哈爾濱城市森林小氣候狀況及對人體舒適度的影響1)

汪永英 孔令偉 李 雯 毛桃義 曹曉飛 榮旭東

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

城市森林是生長在城市(包括市郊)對所在環(huán)境有明顯改善作用的林地及其相關(guān)植被［1］，是現(xiàn)今城市綠地的一個重要組成部分。城市小氣候的形成是城市森林植被與環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果，是城市森林質(zhì)量的綜合反映，也是城市森林生態(tài)建設(shè)評價的一個重要指標［2］。人體舒適度是以人類機體與近地大氣之間的熱交換原理為基礎(chǔ)，評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項生物氣候指標。人體對外界冷熱的舒適感，并不僅僅取決于氣溫或其它任何單一的氣象要素，而是各種氣象因素綜合作用的結(jié)果。人們在長期的研究和實踐中，提出了許多表征人體舒適度的方法。為了衡量不同天氣條件下人體舒適狀況，多年來國內(nèi)外開發(fā)了許多人體舒適度指數(shù)，有考慮溫度和濕度組合的溫濕指數(shù)［3－4］、溫度和風組合的風寒指數(shù)，以及由包含了太陽輻射、海拔和各種生理過程、衣著和熱量傳輸?shù)确矫孀兞康娜梭w熱量平衡方程導(dǎo)出的人體感覺溫度等。這些指數(shù)在人體熱舒適、生物氣候條件評價、氣象與健康以及城市規(guī)劃等方面得到了廣泛應(yīng)用［5］。

目前，關(guān)于城市不同下墊面對溫、濕度的影響研究較多［6－10］。夏季初期的6月份，對于哈爾濱市來說，整體感覺比較舒適，但對于那些愛好晨練的人們來說，大自然的氧吧讓他們選擇了走進森林。筆者通過選擇城市森林不同林型進行人體舒適度的比較分析，以期為改善城市環(huán)境及城市森林生態(tài)建設(shè)提供科學依據(jù)，為人類選擇合適的休閑娛樂場所提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為黑龍江省哈爾濱城市林業(yè)示范基地，地理位置為東經(jīng)127°30' ～127°34'，北緯45°20' ～45°25'［11］，海拔136 ～148 m，屬溫帶季風性氣候，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥，年均氣溫3.5 ℃，年均降水量534 mm，降雨集中在7—8月份，年均相對濕度67%。20 世紀50年代栽有興安落葉松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、黑皮油松(Pinus tabulaeformis var. mukdensis)、黃波欏(Phellodendron amurense)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、白樺(Betula platyphylla)，蒙古櫟(Quercus mougolica)和水曲柳(Fraxinus maudshurica)等人工純林和針闊混交人工林［12］。

2 研究方法

在哈爾濱城市林業(yè)示范基地內(nèi)選取3 塊人工林(白樺林、蒙古櫟林、樟子松林)林地，并以香坊區(qū)樂松廣場空曠地為對照點。在選定的3 塊人工林中心位置設(shè)定20 m×20 m 樣地，樣地基本情況見表1。

表1 3 種不同林型基本概況

2010年6月中旬，選擇無風或微風條件下在3種不同林型內(nèi)利用DHM2 型通風干濕表連續(xù)觀測3 d，每種林型內(nèi)再設(shè)3 個平行觀測點作為重復(fù);另外，遠離試驗區(qū)選擇空曠地作為對照點同時觀測，每天觀測7 次(6:00—18:00，每隔2 h 觀測1 次)，干、濕球溫度測定高度距離地面1.5 m，相對濕度通過干、濕球溫度值由濕度查算表求得。

降溫率計算公式為:

式中:TN為降溫率(%);Tn為樣地樹木陰影中心1.5 m 處氣溫的測定值(℃);T0為樣地外空曠地氣溫對照值(℃)。若TN值＞0，則說明樣地內(nèi)氣溫低于空曠地氣溫，有降溫的作用。TN值越大，說明降低氣溫的作用越強;反之，則越弱。

增濕率計算公式為:

式中:FN為增濕率(%);Fn為樣地樹木陰影中心1.5 m 處相對濕度值(%);F0為樣地外空曠地相對濕度對照值(%)。若FN值＞0，說明樣地內(nèi)相對濕度高于空曠地相對濕度，則森林植物群落達到增加相對濕度的作用。FN值越大，證明該群落增加相對濕度的作用越強;反之，則越弱［13］。

人類的健康受氣候、天氣因素的影響非常大，當周圍的溫度、濕度、風、太陽輻射、氣壓等氣象因子發(fā)生顯著變化時，對一些人的身體健康就會產(chǎn)生影響。國內(nèi)外許多研究表明，在所有的氣象要素中，溫度、濕度對人體的感覺影響最大［7］。綜合考慮溫度和濕度對人體舒適度的影響，本試驗選用王遠飛［14］夏季舒適度及工作時數(shù)預(yù)報的溫濕指數(shù)(Thermal Humidity Index，表示為ⅠT，H)公式，將其作為反映哈爾濱市各下墊面人體舒適度的指數(shù)［14－15］:

ⅠT，H=T－0.55(1－F)×(T－14.5)。

式中:ⅠT，H為溫濕指數(shù);T 為環(huán)境氣溫(℃);F 為相對濕度值(%)。

溫濕指數(shù)反映了群體的人對環(huán)境的熱感受［7］。由于本次試驗內(nèi)容是在6月中旬完成的，人體的感覺主要是涼爽、熱、稍熱等，沒有冷、很熱和酷熱的范疇。ⅠT，H與人體舒適度的劃分標準具體見表2［4］。

表2 ⅠT，H 與人體舒適度的劃分標準

3 結(jié)果與分析

3.1 哈爾濱城市森林初夏3 種林型的降溫率比較

3.1.1 氣溫的日變化規(guī)律

根據(jù)表3可以看出，在哈爾濱城市森林即哈爾濱城市林業(yè)示范基地內(nèi)不同林型氣溫日變化數(shù)據(jù)中，日平均氣溫最低的是白樺林(23.4 ℃)，其次為蒙古櫟林(23.7 ℃)、樟子松林日平均氣溫最高(23.8℃)，而對照點空曠地日平均氣溫最高為25.3 ℃。在觀測時段內(nèi)，各觀測點均表現(xiàn)為早上6:00 達到一天氣溫最低值，之后逐漸上升，氣溫變化的幅度較大;14:00 左右達到一天氣溫最高值，隨后又開始下降，氣溫變化的幅度變小。氣溫日變化動態(tài)基本呈單峰型分布。

表3 不同下墊面氣溫和相對濕度的日變化規(guī)律

3.1.2 降溫率比較

3 種不同林型與空曠地相比，在觀測時間內(nèi)氣溫日變化幅度較空曠地平緩，但仍有明顯的峰值出現(xiàn)。在日出前后，空曠地的最低氣溫值略低于其他林型的最低氣溫，主要原因是由于日出前后各林型林冠層的覆被作用阻緩了熱量的散發(fā)，從而使林內(nèi)氣溫比林外高。日出后空曠地的氣溫上升很快，這時各林型才表現(xiàn)出明顯的降溫效應(yīng)，不同林型測定點各時刻氣溫值均低于對照點。由各林型的降溫率可見(表4)，在早上6:00 時，3 種林型均表現(xiàn)出較弱的保溫功能，并且蒙古櫟林保溫效果強一些。日出之后，3 種林型的降溫效應(yīng)開始增加，主要是因為森林中的植物通過蒸騰作用，不斷地從環(huán)境中吸收熱量，降低了林內(nèi)環(huán)境空氣的氣溫。在表4中，白樺林平均降溫率達7.20%，白樺林降溫幅度最大，最大降溫幅度為2.9℃，降溫效應(yīng)極為明顯。其次為蒙古櫟林，平均降溫率為5.67%;樟子松林降溫效應(yīng)最小，為5.58%。一天中，降溫率最大的白樺林發(fā)生在10:00—12:00 時，此時降溫率最大，為12.21%。樟子松和蒙古櫟林的最大降溫率出現(xiàn)在14:00—16:00，分別為9.49%和9.44%。各林型之間降溫率極值出現(xiàn)的時間上的延遲，主要反映了森林覆蓋率對林內(nèi)氣溫的影響。森林能降低林內(nèi)最高氣溫，提高林內(nèi)最低氣溫，夏季較其它季節(jié)表現(xiàn)更為顯著。

表4 不同下墊面降溫率與增濕率的日變化規(guī)律

3.2 哈爾濱城市森林初夏3 種林型的增濕率比較

3.2.1 相對濕度的日變化規(guī)律

由表3可見，觀測時段內(nèi)空曠地相對濕度變化呈明顯的“U”字型分布，變化范圍為41% ～80.8%，各時刻變化幅度較大。其中6:00 相對濕度最大，14:00 左右達到最小。此后相對濕度略有回升，但回升趨勢緩慢。3 種林型觀測點相對濕度變化規(guī)律與空曠地極為一致，也呈“U”字型分布，但變化幅度均小于空曠地，變化范圍為51.5% ～84.5%，且各時刻相對濕度值均高于空曠地。在3 種不同林型中，蒙古櫟林的日平均相對濕度最高，為75.93%;白樺林的平均相對濕度次之，為75.79%;樟子松林的平均相對濕度最低，為70.57%，而空曠地的平均相對濕度僅為54.82%。這說明森林這種特殊的下墊面對于增加相對濕度具有重要的作用，主要是由于森林具有一定的蒸散能力，增大了林內(nèi)的水汽含量，再加上氣溫較林外低，風速又小，亂流交換弱，從而林區(qū)相對濕度增加。

3.2.2 增濕率比較

在表4中，蒙古櫟林平均增濕效應(yīng)最大，為44.78%，最大增濕幅度達79.39%，其次是白樺林，為44.48%，最大增濕幅度為75.78%，樟子松林也具有一定的增濕效應(yīng)，但增濕效應(yīng)較弱，為32.15%，最大增濕幅度為62.42%。蒙古櫟林和白樺林增濕效應(yīng)發(fā)揮最大的時段為14 ∶00—16 ∶00，而樟子松林增濕效應(yīng)發(fā)揮最完全的時段為16:00。

3.3 不同下墊面的人體舒適度比較

根據(jù)不同下墊面的氣溫和相對濕度的觀測統(tǒng)計結(jié)果，計算出溫濕指數(shù)的排序為:蒙古櫟林＞空曠地＞樟子松林＞白樺林。而溫濕指數(shù)愈高，人體舒適度感覺愈不舒適。由表5可見，各下墊面在早上6:00—8:00，人體感覺均很舒適(溫濕指數(shù)ⅠT，H＜21.1);一天當中，各林分中不舒適(溫濕指數(shù)ⅠT，H＞23.9)的時段分別為:蒙古櫟林集中在12:00—16:00，空曠地集中在12:00—14:00，樟子松林則為14:00，白樺林全天觀測的結(jié)果對于人體而言，均感覺為較舒適和很舒適。在6月中旬的天氣條件下，由于蒙古櫟純林林地上枯落物成分單一，分解速率較快，總的蓄積量很少［16］，一天的平均氣溫較其他林型稍高，再加上相對濕度的增加，導(dǎo)致了人體感覺并不是很舒適;而對于樟子松林和白樺林來說，在比較合理的郁閉度以及適宜的氣溫和相對濕度的配合下，人體感覺較舒適。因此對于那些喜歡晨練和在林區(qū)活動的人們來說，可以選擇合適的林地及感覺很舒適的時段:樟子松林6:00—8:00 及白樺林6:00—10:00。而在午后的14:00，人體感覺不舒適的時段則不利于進行林內(nèi)的各項活動。

3.3.1 人體舒適度指數(shù)隨氣溫的變化規(guī)律

如表3和表5所見，3 種不同林型和空曠地的溫濕指數(shù)ⅠT，H隨氣溫升高而升高，隨氣溫降低而降低;各下墊面氣溫在14:00 時均達到最高，各林地氣溫始終低于空曠地，與空曠地的最大溫差可達2.9℃，此時溫濕指數(shù)各下墊面的ⅠT，H值也為最大，見表5。除了蒙古櫟林地處于不舒適狀態(tài)以外，其他的下墊面均為較舒適狀態(tài)。14:00 之后氣溫開始降低，ⅠT，H也呈下降趨勢，至18:00 之后，各下墊面的人體舒適度感覺都接近較舒適狀態(tài)。

3.3.2 人體舒適度指數(shù)隨空氣相對濕度的變化規(guī)律

如表3和表5所見，溫濕指數(shù)ⅠT，H隨空氣相對濕度降低而升高，隨空氣相對濕度升高而降低。14:00空氣相對濕度達到最低，除了白樺林為較舒適外，其余均為不舒適?？諘绲丶? 種不同林型下墊面日平均空氣相對濕度中，蒙古櫟林最大，白樺林次之，空曠地最低?？諝庀鄬穸冗^高會讓人感到潮濕，過低讓會人感到干燥，因此，白樺林林地的空氣相對濕度恰好能使人們感到很舒適。由于白樺林林地上的植物及灌木較多，所以人們還是比較喜歡地被物有較少分布的樟子松林進行各種林地活動。

表5 不同下墊面的溫濕度指數(shù)及人體舒適度比較

3.3.3 不同下墊面人體舒適時間分析

按表2人體舒適度的劃分標準，當21.1＜ⅠT，H≤23.8 時，人體對外界的感覺較舒適;當ⅠT，H≤21.1時，人體對外界的感受最舒適。空曠地和3 種不同林型林地在6:00—18:00 的ⅠT，H平均值均小于23.8，說明各下墊面在初夏季節(jié)均表現(xiàn)為比較舒適。但不同的下墊面，在不同氣溫和相對濕度的綜合作用下表現(xiàn)出不同的舒適程度。一天中，空曠地在10:00前和16:00 后感覺較舒適;樟子松林在12:00 前和16:00 后較舒適;蒙古櫟林在10:00 前和18:00 后感覺較舒適，而白樺林在觀測時間內(nèi)均表現(xiàn)為較舒適。綜合各下墊面的人體感覺舒適的時間分別為:白樺林地(12 h)＞樟子松林(10 h)＞空曠地(8 h)＞蒙古櫟林(6 h)。

4 結(jié)論與討論

6月中旬，哈爾濱城市森林可以改善局地的小氣候效應(yīng)，增加人體的舒適感。

在降溫率方面，3 種林型中，白樺林降溫率最大，蒙古櫟林次之，樟子松林最小。

在增濕率方面，3 種林型中，蒙古櫟林增濕率最大，白樺林次之，樟子松林最小。

3 種林型的舒適度讓人感覺比較舒適的是白樺林，其次是樟子松林，最后是蒙古櫟林。

在觀測時段內(nèi)，白樺林與樟子松林感覺較舒適時間較長，超過10 h。由于初夏時哈爾濱的天氣不是太熱，空曠地的舒適度也比較舒適，人體感覺舒適時間最短的為蒙古櫟林。

本文主要是針對哈爾濱城市森林即哈爾濱城市林業(yè)示范基地比較典型的3 種林型在6月中旬展開的研究，范圍比較小，而且研究林型主要是在林業(yè)示范基地內(nèi)生長占一定優(yōu)勢的樹種，綜合考慮適合人們業(yè)余活動而展開的比較研究，同時，從人居環(huán)境的宜人角度講，城市森林的降溫增濕效應(yīng)在7月、8月份更為重要，因此在隨后的研究中，可以考慮將試驗時間延長到整個生長季，以期探討城市森林不同林型在降溫增濕方面的差異。為了進一步擴大不同林型對人體舒適度在不同季節(jié)的影響，今后可針對哈爾濱主要綠化樹種和植物園內(nèi)的主要林型進行大區(qū)域的人體舒適度指數(shù)研究。

本研究主要選取城市森林氣溫和相對濕度兩種氣象因子計算溫濕指數(shù)，確定人體舒適度，為人們選擇更加舒適的活動場所提供參考。由于條件有限，本研究只采用兩個影響因子，而忽略了風速因子，若將這些忽略因子加入到舒適度模型中，會大大提高模型的可用度。

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