秋季校園不同下墊面小氣候特征比較分析

胡懿航 古扎麗努爾·熱木扎 王 越 王新禹

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

近年來城市化作用和工業(yè)發(fā)展使得熱島效應(yīng)逐漸增加[1-3]。目前，彭歷[4]等(2017)人發(fā)現(xiàn)小氣候受下墊面的影響；賀曉冬[5]等人揭示了不同下墊面氣象因子的變化趨勢和原因；汪永英、孔令偉[6]等(2014)對哈爾濱城市森林不同林型的小氣候特征和人體舒適度進(jìn)行了分析；任桂萍[7]等(2019)對嘉峪關(guān)市不同下墊面小氣候特征及其生態(tài)意義進(jìn)行分析研究。環(huán)境是指人體以外的空間和影響人的物質(zhì)及能量的總和。人類是否感到舒適很大一部分上取決于環(huán)境的各種因素，諸多環(huán)境中與學(xué)生有著密切關(guān)系的環(huán)境非校園環(huán)境莫屬。校園環(huán)境的舒適性與校園師生的快樂學(xué)習(xí)和生活有著密切關(guān)系，為了探究不同類型校園綠地所產(chǎn)生的小氣候效應(yīng)，我們選取東北林業(yè)大學(xué)校區(qū)內(nèi)具有代表性的草坪、籃球場、林場和宿舍4個下墊面進(jìn)行試驗。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選在了黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)校區(qū)(45.72°N，126.63°E)，實驗區(qū)的氣候特點為夏季炎熱、冬季寒冷、春季和秋季的氣溫變化幅度較大、變化時間較短。本次實驗研究時間選在了一年中的秋季(9-11月)，實驗區(qū)在北方冷空氣的入侵下氣溫逐漸降低。校園內(nèi)的植物種類多樣、分布廣泛，包括水曲柳、白樺、紅皮云杉等喬木，以及榆葉梅、丁香類等灌木[8]。

研究地點選在東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的4種不同類型的下墊面進(jìn)行監(jiān)測分析，在每個下墊面均設(shè)置5個1m×1m的實驗樣方，并保證樣方內(nèi)各種影響因素分布較為均勻，對照組選擇黑龍江省氣象局發(fā)布的官方數(shù)據(jù)與實驗組進(jìn)行分析比較，選取的4處實驗樣地下墊面的結(jié)構(gòu)類型及特征為：

(1)宿舍區(qū)—4號學(xué)生公寓后：地表無植物覆蓋主要由磚塊構(gòu)成，僅在中午存在陽光直射，由于樓體密集風(fēng)速較小，下墊面周圍存在一些水曲柳等喬木和少量灌木，人流密度較大。

(2)草坪區(qū)—草坪：位于主樓正南方向，地表由草本植物覆蓋，植被覆蓋率大于60%。樣方南側(cè)種植一排喬木使得草坪四周均有建筑物或樹木阻擋，風(fēng)速較小。草坪區(qū)由于位置空曠所以陽光照射時間較長，此外人流密度較小，受人類影響較少。

(3)活動區(qū)—籃球場：下墊面由水泥上方鋪設(shè)一層橡膠軟墊構(gòu)成，實驗區(qū)域無植被，實驗區(qū)周圍存在幾棵喬木。實驗區(qū)位置空曠，僅有一面存在建筑物遮擋所以陽光直射時間長，升溫快，風(fēng)速較大。午后至傍晚時分人員密度較大，易受人們行動影響。

(4)林場——水曲柳林地：實驗區(qū)位于林場東側(cè)，區(qū)域內(nèi)存在大量喬木和灌木，植被覆蓋率較高。由于樣方周圍樹木密集所以陽光直射時間極少、風(fēng)速較低，此外人流密度極低，人類活動對林場的感擾可以忽略不計。

1.2 研究方法

2020年9-11月，每月選擇6 d，每日從7:00—19:00每隔2 h進(jìn)行一次測量，共測量7次。實驗區(qū)的溫度、相對濕度和風(fēng)速使用TES溫濕度儀和Testo410-1風(fēng)速儀進(jìn)行測量。每個下墊面均采用五點取樣法(四方樣地頂角四點和中心一點)，每個點每次采樣1min，共采樣3次，測量高度為距離地面1.5m處，與成人呼吸高度基本一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理

研究選用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、計算和分析，增溫率、降濕率和降風(fēng)率計算公式[9]為：

TN=(Tn-To)/To×100%

(2-1)

FN=(Fo-Fn)/Fo×100%

(2-2)

VN=(Vo-Vn)/Vo×100%

(2-3)

式中：TN為降溫率(%)，To為對照點溫度(℃)，Tn為林內(nèi)溫度(℃)；FN為增濕率(%)，F(xiàn)o為對照點濕度(%)，F(xiàn)n為林內(nèi)濕度(%)；VN為降風(fēng)率(%)；Vo為對照點風(fēng)速(m/s);Vn為林內(nèi)風(fēng)速(m/s)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同下墊面空氣溫度的比較

草坪、籃球場、林場、宿舍和對照點的秋季平均氣溫分別為：10.45℃、10.90℃、10.45℃、10.87℃和9.12℃?？傮w來說，四個下墊面的季平均溫度均高于對照值?？赡芘c人類活動頻繁程度、建筑及植被有關(guān)。由圖1可知，不同月份4個下墊面與對照的溫度日變化特征相同，均呈現(xiàn)先上升后下降的單峰曲線，且這三個月份的最高氣溫都出現(xiàn)在在13：00。9月，4個下墊面除個別點外，各時段平均值均高于對照點。草坪和林場每個時段的溫度都低于宿舍和籃球場，宿舍在上午溫度較高，籃球場溫度在下午較高，與宿舍相比，林場的降溫幅度為0～0.4℃，草坪的降溫幅度-0.4～0.3℃，籃球場的降溫幅度為-0.5～0.0℃。10月，4個下墊面平均氣溫均高于對照點。草坪和籃球場每個時段的氣溫都要低于宿舍和林場，宿舍在上午溫度較高，林場溫度在下午較高，與宿舍相比，林場的降溫幅度為-1.4～0.9℃，草坪的降溫幅度-0.8～1.1℃，籃球場的降溫幅度為-1.0～0.5℃。11月，4個下墊面數(shù)值均高于對照點。大部分時間都是籃球場溫度較高，傍晚宿舍溫度較高。與宿舍相比，林場的降溫幅度為-0.3～2.0℃，草坪的降溫幅度-0.3～1.0℃，籃球場的降溫幅度為-0.8～1.0℃。

圖1 不同下墊面9-11月氣溫的日變化曲線

2.2 不同下墊面相對濕度的比較

草坪、籃球場、林場、宿舍及對照點的秋季平均相對濕度分別為：58.20%、55.99%、58.67%、54.12%、64.26%。與對照點相比，總體來說，4個下墊面都有明顯的降濕現(xiàn)象，其中宿舍和籃球場的降濕程度要高于草坪和宿舍。 由圖2可知，實驗組和對照組的濕度變化趨勢基本一致，均為早晚較高中午較低與溫度變化相反。通過后續(xù)計算我們知道溫度與濕度存在顯著負(fù)相關(guān)，通過溫度和濕度的變化趨勢也可以印證這一結(jié)論。從圖2我們可以看出，9-11月相對濕度最低值大部分出現(xiàn)在13點，與氣溫在13點出現(xiàn)最大值相聯(lián)系，然而在11點和15點也出現(xiàn)過最小值，說明相對濕度不僅與氣溫有關(guān)，也受風(fēng)速等因素的影響。此外我們可以看出在9、10月份，草坪和林場的曲線要高于宿舍和籃球場，而在11月，4條線相差不大，說明植被相對于柏油路面存在一定的增濕效應(yīng)[10]。

圖2 不同下墊面相對濕度日變化曲線

2.3 不同下墊面風(fēng)速的比較

草坪、籃球場、林場、宿舍和對照點的秋季平均風(fēng)速分別為：0.65、0.87、0.41、0.73和3.22m/s。與對照點相比較，總體來說降風(fēng)功能分別為：林場>草坪>宿舍>籃球場。

由圖3可知，不同月份四個下墊面的風(fēng)速變化各不相同。9月和11月，籃球場風(fēng)速最大；10月，宿舍風(fēng)速最大；秋季，林場風(fēng)速月平均風(fēng)速一直最小。

圖3 不同下墊面風(fēng)速日變化

2.4 不同下墊面增溫率、降濕率、降風(fēng)率的比較

根據(jù)計算公式(2-1)、(2-2)和(2-3)計算可得出在增溫方面，相對于對照點，9月，4個下墊面都有不同程度的增溫情況，籃球場和宿舍的增溫量大于草坪和林場的增溫量；10月，草坪低于其他3個下墊面的增溫率但4個下墊面的增溫量差距在減??；11月，4個下墊面增溫效應(yīng)的差距更加的小。

在減濕效應(yīng)方面，相較于對照點，9月：林場<草坪<宿舍<籃球場；10月：林場<草坪<籃球場<宿舍；11月：草坪<宿舍<籃球場<林場。4個下墊面相對于對照點均有一定的減濕作用，其中籃球場和宿舍相對于林場和草坪減濕作用更加明顯，可能與植被有關(guān)，植被多，濕度減少反而不明顯。在降低風(fēng)速方面，4個下墊面均表現(xiàn)出降風(fēng)作用。林場在3個月份降風(fēng)效果均很顯著，草坪在10月和11月降風(fēng)效應(yīng)較好，籃球場降風(fēng)效率較低，說明降低風(fēng)速除了與植被有關(guān)外，受周圍建筑物結(jié)構(gòu)很大影響。

3 結(jié)論

4個下墊面互相進(jìn)行對比，大部分時間溫度表現(xiàn)為：宿舍樓、籃球場>草坪、林場，而11月，籃球場、宿舍樓>草坪>林場。經(jīng)分析這與供暖有關(guān)，草坪、籃球場和宿舍樓的選址位于校園人流比較大的主校區(qū)，而林場的位置比較偏僻，很少有供暖管道與設(shè)施。

秋季濕度表現(xiàn)為：草坪、林場>籃球場、宿舍，9月降水量高于10月、11月，所以會呈現(xiàn)出空氣相對濕度9月>10月>11月的特征。

秋季風(fēng)速日變化起伏較大，表現(xiàn)為：宿舍樓、籃球場>草坪、林場，其中林場在風(fēng)速較大時對風(fēng)的消減作用明顯。上午風(fēng)速增加快，而下午風(fēng)速減弱的慢。