基于ENVI-met綠化形式對(duì)夏季微氣候及熱舒適影響的研究:以桂林市為例

鄭文亨, 李翀瀟, 馮榮奕, 覃福雨

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院, 桂林 541004)

城市化區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,加劇熱島和溫室效應(yīng)[1-2]。研究表明,植被利用葉片吸收光能通過(guò)釋放長(zhǎng)波輻射[3-4]、顯熱方式傳熱[5]、蒸騰作用釋放[6]及固定部分能量[7]來(lái)完成與外界能量交換以達(dá)到改善周?chē)鸁岘h(huán)境的目的。同時(shí),植物遮蔭度的改變對(duì)熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生明顯影響,提高環(huán)境的遮蔭度可顯著降低空氣溫度與溫濕指數(shù)值,從而改善人體舒適度[8]。合理的綠地景觀布局是影響周?chē)鸁岘h(huán)境的重要因素,綠地斑塊占比越大、越集中,地表溫度越低[9],隨著綠地斑塊面積增加,綠地降溫效應(yīng)非線性增加[10]。不同綠化配置對(duì)熱環(huán)境影響不同,植被能夠顯著降低晝間近地面空氣溫度和風(fēng)速,增加濕度[11-13];綠化層次降溫效果由強(qiáng)到弱的順序?yàn)閱坦嗖輳?fù)合>喬草復(fù)合>灌草復(fù)合>單一草坪[12,14],且喬木種植越密集降溫效果越明顯。植物對(duì)環(huán)境的影響還與樹(shù)木種類(lèi)有關(guān)。研究表明,降溫效果主要取決于植物種類(lèi)和林冠覆蓋度[15],較高大的樹(shù)木會(huì)影響較低矮的樹(shù)木的冷卻效應(yīng)[16],當(dāng)植物面積指數(shù)(plant area index,PAI)相同時(shí),樹(shù)冠面積和冠層形狀相比于葉片特征更影響植物的冷卻效果[17]。

目前用于研究冷卻效應(yīng)的方法包括現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、參考?xì)庀笳镜臍鉁財(cái)?shù)據(jù)、從遙感衛(wèi)星圖像中獲取的地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行地表反演以及基于計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)的數(shù)值模擬方法。然而,由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量采集工作量大,不容易大規(guī)模獲取熱環(huán)境信息;歷史氣象數(shù)據(jù)可從固定的氣象站檢索,但當(dāng)城市地區(qū)擴(kuò)大時(shí),氣象站的分布位置會(huì)導(dǎo)致偏差;短時(shí)間數(shù)據(jù)記錄限制了從遙感衛(wèi)星影像上獲取地表溫度數(shù)據(jù)的方法,且難以同時(shí)捕獲時(shí)間和空間的高分辨率圖像。但是利用數(shù)值模擬方法可以將風(fēng)速、人為熱、植被要素等許多重要影響因素納入考慮范圍。

鑒于此,以山水著稱(chēng)的桂林市為例,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方式,分析綠化形式對(duì)濱湖步道微氣候的響應(yīng)規(guī)律,并利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法得出步道高寬比、植物排布形式和喬木冠層尺寸對(duì)微氣候的貢獻(xiàn)度比較,最后提出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,為城市綠化規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對(duì)象概況及研究方法

1.1 研究對(duì)象概況

桂林市地處夏熱冬冷地區(qū),位于東經(jīng)109°45″,北緯24°18″,屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,氣候溫和,雨量充沛,以“桂林山水甲天下”著稱(chēng)。本文選取象山區(qū)“兩江四湖”景區(qū)內(nèi)榕湖步道為研究對(duì)象。采用步道高寬比、植物排布形式和喬木冠層尺寸描述各測(cè)點(diǎn)綠化形式特征,其中步道高寬比為喬木冠層最低處距地面平均距離h=4 m與步道寬度w=6 m的比值,為0.67[18];喬木冠層直徑為7 m;將測(cè)點(diǎn)分為以下三類(lèi)植物排布形式[18-19]:一是兩側(cè)復(fù)合式,步道兩側(cè)均為喬灌復(fù)合;二是兩行開(kāi)敞型,步道兩側(cè)分別為灌草復(fù)合、喬灌復(fù)合;三是單側(cè)復(fù)合式,步道兩側(cè)分別為喬灌復(fù)合、無(wú)綠化。

1.2 研究方法

1.2.1 ENVI-met模型建立及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)步道實(shí)際情況在ENVI-met V5.0.1軟件中建立模型,模擬區(qū)域大小為288 m×288 m×24 m,單元網(wǎng)格大小為2 m×2 m×3 m。底圖由Google地圖導(dǎo)入,步道寬度、建筑物和植物三維尺寸由徠卡全站儀測(cè)量得到。模型整體下墊面材質(zhì)為土壤,步道下墊面材質(zhì)為混凝土。簡(jiǎn)單植物設(shè)置為1 m高的灌木及0.25 m高的草地,3D植物分別設(shè)為高8 m、寬7 m,高7 m寬5 m,高10 m、寬5 m的喬木,葉面積指數(shù)均為0.4。模擬2022年7月1日00:00—20:00時(shí)段,選取07:00—20:00作為分析數(shù)據(jù)。

邊界條件采用簡(jiǎn)單強(qiáng)迫邊界,微氣候的初始條件包括逐時(shí)氣溫、相對(duì)濕度和10 m高度的初始風(fēng)速和風(fēng)向。結(jié)合實(shí)測(cè)和氣象站數(shù)據(jù)設(shè)定模型起始?xì)鉁亍⑾鄬?duì)濕度分別為26.85 ℃、88.14%;10 m高度處風(fēng)速為2 m/s;風(fēng)向?yàn)?5°;云量設(shè)置為1、1、0;建筑室內(nèi)溫度取26.5 ℃。

通過(guò)改變步道高寬比、植物排布形式和喬木冠層尺寸,從而改變綠化遮蔭率。冠層最低處距地面距離h不變,通過(guò)擴(kuò)大或縮小步道寬度w來(lái)改變高寬比;喬木高度和樹(shù)干高度不變,通過(guò)增大或減小冠層尺寸來(lái)改變喬木遮蔭率。圖1為高寬比方案示意圖(分別記為W1、W2、W3)。圖2為植物排布形式方案示意圖(分別記為A1、A2、A3)。圖3為喬木冠層尺寸方案示意圖(分別記為S1、S2、S3)。

h為冠層高度,為4 m;w1、w2、w3為道路寬度,分別為4、6、8 m圖1 步道高寬比方案示意圖Fig.1 Diagram of the walkway height to width ratio programmer

圖2 植物排布形式方案示意圖Fig.2 Diagram of the plant layout programmer

圖3 喬木冠層尺寸方案示意圖Fig.3 Diagram of the tree canopy size programmer

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

(1)模型驗(yàn)證。利用HOBO-MX2301A溫濕度記錄儀采集數(shù)據(jù),將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行有效性與準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)。采用決定系數(shù)R2和Pearson相關(guān)系數(shù)r來(lái)評(píng)價(jià)ENVI-met軟件在步道微氣候模擬中的有效可靠性,R2越接近1,說(shuō)明回歸曲線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好;r的絕對(duì)值越接近1,線性相關(guān)越強(qiáng)[20]。采用均方根誤差(root mean square error,RMSE)和平均絕對(duì)百分比誤差(mean absolute percentage error,MAPE)兩個(gè)指標(biāo)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。二者值越小,說(shuō)明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果越接近,模型越準(zhǔn)確。

(1)

(2)

(3)

(2)效應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算。

ΔTui=Tui-TuActual

(4)

ΔRHui=RHui-RHuActual

(5)

式中:下標(biāo)ui為高寬比(W1、W2、W3)、植物排布形式(A1、A2、A3)、喬木冠層尺寸(S1、S2、S3)工況方案;Tui、RHui分別為各方案的平均空氣溫度、平均相對(duì)濕度;TuActual、RHuActual分別為實(shí)際工況的平均空氣溫度、平均相對(duì)濕度;ΔTui為各方案的降溫效應(yīng), ℃;ΔRHWi為各方案的減濕效應(yīng),%[21]。

(3)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。利用正交試驗(yàn)進(jìn)行步道微氣候的優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)ENVI-met軟件模擬三因素三水平不同組合工況下的步道微氣候。若進(jìn)行全面模擬需要進(jìn)行33次(27次)模擬,將耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)按照正交表進(jìn)行多因素多水平設(shè)計(jì)分析,可減少模擬次數(shù),操作簡(jiǎn)便,是一種不完全試驗(yàn)設(shè)計(jì)[22-23],結(jié)合所研究的內(nèi)容只需要模擬9次即可得出結(jié)論。

將步道高寬比、植物排布形式和喬木冠層尺寸分別設(shè)計(jì)為因素W、A和S,每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平,表1為所設(shè)計(jì)的因素水平。使用SPSS正交設(shè)計(jì)功能選擇L9正交表(L為正交表,9為水平組合)安排模擬方案并進(jìn)行運(yùn)算分析,如表2所示。

表1 正交設(shè)計(jì)因素水平

表2 水平組合設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型精度驗(yàn)證結(jié)果

溫濕度實(shí)測(cè)和模擬情況如圖4所示。溫、濕度的擬合決定系數(shù)R2分別為0.826、0.736,相關(guān)系數(shù)r分別為0.916、0.869,說(shuō)明ENVI-met軟件模擬結(jié)果具備有效性。在17:00由于實(shí)際降雨導(dǎo)致模擬的溫、濕度趨勢(shì)與實(shí)際有所偏差。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證,結(jié)果如表3所示。若1 d內(nèi)天氣情況多變,不會(huì)影響模型的有效和準(zhǔn)確性,原因是邊界條件根據(jù)氣象站與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定,由于局部微氣候不同,所以實(shí)測(cè)與模擬趨勢(shì)對(duì)比時(shí)會(huì)存在差異但整體誤差在可接受范圍內(nèi),表明利用ENVI-met軟件構(gòu)建物理模型,可以較好地反映步道微氣候?qū)嶋H情況。

表3 模擬結(jié)果精確度評(píng)價(jià)

圖4 溫濕度實(shí)測(cè)及模擬情況Fig.4 Actual measurement and simulation of temperature and humidity

2.2 步道高寬比對(duì)微氣候的影響

2.2.1 溫度

步道處溫度云圖和降溫效果曲線如圖5所示,改變步道高寬比時(shí),靠近步道的環(huán)境溫度變化較大,隨著步道寬度增加,步道近地面空氣溫度逐漸升高。由降溫效果曲線[圖5(c)]可知,W1方案有降溫效應(yīng),降溫效果呈先升高后下降的趨勢(shì),在約15:00達(dá)到最大值,為0.08 ℃;W3方案有升溫效應(yīng),升溫效果較穩(wěn)定,波動(dòng)小,在約15:00達(dá)到最大值,為0.03 ℃。說(shuō)明步道高寬比的改變會(huì)使周?chē)h(huán)境空氣溫度呈散射狀變化,距離步道越遠(yuǎn),受到的輻射效果越小。高寬比越小,輻射周?chē)h(huán)境的升溫效果越好;高寬比越大,降溫效果越好。

ΔTW1為W1方案與W2方案的溫度的差值;ΔTW3為W3方案與W2方案的溫度的差值圖5 溫度分布和降溫效果曲線Fig.5 Temperature distribution and cooling effect curves

2.2.2 濕度

步道處相對(duì)濕度云圖和減濕效果曲線為圖6所示,改變步道寬度時(shí),靠近步道的環(huán)境的相對(duì)濕度變化較小,湖泊邊緣變化最明顯,遠(yuǎn)處環(huán)境變化極小。由減濕效果曲線[圖6(c)]可知,W1方案一直處于增濕狀態(tài),且呈先升高后下降的趨勢(shì),在約12:00達(dá)到最大值,為0.29%。W3方案一直處于減濕狀態(tài),變化趨勢(shì)較平穩(wěn),標(biāo)準(zhǔn)差為0.05%。在約12:00達(dá)到最大值,為0.14%。說(shuō)明步道高寬比的改變明顯調(diào)節(jié)了湖泊邊緣的相對(duì)濕度,步道越寬,高寬比越小,輻射周?chē)h(huán)境的減濕效果越強(qiáng)。

ΔRHW1為W1方案與W2方案的相對(duì)濕度的差值;ΔRHW3為W3方案與W2方案的相對(duì)濕度的差值圖6 相對(duì)濕度分布圖和減濕效果曲線Fig.6 Relative humidity distribution and humidity reduction curves

2.2.3 通用熱氣候指標(biāo)

通用熱氣候指標(biāo)(universal thermal climate index,UTCI)用于評(píng)估熱環(huán)境變化的潛在熱生理影響。UTCI基于多節(jié)點(diǎn)人體體溫來(lái)調(diào)節(jié)模型,是一種非穩(wěn)態(tài)指數(shù)[24]。UTCI值云圖如圖7所示,UTCI曲線如圖8所示,改變步道寬度時(shí),環(huán)境UTCI變化較大,步道變窄或變寬都會(huì)使環(huán)境在17:00的UTCI增大。由UTCI曲線可知,UTCI從高到低排序?yàn)閃3>W1>W2,3種方案呈“倒U形”分布,在13:00—14:00達(dá)到UTCI最大值,分別為39.31、38.12、37.21 ℃。說(shuō)明步道過(guò)窄或過(guò)寬,都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的UTCI增大,不利于行人的出行體驗(yàn)。

圖7 UTCI分布Fig.7 UTCI distribution

圖8 UTCI曲線Fig.8 UTCI curves

ΔTA1為方案A1對(duì)比實(shí)際情況的溫度變化值;ΔTA2為方案A2對(duì)比實(shí)際情況的溫度變化值;ΔTA3為方案A3對(duì)比實(shí)際情況的溫度變化值圖9 溫度分布和降溫效果曲線Fig.9 Temperature distribution and cooling effect curves

2.3 植物排布形式對(duì)微氣候的影響

2.3.1 溫度

由圖9可知,改變植物排布形式時(shí),靠近步道的環(huán)境溫度變化較大。平均空氣溫度從低到高排序是兩側(cè)復(fù)合式綠化排布<單側(cè)復(fù)合式綠化排布<兩行開(kāi)敞型綠化排布,但植物排布形式影響空氣溫度范圍較小。降溫效果從高到低排序?yàn)锳1>A3>A2。A1方案一直處于降溫狀態(tài),呈先升高后下降趨勢(shì),在15:00左右達(dá)到最大降溫效果,為0.09 ℃。A2和A3方案一直處于升溫狀態(tài),在14:00—15:00升溫效果達(dá)到最高,分別為0.14、0.06 ℃。說(shuō)明兩側(cè)復(fù)合式綠化排布夏季降溫效果最優(yōu)。

2.3.2 濕度

由圖10可知,改變植物排布形式時(shí),靠近步道的環(huán)境相對(duì)濕度變化較大。平均相對(duì)濕度從高到低排序是兩側(cè)復(fù)合式綠化排布>單側(cè)復(fù)合式綠化排布>兩行開(kāi)敞型綠化排布,且植物排布形式的改變影響周?chē)h(huán)境的相對(duì)濕度范圍較小。減濕效果從高到低排序?yàn)锳2>A3>A1。3個(gè)方案一直處于減濕狀態(tài),呈“U形”分布,在15:00減濕效果最弱,分別為10.73%、11.56%、11.31%,在早上和夜晚減濕效果明顯增強(qiáng),最大值為14.23%～15.29%。說(shuō)明3種方案在夏季均可起到減濕作用,其中兩行開(kāi)敞型綠化排布減濕效果最優(yōu)。

ΔTA1為方案A1對(duì)比實(shí)際情況的相對(duì)濕度變化值;ΔTA2為方案A2對(duì)比實(shí)際情況的相對(duì)濕度變化值;ΔTA3為方案A3對(duì)比實(shí)際情況的相對(duì)濕度變化值圖10 相對(duì)濕度分布和減濕效果曲線Fig.10 Relative humidity distribution and humidity reduction curves

2.3.3 通用熱氣候指標(biāo)

由圖11、圖12可知,改變植物排布形式時(shí),影響周?chē)h(huán)境的UTCI范圍較小,但對(duì)湖泊中心的UTCI影響較大,兩側(cè)復(fù)合式綠化排布時(shí)的湖泊中心UTCI值最小,為34.82 ℃,兩行開(kāi)敞型綠化排布次之,為34.60 ℃。3種方案呈先升高后降低趨勢(shì)。10:00前A2方案UTCI遠(yuǎn)大于A1和A3,10:00后UTCI值從高到低排序?yàn)锳3>A2>A1,14:00—15:00達(dá)到UTCI最大值,分別為39.67、38.63、38.28 ℃。從整體分析,兩側(cè)復(fù)合式綠化排布的UTCI最小,說(shuō)明該種方案有利于行人的出行,提高人體熱舒適度。

圖11 UTCI分布Fig.11 UTCI distribution

圖12 UTCI曲線Fig.12 UTCI curves

2.4 喬木冠層尺寸對(duì)微氣候的影響

2.4.1 溫度

由圖13可知,改變喬木冠層尺寸時(shí),靠近步道的環(huán)境溫度變化較大,隨著冠層尺寸減小,步道近地面溫度逐漸降低。S1方案的整體降溫效果要高于S3,并且降溫效果呈先升高后下降的趨勢(shì),在約15:00達(dá)到最大值,為0.08 ℃。S3方案基本不影響空氣溫度,在13:00—17:00有輕微的升溫效果,可忽略不計(jì)。說(shuō)明喬木冠層尺寸的改變會(huì)使周?chē)h(huán)境的空氣溫度呈散射狀變化,距植物越遠(yuǎn),受到的輻射效果越小。喬木冠層尺寸越小時(shí),輻射周?chē)h(huán)境的降溫效果越好;當(dāng)冠層尺寸增大到一定程度時(shí),不再影響周?chē)h(huán)境空氣溫度。

ΔTS1為方案S1對(duì)比實(shí)際情況的溫度變化值;ΔTS3為方案S3對(duì)比實(shí)際情況的溫度變化值圖13 溫度分布圖和降溫效果曲線Fig.13 Temperature distribution and cooling effect curve

2.4.2 濕度

由圖14可知,改變喬木冠層尺寸時(shí),靠近步道環(huán)境相對(duì)濕度變化較小,遠(yuǎn)處環(huán)境的相對(duì)濕度變化極小。S3方案趨于穩(wěn)定,增減濕效果并不明顯,標(biāo)準(zhǔn)差為0.01%。S1方案有增濕效果,且呈先升高后下降的趨勢(shì),在約15:00達(dá)到最大值,為3.79%。說(shuō)明喬木冠層尺寸縮小后對(duì)濕度影響不顯著,喬木冠層尺寸越大,對(duì)環(huán)境的相對(duì)濕度起增加作用。

ΔRHS1為方案S1對(duì)比實(shí)際情況的相對(duì)濕度變化值;ΔRHS3為方案S3對(duì)比實(shí)際情況的相對(duì)濕度變化值圖14 相對(duì)濕度分布圖和減濕效果曲線Fig.14 Relative humidity distribution and humidity reduction curve

2.4.3 通用熱氣候指標(biāo)

由圖15、圖16可知,改變喬木冠層尺寸時(shí),環(huán)境UTCI值變化較大,喬木冠層尺寸變小或變大,都會(huì)使環(huán)境在17:00時(shí)刻的UTCI值增大。UTCI值從高到低排序?yàn)镾1>S2>S3,3種方案呈“倒U形”分布,在14:00—15:00達(dá)到UTCI最大值,分別為39.75、37.21、38.81 ℃。說(shuō)明喬木冠層尺寸過(guò)小或過(guò)大,都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的UTCI值增大,不利于行人的出行體驗(yàn)。

圖15 UTCI分布Fig.15 UTCI distribution

圖16 UTCI曲線Fig.16 UTCI curves

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

3.1 熱舒適評(píng)價(jià)模型建立

將模型中測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻微氣候參數(shù)作為熱舒適評(píng)價(jià)模型的自變量,UTCI作為因變量,使用MATLAB軟件基于最小二乘法做非線性擬合并建立預(yù)測(cè)模型,如式(6)所示。

YUTCI=-4.279+0.773x1+0.070x2-1.816x3-
0.001x4+0.311x5,R2=0.999

(6)

式(6)中:x1為空氣溫度, ℃;x2為相對(duì)濕度,%;x3為空氣流速,m/s;x4為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,W/m2;x5為平均輻射溫度, ℃。

殘差圖如圖17所示,標(biāo)準(zhǔn)化殘差為0.983,說(shuō)明數(shù)據(jù)符合回歸分析要求。通過(guò)F檢驗(yàn)可知,式(4)顯著性水平為0,小于0.05,說(shuō)明在95%置信水平下,回歸分析具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

紅線表示殘差離群點(diǎn)圖17 殘差分布圖Fig.17 Distribution of residuals

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行斯皮爾曼spearman相關(guān)性及顯著性分析如表4所示,P<0.05時(shí)顯著拒絕原假設(shè),空氣溫度和平均輻射溫度影響熱舒適指標(biāo)的程度最大,且空氣溫度和平均輻射溫度對(duì)其為正影響。UTCI維持在0～26 ℃(中等熱應(yīng)力等級(jí))時(shí)人體處于熱舒適環(huán)境,說(shuō)明當(dāng)空氣溫度和平均輻射溫度較低時(shí)的室外環(huán)境更有利于人們活動(dòng),設(shè)計(jì)擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)為選擇空氣溫度和平均輻射溫度較低的方案。

表4 因變量與自變量的相關(guān)性及顯著性分析

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行微氣候數(shù)值模擬,并提取15:00時(shí)刻空氣溫度和平均輻射溫度,得到9組方案的模擬結(jié)果。因變量為空氣溫度正交分析結(jié)果如表5、表6所示,W、A和S主體間效應(yīng)顯著性存在一定差異,A的顯著性較明顯,其P=0.979,所以三因素對(duì)空氣溫度的影響程度為A>W>S。水平W1、A1和S3的均值在其各自因素里最小,分別為29.328、29.304和29.336,所以對(duì)于空氣溫度這一指標(biāo),最優(yōu)的景觀指標(biāo)組合為W1A1S3。

表5 因素W、A、S對(duì)空氣溫度的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

表6 因素W、A、S對(duì)空氣溫度影響的估算邊際均值

同理,以平均輻射溫度為因變量的正交分析結(jié)果如表7、表8所示,A的顯著性較明顯,其P=0.617,W的P小于S,所以三因素對(duì)空氣溫度的影響程度為A>W>S。且對(duì)于平均輻射溫度這一指標(biāo),最優(yōu)的景觀指標(biāo)組合為W1A1S3。

表7 單因素W、A、S對(duì)平均輻射溫度的主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

表8 單因素W、A、S對(duì)平均輻射溫度影響的估算邊際均值

綜上所述,綠化形式對(duì)空氣溫度和平均輻射溫度貢獻(xiàn)度為植物排布形式A>步道高寬比W>喬木冠層尺寸S,且最優(yōu)化方案是W1A1S3,即步道高寬比為1.0,植物排布形式為兩側(cè)復(fù)合式綠化,喬木冠層尺寸為9 m。

根據(jù)優(yōu)化方案利用軟件對(duì)微氣候進(jìn)行模擬,得到空氣溫度和平均輻射溫度曲線如圖18所示,與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相比,優(yōu)化方案使空氣溫度降低0.131 ℃,平均輻射溫度降低2.717 ℃。此外,植物排布形式對(duì)于熱舒適指標(biāo)影響最大,步道高寬比次之,喬木冠層尺寸影響最小,所以應(yīng)著重關(guān)注植被的結(jié)構(gòu)形式,并結(jié)合步道高寬比對(duì)藍(lán)綠空間進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

圖18 空氣溫度與平均輻射溫度曲線Fig.18 Air temperature vs. average radiation temperature curve

4 結(jié)論

(1)步道高寬比和喬木冠層尺寸對(duì)周?chē)h(huán)境微氣候有顯著影響。步道高寬比越大,增濕降溫效果越強(qiáng)。喬木冠層調(diào)節(jié)環(huán)境濕度效果不顯著,但喬木冠層尺寸越小,其調(diào)節(jié)空氣溫度能力越強(qiáng)。

(2)植物排布形式對(duì)周?chē)h(huán)境微氣候有顯著影響,且對(duì)湖泊中心的空氣流速有明顯調(diào)節(jié)作用。兩側(cè)復(fù)合式綠化步道降溫效果最優(yōu),為0.093 ℃,但會(huì)降低周?chē)h(huán)境空氣流速。3種植物排布形式在夏季均可起到減濕作用,其中兩行開(kāi)敞型綠化排布減濕效果最優(yōu)。

(3)步道高寬比、植物排布形式和喬木冠層尺寸對(duì)UTCI指標(biāo)影響有明顯差異。步道高寬比或步道喬木冠層尺寸過(guò)大或過(guò)小,都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的UTCI值增大,不利于人們出行。兩側(cè)復(fù)合式綠化布局步道降溫效果最優(yōu),兩行開(kāi)敞型最差。

(4)將實(shí)際模型中各測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和平均輻射溫度作為熱舒適評(píng)價(jià)模型的自變量,對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)UTCI作為因變量,建立基于綠化形式的熱舒適評(píng)價(jià)模型,模型表明平均輻射溫度和空氣溫度對(duì)室外熱舒適調(diào)節(jié)作用顯著。

(5)綠化形式對(duì)空氣溫度和平均輻射溫度貢獻(xiàn)度大小關(guān)系為植物排布形式>步道高寬比>喬木冠層尺寸,且當(dāng)步道高寬比為1.0,植物排布形式為兩側(cè)復(fù)合式綠化,喬木冠層尺寸為9 m時(shí),濱湖步道微氣候最優(yōu)。