南京市寒冷季節(jié)景觀樹種對人體熱舒適度影響的數(shù)值模擬研究

曹林森，徐 歡，李 紅

(江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

城市局地微氣候與城市下墊面的具體特征密切相關(guān)[1-2]，風(fēng)景園林對于局地微氣候有著直接的影響，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為地形、水體、植物群落和建筑布局等設(shè)計要素對熱、濕、風(fēng)環(huán)境等均具有調(diào)節(jié)功能[3-4]。景觀空間的微氣候要素對熱舒適度有決定作用，也直接影響了人們的空間體驗。植被作為主要景觀要素，對改善景觀空間微氣候及熱舒適度都有重要意義?，F(xiàn)階段的研究多關(guān)注植被在夏季的微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)，以期發(fā)揮植物的降溫增濕作用改善場地夏季微氣候舒適度[5-7]。相對而言，寒冷季節(jié)植被對熱舒適度的影響較少有人關(guān)注[8-9]。有學(xué)者通過定點測量、問卷調(diào)研和行為標(biāo)注等方式對植被群落的寒冷季節(jié)微氣候效應(yīng)進行定量分析[10-11]，但由于植被群落的復(fù)雜性，此類研究難以對具體樹種的微氣候及熱舒適度效應(yīng)作出判斷。研究方法對于植物群落空間可行，但由于外界干擾因素較多，對于樹種單體的熱舒適度影響效應(yīng)分析并不適宜。而掌握樹種單體的熱舒適度效應(yīng)，對于理解植被對熱舒適度的影響機理和指導(dǎo)景觀空間植物配置都有現(xiàn)實意義。

城市中微觀尺度，應(yīng)用于研究城市微氣候的軟件使用較多的是Fluent、Phoenics以及ENVI-met模型。由于Fluent中沒有預(yù)設(shè)的植物模型、Phoenics中植物不涉及植物與空氣間的蒸騰、蒸發(fā)和熱通量交換，而ENVI-met能夠全面考慮空間布局、地表材質(zhì)、太陽輻射、植被覆蓋等多種因素，且具備三維植物構(gòu)建模塊[12]，因而ENVI-met是一款被證實能有效模擬植物微氣候調(diào)節(jié)作用的模型。

本研究以南京市寒冷氣候為背景，在驗證ENVI-met軟件模擬準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，選取南京市6個不同規(guī)格常綠及落葉喬木、灌木典型綠化樹種進行微氣候效應(yīng)模擬，獲取太陽輻射、空氣溫度、濕度、風(fēng)速等微氣候要素數(shù)值，并利用Rayman平臺計算監(jiān)測范圍內(nèi)的熱舒適度值。通過與空地對照組的數(shù)據(jù)對比分析不同樹種對人體熱舒適度的影響規(guī)律，并對影響較明顯的樹種類型從高度、葉面積密度和郁閉度等方面做進一步模擬研究。

1 材料與方法

1.1 ENVI-met模型驗證

為驗證ENVI-met模型的可靠性，選擇江蘇師范大學(xué)田家炳工學(xué)院南側(cè)綠地為測試地點，進行冬季風(fēng)速的驗證試驗。結(jié)果表明實測與模擬風(fēng)速的相關(guān)性R2為0.719，存在較強相關(guān)性。同時采用Willmott et al[13]提出的均方根誤差(root mean square error,RMSE)，系統(tǒng)均方根誤差(RMSEs)、非系統(tǒng)均方根誤差(RMSEu)以及一致性指標(biāo)(d)驗證模型的可靠性。實測與模擬風(fēng)速RMSE為0.15 m·s-1，RMSEu與RMSE值接近，d值為0.79。整體顯示ENVI-met模型在描述冬季綠地與微氣候關(guān)系比較可靠，適用于冬季綠地對微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的研究。

1.2 植物模型構(gòu)建

以南京市為氣候背景，在南京市典型常綠喬木、落葉喬木、常綠灌木、落葉灌木中分別選取不同大小規(guī)格的常見樹種(表1)。由于所選灌木樹種耐修剪、可塑性強，所以大小灌木未做樹種區(qū)分。ENVI-met4.0 Albero模塊植物建模需要的特征因子包括株高、冠幅、枝下高、樹冠形狀、根部特征、葉面積密度(leaf area density，LAD)、葉片反射率、固碳類型、葉片類型等。其中植物根部特征、葉片反射率等因子變化對微氣候的影響較小[14-15]，植被樹冠空間結(jié)構(gòu)對微氣候影響的研究已經(jīng)較多[16-17]，本研究主要探討植被類別和高度、LAD、郁閉度等因子對寒冷季節(jié)熱舒適度的影響效應(yīng)。ENVI-met主要通過LAD值區(qū)分植物的落葉及常綠屬性，冬季(12月)植物的LAD為夏季(6、7、8月)的0.2倍?；谘芯磕繕?biāo)及植被調(diào)研結(jié)果，在Albero模塊中設(shè)定植物模型特征因子見表1。其他特征因子統(tǒng)一設(shè)定為固碳類型C3，葉片發(fā)射率默認(rèn)0.6，根部特征為系統(tǒng)默認(rèn)。

表1 典型綠化樹種及建模特征因子Table 1 Typical greening tree species and modeling characteristic factors

1.3 模擬及采樣方法

根據(jù)植被不同尺度空間要求，Space模塊中喬木模擬空間網(wǎng)格分辨率設(shè)置為dx=2 m、dy=2 m、dz=3 m，灌木設(shè)置為dx=1 m、dy=1 m、dz=3 m。模擬日期為2019年12月21日，參照南京市歷年冬季氣候平均參數(shù)，設(shè)置氣候初始數(shù)據(jù)為風(fēng)速3.60m·s-1，風(fēng)向90°(垂直于植被)，空氣溫度8℃，濕度70%。模型下墊面材質(zhì)為系統(tǒng)默認(rèn)，場景粗糙度長度采用0.1。選取9:00-21:00為數(shù)據(jù)輸出時間段，輸出高度設(shè)置為人體感知較為明顯的1.5 m。

經(jīng)過前期預(yù)模擬總結(jié)發(fā)現(xiàn)，植被對微氣候和熱舒適度的影響(排除樹木陰影范圍)主要出現(xiàn)在正下風(fēng)向位置，喬木的影響主要出現(xiàn)在樹高的2倍范圍處，而灌木的影響主要在6 m范圍內(nèi)。據(jù)此本研究喬木的微氣候數(shù)據(jù)采樣點為：植被正下風(fēng)向，距離喬木(高度h)中心2h、2h-2 m、2h+2 m處3個測點；灌木的采樣點為：植被正下風(fēng)向，距離灌木中心2、4、6 m處3個測點(圖1)。分別提取3個測點的空氣溫度、風(fēng)速、濕度和太陽輻射等微氣候參數(shù)以計算熱舒適度值。

圖1 微氣候數(shù)據(jù)采樣點位置示意圖(左：喬木，右：灌木，高度：1.5 m)Fig.1 Location of microclimate data sampling points

1.4 熱舒適度設(shè)置及分析方法

采用生理等效溫度(physiological equivalent temperature，PET)作為熱舒適度的評價指標(biāo)，它表示在某一室外環(huán)境中，當(dāng)人體處于熱平衡時，體表溫度和體內(nèi)溫度達(dá)到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對應(yīng)的氣溫。PET以通用的攝氏度(℃)為單位，更便于各行業(yè)學(xué)者理解。且相比標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)、預(yù)測平均投票(PMV)等單一評價體系，PET指標(biāo)在考慮主要微氣候因子(太陽輻射、空氣溫度、風(fēng)速、濕度)對熱舒適影響的基礎(chǔ)上，還考慮了衣服熱阻、人體活動量及物理參數(shù)對熱舒適度的影響，更適宜作為戶外熱舒適度的評價尺度[20]。計算公式為：

PET=(代謝能量+所獲太陽輻射量+所獲地球輻射量)-(蒸發(fā)熱損耗+對流熱損耗+地面輻射散射)

(1)

借助Rayman平臺計算各測點PET值，地理參數(shù)參照南京市數(shù)值(31°14″W，118°22″E)，人體參數(shù)設(shè)定身高175 cm、體重70 kg、年齡35歲，衣服熱阻為0.9，活動量為步行1.2 m·s-1。

分別模擬8種不同體量的常綠喬木、落葉喬木及常綠灌木、落葉灌木和空地對照組的冬季微氣候效應(yīng)，并計算各測點的PET值。通過獨立樣本T檢驗分析不同樹種與空地對照組對熱舒適度影響的差異性及顯著水平，并選擇其中差異顯著的景觀植物類型和時間段，對植株高度、LAD和郁閉度等特性因子的影響做進行進一步探索分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木類樹種

4種喬木和空地對照組的熱舒適度PET值對比結(jié)果顯示(圖2、表2)，喬木類樹種PET變化趨勢與對照組一致，整體與對照組的差異并不顯著，白天整體的PET值差異>夜間。白天數(shù)據(jù)顯示，常綠小喬木樹種對熱舒適度的影響最大，可提高PET值2.29℃，但結(jié)合獨立樣本T檢驗顯示這種差異不顯著(P=0.204)。常綠大喬木和落葉小喬木對熱舒適度影響較弱，PET值提升幅度<1℃。落葉大喬木對熱舒適度有略微降低作用，PET均值降低0.16℃。對比夜間各組數(shù)據(jù)，常綠小喬木仍然對熱舒適度的影響最大，整體提升PET均值0.82℃，且通過T檢驗發(fā)現(xiàn)與對照組具有顯著差異(P=0.002)。常綠大喬和落葉小喬對熱舒適度的影響較弱，PET均值提升<0.5℃。落葉大喬木對熱舒適度沒有影響。4類喬木樹種中，常綠小喬木對熱舒適度的影響最為明顯；落葉大灌木對熱舒適度有較弱的降低作用或不存在影響；常綠大喬木和落葉小喬木雖對熱舒適度都有一定提升作用，但作用幅度均<1℃。

圖2 喬木類樹種對PET的影響曲線Fig.2 Effect on PET value of arbor tree species

表2 喬木類樹種與對照組PET值描述性分析及差異性檢驗結(jié)果Table 2 Descriptive analysis and difference test results of PET betweenarbor tree species and control group

2.2 灌木類樹種

4種灌木樹種和空地對照組的熱舒適度PET值對比結(jié)果表明(圖3、表3)，灌木類植被PET變化趨勢與對照組保持一致，且對熱舒適度的影響強于喬木，白天影響強于夜間。白天常綠大灌木對熱舒適度的影響程度最明顯，與對照組相比提高PET均值3.96℃，其次為常綠小灌木，提高PET均值2.36℃。落葉大灌木對熱舒適度影響不明顯，使PET均值提高0.78℃，落葉小灌木對熱舒適度沒有影響。將4種灌木的熱舒適度結(jié)果與對照樣本分別進行獨立樣本T檢驗，結(jié)果顯示常綠大灌木與對照組有明顯差異性(P=0.03)，說明常綠大灌木可以對白天的熱舒適度值(6 m以內(nèi))產(chǎn)生顯著影響。

圖3 灌木類樹種對PET的影響曲線Fig.3 Effect on PET value of shrub tree species

表3 灌木類樹種與對照組PET值描述性分析及差異性檢驗結(jié)果Table 3 Descriptive analysis and difference test results of PET between shrubs tree species and control group

夜間影響與白天具有相似性，常綠大小灌木對PET均值都有較明顯提升作用，分別提高1.44℃和0.82℃。落葉大灌木對PET均值提升作用較弱，落葉小灌木則不產(chǎn)生影響。同樣將4種灌木的熱舒適度結(jié)果與對照樣本分別進行獨立樣本T檢驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常綠大灌木、小灌木與對照組都存在明顯差異性(P=0.00)，說明常綠灌木可以對夜間的熱舒適度產(chǎn)生顯著差異，但與白天相比，PET值升高幅度較小，人體感知較弱。

上述分析表明，常綠灌木樹種對冬季熱舒適度的影響較為明顯。為進一步探究植被對熱舒適度的影響效應(yīng)和機理，并基于現(xiàn)實景觀植被設(shè)計的需求，分別就植被高度、LAD和郁閉度3個因素對白天常綠灌木對熱舒適度的影響效應(yīng)進行探討。

2.3 灌木高度影響效應(yīng)

為探究常綠灌木的高度對人體熱舒適度的影響效應(yīng)，以石楠為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在ENVI-met Albero模塊中分別設(shè)置5種高度(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m)的灌木模型，設(shè)置植株LAD為2.2，其他模型參數(shù)保持一致。模擬空間及微氣候設(shè)置參數(shù)如1.3所述，分別模擬5種不同高度灌木微氣候效應(yīng)。提取木3個測點的空氣溫度、濕度、風(fēng)速和太陽輻射等微氣候數(shù)值，并利用Rayman平臺計算熱舒適度PET值，結(jié)果見圖4、表4。

圖4曲線顯示，不同高度的灌木與對照組相比，對熱舒適度都有提升作用，且作用程度差異較小，PET值曲線重合度較高。由表4可見，2 m高灌木與對照組相比，提升PET值3.36℃，但是T檢驗結(jié)果顯示差異不顯著(P=0.061)。≥2.5 m高度灌木與對照組都存在顯著差異(P<0.05)，且高度越高，對PET值得提升作用逐漸減弱，所以試驗組中2.5 m高度灌木對熱舒適度的提升作用最為明顯。存在顯著影響的灌木高度與ΔPET相關(guān)分析得到相關(guān)系數(shù)r=-0.995(P<0.01)，說明兩者之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5)，即灌木高度越高，其熱舒適度提升作用越差。

圖4 不同高度灌木對PET的影響Fig.4 Effect on PET of shrubs with different height

表4 不同特性灌木與對照組PET值描述性分析及差異性檢驗結(jié)果Table 4 Descriptive analysis and difference test results of PET value among shrubs with different indices and the control group

2.4 灌木LAD影響效應(yīng)

由于樹木LAD變化范圍在0～4.17 m2·m-3[21]，為探究常綠灌木的葉面積密度對人體熱舒適度的影響效應(yīng)，在Albero模塊中分別建立5種LAD(1.4、2.0、2.6、3.2、3.8)灌木模型，設(shè)置其他模型參數(shù)保持一致。模擬空間及微氣候設(shè)置參數(shù)同1.3所述，與空地對照組進行對比模擬分析。提取各個測點的微氣候數(shù)值并利用Rayman平臺計算熱舒適度PET值，結(jié)果見圖5、表4。

圖5 不同LAD灌木對PET的影響Fig.5 Effect on PET of shrubs with different LAD

由圖5可知，不同LAD灌木植被與對照組相比，對熱舒適度有不同程度提升作用。LAD值越大，對PET值提升程度越明顯。由表4可見，當(dāng)LAD為1.4時，灌木對熱舒適度的改善作用與對照相比在均值上提升2.95℃，但是差異水平并不顯著(P=0.091)。當(dāng)LAD值>2時，灌木對PET值已經(jīng)存在顯著影響，且影響水平隨著LAD值的增大而增強。灌木LAD值與ΔPET相關(guān)分析得到相關(guān)系數(shù)r=0.998(P<0.01)，說明兩者之間存在顯著正相關(guān)(表5)。

2.5 灌木郁閉度影響效應(yīng)

為了進一步研究灌木栽植郁閉度對熱舒適度的影響規(guī)律，根據(jù)圖7栽植方式在Space模塊中設(shè)置5種郁閉度(32.4%、45.7%、73.5%、89.2%、94.4%)的灌木模型，設(shè)置其他模型參數(shù)保持一致，以前述方式與空地對照組進行對比模擬分析。同理提取各個測點的微氣候數(shù)值并輸入Rayman平臺計算熱舒適度PET值，結(jié)果見圖6、表4。

圖7 郁閉度示意Fig.7 Diagram of crown density

由圖6可見，隨著栽植郁閉度的增加，灌木的熱舒適度得到不同程度改善。由表4可知，當(dāng)郁閉度為32.4%時，PET均值提高3.37℃；郁閉度達(dá)到94.6%時，PET均值提高6.28℃，可見郁閉度的增大對熱舒適度的改善效果明顯。T檢驗結(jié)果表明，當(dāng)郁閉度為32.4%和45.7%時，植株的PET值與對照組沒有顯著差異(P=0.074，P=0.064)；當(dāng)郁閉度>73.50%，各試驗組與對照組均呈顯著性差異；當(dāng)郁閉度>89.2%(即兩排栽植)時，熱舒適度改善效果較郁閉度73.5%情境下增加了1.53℃。此后郁閉度的增加對熱舒適度的影響程度減弱。具有顯著差異的郁閉度值與ΔPET相關(guān)系數(shù)為0.098(P=0.044)，說明郁閉度與ΔPET有明顯正相關(guān)，郁閉度越大，對熱舒適度的改善越明顯(表5)。

表5 植株特性與ΔPET的相關(guān)性及回歸分析Table 5 Correlation and regression analysis of plant characteristics and ΔPET

圖6 不同郁閉度灌木對PET的影響Fig.6 Effect on PET of shrubs with different crown density

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

對南京市寒冷季節(jié)景觀植物對人體熱舒適度的影響展開數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，喬木樹種整體對冬季熱舒適度的提升程度較弱，白天的影響強于夜晚，常綠小喬木的影響強于落葉喬木；灌木對冬季熱舒適度提升程度強于喬木，同樣白天影響強于夜間。其中大小常綠灌木的影響均較顯著，落葉灌木的影響較弱；≥2.5 m高度常綠灌木對熱舒適度值有顯著影響；但隨著高度增加，這種影響有減弱趨勢；灌木對熱舒適度的改善程度，隨著LAD值的增大而加強，兩者呈顯著正相關(guān)。灌木郁閉度>73.5%，對熱舒適度有顯著提升作用。在一定范圍內(nèi)郁閉度越大，熱舒適度改善程度越強。綜合相關(guān)性分析結(jié)果，LAD和郁閉度變化對灌木的熱舒適度影響效應(yīng)最大，高度變化的影響相比較弱。

3.2 討論

目前，寒冷季節(jié)植被對微氣候及熱舒適的影響研究開始得到重視，一般認(rèn)為隨著景觀植物群落結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，微氣候效應(yīng)隨之增強，主要體現(xiàn)在冬季擋風(fēng)和夏季的降溫增濕作用[21-22]。在冬季寒冷氣候條件下，人們對空氣溫度和濕度的敏感性降低，對于風(fēng)速的敏感程度加強[10]。因此，雖然冬季植被有一定的降溫增濕作用，但是相比較而言，人體對其風(fēng)速的降低作用感知更為明顯。復(fù)雜植被結(jié)構(gòu)對風(fēng)速有降低作用，對提高人體熱舒適度有著積極的作用。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，雖然寒冷季節(jié)常綠樹種植被對溫、濕度有一定負(fù)面影響，但是由于其對風(fēng)速的有效阻擋作用，整體熱舒適度提升效應(yīng)較為明顯。在南京市及類似氣候條件下的景觀空間營造過程中，應(yīng)著重考慮在冬季主導(dǎo)風(fēng)向的垂直方向栽植常綠大灌木類樹種，為冬季景觀空間提供良好的熱舒適度環(huán)境。灌木樹種栽植應(yīng)多考慮選擇石楠、海桐(Pittosporumtobira)、大葉黃楊(Buxusmegistophylla)等耐修剪、葉面積密度大、冠幅在2.5 m左右的大灌木。栽植方式可考慮兩排栽植或其他密植方式為主，增加郁閉度。同時可配合常綠喬木，增加植物景觀的層次性。

張明娟等[11]通過實測分析，發(fā)現(xiàn)冬季常綠喬木單層林通過顯著降溫作用惡化了場地?zé)崾孢m度，其結(jié)論與本研究存在差異。本研究模擬發(fā)現(xiàn)，冬季常綠喬木對微氣候的影響存在位置的顯著差異，喬木陰影及其風(fēng)向下游位置熱舒適度較低，但是喬木下風(fēng)向2倍植物高度位置因風(fēng)速的降低，熱舒適度有一定的提升效果。即觀測位置的不同可能造成研究結(jié)果的差異。由于風(fēng)速對寒冷季節(jié)熱舒適度影響較大，由于風(fēng)速的大小、方向變化較快，難以通過實測方法對植物單體的熱舒適度影響機理進行分析，所以本研究選擇使用可信度較高的軟件進行模擬分析。

本研究對灌木的微氣候采樣點主要在6 m范圍內(nèi)，但不同特性的灌木對熱舒適度影響范圍也存在明顯差異，而有效影響范圍的確定對實際應(yīng)用也存在較大價值。如灌木高度的變化對6 m內(nèi)熱舒適度的變化存在負(fù)相關(guān)，但其與影響范圍的大小有明顯的正相關(guān)作用，這在今后的研究中也可以做進一步探討。同時發(fā)現(xiàn)微氣候的采樣點對研究結(jié)果存在顯著影響，植被對微氣候的影響在陰影處和其他位置有顯著差異，對這種差異性進行更加精準(zhǔn)的研究，并利用這種差異對植被的體量、位置等特性進行有效控制，對營造景觀空間的微氣候有重要意義。本研究只對南京市一種寒冷氣候背景、6個典型綠化樹種進行了模擬分析，不同地區(qū)的寒冷季節(jié)氣候條件不同，不同綠化樹種的規(guī)格及特性也存在差異，今后可對多種寒冷季節(jié)氣候條件及其他綠化樹種的熱舒適度影響規(guī)律進行更全面的探索。