廣州3種樹冠覆蓋度綠地的微氣候與人體舒適度研究

郭浩軒 易慧琳 吳友爐 李銀 譚廣文

摘要城市綠地能有效調(diào)節(jié)局部微氣候及緩解城市熱島。研究綠地的微氣候與人體舒適度可為城市綠地規(guī)劃提供參考。以廣州市二沙島為例，在夏季日間對(duì)島上3種不同樹冠覆蓋度綠地的風(fēng)速、空氣溫度和相對(duì)濕度等微氣候因子進(jìn)行連續(xù)3天的實(shí)測，并采用熱舒適度預(yù)測不滿意率（predictive dissatisfaction rate，PPD），將其作為人體舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明，樹冠覆蓋度越大，越舒適，其影響因素如下。（1）空氣溫度，高樹冠覆蓋度的綠地降溫作用最明顯，其日均溫度比低樹冠覆蓋度的綠地低1.38℃，其中10：00-16：00高樹冠覆蓋度與低樹冠覆蓋度綠地的溫度差異達(dá)顯著水平，而低樹冠覆蓋度的綠地在18：00時(shí)溫度在三者中最低;（2）相對(duì)濕度，高樹冠覆蓋度的綠地增濕和保濕作用最明顯，其日均相對(duì)濕度比低樹冠覆蓋度的綠地高5.98%，3種類型綠地全天的相對(duì)濕度差異均不顯著;（3）風(fēng)速，樹冠覆蓋度越低的綠地風(fēng)速越大，高樹冠覆蓋度的綠地與低、中樹冠覆蓋度的綠地風(fēng)速差異達(dá)到顯著水平;（4） PPD值，其與溫度和風(fēng)速均呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。調(diào)節(jié)城市微氣候功能最佳的是高樹冠覆蓋度型綠地，且其人體舒適度最好，適宜人們?cè)谙募靖邷靥鞖膺M(jìn)行戶外活動(dòng)。

關(guān)鍵詞城市綠地;微氣候;人體舒適度;樹冠覆蓋度

中圖分類號(hào) TU986 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2021.12.019

Microclimate and Human Comfort of Three Green Spaces with Different Canopy Coverage in Guangzhou

GUO? Haoxuan1 ，2） YI? Huilin1） WU Youlu1 ，2） LI Yin1） TAN? Guangwen1）

（1 Pubang Landscape Architecture Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong 510630， China;

2 Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou， Guangdong 510220， China）

Abstract? Urban green space can effectively regulate local microclimate and mitigate the urban heat island effect， and the study of the microclimate and human comfort of green space can provide reference for urban green space planning. The wind speed， air temperature， and relative humidity in three green spaces with different canopy coverage on the Ersha island， Guangzhou were measured in day time for three consecutive days? in? summer，? and? thermal? comfort? was? adopted? to? evaluate? human? comfort? by? using? the? index? of predicted percentage of dissatisfied （PPD）. The results? showed that the greater the canopy coverage the green spaces on the Ersha island the more comfortable the people feel. The resultant factors include air temperature， relative humidity and PPD index. For air temperature， the green space with the high canopy coverage has the most obvious cooling effect; its daily average temperature is 1.38℃ lower than that of the green space with the low canopy coverage; the temperature difference between the green spaces with the high and low canopy coverage is significant from 10：00 am to 16：00 pm， and the green space with the low canopy coverage is the lowest in temperature among the three spaces at 18：00 pm. For relative humidity， thegreen? space with the high canopy coverage has the most obvious effect of humidification and moisture retention， and its daily average relative humidity is 5.98% higher than that of the green space with the low canopy coverage. The relative humidity throughout the day are not significantly different among the three green spaces. For wind speed the lower the canopy coverage， the greater the wind speed in the green space， and the difference in wind speed between the green space with high canopy coverage and the green spaces with low and moderate canopy coverage reached a significant level. For the PPD index the PPD value is highly significantly positively correlated with temperature and wind speed， and negatively correlated with the relative humidity. Green space with high canopy coverage works the best in regulating the function of the urban? microclimate， under which? human? comfort? is? optimal? and hence? suitable? for human? outdoor activities in hot summer weather.

Keywords? urban green space ; microclimate ; human comfort ; tree canopy coverage

近年來，隨著全球氣候變暖及城市化的快速發(fā)展，與城市熱環(huán)境相關(guān)的問題日益突出[1]。19世紀(jì)初，英國氣候?qū)W家路克·霍華德首次提出城市熱島（Urban Heat Island，簡稱 UHI，下同）和熱島效應(yīng)（ Heat-island Effect）[2]，認(rèn)為 UHI 對(duì)當(dāng)?shù)匚夂颉⒆匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)和人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生極大影響[3]。微氣候的改善能夠提高一個(gè)城市的宜居性，直接影響到人對(duì)外界環(huán)境的舒適度體驗(yàn)，對(duì)改善城市人居環(huán)境具有重要意義[4]。

相關(guān)研究表明，城市結(jié)構(gòu)、地表覆蓋、城市肌理和城市代謝是 UHI效應(yīng)的主要影響因素[5]。從地表覆蓋的角度看，城市鋪砌地、植被和裸地等覆蓋類型會(huì)改變城市環(huán)境中的熱交換[6]。而從城市肌理的角度看，城市各規(guī)劃用地的總體比例影響 UHI 的強(qiáng)度和分布，缺乏足夠的綠化會(huì)導(dǎo)致熱量的積累[7]。其中，城市綠地（Urban Green Space，簡稱 UGS）這種類型的用地具有降溫、增濕、遮陽等調(diào)節(jié)局部微氣候的作用，能夠有效緩解 UHI 效應(yīng)[8]。而園林植物是城市綠地必要的配備，大量研究表明，植物群落對(duì)微氣候的調(diào)節(jié)有重要作用，能夠有效改善局部熱環(huán)境[9]。當(dāng)城市微氣候發(fā)生變化時(shí)，對(duì)人的生理健康產(chǎn)生較大影響。一般而言，溫度和濕度微氣候因子對(duì)人的感受影響最大[10]。近年來越來越多的學(xué)者強(qiáng)調(diào)以人為主體，把人體舒適度作為綠地的一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)植物群落微氣候與人體舒適度的相關(guān)性做了相關(guān)研究，證明二者之間有顯著的相關(guān)性[11]。

林木樹冠覆蓋度（ Tree Canopy Coverage，簡稱 TCC，下同）近年來受到社會(huì)各界的高度關(guān)注，TCC作為森林城市功能與結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，利于森林城市建設(shè)的長效性和可持續(xù)性[12]。較多研究證明，樹冠對(duì)微氣候調(diào)節(jié)方面有顯著影響[9，13]，但目前缺少從 TCC 的差異性上研究樹冠對(duì)微氣候和人體舒適度的影響[12，14]。本研究選取二沙島東部公園綠地上3種不同 TCC 的樣地為研究對(duì)象，在夏季對(duì)3個(gè)樣地的風(fēng)速、空氣溫度和相對(duì)濕度3個(gè)微氣候因子進(jìn)行觀測，并以熱舒適預(yù)測不滿意率（ PPD）作為人體舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，量化分析出利于人們夏季在戶外活動(dòng)的綠地類型，提出公園綠地的植物配置及養(yǎng)護(hù)的有效措施，為城市綠地規(guī)劃提供參考。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1研究區(qū)概況及氣候特征

測試區(qū)域?yàn)閺V州市越秀區(qū)二沙島（圖1），經(jīng)緯度坐標(biāo)為23°10′N， 113°31′E，坐落于越秀區(qū)中心珠江河段上，與珠江新城中央商務(wù)區(qū)毗鄰，占地面積約126 hm2，整體呈狹長型，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，全年太陽輻射強(qiáng)，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨[15]。根據(jù)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，近年來廣州市7—9月的高溫日數(shù)逐漸增多，極端高溫氣溫介于38～39℃，年平均雨量為1682.4～2698.5 mm，全年日照時(shí)數(shù)1462.4～1832.5 h [16]。

1.1.2樣地選擇及概況

依據(jù)遙感數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)在二沙島東部的公園綠地上選取3種樹冠覆蓋度（表1）的樣地（長×寬=100 m×100 m，面積為1 hm2）。 A，TCC=84.44%;B， TCC=55.30%; C， TCC=29.93%（下文統(tǒng)稱為 A、B、C），樣地 A、B、C分別代表高、中與低樹冠覆蓋度的3個(gè)級(jí)別。3個(gè)樣地的 TCC 呈較理想的階梯下降，為研究提供良好的差異植被群落樣本，同時(shí)在群落水平結(jié)構(gòu)上具有較大差異性，能夠涵蓋二沙島并代表廣州市區(qū)常見的綠地類型。3個(gè)樣地的立地條件相似，且在地理上具有相對(duì)獨(dú)立性，減少了外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。如圖2所示，A、 B、C 的位置關(guān)系為：A位于 B 的東北側(cè)，C位于 A 的東北側(cè)。3樣地實(shí)景圖見圖3。

1.2方法

1.2.1微氣候測定

采用網(wǎng)格布點(diǎn)法[17]，在每個(gè)樣地內(nèi)部設(shè)9個(gè)測點(diǎn)，在距地面1.5 m處，每個(gè)樣地安排2名測試人員，用臺(tái)灣產(chǎn)便攜式溫濕度風(fēng)速儀 TES-1341記錄風(fēng)速、空氣溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)（每測點(diǎn)取3個(gè)數(shù)值加以平均），每次采集時(shí)間控制在10 min 內(nèi)。于2019年7月25—27日（天氣晴朗，風(fēng)速<2 m/s）每日08：00—18：00進(jìn)行測試，每隔2 h 測試一次，分別在6個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。

1.2.2人體舒適度計(jì)算

實(shí)驗(yàn)采用熱舒適度預(yù)測不滿意率（ PPD）為人體舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。PPD值越高，代表人對(duì)冷熱環(huán)境的滿意度越低，人體感覺越不舒適[18]。測試時(shí)間和微氣候測試同步，于 2019年7月25—27日，測量每日08：00—18：00實(shí)際數(shù)據(jù)，測點(diǎn)定于每個(gè)樣地的中央，安排一名測試人員用意大利產(chǎn) HD32.3熱指數(shù)儀每小時(shí)采集4次數(shù)據(jù)（間隔15 min）。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Excel 和 SPSS 21.0分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2結(jié)果與分析

2.1微氣候?qū)崪y定量分析

2.1.1風(fēng)速效應(yīng)分析

樣地 A、B 和 C 各時(shí)間段平均風(fēng)速的差異性見圖4。6個(gè)時(shí)間段的平均風(fēng)速值排序均為 C>B>A，而 C 與 A、B 的風(fēng)速值差異均達(dá)到了顯著水平（p<0.05）。其中，3個(gè)樣地 A、B、C 的平均峰值均出現(xiàn)在12：00，分別為0.55、0.60、1.60 m/s;谷值均出現(xiàn)在18：00，分別為0.13、0.14、0.36 m/s。由此得知，TCC越高的樣地風(fēng)速越低，反之，則風(fēng)速越高。可見 TCC對(duì)風(fēng)速的調(diào)節(jié)能力十分明顯。

2.1.2空氣溫度效應(yīng)分析

樣地 A、B、C各時(shí)間段平均溫度的差異性見圖5。8：00—16：00五個(gè)時(shí)間段平均溫度值排序?yàn)?C >B>A，18：00時(shí)平均溫度值排序?yàn)?B>A>C。A和 B 的平均溫度峰值出現(xiàn)在14：00，分別為33.55和33.98℃;而 C 的平均溫度峰值出現(xiàn)在12：00，為34.95℃。A、C 的平均溫度谷值均出現(xiàn)在18：00，分別為28.72和28.22℃;而 B 的平均溫度谷值出現(xiàn)在8：00，為29.11。在測試的6個(gè)時(shí)間段中，10：00和12：00時(shí)，C 與 A、B 的溫度差異均達(dá)顯著水平（p<0.05）;14：00和16：00時(shí)，A 和 C溫度差異性顯著（p<0.05），而此刻 B 與 A、C 差異均不顯著。

在3種樣地類型中，溫度值由低至高綜合排序?yàn)?A2.1.3相對(duì)濕度效應(yīng)分析

樣地 A、B、C 3 d 的平均相對(duì)濕度差異性見圖6。6個(gè)時(shí)間段 A、B、C平均相對(duì)濕度的排序?yàn)椋?A >B>C。A較 B 的全天平均相對(duì)濕度高3.32%，A較 C高5.98%，B較 C高2.65%。A 的平均相對(duì)濕度峰值出現(xiàn)在8：00，為55.10%，谷值出現(xiàn)在14：00，為30.17%;B 的平均相對(duì)濕度峰值出現(xiàn)在8：00，為44.82%，谷值出現(xiàn)在16：00，為26.27%;C 的平均相對(duì)濕度峰值出現(xiàn)在8：00，為47.38%，谷值出現(xiàn)在16：00，為23.55%。在本實(shí)驗(yàn)測試的6個(gè)時(shí)間段中，3個(gè)樣地各時(shí)段平均相對(duì)濕度差異不顯著， TCC最高的樣地 A 的增濕保濕作用較強(qiáng)。

2.2人體舒適度評(píng)價(jià)

2.2.1熱舒適度預(yù)測不滿意率（PPD ）分析

樣地 A、B、C 3 d 的平均 PPD值的變化趨勢如圖7所示。前5個(gè)時(shí)間段 PPD排序?yàn)?A

以往較多學(xué)者普遍認(rèn)為，溫濕度是影響人體舒適度最顯著的氣候因子[28-31]，但本研究實(shí)測結(jié)果表明，二沙島夏季極顯著的氣候因子是溫度和風(fēng)速，其次是相對(duì)濕度。原因是研究地分布于我國華南地區(qū)大型水體的周圍，本身相對(duì)濕度較高[32]，同時(shí)綠地上的植物發(fā)揮了其蒸騰作用，增濕作用明顯[33]。從實(shí)測的數(shù)據(jù)結(jié)果看來，3個(gè)樣地的相對(duì)濕度差異較小，全天的相對(duì)濕度差也相對(duì)較小，因此其對(duì)人體舒適度的影響不如溫度和風(fēng)速。另外，從實(shí)測結(jié)果看，風(fēng)速與溫度成顯著正相關(guān)。一般來說，自然風(fēng)能夠發(fā)揮空氣中氣流的冷卻作用，從而降低空氣溫度[34]，但是從微氣候因子與 PPD的相關(guān)性分析看，PPD與風(fēng)速為極顯著正相關(guān)，證明了在廣州夏季室外偏熱環(huán)境下，雖然自然通風(fēng)能夠提供足夠的通風(fēng)量，但溫度過高的自然風(fēng)會(huì)使戶外熱環(huán)境變得更惡劣[35-36]。研究地周圍被珠江水環(huán)繞，白天因陸地與江面受熱不均勻而產(chǎn)生氣壓差，由此而形成了江風(fēng)[37]，而正午時(shí)溫度越高水陸之間的空氣流動(dòng)越大，風(fēng)速更強(qiáng)，正午的熱風(fēng)會(huì)使環(huán)境熱舒適度更差。

因此，對(duì)于未來城市公園綠地的建設(shè)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到人們的舒適度體驗(yàn)，在保證其有足夠的戶外活動(dòng)空間的前提下，考慮多種植葉面積指數(shù)較高的喬木，以加強(qiáng)夏季的遮陰和增濕功能。此外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)綠地的養(yǎng)護(hù)和管理，在保證遮陰充足的前提下，優(yōu)化綠地內(nèi)部的通風(fēng)，提高風(fēng)舒適度。

3.2結(jié)論

研究結(jié)果表明，樹冠覆蓋度越高，風(fēng)速、溫度越低，相對(duì)濕度越高。其次，風(fēng)速與溫度成顯著正相關(guān)，風(fēng)速、溫度與 PPD呈正相關(guān)，顯著影響 PPD值。最后，白天樹冠覆蓋度高的綠地舒適度最好，而接近傍晚時(shí)刻，低樹冠覆蓋度的綠地散熱較快。綜上，對(duì)于廣州相同的氣候區(qū)而言，公園綠地的樹冠覆蓋度越高，在夏季中更利于創(chuàng)造舒適的林下微氣候環(huán)境，對(duì)人的生理健康更有利。

本研究探討了二沙島的公園綠地在不同覆蓋度下對(duì)微氣候及人體舒適度的影響，為城市綠地的建設(shè)提供了參考依據(jù)。在廣州城市建設(shè)高速發(fā)展、人口持續(xù)激增加劇熱島效應(yīng)的背景下，未來必將引起一系列的城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，從而影響城市局部的氣候和大氣環(huán)境，最終會(huì)威脅到城市居民的身體健康[38]。今后可通過大面積組建公園綠地，提高城市的樹冠覆蓋度，由表及里地優(yōu)化綠地的局部微環(huán)境，在精細(xì)尺度上改善城市生態(tài)環(huán)境及舒適度，從而提高城市的宜居性。

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（編輯排版：林海妹）