城市戶外綠地不同景觀空間夏季微氣候效應(yīng)研究

李小梅,謝秋蘭,劉學鋒

(1.湛江科技學院,廣東 湛江 524000; 2.中國林業(yè)科學研究院速生樹木研究所,廣東 湛江 524022)

0 引言

隨著城市氣候問題的日益突出,城市開放綠地空間的熱環(huán)境受到全球變暖及城市熱島效應(yīng)的影響亦愈來愈明顯[1]。城市公園作為城市綠地空間的基本形式之一,可調(diào)節(jié)小氣候,提高城市低碳韌性,對綠色生態(tài)發(fā)展發(fā)揮著重要的作用[2]。而城市公園空間微氣候受氣候影響,當不舒適度超過一定范圍值時,其對應(yīng)的景觀空間就會影響游人的休憩行為[3-4]。相關(guān)研究表明,環(huán)境空間的太陽輻射照度、溫度、風速、相對濕度等微氣候參數(shù)對人的行為有著實質(zhì)性的影響,園林空間微氣候的精心設(shè)計在一定程度上可以刺激環(huán)境使用[5]。

國內(nèi)外學者針對城市微氣候問題從不同角度進行了研究。程婧婧等[6-7]在夏季監(jiān)測了武漢市居住區(qū)空間環(huán)境的熱舒適度,發(fā)現(xiàn)其整體風速較小且偏濕熱,長期生活在該區(qū)域的居民可以接受現(xiàn)有狀況,但在一定程度上會對其景觀環(huán)境產(chǎn)生微調(diào)。饒峻荃[8]研究發(fā)現(xiàn),廣州居住區(qū)室外微氣候主要受到建筑布局、建筑材質(zhì)、道路材質(zhì)及人為熱量排放等因素的影響,進而影響了居民的人體熱舒適。趙曉龍[9]等以步行街為研究對象,比較了不同形態(tài)步行街空間熱舒適度的PET值,發(fā)現(xiàn)步行街中的樹木形態(tài)特征對小氣候環(huán)境具有調(diào)節(jié)作用。何柳靜[10]研究指出,以草地和水體為基礎(chǔ)的要素組合,在緩解熱不適方面能力有限,而樹木的冠層形狀及高度對居民熱舒適影響更大。Mahmoud[11]研究了景觀空間要素與人體熱舒適之間的關(guān)系,指出景觀要素在一定程度上能夠改善人體熱舒適,即公園內(nèi)植被、建筑、地形等景觀要素對居民熱感覺有一定程度的影響。有學者通過選取不同類型空間進行熱舒適評價與分析,認為綠色植物周邊的環(huán)境熱舒適度大于水與建筑環(huán)境的熱舒適度[12]。Nikolopoulou[13]等調(diào)研了歐洲5國的14個開放空間,發(fā)現(xiàn)熱感覺與綜合微氣候因子的相關(guān)性在0.27～0.68。有學者指出,戶外舒適度最重要的因素不是空氣溫度,而是平均輻射溫度[14]。

綜上可見,研究者從城市空間布局、建筑、植物、水體、鋪裝等角度分析了其對微氣候的影響。但不同地區(qū)的氣候不同,微氣候參數(shù)也有所不同,產(chǎn)生的人體熱舒適感也不盡相同。如在干熱地區(qū),濕度的增加可以改善其舒適感,但在濕熱氣候區(qū)卻會降低熱舒適感[15-16]。因此,不同氣候區(qū)的微氣候效應(yīng)不同,對景觀要素進行調(diào)節(jié)設(shè)計來改善城市微氣候的方法也有所差別。本研究以廣東省湛江市某花園為例,分析公園不同景觀空間的微氣候及相互影響的相關(guān)性,探討景觀要素對熱舒適度的影響,從而為營造熱舒適良好的城市開放空間設(shè)計提供研究思路及方法。

1 研究內(nèi)容

1.1 觀測地點

選擇廣東省湛江市某花園進行試驗,此處總面積34.6 km2,以水面為中心連接貫穿各個景區(qū)。內(nèi)部建有澳洲園、紅林大道、燈塔廣場、濱湖木棧道、雨林植物觀賞區(qū)等[17]。按不同景觀要素空間在公園內(nèi)選取了7個觀測點位置如圖1所示。

圖1 湛江市某花園觀測點位置

1.2 觀測時間及內(nèi)容

湛江市每年7—9月份較為炎熱,受季風氣候影響,低壓、熱帶風暴、臺風登陸頻繁。根據(jù)典型氣象年氣象參數(shù),結(jié)合天氣預(yù)報預(yù)定觀測時間,分別于2021年7月15日、7月22日、7月29日、8月6日在觀測點實測4 d,每天觀測時間為8:30—17:30,設(shè)置儀器每5 min自動記錄氣象數(shù)據(jù)1次,每小時取平均值,取4 d對應(yīng)時段觀測數(shù)據(jù)的平均值進行分析。主要觀測內(nèi)容包括氣溫、風速、相對濕度及太陽輻射照4個微氣候參數(shù),觀測高度按照國際慣例均在離地面或水面1.5 m處測量。采用的觀測儀器信息見表1。

表1 測量儀器及主要參數(shù)

2 研究方法

早期人們對微氣候的綜合評價建立了不同的評價指標,包括生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature,PET)[18-19]、濕球黑球溫度( Wet Bulb Globe Temperature WBGT)[20-21]、溫濕指數(shù)(Temperature Humidity Index,THI)[22]等。WBGT是全球使用最普遍的熱應(yīng)力指數(shù)[23],廣泛用于評價環(huán)境中的熱舒適指標[24],已被引入國際標準ISO 7243[25-26]。本研究選取WBGT作為公園熱環(huán)境評價指標,采用研究區(qū)域與湛江氣候條件相似的WBGT簡化平衡式[27](公式1)。

WBGT=1.157Ta+17.425RH+2.407×10-3SR-20.550

(1)

其中,Ta為空氣干球溫度(℃),RH為相對濕度(%),SR為總太陽輻射照度(W/m2),WBGT值的單位采用國際標準單位℃。平衡式針對適應(yīng)氣候著衣人群,即不單獨考慮著衣指數(shù)。

3 研究結(jié)果及分析

城市空間中,熱舒適可被理解為客觀環(huán)境信息被居民接受成為主觀感受信息,其環(huán)境熱舒適度受微氣候的4種參數(shù),即氣溫、相對濕度、風速及太陽輻射的綜合影響[28-29],但哪種微氣候要素可能成為影響人體熱舒適的主導(dǎo)因子需根據(jù)實際的區(qū)域環(huán)境條件加以分析。

3.1 各觀測點微氣候參數(shù)分析

7個觀測點中(見圖2),空氣溫度在觀測時間內(nèi)整體呈先上升后下降的趨勢。廣場空間溫度整體較其他景觀要素溫度較高,最高值高達36.03 ℃,其中在廣場空間中溫度上升最快。林下空間溫度上升最慢,達到最高值后下降最快。空氣濕度隨時間的推移先下降后上升,原因是隨時間變化溫度升高,太陽輻射強度增強,濕度隨之下降,反之濕度上升。風速在觀測時間內(nèi)有波動但變化不大,其中平均風速最大的是水體空間,為2.29 m/s,其次是草坪空間及廣場空間,相對較低的是林下空間與灌木叢空間,原因可能是與景觀元素的圍合空間類型有關(guān),林下空間及灌木叢空間郁閉度較高,樹種植較密集,故導(dǎo)致其透風率偏低。太陽輻射強度是影響環(huán)境熱舒適的因素之一[30]。廣場空間與水體空間的太陽輻射值較高,不同時間段內(nèi)的平均太陽輻射值分別為631.92 W/m2、620.17 W/m2,其次是草坪空間與園路空間,而林下空間與建筑旁空間由于有覆蓋遮陰作用,太陽輻射值較低。

圖2 花園觀測點夏季微氣候參數(shù)

3.2 各觀測點熱舒適綜合指數(shù)分析

熱舒適是指由空氣溫度、相對濕度、風速、太陽輻射等物理環(huán)境因素作用于人體的冷熱感,是熱舒適綜合指數(shù)的客觀體現(xiàn)[31-32]。從圖3可知,各測點在8:30—10:30和15:30—17:30時間段內(nèi)WBGT值較低,該時間段的內(nèi)熱舒適度相對較好。從觀測點看,7個觀測點中,廣場空間的平均WBGT值最高,為31.74 ℃,最高值高達33.98 ℃,與其最低值相差4.27 ℃,可見熱舒適度相對較差。其次是水體空間(31.54 ℃)、園路空間(30.56 ℃)、草坪空間(30.49 ℃)、建筑旁空間(30.32 ℃)、灌木叢空間(30.26 ℃)、林下空間(29.19 ℃)。初步判斷林下空間、建筑旁空間、灌木叢空間及園路空間的熱舒適度整體上優(yōu)于廣場空間、水體空間及草坪空間,但需進一步分析WBGT與微氣候參數(shù)的相關(guān)性及微氣候參數(shù)之間的相關(guān)性,才能綜合判斷空間熱舒適之間的差異,以更好地找到相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。

圖3 花園觀測點夏季熱舒適綜合指數(shù)

3.3 相關(guān)性分析

景觀要素形成的空間對微氣候存在影響,而環(huán)境熱舒適與微氣候參數(shù)關(guān)系密切[33]。利用SPSS 22統(tǒng)計進一步分析觀測點對應(yīng)時間段的氣溫、相對濕度、風速、太陽輻射照度與 WBGT的相關(guān)性、微氣候參數(shù)之間的相關(guān)性,以便找到關(guān)鍵性的微氣候因子來改善景觀要素的熱舒適性。

3.3.1 熱舒適度與微氣候要素的相關(guān)分析

對各景觀空間的熱舒適度與溫度X1、濕度X2、風速X3、太陽輻射X4進行相關(guān)性分析表2,從溫度和WBGT相關(guān)性看,7個觀測點中的WBGT與溫度呈線性正相關(guān),相關(guān)排序為草坪空間>廣場空間>林下空間>園路空間>水體空間>灌木叢空間>建筑旁空間,其中草坪空間(p<0.01)、廣場空間(p<0.01)、林下空間(p<0.01)、園路空間(p<0.01)、水體空間(p<0.05)5個空間的WBGT與溫度之間存在極顯著或顯著相關(guān)。從濕度和WBGT相關(guān)性可知,濕度與較為開敞的水體空間、廣場空間、園路空間、草坪空間的WBGT呈顯著負相關(guān),特別是廣場空間與草坪空間的濕度對WBGT的相關(guān)性最為顯著,相關(guān)系數(shù)分別為-0.69、-0.87,而與其他3個景觀空間的相關(guān)性較弱。從風速與WBGT的相關(guān)性看,在夏季,風速的提升有助于空氣的流通,有助于與其他微氣候參數(shù)的耦合效應(yīng),但所有測點的風速與WBGT相關(guān)性不顯著,可能與觀測當天的風速大小有關(guān)或受其他微氣候參數(shù)的主導(dǎo)影響。由太陽輻射照度與WBGT的相關(guān)分析可知,除了林下空間、灌木叢空間與建筑旁空間的太陽輻射照度與WBGT不存在顯著關(guān)系外,與其余4個空間WBGT高度相關(guān),相關(guān)系數(shù)r分別為廣場空間0.94、草坪空間0.92、水體空間0.86、園路空間0.84,說明夏季露天場地中,太陽輻射照度是影響熱舒適度的關(guān)鍵因素,因此對太陽輻射的遮擋或攔截對微氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用,在景觀元素設(shè)計中應(yīng)考慮元素組合來降低太陽輻射,以提高空間的熱舒適度。

表2 觀測點微氣候相關(guān)性分析

通過以上分析可知,不同景觀要素的微氣候參數(shù)值有所不同,其微氣候即氣溫、相對濕度、風速及太陽輻射對空間熱舒適的主導(dǎo)影響也不盡相同,完善不同要素結(jié)構(gòu)組合是改善空間微氣候的有效途徑。

3.3.2 微氣候因子間的相關(guān)分析

單一的氣候因子無法準確揭示人們在戶外環(huán)境的熱感覺[34],通過對微氣候因子間的進一步相關(guān)分析可了解空氣溫度、相對濕度、風速及太陽輻射之間的相互影響,更能了解微氣候要素對空間熱舒適的綜合作用。

由表2可看出,7個測點中,溫度與濕度及太陽輻射之間均存在顯著或極顯著相關(guān)從風速與其他3個微氣候要素相關(guān)性來看,風速對溫度的影響效應(yīng)呈負相關(guān),對濕度呈正相關(guān)。林下空間的風速與其他3個微氣候要素之間均呈極顯著相關(guān),其r值分別是-0.83、1.00、-0.93。草坪空間的風速與溫度及濕度呈顯著相關(guān),其余5個觀測點的風速與濕度、溫度、太陽輻射之間不存在顯著相關(guān)。由此說明,在覆蓋型的林下空間,溫度、濕度及太陽輻射通過植物冠層的攔截或吸收有所調(diào)節(jié),而其空間相對封閉,空氣的流動性比其他觀測點低。

3.4 微氣候要素對熱舒適度的通徑分析

相關(guān)性分析結(jié)果反映了各微氣候因子在其他因素的協(xié)同作用下對熱舒適的綜合效果,僅反映因子間的相關(guān),不能真正反映微氣候因子對熱舒適的直接或本質(zhì)作用,故有必要在此基礎(chǔ)上進行通徑分析,進一步揭示各微氣候因子與熱舒適相關(guān)的原因。以熱舒適度為因變量,4個微氣候要素為自變量(溫度X1、濕度X2、風速X3及太陽輻射照度X4)進行通徑分析,將其分解為直接作用與間接作用,進一步揭示微氣候因子對熱舒適度的影響效應(yīng)及其大小(表3)。經(jīng)通徑系數(shù)的顯著性差異檢驗,剔除通徑系數(shù)不顯著的變量(P>0.05),保留3個微氣候要素變量(溫度、濕度、太陽輻射照度)。根據(jù)直接通徑系數(shù)的結(jié)果可以看出(表3),微氣候要素對熱舒適度的影響均為正向,7個觀測點中除灌木叢空間與草坪空間外,直接作用都是溫度,其次依次為濕度、太陽輻射照度。灌木叢空間直接作用排序為溫度>太陽輻射照度,草坪空間為溫度>濕度。從間接作用的總和來看,各微氣候因子對熱舒適的間接作用也存在較大差異,水體空間、建筑旁空間、園路空間、廣場空間、林下空間中濕度的間接作用最大,太陽輻射照度作用較小,其中濕度與溫度對熱舒適度是負間接作用。灌木叢空間與草坪空間的間接作用與其直接作用一致。綜合各微氣候要素對熱舒適度的直接作用與間接作用的分析結(jié)果,說明微氣候參數(shù)對熱舒適度存在不同程度及不同作用的影響,但如何利用好景觀要素調(diào)節(jié)微氣候與熱舒適度之間的平衡是研究的關(guān)鍵及重點。

表3 觀測點微氣候通徑系數(shù)分析

4 結(jié)論與討論

通過對某花園內(nèi)7個不同景觀元素空間觀測點的微氣候參數(shù)監(jiān)測,運用熱舒適評價指標WBGT,定量分析了夏季室外不同景觀元素空間微氣候?qū)崾孢m的影響,得到結(jié)論如下:

不同景觀要素空間夏季微氣候與WBGT的相關(guān)程度不同,溫度越高WBGT越大,熱舒適度越差,說明溫度作為微氣候的影響因子之一,與熱舒適度有密切關(guān)系,通過合理的景觀元素設(shè)計可改善其空間微氣候。濕度與較為開敞空間的WBGT為顯著負相關(guān),特別是廣場空間與草坪空間的濕度對WBGT的相關(guān)性最顯著,濕度過高或過低均影響了其空間熱舒適,所有觀測點的風速與WBGT相關(guān)性不顯著,結(jié)果與張磊[27]的研究一致,與Mahmoud[35]等的研究不一致,主要原因是其研究的區(qū)域為高海拔山區(qū),氣候條件跟本研究差異較大。太陽輻射照度與開敞型空間WBGT高度相關(guān),與陳睿智等的研究一致[20]。

從微氣候參數(shù)因子相互作用角度看,觀測點中的溫度與濕度及太陽輻射之間、濕度與溫度及太陽輻射之間、太陽輻射與溫度及濕度之間均存在顯著或極顯著相關(guān),說明這3個微氣候要素之間相互制約,只是制約程度有所不同,其中太陽輻射是影響溫度的最主要因素,與黃基傳等的研究一致[36],林下空間的風速與其他3個微氣候要素之間均呈極顯著相關(guān),說明風速是影響林下空間微氣候的關(guān)鍵因素,通過引導(dǎo)風速的流通可以提高其空間的舒適性。

通過微氣候通徑系數(shù)分析表明,溫度對熱舒適度的直接作用最大,通過濕度因子的間接作用正負抵消后對熱舒適的影響仍比較強烈。濕度對熱舒適度的直接作用次之,會通過太陽輻射因子或溫度的間接作用共同影響熱舒適度。

綜上所述,單一的景觀要素空間在緩解夏季熱舒適方面的能力有限,應(yīng)設(shè)計更合理的景觀要素組合。通過實測探討不同景觀空間對微氣候效應(yīng)的影響,為適應(yīng)城市公園綠地空間設(shè)計提供了研究思路。研究發(fā)現(xiàn),草坪空間、廣場空間等大面積空曠空間應(yīng)適當增加其他景觀要素,以降低溫度或太陽輻射,如增加樹形高大、冠層葉面積密度大的喬木,利用其自身的蒸騰和葉片阻滯等作用改善周邊環(huán)境的溫度與風速[37-38]。相對封閉的林下空間需注意風速流動以提高其空間熱舒適,在炎熱的夏季白天可以有效抵御太陽輻射。但景觀要素所營造的空間對微氣候效應(yīng)的研究還需要深入量化分析,如考慮不同景觀要素的垂直結(jié)構(gòu)及水平排布形式等。

改善景觀空間熱舒適度需要綜合分析微氣候參數(shù)與熱舒適的相關(guān)性及微氣候參數(shù)之間的制約性,才能找到影響場地熱舒適度的主導(dǎo)氣候參數(shù),由此找到改善關(guān)鍵性氣候參數(shù)及適宜的景觀元素設(shè)計策略。