植物景觀微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)研究

趙冬琪

（長春大學(xué)，吉林 長春 130000）

1 研究進(jìn)展

1.1 研究內(nèi)容和尺度

1.1.1 植物單體形態(tài)特征

針對單株植物的微尺度研究，一直是國外研究的熱點，將組成樹木的各個部分提取出來用于研究，更能揭示植物群落調(diào)節(jié)微氣候的內(nèi)在機(jī)理。對于單株喬木來說，植株高度、分枝高度、冠幅等物理特征在一定程度上影響著微氣候因子，而植物枝葉特征、分枝方式和樹冠形狀等形態(tài)特征是影響微氣候的最主要因素。早在1986 年，Heisler[1]就證明，枝葉密集的樹種降低太陽輻射的能力，除此之外，葉片質(zhì)感、顏色、厚度也會在一定程度上植物的降溫能力。馬秀枝[2]實測研究表明，分支點高的樹木的遮蔭作用要小。李孟柯[3]通過Sketch up 模型模擬以及實測研究，得出中央領(lǐng)導(dǎo)主干形態(tài)的落葉喬木透陽率最好，無中央領(lǐng)導(dǎo)主干的喬木次之，多領(lǐng)導(dǎo)主干的大喬木最次。

1.1.2 植物群落結(jié)構(gòu)特征

植物群落水平結(jié)構(gòu)與垂直結(jié)構(gòu)特征反映植物景觀在特定空間內(nèi)的數(shù)量、組合及排布，不同植物組成、種植密度和種植形式形成的群落空間特征不同，因此對城市氣候下太陽輻射、風(fēng)速、溫度、濕度的反應(yīng)產(chǎn)生差異，從而影響群落空間內(nèi)的微氣候舒適度。邱英浩等[4]探討了不同植栽配置情形對風(fēng)環(huán)境的影響，結(jié)果表明互植配置的擋風(fēng)成效要優(yōu)于對置配置。而植栽配置的行數(shù)越多，種植間距越小，擋風(fēng)效果越好。群落層次豐富度是描述群落垂直結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，Hardin P J 等人[5]經(jīng)實地測試證明植物群落層次越豐富，植物群落的降溫增濕效果和滯塵效果越好，而單層的灌木或草坪型綠地降溫效果欠佳。群落冠層結(jié)構(gòu)特征是近些年研究的重點，其中郁閉度、葉面積指數(shù)（LAD）是定量描述植物群落冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。姜宗香等對植物群落冠層特征的降溫增濕效應(yīng)進(jìn)行了實測研究，結(jié)果表明郁閉度和降溫、改善人體舒適度之間有顯著正相關(guān)，郁閉度和增濕之間沒有顯著相關(guān)性。

1.1.3 綠地形態(tài)與格局特征

Hardin P J 城市綠地改變了城市原有的下墊面屬性，緩解了熱島效應(yīng)的發(fā)生。綠地周邊區(qū)域溫度會受其影響而下降，影響的范圍與強(qiáng)度與綠地邊界的距離具有一定的相關(guān)性，同時也受綠地形狀、大小和空間布局的影響。綠地的大小、周長及其邊界的復(fù)雜性是衡量綠地形態(tài)特征的重要指標(biāo)。Dimoudia 經(jīng)模擬研究表明，公園的降溫增濕效果與公園面積大小呈正相關(guān)，公園面積越大，降溫增濕效果越好。陳朱等人研究表明，公園面積確實對公園的降溫增濕效果產(chǎn)生影響，但公園面積與溫度、濕度之間是否存在定量關(guān)系，還取決于公園的周邊環(huán)境情況。后續(xù)的研究表明，采用面積指標(biāo)衡量綠地的降溫能力，往往會忽視綠地的邊界特征，因此綠地的幾何形狀差異產(chǎn)生的溫度效應(yīng)更具有研究價值。

隨著遙感、衛(wèi)星等大數(shù)據(jù)方法普及后，綠地景觀格局特征的作用被重視起來。城市綠地景觀格局打破了原有的硬質(zhì)鋪裝下墊面格局，城市環(huán)境中綠地斑塊的平均面積越大、完整度指數(shù)越高，則降溫增濕作用越大。

1.2 研究方法

近幾年，圍繞城市開放綠地空間展開的植物微氣候效應(yīng)研究，在研究方法上也有所突破，從實地實測的數(shù)據(jù)分析，逐漸發(fā)展為基于群落空間三維模型開展的數(shù)值模擬研究。從數(shù)據(jù)分析的方法上看，也經(jīng)歷了從定性描述到定量分析的過程。

1.2.1 實地測量法

目前國內(nèi)針對植物景觀微氣候效應(yīng)的主要研究方法為實地觀測法，即借助Tseto、N962 等微氣候測量儀器獲取場地微氣候數(shù)據(jù)，該方法獲取數(shù)據(jù)快速且直觀，因此被廣泛應(yīng)用到小場地研究中。實地觀測法按照檢測方式又可分為定點測量法和移動觀測法。其中定點測量法是一種比較傳統(tǒng)簡單的實測方法，即在樣本場地中均勻分布或有規(guī)律的分布監(jiān)測點，以獲取對應(yīng)的微氣候數(shù)據(jù)。移動測量法則是在機(jī)動車或手推車上裝配數(shù)據(jù)采集和地理信息設(shè)備，在車輛勻速行駛的過程中快速采集微氣候和地理信息的一種測量方法，該方法獲取數(shù)據(jù)全面，廣泛用于城市街道、大型公園的微氣候研究中。通過實地測量方法獲取的微氣候數(shù)據(jù)，可以直接用以比較不同測定樣本的微氣候差異，分析影響植物景觀微氣候效應(yīng)的驅(qū)動機(jī)制。

1.2.2 數(shù)值模擬法

近年來，隨著計算機(jī)模擬性能的提高和模擬城市氣候模型技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法因具有節(jié)省人力、時間、實驗可反復(fù)操作校驗、獲取數(shù)據(jù)量大且全面等有點而逐漸成為城市微氣候效應(yīng)研究的又一重要工具。從1980 年左右，數(shù)值模擬方法在植物微氣候領(lǐng)域逐漸得到重視，1979 年美國普渡大學(xué)M. H. Halstead運用計算機(jī)對城市微氣候進(jìn)行了模擬研究，但是由于計算機(jī)計算能力有限，對氣候研究存在局限性。20 世紀(jì)80 年代末，數(shù)值模擬研究得到進(jìn)一步的發(fā)展，不過數(shù)值模型依然存在模擬盲區(qū)，不能對植被湍流、水蒸氣通量等因素進(jìn)行模擬。21 世紀(jì)至今，數(shù)值模擬內(nèi)容和模擬結(jié)果的精確性得到完善和提高，模擬指導(dǎo)設(shè)計的范圍逐步擴(kuò)大，指導(dǎo)綠化設(shè)計逐步成為現(xiàn)實。目前，適用于中小尺度下植物群落對于微氣候的影響研究主要應(yīng)用的數(shù)值模擬軟件計算流體力學(xué)CFD 模型和ENVI-met 等模型為主，均可以用于研究中小尺度的三維流場和溫度場。

2 國內(nèi)外研究趨勢分析

2.1 定量研究的發(fā)展

量化研究不僅體現(xiàn)在研究結(jié)果的數(shù)據(jù)化上，對研究內(nèi)容也是一個由定性描述到定量信息的過程，隨著國內(nèi)外量化研究的推進(jìn)，研究不再局限于對植物景觀特征的簡單描述，植物景觀特征的量化信息被提取出來，加上大量數(shù)理統(tǒng)計分析的方法的應(yīng)用，使植物景觀特征與微氣候因子之間的關(guān)系日漸明晰。

2.2 實地測量和數(shù)字模擬的協(xié)作

數(shù)值模擬軟件是目前植物景觀微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)研究的熱點方法，它雖然在某種程度上彌補了實測研究的不足，但卻不能夠取代實地測量這一傳統(tǒng)方法。實地測量方法的實驗場景具備真實性，而數(shù)值模擬創(chuàng)建的是虛擬的場景，無法對復(fù)雜的室外環(huán)境做出全方位的判斷和數(shù)據(jù)輸入。此外，數(shù)值模擬軟件中構(gòu)建模型場景的真實性和內(nèi)部參數(shù)運行的可靠性仍舊值得探究，大部分的數(shù)值模擬研究由于忽略掉自然中存在的影響因素，如云量、行人、車輛和下墊面等，獲得的數(shù)據(jù)會相對理想化。因此目前大部分的數(shù)值模擬研究都會以實地測量為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)值的校驗，保證輸入?yún)?shù)的可靠性和輸出參數(shù)的準(zhǔn)確性。兩種方法協(xié)同作用，數(shù)據(jù)之間相互校驗，保證了研究的可靠性。

2.3 風(fēng)景園林設(shè)計實踐的應(yīng)用

在各學(xué)科對植物景觀微氣候效應(yīng)基礎(chǔ)研究的推動下，20 世紀(jì)末風(fēng)景園林學(xué)科開始利用其相關(guān)基礎(chǔ)研究成果，集中探討城市微觀層面下如何建構(gòu)良好微氣候效應(yīng)的植物空間，在通過實地測量和數(shù)值模擬與量化分析的過程中，對風(fēng)景園林設(shè)計實踐提出相應(yīng)的解決策略和設(shè)計依據(jù)。如李國杰探討了步行街行道樹種類與種植形式對街道微氣候的影響，研究為寒地城市步行街道的行道樹樹種選擇提供理論依據(jù)。劉濱誼探討了濱水環(huán)境下植被空間結(jié)構(gòu)、群落郁閉度、灌木高度等要素對于濱水帶環(huán)境小氣候影響的環(huán)境物理規(guī)律，為濱水空間的植物種植提供設(shè)計依據(jù)。

3 國內(nèi)研究展望

國外在城市微氣候研究方面已經(jīng)取得不少成果，尤其是針對群落小尺度空間和植物單體方面的研究較為深入，而國內(nèi)研究集中在群落和綠地對城市小氣候的影響，缺少對植物形態(tài)和植物生理與小氣候效應(yīng)內(nèi)在聯(lián)系上的研究。

此外，國內(nèi)研究的空間載體仍舊局限于社區(qū)、街道、建筑外環(huán)境的綠化體系或者公園住區(qū)等整體綠化中；對于植物單體、植物群落、綠地等植物景觀的研究僅以植物為唯一的研究對象，往往忽略了植物所處空間環(huán)境的影響，包括建筑、水體、景觀構(gòu)筑物等。事實上植物、水體、建筑、鋪裝、地形之間的小氣候綜合效應(yīng)和他們各自小氣候效應(yīng)的相互關(guān)系及耦合作用需要通過測試、模擬等方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究，這樣才能在風(fēng)景園林設(shè)計實踐中，最大限度發(fā)揮景觀元素的微氣候調(diào)節(jié)功能。