福州高架橋下植物景觀空間微氣候舒適度評價

劉燕珍 陳 琳 許志敏 林 濤 陳安麗 何 侃 丁國昌

福建農林大學藝術園林學院 福州 350002

高架橋下空間作為城市公共空間的一部分，是人和車使用頻率較高的城市場所之一[1]。研究橋下空間的微氣候舒適度，可為城市居民塑造舒適的橋下活動場所[2]，提升橋下環境品質。目前關于高架橋橋下空間的研究在空間利用、空間景觀、植物造景方面較多[3-6]。Andreas Savvides[7]從城市規劃與項目概況出發論述了交通空間與其他城市功能結合的歷史和發展；黃啟堂[8]以層次分析法建立福州高架橋空間景觀評價的AHP模型；殷利華[9]通過研究高架橋對橋陰綠地自然采光的影響以及橋下植物的光合特性，總結橋陰綠地自然光環境分布規律并提出基于光環境的橋陰綠地景觀營建策略。目前關于高架橋方面的微氣候舒適度研究較少，僅有張志軒[10]通過測量熱濕環境數據分析武漢市不同區域4個典型的高架橋，并提出橋下空間環境改善的措施。

本次實驗的場地為福州市。福州是是典型的河口盆地，處于亞熱帶季風氣候區，夏熱冬暖；年平均氣溫18℃～22℃，最冷月1—2月，平均氣溫6℃～10℃，最熱月7—8月，平均氣溫33℃～37℃。因此，選取福州作為研究對象具有重要意義。本文主要通過對福州市橋下空間微氣候因子 (太陽輻射強度、空氣溫度、環境平均輻射溫度、相對濕度、風速)的實地測量，采用兩種舒適性指標分析不同植物群落結構對橋下空間微氣候舒適度的影響，得出橋下植物景觀空間舒適性指標的適宜性，為福州市高架橋橋下植物景觀空間的熱舒適環境提供評判依據。4座高架橋分別為五里亭立交橋、永豐樞紐、雙湖高架橋、橘園洲大橋建新互通。

1 研究對象

本研究以福州市市區的高架橋下空間為數據收集樣本，實驗時間為2019年6月3—6日連續4天的晴朗天氣日，選取的對象是復合型的高架橋[11]。樣本選取依據為蘆原義信 《外部空間設計》中提到的寬高比大于1的空間較開敞空闊，適宜人的戶外活動[12]。基于對福州市高架橋的走訪調查，發現福州高架橋橋下空間多為純植物綠化，且以交通通行為主，無法作為活動場所，最終篩選具有植物與硬質鋪裝結合、互通式立體交叉布局、橋下寬高比大于1且擁有活動空間的4座高架橋作為研究對象。4座高架橋分別為五里亭立交橋、永豐樞紐、雙湖高架橋、橘園洲大橋建新互通。

論文選取喬灌草、喬灌、喬草、灌草、草5種不同的橋下植物配置類型，測試物理環境數據。測量時，沿綠地中的樣地對角線設置觀測點，以樣地中心為原點，每5 m為一點到綠地邊緣設點；并設一個無綠地對照觀測點 (表1)。

表1 測點說明

2 研究方法

2.1 微氣候舒適度評價指標

本文選取常用的兩種評價指標研究植物景觀對橋下空間熱舒適度的影響。

2.1.1 WBGT指標

WBGT指標初衷是為減少美國軍隊戶外訓練的熱傷亡事故而提出[13]的，其在實際應用中存在局限性。本文擬采用董靚博士提出的WBGT平衡式計算微氣候舒適度值[14]。指標以不大于30為普遍舒適值，計算公式如下:

WBGT＝(0.8288Ta＋0.0613Tmr＋0.007377SR＋13.8297RH-8.7284)V-0.0551

上式中:Ta為空氣溫度(℃)；Tmr為環境平均輻射溫度(℃)；V為風速(m·s-1)；SR為太陽輻射強度(w·m-2)；RH為相對濕度(%)。

2.1.2 S指標 (綜合舒適度指數)

S指標選用陸鼎煌提出的 “綜合舒適度指數”評價，指標以不大于6.95為人體舒適指數，計算公式如下[15]:

上式中:T為空氣溫度 (℃)；RH為相對濕度 (%)；V為風速 (m·s-1)。

2.2 實驗儀器

儀器的選用與精度:NK-5400手持綜合氣象儀，風速 (風速精度±3%，分辨率0.1 m·s-1)；空氣溫度 (精度±0.5%，分辨率0.1℃)；環境輻射平均溫度 (精度±0.5%，分辨率0.1℃)；相對濕度 (精度±2%，分辨率0.1%RH)；太陽輻射強度測定采用TES-1333太陽輻射儀 (精度±5%，分辨率0.1 w·m-2)。實驗測試高度為1.5 m，與成人頭和頸部的高度接近[16]，每間隔一個小時測定，每10 min記錄1次，連續測定3次取平均值，測試時間為8∶00—18∶00。

3 數據分析

3.1 微氣候舒適度因子變化

3.1.1 熱環境

1)太陽輻射強度。圖1顯示，兩種遮蔭類型的測點空間太陽輻射強度總體變化趨勢類似，都隨著時間變化先升后降，但差異性較大，橋下全遮蔭點 (測點W1、J1、S1)一天當中最高強度僅在13∶00達到26.5 w·m-2左右，且始終處于低強度，差距不大；而橋下半遮蔭最高強度在13∶00已接近250 w·m-2，變化幅度較大。這說明炎熱的天氣，橋下全遮蔭空間能阻隔大部分的直射陽光，能顯著降低太陽輻射；而在半遮蔭空間中，喬木的植物類型 (測點W1、J1)受枝干分枝點高的影響，較草、灌草的植物類型 (測點S1)遮蔭效果明顯，能顯著降低太陽直射。

圖1 各測點太陽輻射強度注:W1、J1、S1為全遮蔭測點；W2、J2、 W3、S2、Y1為半遮蔭測點。

2)空氣溫度。圖2顯示，兩種遮蔭類型的空間測點差距較小，全遮蔭與半遮蔭空氣溫度幾乎同步變化，在8∶00—10∶00空氣溫度基本一致，在11∶00—18∶00出現小范圍的差異，差值大約在4℃左右。全遮蔭下受植物群落類型變化不明顯，僅在最高熱時段12∶00—14∶00，喬灌植物類型較喬草、草的植物群落低1℃左右；半遮蔭下各測點空氣溫度變化趨勢較一致，在12∶00—14∶00空氣溫度達到峰值，僅J2測點受太陽西斜時的影響較大，在16∶00出現波動。測點Y1的空氣溫度均高于其他測點，表明草地的群落 (測點Y1)無喬木遮擋，隨著太陽輻射強度的增加，太陽直射范圍增大，空氣溫度迅速上升。

圖2 各測點空氣溫度

3)環境平均輻射溫度。環境平均輻射溫度標志輻射熱環境中人或物體受輻射熱和對流熱綜合作用時，以溫度表示出來的實際感覺溫度，是一個綜合的溫度。整體來看，環境平均輻射溫度的變化與空氣溫度變化趨勢較一致，各測點中每個時段的環境平均輻射溫度均比空氣溫度高出約0.2℃～1.5℃左右 (圖3)。

圖3 各測點環境平均輻射溫度

3.1.2 濕環境

相對濕度的變化受太陽輻射及空氣溫度的直接或間接影響，與空氣溫度呈相反的變化趨勢。圖4顯示，全遮蔭測點中W1、J1相對濕度較S1大，在8∶00—11∶00差距較小，在最熱時段12∶00—15∶00差值逐漸增大，最大差值約30%左右，表明喬灌 (測點W1)、喬草 (測點J1)植物群落結構層次豐富，喬木樹種高大繁茂，綠化量大，相對濕度始終偏高；半遮蔭測點中變化差異較小，全天中喬灌草 (測點W2)、喬灌 (測點J2)、灌草 (測點W3)植物群落幾乎沒有差異，喬草 (測點S2)、草地 (測點Y1)植物類型在14∶00—18∶00與前者相差較大，差值在16%左右。以上表明，隨著太陽輻射的減弱、空氣溫度的下降，相對濕度逐漸增大，但受植物群落的影響，綠化量大、郁閉度高的植物群落相對濕度維持在一個較高的數值，波動幅度較綠量小、單一的群落結構要小。

圖4 各測點相對濕度

3.1.3風環境

圖5顯示，全遮蔭與半遮蔭空間的風速差距不大，兩種空間在早上8∶00—10∶00變化幾乎相同，只有較弱的風速，有的甚至接近無風狀態，在下午14∶00—18∶00風速逐漸增大，最大風速達到1.5 m·s-1。整體來看，風速的變化與群落結構相關性較弱，受季節性大氣候的影響較大。

圖5 各測點風速

3.1.4 兩種指標日變化特征

圖6、圖7顯示兩種指標的熱舒適度日變化趨勢基本一致，先上升后下降，但在16∶00—17∶00會有小高峰出現，這是由于太陽西斜，各測點接受陽光直射，在短時間內達到較高值。全遮蔭空間指標值普遍都比半遮蔭空間低，表明全遮蔭點舒適度優于半遮蔭點。

圖6 各測點WBGT指標

圖7 各測點S指標

就WBGT指標而言，全遮蔭空間在8∶00—9∶00以及18∶00處于舒適水平，其他時間段都處于 “熱”及 “炎熱”的狀態；半遮蔭空間所有測點全天幾乎都處于 “熱”及 “炎熱”狀態。全遮蔭點舒適值喬灌 (測點W1)＞喬草 (測點J1)＞草地 (測點S1)；在圖2中氣溫排序卻相反，表明植物群落結構越豐富，降溫效果越好。但測點的舒適度水平還與風速相關，由圖5可知，測點S1的風速普遍比W1、J1的風速高，說明在炎熱的天氣，一定的吹風感會削弱人的不適，使WBGT指標值減小，舒適感增加；半遮蔭測點指標值差異不大，僅Y1(草地)比其他群落值稍高些，這與群落結構單一有關。

以S指數的舒適水平衡量，各測點間全天的變化趨勢較WBGT指標差值更大，其中半遮蔭測點舒適指數從高到低依次為草地 (測點S1)＞喬草 (測點J1)＞喬灌 (測點W1)，全遮蔭測點舒適指數從高到低依次為草地 (測點Y1)＞喬草(測點S2) ＞灌草 (測點W3)，喬灌 (測點J2)，喬灌草 (測點W2)，表明植物群落結構越豐富，舒適度值越好。

3.2 兩種指標與微氣候因子的相關性分析

采用SPSS 25處理數據，運用典型相關分析法分析不同指標評價的高架橋下植物景觀空間微氣候因子之間的關系。不同指標評價的舒適度提取綜合變量V，微氣候因子提取綜合變量W。兩組典型變量的相關系數都具有統計學意義 (P＜0.05)，但第一對典型變量的相關系數0.995較大，比較充分地說明熱舒適性指標和微氣候因子之間的關系，所以只取第一對典型相關變量。

計算第一對典型相關變量V1和W1的典型相關系數，得出第一對典型相關變量:

V1＝＋0.027X1＋0.982X2

W1＝-0.004Y1＋0.785Y2＋0.122Y3-0.148Y4-0.086Y5

在V1的2個原始變量中，X2(S)的權數遠高于WBGT指標 (X1)，表明S指標對V1的影響較大。在W1的5個原始變量中，空氣溫度(Y2)、環境平均輻射溫度 (Y3)、相對濕度(Y4)的權數較高，表明空氣溫度 (Y2)、環境平均輻射溫度 (Y3)、相對濕度 (Y4)這3種微氣候因子對W1的影響較大。

如表2所示，從舒適指標的角度看，WBGT和S這兩種指標與太陽輻射強度 (Y1)、空氣溫度 (Y2)、環境平均輻射溫度 (Y3)均正相關，其中S(X2)與空氣溫度 (Y2)、環境平均輻射溫度 (Y3)的相關性大于WBGT指標 (X1)；兩種指標與相對濕度 (Y4)、風速 (Y5)均負相關，其中S(X2)與相對濕度 (Y4)相關性大于WBGT指標 (X1)。從微氣候因子的角度看，太陽輻射強度 (Y1)、空氣溫度 (Y2)、環境平均輻射溫度 (Y3)和各舒適指標的相關系數均相對較大且為正數，說明空氣溫度是舒適性正相關性最強的微氣候因子；相對濕度 (Y4)、風速(Y5)和各舒適指標的相關系數均為負數，說明相對濕度是與舒適性負相關最強的微氣候因子。

表2 不同指標與微氣候因子的相關系數

4 結論

植物景觀能有效地調節橋下空間的溫濕度，改善場地的熱舒適度。同等條件下，喬灌草、喬灌類的植物群落較灌草、草地的群落降溫增濕效果顯著，調節溫度差值在1℃～2℃，濕度差值在16%左右。建議在橋下空間高度及場地允許范圍內，盡可能用喬灌草的植物配置，有效降低溫度，減緩高溫帶來的不適感。

夏季，植物在降溫增濕的同時也會對場地中的風速起到緩沖作用，喬灌、喬草植物群落的全天風速低于草地；風速與人體舒適度的相關性最弱，但適當的風速能降低熱值，帶來涼意。全天中，下午的風速較早上大，同等溫度的情況下，舒適值在下午多風的時間段有顯著地降低趨勢。建議在橋下空間進行植物配置時設計一些通風廊道促進風速流動，提高人體的舒適度感受。

從對夏季舒適度改善效果看，全遮蔭測點對微氣候舒適度的調節優于半遮蔭測點。這是由于全遮蔭的測點空間阻隔了大部分的太陽直射，太陽輻射強度相對較低，氣溫前者較后者低1℃～2℃；在同等條件下，冠幅大、樹高的喬木植物類型可以較好地改善夏季戶外熱舒適度。

從不同舒適性指標與微氣候因子的相關性分析可知，舒適性指標與太陽輻射強度、空氣溫度、環境平均輻射溫度呈正相關，與相對濕度、風速呈負相關；S指標 (綜合舒適度指數)是較好的舒適性指標。

本研究主要針對不同舒適性指標評價下的福州橋下植物景觀空間微氣候舒適度進行研究，仍存在不足之處，如研究對象未涵蓋福州高架橋的全部空間類型，也未考慮橋體走向的差異對植物景觀空間的影響，未來會進一步完善。