廣州地區(qū)典型綠化喬木降溫增濕效應(yīng)研究

李江波 翟志宏 李海燕 鄧燕 陳思豪 王憶嫻 丁云飛

1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006

2 廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心，廣州 511430

1 引言

2022 年城市人口數(shù)量約為42 億，約占世界總?cè)丝诘?2.5%。據(jù)聯(lián)合國預(yù)測2030 年世界人口總數(shù)將達(dá)到85 億人，其中城市人口占比達(dá)到60%（Dorling,2021;Li et al.,2021）。城市規(guī)模的擴(kuò)張使城區(qū)近地面的物質(zhì)和能量平衡產(chǎn)生了極大的改變，形成了城市特有的氣候（Tam et al.,2015）。在全球溫度升高和快速城市化雙核驅(qū)動的背景下城市熱島效應(yīng)愈發(fā)明顯，城市熱環(huán)境已成為主導(dǎo)城市生態(tài)環(huán)境的要素之一（Jiang et al.,2021;汪軍能等,2022）。2022 年7 月廣州市經(jīng)歷了71 年來最長高溫過程（https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_19130743.[2023-06-09] ），類似高溫天氣在未來可能更加頻繁出現(xiàn)（司鵬等,2021），做好城市設(shè)計與城市氣候變化之間的協(xié)同效應(yīng)，對于緩解城市熱島和改善居民的熱環(huán)境意義重大（Akbari,2002;Strohbach et al.,2013）。

現(xiàn)有城市地區(qū)的措施主要有使用高反照率路面，透水路面和增加綠地，其中城市綠地的規(guī)劃設(shè)計對緩解熱島現(xiàn)象非常明顯，因?yàn)橹脖豢梢酝瑫r降低顯熱并增加進(jìn)入大氣的潛熱通量（崔鳳嬌等,2020;卞韜等,2023）。在城市路邊、公園、居住小區(qū)種植綠化樹可有效降低綠地及周邊溫度（趙曉龍等,2016;許敏等,2020;鐘秀惠等,2022），Cohen et al.（2012）探討了以色列特拉維夫在不同植被覆蓋的各種城市公園的氣候條件，結(jié)果表明，在夏季樹冠茂密的城市公園最大可降溫3.8°C，冬季最大可降溫2°C。Ca et al.（1998）通過實(shí)地測量日本東京城區(qū)公園內(nèi)和周邊地區(qū)多個地點(diǎn)的氣溫、相對濕度和其他氣象要素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)氣溫比周邊商業(yè)區(qū)低2.0°C。

在城市地區(qū)進(jìn)行綠化時，由于城市綠化空間有限，如何優(yōu)化植被的空間布局以提高降溫效果是城市規(guī)劃者要著重考慮的。何介南等（2011）實(shí)地觀測長沙市4 種典型綠地類型的樣地及其相鄰裸地的溫濕度，結(jié)果表明喬木林、喬灌草、灌叢和草地的溫度變化指數(shù)依次降低，降低城市熱島強(qiáng)度的能力不一樣。Rahman et al.（2015）測試了英國曼徹斯特8 條街道的樹木生長特性及降溫效果，發(fā)現(xiàn)生長較快的樹種葉面積指數(shù)（Leaf Area Index,LAI）較高，能產(chǎn)生更多冷卻作用，豆梨（Pyruscalleryana）和山楂（Crataeguslaevigata）的降溫能力是臘梅（Prunusumineko）和山梨（Sorbusarnoldiana）的3～4 倍。Morakinyo et al.（2013）實(shí)測了建筑周圍遮陽樹對建筑室內(nèi)外的氣溫影響，結(jié)果表明，無遮陽建筑的室內(nèi)外溫差峰值為5.4°C，而有遮陽樹的建筑則不超過2.4°C。秦仲等（2016）實(shí)測了北京園林5 種植物群落夏季的降溫增濕作用，結(jié)果表明5 種植物群落的溫濕度在24 h 中均呈現(xiàn)出“單峰型”的變化規(guī)律，不同植物群落對其內(nèi)部日均降溫3.0～4.3°C，日均增濕10.2%～12.8%。宋麗華等（2011）實(shí)測了銀川市5 種城市綠化樹樹冠下、空曠地的空氣溫度和濕度，并比較了不同綠化樹的降溫和增濕能力。于雅鑫等（2013）實(shí)測了12 種木蘭科喬木的光合速率、蒸騰速率和葉面積指數(shù)，量化分析各樹種單位土地面積的固碳釋氧和降溫增濕能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)落葉喬木的固碳釋氧和降溫增濕能力比常綠喬木好。以往研究大多從實(shí)驗(yàn)手段去分析，這限制了諸如樹木幾何形態(tài)，樹種等參數(shù)的多樣化，且實(shí)驗(yàn)在不同地點(diǎn)展開局限了結(jié)論的適用性。

ENVI-met 基于流體動力學(xué)和熱力學(xué)的基本定律，可以模擬空氣、土壤溫濕度、風(fēng)速和風(fēng)向、輻射通量等主要?dú)夂蜃兞康娜兆兓?，具有?.5～5 m的典型水平分辨率和1～5 s 的時間步長（Bruse and Fleer,1998）。陳卓倫（2010）對綠地面積和植被布局對微環(huán)境的影響進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，綠地面積增加10%，表面溫度可降低2.0°C。Zhang et al.（2018）通過模擬研究武漢市植被對住宅熱環(huán)境的影響發(fā)現(xiàn)植被對熱環(huán)境的影響與樹的排列、葉面積指數(shù)、冠幅和樹高有關(guān)。Tsoka et al.（2021）以葉面積密度（Leaf Area Density,LAD）為基準(zhǔn)，建立了接近實(shí)際樹形的模型，評估了希臘塞薩洛尼基城市密集區(qū)的城市綠化對降低環(huán)境空氣溫度的潛力，結(jié)果表明行道樹的高度對降溫潛力影響很大。劉之欣等（2018b）建立了廣州地區(qū)常見的綠化喬木植物模型，通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了濕熱氣候下喬木的生理指標(biāo)和熱表現(xiàn)。利用模擬工具可以計算出不同樹種對微氣候的影響，這減少了大量的實(shí)驗(yàn)工作量，且可進(jìn)行更多參數(shù)的研究，而以往的研究大多關(guān)注的是綠化量的多少對環(huán)境氣溫和濕度的影響，或者植被采用的是一種單一的代表性植被進(jìn)行綠化量計算，沒有考慮樹種多樣性對植物群落降溫增濕的影響，而分析不同樹種的實(shí)體形態(tài)和群落疊加效果對微環(huán)境的影響具有重要意義。

針對以上不足，本文對樹木的幾何形態(tài)和生理參數(shù)進(jìn)行建模，分析不同樹木的降溫增濕作用，量化單株喬木單位土地面積的降溫增濕能力，依靠仿真模擬的方法分析植被在微氣候中的調(diào)節(jié)作用。以廣州某校園公寓小區(qū)微氣候?yàn)榉治鰧ο螅V州地區(qū)6 種常見綠化喬木模型，分析單株喬木的降溫效益以及植被群落對環(huán)境的降溫增濕作用，分析不同植物群落的降溫增濕效果，解析喬木降溫增濕能力的主要決定因素及微氣候的分布特征，以期為綠地規(guī)劃設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 研究方法

本文對廣州市典型綠化喬木的熱環(huán)境影響進(jìn)行評估，通過合理的樹種搭配和空間配置來緩解微氣候熱島效應(yīng)，研究方法主要由3 部分組成：第一步，現(xiàn)場測量和ENVI-met 校準(zhǔn)，利用現(xiàn)場測量的溫度和相對濕度數(shù)據(jù)對模型建立及參數(shù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，確定精度較高的數(shù)值模擬方法。第二步，根據(jù)廣州市典型綠化植被的生理參數(shù)建立植物模型，分析不同樹種對熱環(huán)境及下墊面熱通量的影響。第三步，采用經(jīng)過驗(yàn)證的模擬方法對典型小區(qū)進(jìn)行樹種空間配置的室外熱環(huán)境模擬，研究緩解微氣候熱島現(xiàn)象的植被參數(shù)及配置方式。

2.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)在廣州市番禺區(qū)進(jìn)行。廣州市位于（23°07′N，113°15′E），是我國濕熱地區(qū)典型城市，夏季高溫高濕，7 月平均氣溫28.9°C，相對濕度79%。測試地點(diǎn)（如圖1）為廣州某大學(xué)校園（240 m×180 m），測試時間為2022 年7 月14日07:00（北京時間，下同）至18:00。實(shí)驗(yàn)測量區(qū)域包含建筑及多種下墊面類型，可以很好地體現(xiàn)ENVI-met 對各種復(fù)雜下墊面的微氣候模擬，各測點(diǎn)布置如圖1 所示。每隔1 分鐘記錄各測點(diǎn)位置的空氣溫度、相對濕度、太陽輻射及風(fēng)速，所用儀器及參數(shù)見表1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場及測點(diǎn)布置圖Fig.1 Experimental site and measurement point layout

表1 參數(shù)測量儀器Table 1 Parameter measurement instruments

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際配置用ENVI-met 進(jìn)行建模，模型如圖2 所示。模型輸入信息參考文獻(xiàn)（Yang et al.,2013），具體參數(shù)見表2 所示，氣象參數(shù)以實(shí)測區(qū)域10 m 高度處結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，時間從7 月13 日20:00 開始，模型共運(yùn)行28 h 取24 h 的數(shù)據(jù)結(jié)果用于和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比較分析。

圖2 試驗(yàn)區(qū)域仿真三維模型Fig.2 Simulated 3D model of the test area

表2 模型輸入信息Table 2 Model input information

為了衡量模擬值與實(shí)測值之間的偏差，本研究選取均方根誤差（Root-Mean-Square Error,RMSE）作為評價指標(biāo)（Wang and Lu,2018;耿紅凱等,2020）。RMSE 又稱作標(biāo)準(zhǔn)誤差，是統(tǒng)計學(xué)中常用的分析指標(biāo)之一，其計算如下：

其中，N為所有模擬值的數(shù)量，yai為軟件模擬值，yti為與之對應(yīng)的實(shí)測值。RMSE 較小，意味著模擬值接近實(shí)測值，表明所建立的模型精度較好。

表3 是10 個位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和模擬值進(jìn)行比較分析，可以發(fā)現(xiàn)，其中溫度的線性擬合優(yōu)度R2為0.79～0.98，相對濕度的R2為0.67～0.86。相對濕度實(shí)測值和模擬值的RMSE 小于5.65%，模擬誤差在10% 以內(nèi)。對比52 項(xiàng)研究（Tsoka et al.,2018）中溫度的RMSE的中位數(shù)為1.51°C，R2的中位數(shù)為0.92，相對濕度RMSE 的范圍在2.04%～10.20% 之間。通過以上不同測點(diǎn)的結(jié)果分析可以看出，本研究中建立的微氣候模型關(guān)于室外溫濕度的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果吻合，室外微氣候建模方法具有較高的精度，可進(jìn)一步用于模擬和探索不同植被參數(shù)及空間配置工況下的室外微氣候。

表3 室外溫濕度觀測值和ENVI-met 仿真結(jié)果比較Table 3 Comparison of outdoor temperature and humidity and ENVI-met simulation results

2.3 植物模型建立

在研究建筑群內(nèi)景觀設(shè)計對區(qū)域微氣候的影響時很難實(shí)現(xiàn)不同工況的現(xiàn)場實(shí)測實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬建立不同植被模型可解決這一問題。研究不同植被的微氣候影響效應(yīng)時植被的建模至關(guān)重要，ENVI-met是研究植被對熱環(huán)境影響廣泛使用的模型之一。本文也用ENVI-met 對廣州地區(qū)植被進(jìn)行建模。劉之欣等（2018a,2018b）通過實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)證了多種廣州地區(qū)常用的喬木植被，本文建立的植被模型用他們的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。植被模型建立分兩步進(jìn)行，第一步，根據(jù)Lalic and Mihailovic（2004）方法計算獲得建模所需要的模型樹不同高度處的LAD 值（Lalic and Mihailovic,2004）；第二步，在Albero中植被建模需要輸入樹冠形態(tài)、葉片屬性和根系3類參數(shù)，根據(jù)計算的LAD 結(jié)果設(shè)置植物的樹冠形態(tài)，葉片屬性、根系保持默認(rèn)設(shè)置（Simon et al.,2020）。LAI 和LAD 的計算公式如下：

其中，h為樹的高度（單位：m）；Lm為最大葉面積密度（單位：m2/m3）；zm是LAD 最大時樹冠的高度（單位：m），z是LAD 值時樹的高度（單位：m），n為根據(jù)多個實(shí)測數(shù)據(jù)得到的最優(yōu)修正系數(shù)。根據(jù)上述植被建模方法選取6 個代表樹種——芒果Mangiferaindica、白千層Melaleuca leucadendron、臘腸樹Cassiafistula、小葉欖仁Terminaliamantaly、蒲桃Syzygiumjambos、細(xì)葉榕Ficusmacrocarpa。表4 列出了各喬木的建模參數(shù)（劉之欣等,2018a,2018b）。

2.4 分析案例

現(xiàn)場實(shí)測難以全面刻畫植被種類及空間配置等參數(shù)對建筑群熱環(huán)境的影響，為了研究不同樹種的實(shí)體形態(tài)及群落的空間配置對熱環(huán)境的影響，本文采用ENVI-met 進(jìn)行仿真研究。以廣州市現(xiàn)場測量附近的校園學(xué)生公寓小區(qū)為例，進(jìn)行不同工況的模擬研究。該模型區(qū)域?yàn)?20 m × 350 m，網(wǎng)格設(shè)置為210 × 175，分辨率為2 m，住宅建筑高度范圍為20～25 m，垂直網(wǎng)格2 m 以下設(shè)置5 個網(wǎng)格，25 m 以上設(shè)置10%的彈性網(wǎng)格，高度方向共設(shè)置34 個網(wǎng)格。模型模擬氣象參數(shù)利用2022 年7 月14 日實(shí)測數(shù)據(jù)，其他設(shè)置和驗(yàn)證模型保持一致。

本研究中不同樹種選擇時研究區(qū)域的住宅區(qū)面積均為30%，在所有案例情況下建筑材料均和現(xiàn)場測量區(qū)域建筑建模參數(shù)一致，因此研究可以只關(guān)注基于區(qū)域中樹種幾何形態(tài)及空間配置對熱環(huán)境的影響。建立6 種喬木模型，根據(jù)現(xiàn)場綠化情況依次替換6 種喬木，探究喬木的實(shí)體形態(tài)對熱環(huán)境的影響（C-XX），加上基準(zhǔn)的案例（無植被，C-BC），共7 個案例，信息匯總見圖3。

圖3 研究區(qū)域（a）衛(wèi)星圖、（b）建筑模型和（c）綠化模型Fig.3 (a) Satellite map,(b) building model,and (c) greenery model of the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 單株喬木對周邊區(qū)域的熱影響

植物對周邊區(qū)域的熱環(huán)境調(diào)節(jié)作用根據(jù)其植物生理屬性及幾何形態(tài)有所差異，本文對建立的6 種廣州地區(qū)常見綠化植被對其周邊環(huán)境的降溫效益進(jìn)行模擬研究，研究區(qū)域無其他建筑和植被影響，在空曠自然土壤種植單株建立的綠化樹，分析每株植被對其周邊100 m2（10 m×10 m）的熱環(huán)境影響。

圖4 為12:00 喬木下方地面釋放的顯熱通量，植被正下方因喬木冠層密度和冠幅的差異，地面吸收的輻射得熱差異較大。在植被遮擋較少的區(qū)域地面均有60～100 W/m2的顯熱散熱來加熱附近的空氣，且在植被的迎風(fēng)方向下墊面的顯熱散熱效果更加強(qiáng)烈。細(xì)葉榕（FM）的影響范圍最大，植被正下方下墊面的顯熱通量最大接近210 W/m2，降溫效果最明顯，白千層（ML）和臘腸樹（CF）的影響范圍接近，但白千層（ML）的降溫能力更強(qiáng)，植被正下方下墊面顯熱通量最大接近200 W/m2，而臘腸樹（CF）的最大值約170 W/m2，芒果（MI）和蒲桃（SJ）的植被正下方的降溫能力接近，但蒲桃（SJ）的影響范圍稍大一點(diǎn)，小葉欖仁（TM）的降溫能力和影響范圍最小。

圖4 廣州市某校園2022 年7 月21 日12:00（a）芒果Mangifera india（MI）、（b）白千層Melaleuca Leucadendron（ML）、（c）臘腸樹Cassia fistula（CF）、（d）小葉欖仁Terminalia mantaly（TM）、（e）蒲桃Syzygium jambos（SJ）、（f）細(xì)葉榕Ficus macrocarpa（FM）下方地面釋放的顯熱通量Fig.4 Sensible heat fluxes released from the ground beneath vegetation (a) Mangifera indica (MI),(b) Melaleuca Leucadendron (ML),(c) Cassia fistula (CF),(d) Terminalia mantaly (TM),(e) Syzygium jambos (SJ),and (f) Terminalia mantaly (FM) at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

圖5a 為6 種植被下方和無植被情況下地面溫度在06:00 至19:00 時間段的變化曲線，可以看到7 種情況下地面溫度全天均在14:00 至16:00 左右呈“單峰型”變化，無植被情況下地面溫度從06:00（22°C）逐漸增加，且增幅越來越大，15:00（46°C）達(dá)到最大后逐漸降低。有植被時在09:00至12:00 會減緩地面溫度升溫，且不同植被減緩溫度上身時間相差很大，細(xì)葉榕（FM）在14:00 后地面才開始快速升溫，小葉欖仁（TM）下方地面升溫時間最早，不同植被下方地面最高溫度相差較大，細(xì)葉榕下方地面溫度最低，芒果（MI）和蒲桃（SJ）下方溫度其次，小葉欖仁（TM）下方地面溫度最高。

圖5 廣州市某校園2022 年7 月21 日12:00 植物群落及無植被區(qū)域（a）地面溫度、（b）地面濕度、（c）顯熱通量、（d）潛熱通量比較Fig.5 Comparisons of (a) surface temperature,(b) surface humidity,(c) sensible heat fluxes,and (d) latent heat fluxes of six plant clusters and unvegetated areas at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

圖5b 為植被下方和無植被時地面濕度的變化曲線，地面含濕量在上午持續(xù)增大，在12:00 左右達(dá)到最大值，06:00 至09:00 地面含濕量增加較快，植被的存在對含濕量增加影響較小，09:00 至12:00 植被存在會減緩地面含濕量的增加，在12:00 后地面溫度快速升高增加了地面的蒸發(fā)，地面濕度在13:00 至15:00 含濕量到達(dá)峰值，含濕量受溫度影響，不同植被下方含濕量的大小和地面溫度規(guī)律接近。

圖5c 為地面的顯熱通量比較，在無植被（C-BC）情況下地面吸收大量太陽輻射量升溫，進(jìn)而對環(huán)境產(chǎn)生較大的顯熱散熱，而植被的存在則減弱了太陽輻射對地面溫度的影響，地面的顯熱通量也隨之降低。植被下方地面顯熱通量在中午有較大變化，因?yàn)樘柛叨冉堑淖兓脖幌路降孛姹徽趽醢l(fā)生改變，當(dāng)植被冠幅無法遮擋下方地面時地面溫度升高較快，地面的顯熱通量增幅較大。細(xì)葉榕（FM）有較大的冠幅，其下方陰影較大，地面顯熱通量最小且持續(xù)低顯熱通量時間最久，芒果（MI）和蒲桃（SJ）的葉面積指數(shù)較大，太陽透過率較低，其下方地面也相對較低，顯熱通量和細(xì)葉榕（FM）較接近但其持續(xù)低顯熱通量時間要少，小葉欖仁（TM）因?yàn)檩^低的葉面積指數(shù)和冠幅，其下方地面顯熱通量全時間段均相對較大，對于植被周邊的溫度調(diào)節(jié)能力較弱。

圖5d 為地面潛熱通量的比較，潛熱通量的變化規(guī)律和地面濕度的趨勢一致，在06:00 至12:00潛熱通量逐漸增大，地面溫度增加導(dǎo)致水分蒸發(fā)加強(qiáng)，而在09:00 至12:00 植被的存在減緩了地面溫度的增加，潛熱通量出現(xiàn)降低現(xiàn)象，在地面溫度快速上升后，潛熱通量也隨之快速增加。無植被存在時地面潛熱通量全天變化是簡單的拋物線型，而植被的存在會影響植被下方地面濕度的分布，潛熱通量峰值比無植被時更高，最大值會遲滯2 h 左右。

3.2 不同植物群落內(nèi)部降溫作用比較

圖6 為12:00 6 種植被在研究區(qū)域種植時相比無植被時的溫度降低云圖，太陽輻射對室外環(huán)境的熱影響逐漸增強(qiáng)，在12:00 6 種植被布局案例已經(jīng)有較大差異。建筑區(qū)域周邊因?yàn)闆]有植被和建筑的遮擋，空氣溫度較高，而在建筑群內(nèi)部因?yàn)榻ㄖ椭脖粚μ栞椛涞臏p弱以及植被的蒸騰散熱，建筑群內(nèi)部空氣溫度從東南側(cè)進(jìn)風(fēng)方向溫度逐漸降低，尤其在北側(cè)建筑外圍的植被區(qū)域，人行高度處溫度相比進(jìn)風(fēng)溫度降幅較大。從云圖分布結(jié)果可以看出植被在正午時分可以降低人行高度處溫度最大約1.5°C，白千層的降溫效果最好，研究區(qū)域大部分區(qū)域溫度降低超1°C。細(xì)葉榕和臘腸樹的降溫效果次之，芒果、蒲桃、小葉欖仁的降溫效果較差，小葉欖仁的冠幅較小，種植較密集，但其葉面積指數(shù)較低，對太陽輻射的遮擋和蒸散作用均偏低，群落的降溫效果最差。從樹種幾何形態(tài)看，樹高對植被降溫影響很大，植被在10 m 以上時在白天有較好的降溫效果，而低矮植被的冠幅較低會阻礙空氣流通，建筑內(nèi)熱空氣阻滯進(jìn)而在內(nèi)部惡化，形成局部高溫現(xiàn)象。

圖6 廣州市某校園2022 年7 月21 日12:00（a）MI、（b）ML、（c）CF、（d）TM、（e）SJ、（f）FM 相比無植被時降溫分布云圖Fig.6 Cloud map of cooling distribution within (a) MI,(b) ML,(c) CF,(d) TM,(e) SJ,and (f) FM at 1200 on 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

圖7 所示為7 種案例正午時分研究區(qū)域的溫度比較，種植芒果、蒲桃、小葉欖仁時研究區(qū)域人行高度處的溫度和無植被時相差不大，平均溫度分別為32.7°C、32.7°C、32.8°C，種植小葉欖仁的平均溫度最高，細(xì)葉榕和臘腸樹的降溫效果接近，在全區(qū)域上細(xì)葉榕（FM）的降溫效果更好，主要是因?yàn)榧?xì)葉榕的冠幅更大可以形成更大的陰影，植物群落的綜合疊加降溫效應(yīng)更好，種植白千層的平均溫度最低為32.1°C，樹高越高其降溫能力越強(qiáng)，最低溫度相比無植被時低約1°C。

圖7 廣州市某校園2022 年7 月21 日12:00 植物群落及無植被區(qū)域（C-BC）溫度Fig.7 Temperature of six plant clusters and unvegetated area (C-BC)at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

圖8 比較了研究區(qū)域12 個位置在不同植被布局時的降溫大小，在建筑間的樹下A 和C 區(qū)域溫度降低較大，下風(fēng)區(qū)域（A）的降溫效果更好。樹種的實(shí)體形態(tài)差異導(dǎo)致6 種植物群落的降溫效應(yīng)差異，植被高度10 m 以上時降溫效果增加明顯，而低矮植被反而會在群落內(nèi)部造成局部溫升現(xiàn)象，白千層的降溫強(qiáng)度相比低矮喬木高出約1°C，植被的冠幅和樹高的綜合影響決定了植被的降溫能力大小。

圖8 廣州市某校園2022 年7 月21 日12:0012 個監(jiān)測點(diǎn)在不同植被布局時的降溫作用Fig.8 Cooling effect of the 12 monitoring point under different plant clusters at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

3.3 不同植物群落內(nèi)部增濕作用比較

圖9 為6 種植被在研究區(qū)域種植時相比無植被時的相對濕度變化云圖，植被在中午均有一定的增濕能力，芒果、蒲桃、小葉欖仁、細(xì)葉榕幾種植被群落的增濕能力接近，在植被下方平均增濕2%左右。植被群落通過葉片的光合作用在白天蒸散出的水汽進(jìn)一步增大樹下的相對濕度，且冠幅越大葉面積越大，一方面產(chǎn)生更多的蒸散水汽，另一方面樹下水汽越不易擴(kuò)散，所以樹高較高的白千層和臘腸樹的增濕能力最強(qiáng)。在研究區(qū)域下風(fēng)方向的樓間樹下人行高度處均有明顯的濕度增加，此區(qū)域空氣流通較差，受上風(fēng)方向的空氣濕度影響較小，且種植了密集的植被，植被及土壤的蒸散水汽得以較好地對空氣增濕。

圖9 廣州市某校園2022 年7 月21 日12:00 植物群落內(nèi)部（a）芒果、（b）白千層、（c）臘腸樹、（d）小葉欖仁、（e）蒲桃、（f）細(xì)葉榕增濕分布云圖Fig.9 Cloud maps of the humidification distribution within the plant clusters (a) Mangifera indica,(b) Melaleuca leucadendron,(c) Cassia fistula,(d) Terminalia mantaly,(e) Syzygium jambos,(f) and Terminalia mantaly at 1200 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

圖10 為研究區(qū)域不同植被群落時的相對濕度比較，種植芒果、蒲桃、小葉欖仁、細(xì)葉榕、臘腸樹、白千層植被群落時研究區(qū)域平均相對濕度為63.2%、63.4%、63%、64.7%、64.7%和68%，與無植被（63.1%）相比分別增加0.1%、0.3%、-0.1%、1.6%、1.6%、4.9%，植被的增濕能力隨著其高度的增加而增加，白千層的增濕效果最好，在局部區(qū)域相對濕度增加約10%，相比低矮喬木增濕強(qiáng)度高出約5%。圖11 顯示了在研究區(qū)域12 個監(jiān)測點(diǎn)的增濕差異較大，在建筑間植被下方（A 區(qū)和C 區(qū)）增濕比建筑圍合（B 區(qū)）高，下風(fēng)方向（A-1、C-1）的增濕效果比迎風(fēng)方向（A-4、C-4）要高約7%，表明植被對進(jìn)入研究區(qū)域的空氣有一個增濕效果。

圖10 同圖7，但為相對濕度Fig.10 Same as Fig.7,but for relative humidity

圖11 同圖8，但為增濕作用Fig.11 Same as Fig.8,but for humidification effect

4 結(jié)論與討論

樹木的遮蔭可以通過樹葉和樹枝的反射和攔截來去除大量入射的太陽輻射，這可以同時降低空氣溫度和地面溫度（Shashua-Bar et al.,2010;De Abreu-Harbich et al.,2012）。本研究中建立的6 種樹木在白天時間段單株樹木下方及周邊小范圍的空氣溫度和地面溫度也反映了樹木的幾何形態(tài)及葉面積指數(shù)對微氣候的調(diào)節(jié)作用，本研究中白千層的在局部區(qū)域的降溫效果達(dá)到1.2°C，和秦仲等（2016）中的結(jié)果較接近。樹木的遮擋會緩解地面溫度的升溫，在樹木遮擋效果較好的時候地面溫度上升很緩慢，而在午后隨著太陽高度角的變化，遮擋面積逐漸減小，地面溫度開始快速上升，喬木單株對周圍環(huán)境的影響相差較大，植被下方與無植被的裸露下墊面相比地面溫度最大相差約10°C，12:00 后地表熱通量迅速增加由負(fù)轉(zhuǎn)正，造成空氣溫度升高，植被的存在可降低地表顯熱通量，改善區(qū)域熱環(huán)境及舒適性。

植物群落的降溫增濕作用受樹高影響較大，10 m以上的喬木的降溫增濕作用相比低矮喬木，降溫強(qiáng)度高出約1°C，增濕強(qiáng)度高約5%。喬木下方平均增濕2%左右，植物群落的增濕能力隨著喬木高度的增加而增加，白千層群落的增濕效果最好，在住宅區(qū)增濕效果與風(fēng)向有關(guān)，下風(fēng)方向的增濕效果比迎風(fēng)方向要高約7%。本研究中植物群落的排列方式根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況建模，樹木種植設(shè)計是影響熱效應(yīng)的另一個重要因素，綠化率接近但種植排列方式不同，由于風(fēng)速、風(fēng)向和遮陽效果的差異會產(chǎn)生截然不同的微氣候，在對植物建模和固定種植模式的基礎(chǔ)上可以探索不同植被多種組合配置時的降溫增濕研究。

由于樹木的巨大影響，越來越多的景觀設(shè)計師希望正確的方式種植樹木（樹種選擇、種植安排）以獲得更好的室外熱環(huán)境，滿足人們對居住室外環(huán)境的舒適性要求。未來可以在不同植被配置案例中根據(jù)模擬計算的溫度、濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)計算人體熱舒適度評價指標(biāo)，如通用熱舒適度指數(shù)、預(yù)測平均投票、生理等效溫度、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度等。

本文建立的植被模型單株及群落在住宅小區(qū)中的環(huán)境調(diào)節(jié)作用給城市規(guī)劃者提供了新的參考，如要求達(dá)到一定降溫效果時植被種類的選擇，可根據(jù)模擬的單株植被下方地面的顯熱通量確定合適的植被實(shí)體形態(tài)，選擇接近要求的植被進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，更科學(xué)的進(jìn)行綠化植被類型、數(shù)量和空間布局的參數(shù)選擇和設(shè)計。