樹(shù)冠空間結(jié)構(gòu)對(duì)微氣候影響的模擬

衛(wèi) 笑， 郝日明，2， 張明娟，2， 沈昊天， 邱 易， 耿紅凱

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部景觀設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210095）

植物群落具有顯著的溫濕效益，在熱島效益不斷加劇的城市中發(fā)揮著重要的微氣候調(diào)節(jié)作用［1-4］。植物群落的冠層結(jié)構(gòu)，如郁閉度、葉面積指數(shù)、綠量、覆蓋率等會(huì)影響群落的降溫增濕效益［5-8］，但是針對(duì)不同樹(shù)冠形態(tài)和布局形式對(duì)群落微氣候環(huán)境影響的研究還較為欠缺。喬木樹(shù)冠反射和吸收了大量的太陽(yáng)輻射，是喬木能為林下空間提供降溫增濕效應(yīng)的主要原因，而不同的樹(shù)冠形態(tài)也會(huì)顯著影響其遮陽(yáng)效果［9］。關(guān)于布局形式對(duì)微氣候影響的研究多集中在豎向結(jié)構(gòu)上喬灌草的合理搭配［10-11］，對(duì)于橫向上樹(shù)種的平面布局形式卻較少提及。ENVI-met是一款微氣候模擬軟件。該軟件基于熱力學(xué)和流體力學(xué)原理，較為全面地考慮氣候因子及其相互作用，能夠動(dòng)態(tài)模擬城市小尺度范圍內(nèi)的表面、空氣和植被之間的相互作用［12］。 已有較多研究從街道［13］、 居住區(qū)［14］、 城市中心區(qū)［15］、 古典園林［16］、 森林［17］等多種尺度對(duì) ENVI-met進(jìn)行了校驗(yàn)，證實(shí)ENVI-met在模擬上的可靠性和準(zhǔn)確性。基于上述研究基礎(chǔ)，也有很多學(xué)者運(yùn)用該軟件進(jìn)行純模擬研究，如研究城市步行街空間形態(tài)對(duì)其微氣候的影響［18］，探討城市空間形態(tài)指標(biāo)與熱環(huán)境的相關(guān)性［19］，模擬分析高層住宅小區(qū)建筑形態(tài)對(duì)微氣候的影響［20］，以及不同綠地布局模式下居住區(qū)的夏季微氣候特征［21］等。說(shuō)明在條件有限且研究?jī)?nèi)容較繁雜的情況下，純模擬的研究方式也有很高的應(yīng)用價(jià)值。南京市位于長(zhǎng)江三角洲，夏季炎熱多雨，在中國(guó)夏季高溫高濕氣候特征的城市中具有一定代表性。為進(jìn)一步探討樹(shù)冠形態(tài)和平面布局形式對(duì)夏季植物群落微氣候的影響，本研究以南京市的綠地為例，運(yùn)用ENVI-met軟件，以純喬木林環(huán)境為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)多種模擬工況，分析不同樹(shù)冠形態(tài)和布局形式下植物群落的溫濕效應(yīng)及人體熱舒適度，為改善夏季微氣候環(huán)境，以科學(xué)的栽植設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)不同類型的人群行為活動(dòng)需求，提供合理的參考依據(jù)。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

南京位于中國(guó)東部，地處長(zhǎng)江下游，屬于北亞熱帶中部季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，光照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)，熱量充裕。年平均降水量為1 106.5 mm，相對(duì)濕度為76.0%，平均氣溫為15.4℃。南京是典型的夏熱冬冷地區(qū)。冬季以東北風(fēng)為主，1月平均最低氣溫為-1.6℃；夏季以東南風(fēng)為主，7月平均最高氣溫為30.6℃。

1.2 研究方法

由于本研究只針對(duì)樹(shù)冠形態(tài)和平面布局形式對(duì)微氣候的影響，但在實(shí)際情況中很難排除其他環(huán)境因素的干擾，所以實(shí)際測(cè)量的方法對(duì)本研究不具實(shí)際可行性。因此，本研究選擇ENVI-met軟件，使用純模擬方法，將所有模擬工況周邊環(huán)境都設(shè)置為相同條件，以保證結(jié)果的相對(duì)可靠性。

1.2.1 建立研究模型 選取南京市理想情況下的純喬木林群落為研究對(duì)象。通過(guò)前期預(yù)模擬，在確保溫濕效果顯著和便于模擬的前提下，根據(jù)常見(jiàn)的植物群落面積，最終確定模型大小為160 m×160 m×50 m，網(wǎng)格數(shù)為80×80×25，單個(gè)網(wǎng)格的分辨率為2 m×2 m×2 m。模型中共布局36株同種喬木來(lái)模擬純林環(huán)境。

1.2.2 確定模擬工況 ①喬木樹(shù)冠形態(tài)。喬木的樹(shù)冠形態(tài)可分為規(guī)則形和不規(guī)則形，有學(xué)者［22］將常見(jiàn)的規(guī)則型樹(shù)冠按照遮擋太陽(yáng)輻射量的關(guān)系簡(jiǎn)化分成圓柱形、三角形、倒三角形、圓形和半圓形等5種基本樹(shù)冠形態(tài)。通過(guò)文獻(xiàn)資料分析，對(duì)南京地區(qū)園林中常用的100種喬木的樹(shù)冠形態(tài)進(jìn)行分類，確定了5種包含植物種類較多的常見(jiàn)樹(shù)冠形態(tài)（表1），分別為圓柱形、圓球形、倒卵形、三角形和倒三角形［23-29］。在ENVI-met中建立這5種具有典型樹(shù)冠形態(tài)的喬木模型，模型剖面圖如圖1所示。為保證數(shù)據(jù)可比性，所建植物模型的高度一致，均為15 m，實(shí)際栽植參考時(shí)可進(jìn)行等比例縮小。圓柱形、圓球形和三角形樹(shù)冠的喬木冠幅均為11 m，倒卵形樹(shù)冠的喬木冠幅為13 m，倒三角形樹(shù)冠的喬木冠幅為15 m。由于研究只針對(duì)樹(shù)冠形態(tài)，因此將5種喬木的葉片屬性、根系形態(tài)等都設(shè)置為相同指標(biāo)。②平面布局形式。選擇3種園林中常見(jiàn)的喬木群落布局形式，規(guī)則散點(diǎn)式、集中塊狀式和自然集群式（圖2）。其中規(guī)則散點(diǎn)式為6×6的點(diǎn)陣式排列，相鄰喬木的中心點(diǎn)之間相距10個(gè)像素格，即20 m。集中塊狀式為4個(gè)3×3的規(guī)則散點(diǎn)式布局組合而成，相鄰喬木的中心點(diǎn)之間相距6個(gè)像素格，即12 m。自然集群式中各喬木以自然界常見(jiàn)的集群形式分散布局。通過(guò)不同樹(shù)冠形態(tài)和群落布局形式的排列組合，得出共計(jì)15種不同的模擬工況。

1.2.3 設(shè)置模擬參數(shù) 選擇的模擬日期為夏至日，為確保模擬的普適性，以中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上公布的南

表1 南京常見(jiàn)園林喬木及其樹(shù)冠形態(tài)分類Table 1 100 common arbors in Nanjing and the classification of their canopy shapes

圖1 喬木模型示意圖Figure 1 Diagram of arbor models

京站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)為參考，計(jì)算南京近10 a來(lái)夏至日的平均溫濕度和風(fēng)速，確定模擬當(dāng)天的初始?xì)庀髷?shù)

圖2 群落平面布局形式示意圖Figure 2 Diagram of layout forms of community

表2 模擬參數(shù)設(shè)置Table 2 Setup of simulation parameters

據(jù)，即整個(gè)模擬環(huán)境的初始溫濕度和風(fēng)速數(shù)據(jù)。模擬時(shí)間從7：00到17：00，為保證模擬的準(zhǔn)確性，去掉模擬最開(kāi)始的1 h，以8：00至17：00，共計(jì)10 h作為重點(diǎn)分析時(shí)段，1 h輸出1次模擬結(jié)果。當(dāng)天每小時(shí)的溫濕度值以ENVI-met的simple force模擬數(shù)據(jù)為準(zhǔn)（表2）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

從計(jì)算的模擬結(jié)果中導(dǎo)出各模擬工況的氣溫、相對(duì)濕度和PMV指數(shù)。將模擬得出的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，首先計(jì)算出整個(gè)場(chǎng)地的逐時(shí)溫濕度值，即80×80、共6 400個(gè)像素格的溫濕度平均值，并利用SPSS對(duì)各工況之間的逐時(shí)溫濕度進(jìn)行成對(duì)樣本t檢驗(yàn)。第2步篩選出所有喬木樹(shù)冠的垂直投影部分作為樹(shù)蔭下區(qū)域，其余為非樹(shù)蔭區(qū)域，分別計(jì)算出2個(gè)區(qū)域每小時(shí)的溫濕度平均值，以樹(shù)蔭和非樹(shù)蔭區(qū)域的溫濕度差值作為該工況喬木群落的降溫增濕強(qiáng)度，分別用Tp和Hp表示。Tp=Tfi-Ti。其中：Tfi是第i時(shí)刻的非樹(shù)蔭區(qū)域的平均氣溫（℃），Ti為第i時(shí)刻樹(shù)蔭區(qū)域的平均氣溫（℃）。Hp=Hi-Hfi。其中：Hi為第i時(shí)刻樹(shù)蔭區(qū)域的平均濕度（%），Hfi是第i時(shí)刻的非樹(shù)蔭區(qū)域的平均濕度（%）。PMV熱舒適模型是將環(huán)境變量（氣溫、濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度）和人為因素（新陳代謝率和服裝熱阻）綜合計(jì)算，得出用于表征人體熱反應(yīng)（冷熱感）的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它將熱感覺(jué)分為從-3（冷）到3（熱）的7個(gè)等級(jí)，其中0為舒適值［30-31］。ENVI-met軟件在此基礎(chǔ)上，綜合考慮了氣溫、平均輻射溫度、水汽、風(fēng)速、人體產(chǎn)生的能量、人體穿衣造成的皮膚溫度、人體表面皮膚與空氣的水汽交換、呼吸造成的能量交換等因素計(jì)算PMV指數(shù)［32］。IPMV=（0.028+0.303×e（-0.036m）+0.0275）×q。 其中：m為人體新陳代謝率；q為熱舒適系統(tǒng)的能量傳輸率， 計(jì)算需要的變量有氣溫、平均輻射溫度、水汽壓和風(fēng)速、服裝熱阻、人體行走產(chǎn)生的能量等。

2 結(jié)果

2.1 整體區(qū)域的日均溫濕度

2.1.1 相同布局形式下不同樹(shù)冠形態(tài)的植物群落日均溫濕度模擬值 整體來(lái)看，樹(shù)冠形態(tài)對(duì)群落溫濕度

圖3 不同樹(shù)冠形態(tài)工況的日均溫濕度比較Figure 3 Comparison of daily average temperature and humidity of simulated condition with different canopy shapes

有顯著影響（圖3）。3種布局形式下都是三角形樹(shù)冠的群落日均氣溫最高［分別為（26.91±0.95），（26.93±0.96）， （26.95±0.97）℃］， 日均濕度最低（分別為 48.49%±3.38%， 48.46%±3.40%， 49.10%±3.70%）； 倒卵形或倒三角形日均氣溫最低［分別為（25.84±0.81）， （26.12±0.84）， （26.27±0.89） ℃］， 日均濕度最高（分別為 51.03%±3.11%， 50.13%±2.98%， 50.03%±3.52%）。

2.1.2 相同樹(shù)冠形態(tài)在不同布局形式下的植物群落日均溫濕度模擬值 布局形式對(duì)植物群落日均溫濕度也有一定影響（圖4）。日均氣溫方面，圓柱形、圓球形、三角形和倒三角形樹(shù)冠形態(tài)的喬木都是在自然集群式布局時(shí)日均氣度最高［分別為（26.90±0.96）， （26.89±0.96）， （26.95±0.97）， （26.44±0.91） ℃］， 規(guī)則散點(diǎn)式布局時(shí)最低［分別為（26.31±0.99）， （26.86±0.96）， （26.91±0.95）， （25.93±0.75） ℃］； 倒卵形樹(shù)冠形態(tài)的喬木在集中塊狀式布局時(shí)日均氣溫最高（26.45±0.91）℃，規(guī)則散點(diǎn)式時(shí)最低（25.84±0.81）℃。日均濕度方面，圓柱形、圓球形、倒卵形和倒三角形樹(shù)冠形態(tài)的喬木在規(guī)則散點(diǎn)式布局時(shí)日均濕度最高（分別為49.91%±3.49%，49.31%±3.70%，51.03%±3.11%，50.93%±2.77%），三角形樹(shù)冠的喬木在自然集群式布局時(shí)日均濕度最高（49.10%±3.70%）。圓球形、倒卵形和三角形在集中塊狀式布局時(shí)日均濕度最低（分別為48.47%±3.43%，49.09%±3.19%，48.46%±3.40%），圓柱形和倒三角形樹(shù)冠的喬木在自然集群式布局時(shí)日均濕度最低（分別為49.15%±3.67%，50.03%±3.52%）。

圖4 不同布局形式工況的日均溫濕度比較Figure 4 Comparison of daily average temperature and humidity of simulated condition with different layout forms

2.2 林冠下方區(qū)域的日均降溫增濕強(qiáng)度

2.2.1 相同布局形式下不同樹(shù)冠形態(tài)的植物群落日均降溫增濕強(qiáng)度 相同布局形式下，不同樹(shù)冠形態(tài)的群落降溫增濕強(qiáng)度之間有顯著性差異（P＜0.05）（圖5）?？傮w來(lái)看，在3種布局形式下，均是倒卵形或倒三角形樹(shù)冠的群落日均降溫增濕強(qiáng)度最大［分別為（0.84±0.15） ℃/（2.52%±0.54）%， （1.16±0.22） ℃/（2.25%

圖5 不同樹(shù)冠形態(tài)工況的日均降溫增濕強(qiáng)度比較Figure 5 Comparison of daily average cooling and humidification intensity of simulated condition with different canopy shapes

±0.78%）， （0.98±0.20） ℃/（1.92%±0.67%）］， 圓球形樹(shù)冠最?。鄯謩e為（0.61±0.12） ℃/（1.22%±0.42%），（0.88±0.15） ℃/（1.80%±0.56）%， （0.73±0.14） ℃/（1.48%±0.47%）］。

2.2.2 相同樹(shù)冠形態(tài)在不同布局形式下植物群落的日均降溫增濕強(qiáng)度 從圖6可以看出：布局形式對(duì)植物群落的日平均降溫增濕強(qiáng)度具有顯著的影響?？傮w來(lái)看，5種樹(shù)冠形態(tài)都在集中塊狀式布局時(shí)日均降溫增濕強(qiáng)度最大［分別為（0.96±0.18） ℃/（2.08%±0.69%）， （0.88±0.15） ℃/（1.80%±0.56%）， （1.16±0.22） ℃/（2.25%±0.78%），（0.97±0.18） ℃/（2.08%±0.65%），（0.92±0.15） ℃/（1.95%±0.57%）］。 除了倒三角形樹(shù)冠的喬木群落在自然集群式布局時(shí)日均降溫增濕強(qiáng)度最小以外［（0.82±0.14）℃/（1.74%±0.51%）］，其余4種樹(shù)冠形態(tài)的群落都是在規(guī)則散點(diǎn)式布局時(shí)日均降溫增濕強(qiáng)度最小［分別為（0.66±0.14）℃/（1.45%±0.52%），（0.61±0.12） ℃/（1.55%±0.42%），（0.77±0.15） ℃/（1.52%±2.54%），（0.68±0.14） ℃/（1.46%±0.49%）］。 說(shuō)明集中塊狀式布局時(shí)群落的降溫增濕效應(yīng)最好。

圖6 不同布局形式工況的日均降溫增濕強(qiáng)度比較Figure 6 Comparison of daily average cooling and humidification intensity of simulated condition with different layout forms

2.3 整體區(qū)域的PMV指數(shù)

各模擬工況的日均PMV指數(shù)如圖7所示。3種布局形式中，均是倒卵形或倒三角樹(shù)冠形態(tài)的群落PMV指數(shù)最小 （分別為2.36±0.24，2.36±0.25，2.26±0.24），圓球形樹(shù)冠的群落PMV指數(shù)最大（分別為2.66±0.27，2.68±0.27，2.36±0.27），說(shuō)明 “上大下小”型（倒三角形和倒卵形）樹(shù)冠群落中，人體熱舒適感覺(jué)相對(duì)較好。相同的樹(shù)冠形態(tài)在不同的布局形式時(shí)，雖然PMV指數(shù)排序各有不同，但總體來(lái)看，集中塊狀式布局時(shí)PMV指數(shù)相對(duì)較高（最大值為2.68±0.27），而自然集群式種植時(shí)PMV指數(shù)較小（最小值為2.26±0.25）。說(shuō)明自然集群式栽植時(shí)人體熱舒適體驗(yàn)更好。

圖7不同布局形式及樹(shù)冠形態(tài)工況的日均PMV指數(shù)Figure 7 Comparison of PMV of simulated condition with different layout forms and canopy shapes

3 討論

3.1 樹(shù)冠形態(tài)對(duì)降溫增濕的影響

倒卵形和倒三角形這類 “上大下小”型樹(shù)冠的喬木群落對(duì)整體區(qū)域和林冠下方區(qū)域的降溫增濕效果都表現(xiàn)最好，主要原因是 “上大下小”型樹(shù)冠的喬木能為林下提供更好的遮陽(yáng)空間。吳翼［9］對(duì)樹(shù)木遮陽(yáng)效果的研究中提出，樹(shù)冠形態(tài)與遮陽(yáng)位置（在平面和立面上）、陣幅寬窄、遮陽(yáng)面大小有直接關(guān)系，且各類樹(shù)木由于其形態(tài)不同，表現(xiàn)差別很大；一般橫展性強(qiáng)的樹(shù)木在為行人減免日曬的作用上有顯著的優(yōu)越性。吳力立等［33］的研究也表明：樹(shù)木在地面上影子的面積取決于樹(shù)木的冠長(zhǎng)、冠幅及太陽(yáng)高度角，而與樹(shù)木的高度關(guān)系不大，也就是與樹(shù)木的形態(tài)有關(guān)。在高度一致的情況下，相比較其他形態(tài)的樹(shù)冠，倒卵形和倒三角形樹(shù)冠的冠幅更長(zhǎng)，能為林下空間提供更好的遮陽(yáng)效果。因此，在進(jìn)行植物選擇時(shí)，若想在夏季提供良好的降溫增濕效益，可以多考慮 “上大下小”型、樹(shù)冠橫展性強(qiáng)的喬木，如櫸樹(shù)、楓香、合歡、烏桕、七葉樹(shù)等作為主要樹(shù)種，而松柏類等三角形或圓球形樹(shù)冠的喬木可在群落中搭配種植，提高林冠線及景觀的豐富性。另外對(duì)喬木進(jìn)行修剪時(shí)，也可考慮在尊重其原有樹(shù)冠形態(tài)、確保植株正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，將植株適當(dāng)修剪成 “上大下小”型，進(jìn)一步提高群落的降溫增濕效果。

3.2 平面布局形式對(duì)降溫增濕效果的影響

不同的平面布局形式對(duì)群落的降溫增濕作用具有顯著影響。規(guī)則散點(diǎn)式布局對(duì)整體區(qū)域的降溫效果較好；集中塊狀式布局對(duì)整體區(qū)域的增濕效果及林下空間的降溫增濕效益表現(xiàn)都比較好。因此在布局設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇植物布局形式。若要提高開(kāi)闊的廣場(chǎng)中整體區(qū)域的降溫效果，緩解微尺度上城市熱島效應(yīng)，可以選擇規(guī)則散點(diǎn)排列的樹(shù)陣式布局；在較為干旱的區(qū)域，可以通過(guò)集中塊狀布局，提高場(chǎng)地整體區(qū)域的濕度；如要加強(qiáng)林下區(qū)域的降溫增濕效果，可優(yōu)先選擇集中塊狀式布局，提供大片連續(xù)的遮陰空間；若場(chǎng)地中有地形，不方便進(jìn)行集中塊狀布局時(shí)，可以選擇相對(duì)自然的集群式分布，更具有變化性，同時(shí)也能提供一定的增濕效果。

3.3 樹(shù)冠形態(tài)和平面布局形式對(duì)人體熱舒適度的影響

南京地區(qū)夏季高溫高濕，雖然集中塊狀式布局時(shí)群落的降溫增濕強(qiáng)度最高，但其PMV指數(shù)也相對(duì)最高，說(shuō)明其在夏季雖然起到了很好的降溫增濕效果，但在這種布局形式的群落中，人體的熱舒適體驗(yàn)卻不是很理想，反而自然集群式布局時(shí)PMV指數(shù)最低，熱舒適體驗(yàn)更好。在樹(shù)冠形態(tài)方面，倒卵形和倒三角形樹(shù)冠的群落PMV值明顯低于其他樹(shù)冠，這與降溫增濕效果的比較結(jié)果一致。所以考慮到人體熱舒適度時(shí)，不能單純以降溫增濕效果作為衡量指標(biāo)，尤其是在中國(guó)亞熱帶地區(qū)，夏季高溫高濕，更應(yīng)從人體舒適度角度，選擇合適冠形的植物，并合理布局。

結(jié)合實(shí)際人群行為活動(dòng)分別考慮，規(guī)則散點(diǎn)式布局時(shí)，熱舒適度體驗(yàn)較好的區(qū)域較為分散，單個(gè)面積較小，林下適合布置小型的休憩區(qū)域，比如單人健身、棋牌類等相對(duì)分散且單個(gè)參與人數(shù)較少的活動(dòng)；集中塊狀式布局時(shí)，熱舒適度體驗(yàn)較好的區(qū)域較為集中，整體連接起來(lái)的面積較大且規(guī)整，適合參與人數(shù)較多的活動(dòng)；自然集群式布局時(shí)，熱舒適度體驗(yàn)較好的區(qū)域也比較集中，整體面積較大但形狀自由、邊界松散，林下適合布置兒童游樂(lè)、素質(zhì)拓展等隨機(jī)性大，鼓勵(lì)自由參與的活動(dòng)設(shè)施。另外，熱舒適度不僅與溫濕度有關(guān)， 還與風(fēng)速［34］、 太陽(yáng)輻射［35］、人群行為活動(dòng)［36］以及游人心理［37］等有關(guān)，這也將是未來(lái)微氣候環(huán)境設(shè)計(jì)及熱舒適度研究的重點(diǎn)方向。

本研究通過(guò)多種模擬工況比較得出喬木樹(shù)冠形態(tài)和群落布局形式確實(shí)對(duì)溫濕度有顯著影響，雖是純模擬研究，但部分結(jié)論也與其他學(xué)者的研究成果相契合，因此本研究對(duì)探討如何改變?nèi)郝渥陨斫Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)提高其微氣候環(huán)境的降溫增濕效益具有很好的參考價(jià)值。后續(xù)研究將與實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)相結(jié)合，進(jìn)一步修改周邊環(huán)境因素，深入探討群落自身結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境因子對(duì)微氣候環(huán)境的雙重影響。