?nèi)?，蒸發(fā)較慢使得蒸發(fā)量大幅減少，且冠層對(duì)土壤蒸發(fā)作用產(chǎn)生的水分的保持作用減弱，導(dǎo)致相對(duì)濕度降低.

2.1.3 降溫增濕效應(yīng)分析 各下墊面在春夏秋三季的降溫強(qiáng)度和增濕強(qiáng)度分別如圖4、圖5所示，結(jié)果表明，春夏秋三季降溫強(qiáng)度由高至低的下墊面類型排序是：林地>水體>鋪裝>草坪>建筑，增濕強(qiáng)度由高至低排序?yàn)椋毫值?草坪>水體>鋪裝>建筑，即林地的降溫增濕效應(yīng)最強(qiáng)，建筑的降溫增濕效應(yīng)最弱.其中，降溫強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)在秋季，最弱為春季；增濕強(qiáng)度最強(qiáng)的季節(jié)在夏季，最弱的同為春季，即城市綠地在春季的微氣候調(diào)節(jié)效果最弱.分析其原因認(rèn)為主要是由于春季太陽輻射增強(qiáng)，草坪與水體等下墊面升溫快，且林地冠層尚未達(dá)到濃密狀態(tài)令其對(duì)太陽輻射的截留較弱，使得綠地較對(duì)照點(diǎn)的氣溫降幅不顯著；另外春季綠地的相對(duì)濕度與夏季接近，而對(duì)照點(diǎn)是不透水材料，土壤表面幾乎不存在蒸發(fā)作用，但其春季氣溫低，空氣中的水分蒸發(fā)作用更小，相對(duì)濕度更高，因此綠地較對(duì)照點(diǎn)的增濕作用不明顯.根據(jù)研究結(jié)果還可以看出，較對(duì)照點(diǎn)而言，建筑在春夏兩季氣溫更高，具有“升溫效應(yīng)”.

2.2 不同季節(jié)各下墊面人體舒適度特征分析

2.2.1 不同季節(jié)各下墊面人體舒適度的日間變化特征分析 各類型下墊面三季的濕熱指數(shù)值變化趨勢均呈現(xiàn)先上升后下降的單峰型曲線，除夏季建筑、秋季鋪裝的最高值出現(xiàn)在12:00外，其余類型下墊面在不同季節(jié)的濕熱指數(shù)最高值均出現(xiàn)在午后14:00時(shí)間段，三季的濕熱指數(shù)值由高至低排序?yàn)橄募?春季>秋季(圖6).根據(jù)表1的舒適度劃分標(biāo)準(zhǔn)判斷，即綠地的秋季舒適度最好，且評(píng)價(jià)等級(jí)為舒適(THI<17)；春季舒適度次之，12:00—16:00時(shí)間段較不舒適(21

2.2.2 不同季節(jié)各下墊面人體舒適度改善效應(yīng)分析 研究區(qū)域內(nèi)，各下墊面春、夏、秋三季總體人體舒適度改善效應(yīng)由強(qiáng)至弱的排序?yàn)榱值?水體>草坪>鋪裝>建筑(圖7).其中，秋季的人體舒適度改善情況最好，其次為春季，夏季人體舒適度改善效應(yīng)最差，均為負(fù)值，即夏季各下墊面的人體舒適度水平均低于對(duì)照點(diǎn)人體舒適度水平，根據(jù)濕熱指數(shù)計(jì)算公式可知，溫度與濕度越高，濕熱指數(shù)越大，則舒適度水平越差，夏季綠地內(nèi)溫濕度都較高，而對(duì)照點(diǎn)空氣溫度較相對(duì)濕度與綠地更為接似，但濕度更低，因此濕熱指數(shù)較綠地更小，使得夏季綠地的人體舒適度改善值為負(fù)值，但其中負(fù)效應(yīng)由弱至強(qiáng)排序?yàn)榱值?水體<鋪裝<草坪<建筑，即夏季各下墊面之間相比較調(diào)節(jié)效應(yīng)最好的仍為林地，建筑最差，主要是由林地降溫效果顯著而建筑增溫效果較強(qiáng)導(dǎo)致的.

2.3 下墊面類型對(duì)溫濕效應(yīng)及人體舒適度的影響

2.3.1 下墊面類型對(duì)溫濕效應(yīng)的影響 對(duì)各下墊面類型在各個(gè)季節(jié)的微氣候特征因子(空氣溫度、相對(duì)濕度、降溫強(qiáng)度、增濕強(qiáng)度)進(jìn)行ANOVA單因素方差分析，結(jié)果表明，在春季下墊面類型對(duì)空氣溫度、相對(duì)濕度、降溫強(qiáng)度及增濕強(qiáng)度均有極顯著影響(各因子顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=8.856,P=0.000;F=8.823,P=0.002;F=8.823,P=0.002;F=6.088,P=0.002).在觀測時(shí)間段內(nèi)，下墊面類型在8:00對(duì)各個(gè)特征因子均有極顯著影響，14:00時(shí)間段均無顯著影響，其他時(shí)間段內(nèi)對(duì)空氣溫度與降溫強(qiáng)度有顯著影響.在夏季，下墊面不同對(duì)其空氣溫度和降溫強(qiáng)度有極顯著影響(顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=13.731,P=0.000;F=13.621,P=0.000)，其中8:00與12:00時(shí)間段有顯著影響，其余時(shí)間段下墊面類型對(duì)溫濕效應(yīng)均無顯著影響.秋季下墊面類型對(duì)空氣溫度和降溫強(qiáng)度有顯著影響(F=4.032,P=0.015;F=4.032,P=0.015)，其中10:00和14:00時(shí)間段分別有極顯著影響和顯著影響，其他時(shí)間段均無顯著影響.因此可以看出，下墊面類型對(duì)溫濕效應(yīng)的影響在春季最強(qiáng)，夏季次之，秋季最弱，可以認(rèn)為春季綠地的溫濕效應(yīng)由于下墊面類型的不同受到波動(dòng)較大，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮.

進(jìn)一步對(duì)不同下墊面類型之間的微氣候特征因子進(jìn)行LSD多重比較，結(jié)果(表2)表明，春季不同下墊面類型間的溫濕效應(yīng)均存在較多的顯著差異性，其中林地與另外四個(gè)類型下墊面幾乎均表現(xiàn)出差異顯著(相對(duì)濕度、增濕強(qiáng)度兩項(xiàng)因子與草坪的差異不顯著)；夏、秋兩季空氣溫度和降溫強(qiáng)度在不同類型下墊面之間存在顯著差異性，相對(duì)濕度、增濕強(qiáng)度差異不顯著，其中林地與其他下墊面類型幾乎均存在顯著差異(秋季與草坪的差異不顯著).因此可以看出，林地在不同季節(jié)的溫濕效應(yīng)與其他下墊面類型之間存在顯著差異性，對(duì)綠地的溫濕效應(yīng)具有明顯影響.

表2 不同下墊面的空氣溫度、相對(duì)濕度、降溫增濕強(qiáng)度比較1)

1)字母不同表示差異顯著(P<0.05).

表3 不同下墊面的濕熱指數(shù)比較1)

1)字母不同表示差異顯著(P<0.05).

2.3.2 下墊面類型對(duì)人體舒適度的影響 對(duì)各下墊面類型在各個(gè)季節(jié)的濕熱指數(shù)進(jìn)行ANOVA單因素方差分析及LSD多重比較(表3)，結(jié)果表明，春、夏兩季下墊面類型對(duì)人體舒適度的有極顯著影響(顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為F=7.510,P=0.001;F=8.734,P=0.000)，秋季下墊面類型對(duì)人體舒適度存在顯著影響(F=3.976,P=0.016).春季林地與草坪、鋪裝、建筑和水體的人體舒適度均存在顯著差異，夏季與草坪、建筑差異顯著，秋季與鋪裝、建筑和水體差異顯著.

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究通過對(duì)公園綠地內(nèi)5種下墊面類型在春、夏、秋三季的微氣候特征因子的實(shí)地觀測，發(fā)現(xiàn)下墊面類型在不同季節(jié)對(duì)于其微氣候特征因子均有顯著影響，且各不同類型下墊面存在顯著差異性.其中，各下墊面類型的各時(shí)間段空氣溫度在三季均表現(xiàn)為林地最低、建筑最高的特點(diǎn)，三季的空氣溫度總體明顯呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季的特征；就相對(duì)濕度而言，春夏兩季林地下墊面的相對(duì)濕度較高，各季節(jié)的相對(duì)濕度總體呈現(xiàn)出春夏兩季相對(duì)濕度高于秋季的特點(diǎn).該結(jié)果與其他下墊面對(duì)溫濕效應(yīng)的影響的相關(guān)研究得出的結(jié)論相似，Yan et al[17]研究表明，夏季公園綠地內(nèi)林地的日平均氣溫顯著低于草坪、路面和水域，林地、水域和草坪的日平均相對(duì)濕度顯著高于路面的相對(duì)濕度，因此本試驗(yàn)增加了對(duì)建筑下墊面的研究，以探究建筑對(duì)微氣候環(huán)境帶來的影響，結(jié)果表明，建筑的溫濕效應(yīng)最差，甚至在春夏季節(jié)對(duì)降溫增濕有負(fù)效應(yīng)，應(yīng)在城市綠地設(shè)計(jì)中給予關(guān)注 .劉濱誼等研究風(fēng)、濕、熱等小氣候要素與上海市開敞空間布局間的關(guān)聯(lián)性時(shí)發(fā)現(xiàn)，將研究對(duì)象中的廣場空間分為4種空間單元，其夏季日平均空氣溫度由高到底排列依次為無覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間(硬質(zhì))>無覆蓋草坪空間(草坪)>植物覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間(植物)>建筑覆蓋硬質(zhì)鋪裝空間(建筑)[18]，該研究中建筑測點(diǎn)位于建筑內(nèi)部，因此溫度最低，本試驗(yàn)中建筑測點(diǎn)位于建筑外部無陰影出，受到建筑表面材料與能耗放熱的影響，因此溫度最高.由此看來，對(duì)于建筑下墊面對(duì)綠地微氣候的影響，在今后的研究中可從建筑內(nèi)外熱環(huán)境差異方面進(jìn)行更深入的分析，以從深層原因改善其降溫增濕負(fù)效應(yīng).此外，受于城市復(fù)雜多變的環(huán)境因素影響和實(shí)地觀測條件限制，現(xiàn)有研究中從定性角度分析下墊面類型對(duì)溫濕效應(yīng)的影響較多，定量分析其構(gòu)成比例與綠地溫濕效應(yīng)的相關(guān)性或從空間布局角度考慮下墊面的影響在今后的研究中仍有待發(fā)現(xiàn).

前人在校園環(huán)境不同結(jié)構(gòu)綠地對(duì)夏季小氣候改善作用的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)半天然喬-灌-草結(jié)構(gòu)的綠地的人體舒適性改善程度最好，其后依次為人工喬—草>人工喬—灌—草>人工草坪，且各綠地的人體舒適度均高于無綠化地面[10].有研究表明[11]，北京城市公園林下廣場與無林廣場間溫濕度具有極顯著差異，林下廣場由于具有樹冠遮擋，太陽輻射溫度遠(yuǎn)低于陽光直射時(shí)的太陽輻射溫度，因此溫濕效應(yīng)最好，舒適度最好.本研究結(jié)果表明，三季林地的舒適度情況最好，建筑最差，且林地與其他下墊面類型對(duì)人體舒適度水平的影響有顯著差異，表明了林地對(duì)人體舒適度改善的積極作用，但對(duì)下墊面的改變對(duì)人體舒適度的影響的定量分析還缺乏研究.THI指數(shù)作為溫濕環(huán)境的表征以綜合反應(yīng)舒適度環(huán)境，與溫濕度具有明顯相關(guān)關(guān)系，下墊面類型通過對(duì)空氣溫度和相對(duì)濕度的顯著影響，間接地使得其在不同季節(jié)對(duì)人體舒適度均存在顯著影響，因此通過改變下墊面構(gòu)成來提升綠地溫濕效應(yīng)，且空氣溫度、相對(duì)濕度分別如何進(jìn)行改善能使溫濕指數(shù)獲得更好的降低從而提高人體舒適度水平，仍有繼續(xù)探討的空間.

3.2 結(jié)論

城市公園綠地內(nèi)，下墊面類型在春、夏、秋三季對(duì)溫濕效應(yīng)有顯著影響，具體表現(xiàn)為：春季下墊面類型對(duì)其溫濕效應(yīng)均有極顯著影響，夏季和秋季下墊面對(duì)其空氣溫度和降溫強(qiáng)度分別存在極顯著影響和顯著影響，各下墊面類型的空氣溫度總體呈現(xiàn)出三季均為林地最低、建筑最高的特點(diǎn)，相對(duì)濕度表現(xiàn)為春、夏兩季林地的相對(duì)濕度最高，秋季水體的相對(duì)濕度最高，三季降溫強(qiáng)度由高至低的下墊面類型排序是：林地>水體>鋪裝>草坪>建筑，增濕強(qiáng)度由高至低排序?yàn)椋毫值?草坪>水體>鋪裝>建筑，即林地的降溫增濕效應(yīng)最強(qiáng)，建筑的降溫增濕效應(yīng)最弱.下墊面類型在春、夏季對(duì)人體舒適度具有極顯著影響，秋季存在顯著影響，其中林地的舒適度情況最好，建筑最差，人體舒適度改善效應(yīng)由強(qiáng)至弱的排序?yàn)榱值?水體>草坪>鋪裝>建筑.綜上，公園綠地內(nèi)林地的降溫增濕效應(yīng)及人體舒適度改善效應(yīng)最佳，其次為水體，建筑最弱，因此，建議公園綠地內(nèi)優(yōu)先設(shè)計(jì)大面積林地和水體，減少非必須建筑的布置，并將建筑的布局與林地和水體結(jié)合，削弱建筑對(duì)微氣候的負(fù)影響，以更好地發(fā)揮綠地的溫濕調(diào)節(jié)作用，提升綠地舒適度水平，改善人居環(huán)境.