林 燕,皇雪蓮,黃 駿,李 瓊
步行出行是校園中最節(jié)能與環(huán)保的交通方式[1],微氣候是衡量步行適宜性的重要因素[2,3]。步行也是華南理工大學校園主要的出行方式,在高溫高濕的天氣里,環(huán)境微氣候?qū)Σ叫姓叩某鲂幸庠赣休^大影響。隨著環(huán)境問題被重視的同時,微氣候也開始凸顯出其重要性。微氣候構(gòu)成因素主要包括溫度、濕度、風速、日照等,這些要素之間相互影響,并共同作用于人們步行時的生理感受[4]。濕熱地區(qū)大學校園影響步行適宜性的微氣候問題主要包括風舒適性以及熱舒適性兩個方面。根據(jù)環(huán)境微氣候主要構(gòu)成要素的性質(zhì)和影響人體舒適度的形式,我們可以從風環(huán)境與熱環(huán)境兩個方面研究微氣候與步行舒適度的關(guān)聯(lián)[5]。
有研究指出“在諸多因素中生物氣候?qū)Σ叫协h(huán)境影響最大”[6]。影響大學校園步行環(huán)境微氣候的主要因素有:建筑遮蔭、樹木遮蔭、周邊水體距離及大小、鋪地類型,地形起伏,小汽車產(chǎn)熱等。微氣候舒適度評價的經(jīng)驗?zāi)P椭笜耸且匀说闹饔^感受或生理反應(yīng)作為評價依據(jù),依靠人體感受的統(tǒng)計分析來構(gòu)建的評價指標,按照氣候環(huán)境,又可分為冷環(huán)境指標與熱環(huán)境指標。主要的熱環(huán)境指標有濕球黑球溫度(WBGT)[7]、酷熱指數(shù)(HI)與體感溫度(AT)[8]等。
本研究中主要觀測的垂直范圍是1~2m,是與人的行為活動最為密切的范圍,測量的主要指標包括溫度、相對濕度、風速、酷熱指數(shù)等??釤嶂笖?shù)(Heat Index)是一種綜合空氣溫度和相對濕度的熱指標,酷熱指數(shù)和風寒指數(shù)被合稱為一個名詞“體感溫度”,即人體真實感受到的熱度[9]。
經(jīng)過對華南理工大學校園的實地調(diào)研,可以看出校園的教學設(shè)施主要集中在東湖和西湖軸向延伸展開,學生宿舍位于東湖和西湖的東西兩端邊緣地帶,故我們的研究著重于校園此核心區(qū)部分。問卷調(diào)查顯示,65.75%的人選擇步行作為校內(nèi)主要的交通方式,其次為電動車和自行車出行。除了道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平以外,32.88%的人認為氣候濕熱多雨也是影響人們出行方式重要的因素。設(shè)置林蔭道是人們認為提升校園步行環(huán)境最具有吸引力的方式,比例高達83.56%。根據(jù)學生的出行規(guī)律和特點,以主要的教學功能區(qū)與學生宿舍區(qū)之間的步行路徑作為我們的主要研究對象。
華南理工大學核心區(qū)主要步行路徑道路基礎(chǔ)條件如圖所示。只有少數(shù)路段沒有設(shè)計人行道,雙側(cè)人行道占比過少(圖1),只有湖邊有休憩設(shè)施(圖2),道路基礎(chǔ)條件有待改善。濕熱地區(qū)的大學校園重視校園綠化,可以看出主要步行路徑的遮陰情況良好,只有少數(shù)路段沒有遮陰(圖3)。隨著一天太陽的軌跡,同一路段的遮陰情況有所差異,在測量數(shù)據(jù)里體現(xiàn)的是所有因素綜合作用的結(jié)果。
圖1 華南理工大學核心區(qū)主要路徑人行道分析圖
圖2 華南理工大學核心區(qū)主要路徑休憩設(shè)施分析圖
圖3 華南理工大學核心區(qū)主要路徑遮陰情況分析圖
經(jīng)過對西區(qū)和東區(qū)初步的測量后我們結(jié)合道路基礎(chǔ)調(diào)研,將測量點進行分類,同時繪制道路斷面圖(表1)。把樹木遮陰、建筑遮陰、水體這3 個因素作為重要分類依據(jù),第①類測點有建筑遮陰,樹木遮陰,臨湖;第②類測點樹木遮陰,臨湖;第③類有建筑遮陰和樹木遮陰;第④類測點有樹木遮陰,樹木遮陰分為不同的情況,全天有遮陰和只有局部時段有遮陰;第⑤類測點有建筑遮陰,建筑遮陰分為不同的情況,建筑布局不同導(dǎo)致遮陰時段有區(qū)別;第⑥類測點臨湖,種植棕櫚樹不能提供樹木遮陰;第⑦類測點全天無建筑和樹木遮陰,周邊無水體,設(shè)置為參照組。
表1 測量點分類表
2.1.1 小氣候因子測試方法
本次微氣候觀測時間為2022 年7 月16 日、20 日以及2023 年2 月21 日、22 日和23 日(表2)。分夏春兩個階段進行觀測。根據(jù)學生的出行活動規(guī)律選取上下課間典型時段進行測量,每個測量時段為30min,每30min 進行一次全點測量。每日具體觀測時間為7:30-8:00,9:30-10:00,11:30-12:00,14:00-14:30,16:00-16:30,18:00-18:30。每天對觀測點進行6 次測量。測試儀器為Kestrel 5000 氣象站/風速儀,對各個測點的風速、空氣溫度、相對濕度以及酷熱指數(shù)進行定點走動觀測記錄,使測量高度為1.5m,數(shù)據(jù)采集頻率均為每分鐘1 次,放置儀器后記錄數(shù)據(jù)。儀器的測量范圍及精度見表3。
表2 測試日天氣狀況表
表3 測試儀器主要參數(shù)表
2.1.2 數(shù)據(jù)分析方法
對氣溫,相對濕度、酷熱指數(shù)和風速4 個指標進行分析,將測得的每個測量點測量時段的均值分別與所有測點對應(yīng)時段的均值做差即為氣溫差值、相對濕度差值、酷熱指數(shù)差值和風速差值(以下簡稱溫差、濕差、熱差和風差),所得氣溫差值越小則意味著該類測點的降溫效果越好,所得相對濕度差值越大則意味著增濕效果越好,所得酷熱指數(shù)差值越大則意味著改善熱環(huán)境效果越好,所得風速差值越大則意味著改善風環(huán)境效果越好,計算公式如下:
式中,DT(℃)為溫差,T 為特定測點的氣溫均值,T 為所有測點的氣溫均值;DH(%)為濕差,H 為特定測點的相對濕度均值,Ha 為所有測點的相對濕度均值;DI(%)為熱差,I 為特定測點的酷熱指數(shù)均值,Ia 為所有測點的酷熱指數(shù)均值;DW(℃)為風差,W 為特定測點的風速均值,Wa 為所有測點的風速均值。
根據(jù)測點環(huán)境的差異,將測量點進行分類,將各類測點的溫差、濕差、熱差和風差進行統(tǒng)計,主要描述內(nèi)容有平均值、最大值、最小值、標準差和極差等,進行相關(guān)分析。
基于校內(nèi)主要學生群體的分布和活動情況,根據(jù)周圍環(huán)境的差異,不同類型的步行環(huán)境共計18個測量點(圖4)。東區(qū)和西區(qū)各9 個測點,各測點分類及具體信息見表1。
圖4 各測點分布圖
基于以上分類結(jié)果,根據(jù)各指標差值進行各類型之間的描述性統(tǒng)計分析和指標差異性分析。
2.3.1 夏季測量結(jié)果分析
通過分析夏季風環(huán)境(圖5),風速差值越大證明風環(huán)境越好,風差均值為正值的測點E3、W5、E4 和W6 都在①②⑥類中,三者的環(huán)境因素中都有水體,說明水體的存在可以改善風環(huán)境。E4 的風差均值最大,為0.92m/s,E9 作為參照組⑦類的測點之一,風差均值最大,為-1.48m/s(表4)。
表4 夏季各測點日漸風速差值(DT)描述性統(tǒng)計表
圖5 夏季各測點風速差異性分析圖
通過熱環(huán)境分析可知(圖6),酷熱指數(shù)差值越大證明熱環(huán)境越差,作為參照組的⑦類所有測點E9、E7 和W9 熱差均值均為正值,W9 熱差最大值為5.27℃,熱差均值為2.08℃;同時環(huán)境要素僅有水體的⑥類測點E1、W6 和W3 熱差均值為正值,W3 熱差最大值為6.31℃,熱差均值為2.13℃,可以證明水體對改善夏季熱環(huán)境的作用較小;有遮陰的①②③④類測點的熱差均值除了W8均為負值,而W8 測點的遮陰環(huán)境時長較短,屬于非典型的遮陰環(huán)境測點,W5 熱差最小值為-3.53℃,熱差均值為-1.66℃,由此可知建筑遮陰和樹木遮陰對改善熱環(huán)境都有明顯的作用(表5)。酷熱指數(shù)是通過空氣氣溫和相對濕度復(fù)雜的公式計算得來的,由圖表可知,夏季時,溫度和酷熱指數(shù)呈明顯的正相關(guān)性(表6、圖7),相對濕度對熱環(huán)境有一定的影響,但是沒有明顯的相關(guān)性(表7、圖8)。
表5 夏季各測點日漸酷熱指數(shù)差值(DI)描述性統(tǒng)計表
表6 夏季各測點日漸溫度差值(DT)描述性統(tǒng)計表
表7 夏季各測點日漸相對濕度差值(DH)描述性統(tǒng)計表
圖6 夏季各測點酷熱指數(shù)差異性分析圖
圖7 夏季各測點溫度差異性分析圖
圖8 夏季各測點相對濕度差異性分析圖
2.3.2 春季測量結(jié)果分析
通過分析風環(huán)境(圖9),風差均值大于0.1m/s 的測點E3、E4、W7 和E1 都在①②⑥類中,三者的環(huán)境因素中都有水體,說明水體的存在可以改善風環(huán)境。E4 的風差均值最大,為0.32m/s,W2 作為參照組的測點之一風差均值最小,為-O.28m/s(表8)。
表8 春季各測點日漸風速差值(DT)描述性統(tǒng)計表
圖9 春季各測點風速差異性分析圖
通過熱環(huán)境分析可知(圖10),作為參照組的⑦類所有測點熱差均值均為正值,G2 的熱差均值最大,為0.74℃,熱差最大值為2.56℃;同時環(huán)境要素僅有水體的W3 測點和E1 測點呈現(xiàn)出相差較大的測量結(jié)果,W3測點熱差均值最高,是1.13℃,而風差均值是負值,E1測點的熱差均值為-0.08℃,風差均值是正值,在春季,W3 測點的熱環(huán)境較參照組⑦類差,而E1 測點的熱環(huán)境和風環(huán)境都優(yōu)于參照組⑦類,說明春季時水體改善環(huán)境微氣候的作用因周圍建筑遮擋情況的不同會呈現(xiàn)不一樣的效果。而有遮陰的①②③④類測點的熱差均值除了E6均為負值,其中E3 的熱差均值最小,為-0.78℃,熱差最小值為-1.8,由此可知在春季建筑遮陰和樹木遮陰對改善熱環(huán)境有明顯的作用(表9)。春季時,溫度和酷熱指數(shù)有相關(guān)性(表10、圖11),相對濕度是熱環(huán)境的影響因素之一,沒有明顯的相關(guān)性(表11、圖12)。
表9 春季各測點日漸酷熱指數(shù)差值(DW)描述性統(tǒng)計表
表10 春季各測點日漸溫度差值(DH)描述性統(tǒng)計表
表11 春季各測點日漸相對濕度差值(DI)描述性統(tǒng)計表
圖10 春季各測點酷熱指數(shù)差異性
圖11 春季各測點溫度差異性分析圖
圖12 春季各測點性對濕度差異性分析圖
夏季的風速區(qū)間為0-2.7m/s(圖13),春季的風速區(qū)間為0-2m/s(圖14),可知夏季測量日的風環(huán)境指標優(yōu)于春季測量日的風環(huán)境指標。夏季的酷熱指數(shù)區(qū)間為37℃-51℃(圖15),溫度區(qū)間為29℃-37℃(圖16),相對濕度區(qū)間為52%-83%(圖17),而春季的酷熱指數(shù)區(qū)間為15℃-25℃(圖18),溫度區(qū)間為16℃-26℃(圖19),相對濕度區(qū)間為43%-76%(圖20),可知夏季的熱環(huán)境指標高于春季的熱環(huán)境指標。
圖13 夏季各測點風速折線圖
圖14 春季各測點風速折線圖
圖15 夏季各測點酷熱指數(shù)折線圖
圖16 夏季各測點溫度折線圖
圖17 夏季各測點相對濕度折線圖
圖18 春季各測點酷熱指數(shù)折線圖
圖19 春季各測點溫度折線圖
圖20 春季各測點相對濕度折線圖
通過對各測點不同時段酷熱指數(shù)、溫度、相對濕度、風速與所有測點平均值差異性分析,來評價各測點綜合因素的降溫增濕和改善風環(huán)境的作用。分別對風環(huán)境和熱環(huán)境進行評價,風速大小是風環(huán)境優(yōu)劣的體現(xiàn),因此風差評分高低代表測點的風環(huán)境優(yōu)劣,同理酷熱指數(shù)是熱環(huán)境優(yōu)劣的體現(xiàn),熱差評分高低代表測點的熱環(huán)境優(yōu)劣;酷熱指數(shù)同時受環(huán)境相對濕度和空氣溫度影響,不同測點的溫差和濕差評分高低分別表示該環(huán)境的降溫作用和增濕作用大小。
計分標準:根據(jù)各測點指標差異性分析確定計分區(qū)間,風環(huán)境指標,風差:x ≥0.5 計2 分,0<x<0.5 計1分,-0.5 ≤x ≤0 計-1 分,x<-0.5 計-2 分;熱環(huán)境指標,溫差:x ≥0.5 計-2 分,0<x<0.5 計-1,-0.5 ≤x ≤0計1 分,x<-0.5 計2;濕差:x ≥1 計2 分,0<x<1 計1分,-1 ≤x ≤0 計-1 分,x<-0.5 計-2;熱差:x ≥1計-2 分,0<x<1 計-1,-1 ≤x ≤0 計1 分,x<-1 計2;表中分類代表不同測點的重要影響因素組合,①:建筑遮陰+樹木遮陰+水體;②:樹木遮陰+水體;③:樹木遮陰+建筑遮陰;④:樹木遮陰;⑤:建筑遮陰;⑥:水體;⑦:無。
評價得分表顯示(表12、13),無論夏季還是春季時,①類測點的風環(huán)境和熱環(huán)境都要優(yōu)于其他類測點,周圍環(huán)境因素的降溫增濕和改善風環(huán)境的作用都很明顯;作為對照組的⑦類測點熱環(huán)境明顯較其他類測點差;夏季時只有單因素作用的④⑥類中,有樹木遮陰的④類測點的熱環(huán)境明顯優(yōu)于周邊僅有水體的⑥類測點,⑥類測點的風環(huán)境優(yōu)于④類測點,由此可知夏季水體對改善風環(huán)境有明顯作用,而對改善熱環(huán)境沒有明顯作用,樹木遮陰對熱環(huán)境有明顯的改善作用,主要降溫增濕調(diào)解環(huán)境微氣候;春季時單因素作用的④⑤⑥類中,有建筑遮陰的⑤類測點,無論風環(huán)境和熱環(huán)境的得分都高于⑦類測點,說明建筑遮陰在改善風環(huán)境和熱環(huán)境方面都有一定作用??梢娝w改善熱環(huán)境的作用較小,可以明顯改善風環(huán)境,建筑遮陰和樹木遮陰可以明顯改善熱環(huán)境。
表12 夏季各類測點得分表
表13 夏季各類測點得分表
由于周圍有水體對改善風環(huán)境有明顯作用,夏季風環(huán)境對于微氣候環(huán)境有一定的影響,改善風環(huán)境的同時需改善熱環(huán)境,才能最大程度地改善步行環(huán)境微氣候。
一定范圍內(nèi)的風速可以改善人體的熱舒適情況,風環(huán)境的優(yōu)劣受季節(jié)變化的影響較小,風速除了與當天的定力風向相關(guān),還受水面開闊度和測量點所在方位的影響。當風速低于5m/s 時,人的感覺是舒適的,并且不會對人的行動產(chǎn)生影響[11]。春夏兩季的風速低于3m/s,在人的感覺舒適范圍以內(nèi)(圖21)。
圖21 夏春兩季風速均值對比圖
圖22 夏春兩季酷熱指數(shù)均值對比圖
研究表明,人體對熱的上限溫度為32℃,夏季時除了7:30-8:00 時段的溫度均值低于32℃,其他5 個時段的溫度均值都大于32℃;春季時溫度均值都小于32℃(圖23)。作為對照組,可以看出春夏季節(jié)的熱環(huán)境區(qū)別明顯,春季熱環(huán)境較為舒適,因此夏季時改善熱環(huán)境是改善環(huán)境微氣候的關(guān)鍵。
圖23 夏春兩季溫度均值對比圖
圖24 夏春兩季相對濕度均值對比圖
從測量數(shù)值可知,春夏兩季上午時段風速均值無明顯差別,下午時段春季的風速均值低于夏季,春季的風速均值隨著時間推移呈下降趨勢(圖21)。通過熱環(huán)境對比,夏季所有測點溫度均值,酷熱指數(shù)均值和相對濕度均值都高于春季,春季和夏季的溫度以及酷熱指數(shù)峰值在14:00-14:30;春季和夏季的相對濕度在14:00-14:30 前呈下降趨勢,16:00-16:30 后相對濕度呈上升趨勢(圖22~24)。
由于夏季與春季的氣候有區(qū)別,夏季時,高溫高濕,日照充足太陽輻射強度大,春季氣候溫和,意味著降雨、濕度等趨于下降或減少,太陽輻射強度減弱。夏季高溫天氣通過降溫改善熱環(huán)境是最重要的。在小尺度空間內(nèi)的綠地冠層格局具有一定的溫、濕度調(diào)控效應(yīng),其中溫度調(diào)控能力主要來自綠地植物的遮陰作用[10]。創(chuàng)造全天遮陰環(huán)境對改善熱環(huán)境最有效。建筑遮陰和樹木遮陰主要通過降溫和增濕作用影響熱環(huán)境,進一步改善微氣候環(huán)境,周邊水體主要通過增濕和改善風環(huán)境來改善環(huán)境微氣候,從熱環(huán)境來看,由于夏季的酷熱指數(shù)、溫度和相對濕度都高于春季,因此在夏季改善熱環(huán)境是改善微氣候環(huán)境的關(guān)鍵,建筑遮陰只能作用于一天的特定時段,樹木遮陰是通過遮擋步行道環(huán)境的頂面來創(chuàng)造遮陰環(huán)境,因此樹木遮陰的作用時段較長,二者需結(jié)合才能實現(xiàn)全天遮陰環(huán)境。
濕熱地區(qū)夏季的時長遠大于其他季節(jié),濕熱地區(qū)大學校園步行環(huán)境應(yīng)該優(yōu)先考慮最大程度改善夏季的環(huán)境微氣候,所以盡可能設(shè)計全天遮陰的步行環(huán)境和周邊水體。經(jīng)過各類測點的微氣候情況對比可知,同時有三因素的①類測點,夏季的熱環(huán)境和風環(huán)境都明顯優(yōu)于其他類型的測點,由此可得出步行環(huán)境微氣候條件最好的局部模型;夏季時兩種因素組合的②③類測點與單因素的④⑥類測點中,只有水體的⑥類測點熱環(huán)境最差,風環(huán)境優(yōu)于其他測點,其他類的測點熱環(huán)境根據(jù)全天遮陰情況有所不同;無論夏季還是春季,樹木遮陰和建筑遮陰可以明顯改善熱環(huán)境,水體主要影響風環(huán)境來改善步行環(huán)境微氣候。由此得出4 種步行環(huán)境微氣候條件良好的局部模型,以適應(yīng)不同的設(shè)計條件(表14)。
表14 步行環(huán)境類型表
夏季時,樹木遮陰、建筑遮陰和周邊水體三種因素結(jié)合可以創(chuàng)造出良好的步行環(huán)境微氣候。大學校園核心區(qū)具有體現(xiàn)校園氛圍、塑造校園特色景觀的重要作用[12],進行校園規(guī)劃設(shè)計時,在條件允許的情況下,濕熱地區(qū)盡可能設(shè)計水體以優(yōu)化核心區(qū)步行環(huán)境。部分類型水體可提高局部風速,大面積水體為環(huán)境提供一個開敞面,利于空氣對流形成風[13]。其次,步行環(huán)境與其周邊的建筑有著直接且緊密的關(guān)聯(lián),建筑的圍合形式、形態(tài)、密度等要素直接影響著步行微氣候環(huán)境[14],因此同時也需要考慮建筑布局對步行環(huán)境遮陰情況的改善作用,在滿足建筑基本功能需求的情況下也需要考慮建筑對室外步行環(huán)境的影響。例如可以在庭院里布置遮陰的構(gòu)架或者涼棚,小面積的天井也會布置遮陽構(gòu)架,或者將遮陽構(gòu)架與爬藤植物結(jié)合,植物遮陰和建筑遮陰二者相結(jié)合;濕熱地區(qū)經(jīng)常使用底層架空和連廊,令建筑獲得更多的自然通風,有效降低建筑空間的溫度和濕度[15]。設(shè)計建筑周邊步行道時,為了最大程度優(yōu)化步行環(huán)境微氣候,應(yīng)該將步行道設(shè)置在較長時間段可以被建筑遮陰覆蓋的區(qū)域。例如將步行道設(shè)置于建筑北面優(yōu)于建筑南面,由此對主要步行區(qū)域的設(shè)置也有一定的指導(dǎo)意義。
文章研究的是華南理工大學校園室外步行環(huán)境的周邊水體、樹木遮陰和建筑遮陰三種因素對步行環(huán)境微氣候的影響,研究不同因素的組合與風環(huán)境指標和熱環(huán)境指標差值的相關(guān)性,并根據(jù)各個測點的環(huán)境特征將校園內(nèi)多個步行環(huán)境測點劃分7 個組合類型,從而比較校園內(nèi)各因素組合類型間的風環(huán)境和熱環(huán)境差異。選取夏季和春季具有代表性的不同因素組合測點和單日測量數(shù)據(jù),研究華南理工大學步行環(huán)境微氣候春夏兩季的日間風環(huán)境指標和熱環(huán)境指標變化特征。
結(jié)果表明:(1)步行環(huán)境的風環(huán)境指標(風速)受季節(jié)變化影響較小,而熱環(huán)境指標(溫度&相對濕度&酷熱指數(shù))受季節(jié)變化影響較大,夏季的酷熱指數(shù),溫度和相對濕度都遠高于春季,因此夏季時改善熱環(huán)境是改善步行環(huán)境微氣候的關(guān)鍵。(2)不同因素組合中,三種因素的組合對于改善步行環(huán)境微氣候的作用要優(yōu)于兩種因素組合,因為三種因素組合同時可以改善風環(huán)境和熱環(huán)境。(3)對照組沒有三種因素的影響,步行環(huán)境的風環(huán)境和熱環(huán)境指標最差,其他組的風環(huán)境指標和熱環(huán)境指標都優(yōu)于對照組,說明單因素對步行環(huán)境微氣候的改善也有一定的作用。(4)周邊水體主要通過影響風環(huán)境改善步行環(huán)境微氣候,樹木遮陰和建筑遮陰主要通過影響熱環(huán)境改善步行環(huán)境微氣候,因此步行環(huán)境要素為單因素時,水體對于改善步行環(huán)境微氣候的作用不如建筑遮陰或樹木遮陰的作用。(5)春季時酷熱指數(shù)與溫度沒有明顯的區(qū)別,夏季時酷熱指數(shù)遠高于溫度,夏季相對濕度高于春季相對溫度,相對濕度和溫度共同影響了酷熱指數(shù),夏季人在步行環(huán)境中能感受到的溫度遠高于實際溫度。(6)在實際工程應(yīng)用中,不應(yīng)該單純考慮通過單一因素來改善步行環(huán)境微氣候,在濕熱地區(qū)首要目標是改善熱環(huán)境,通過建筑遮陰和樹木遮陰二者相結(jié)合創(chuàng)造全天遮陰的環(huán)境,當規(guī)劃布局和建筑設(shè)計條件有所限制時,再考慮僅以景觀設(shè)計的角度創(chuàng)造盡可能多的樹木遮陰改善熱環(huán)境,同時設(shè)計與步行環(huán)境相結(jié)合的水體提供開敞的空間,以此改善風環(huán)境。
圖、表來源
文中所有圖、表來源均由作者繪制。