熱帶城市典型棕櫚類與闊葉類喬木熱舒適效應對比*

徐 冉 何榮曉,2 陳 俊 司艷萍 闕靜菲

1 海南大學林學院 ?？?570228

2 熱帶特色林木花卉遺傳與種質創新教育部重點實驗室 ?？?570228

全球城市化進程中,地表覆蓋和建筑材質的改變以及人為的熱排放導致城市地區溫度高于郊區,形成熱島效應[1]。熱島效應會加劇全球變暖,損害人體健康,威脅人類生命[2-3]。城市綠化中的樹木可通過植被覆蓋結合自身的蒸騰作用,降低太陽輻射和地表空氣溫度,改善局部氣候環境,從而使人體舒適感增加[4-5]。擴大城市綠化覆蓋率,增設城市綠色基礎設施可為市民提供更多緩解精神疲勞和壓力的游憩場所,調節在密集城市環境生活和工作帶來的心理負面影響[6-8]。因此,通過調節微氣候改善熱環境、保障城市居民健康的城市綠地規劃已得到廣泛認可[9]。

城市綠地的植物群落結構、樹種選擇、下墊面材料與周邊建筑布局等都是調節城市微氣候的關鍵要素[10-12],其中樹木對微氣候的改善作用高于建筑布局和下墊面材料等其他要素[13]。城市種植樹木對熱環境的改善程度受植被覆蓋度與種植密度的影響,在新加坡、巴西熱帶城市地區的案例研究中均有所體現[14-15]。不同植物群落結構中,喬灌草群落對降溫增濕效果最佳,草本群落最差[16]。對比灌木和裸露草地,喬木蒸發量更少,能夠提供更有效的遮陽作用[17-18]。植物群落的種植郁閉度、高度及周圍環境等因素均會影響其降溫效果[19],其中郁閉度是影響植物群落微氣候效應的關鍵指標,復合結構下郁閉度大于0.6時整體微氣候調節效果最好,而單層結構的裸露草地在增加空氣濕度上表現突出[20]。對于植物單體,樹木的形狀和高度等是遮蔭質量和熱舒適調節的主要因素[21]。在新加坡的研究中,棕櫚類樹種可達到0.50℃的冷卻效果；成熟的闊葉類樹種為1.10℃,表現出更好的冷卻降溫效果[22]。這些研究普遍反映出綠量是調節城市氣候主導因子之一,是提升城市熱環境質量的關鍵。而綠量大小和植物物種選擇對熱帶城市綠地微氣候調節和人體熱舒適性的影響仍需要進一步驗證。

本研究選擇熱帶城市建成區典型綠地開展微氣候監測,模擬分析對比熱帶典型喬木及綠量對熱舒適性改善的影響程度,探討基于熱帶氣候適應性的城市景觀植物配置策略。

1 研究區概況

海口市位于中國海南省北部,是唯一熱帶全覆蓋的濱海城市,依據氣候與景觀物候特征為基準的柯本氣候分類法,海口市為赤道潮濕性氣候區,熱帶季風氣候,全年炎熱,近30年累年月平均氣溫為24.40℃,平均極端氣溫達35.60℃,空氣相對濕度83.1%,風速1.98 m·s-1。干季(每年11月至次年4月)溫和潮濕,濕季(每年5月至10月)炎熱多雨,干濕季氣象差異顯著[23-24]。

研究場地(110°19′17.33″E,20°02′11.01″N)位于?？谑薪ǔ蓞^,長425 m,寬230 m,占地9.78 hm2,北至濱海新村住宅建筑,南至政府公共建筑與住宅區,西至龍昆北路城市一級道路,東沿水域至政府宿舍住宅建筑區。場地內主體為濱河公共綠地,河段全長1.7 km,河段南側為濱水綠地和公共建筑附屬綠地。

2 研究方法

2.1 監測場地及指標

以功能空間類型、下墊面材質與植被情況(表1)的差異性為布點原則,在研究區內布設5個點位。采用Kestrel5500氣象儀在監測點進行氣象數據采集,測量指標與精度分別為:空氣溫度誤差±0.5℃,精度0.1℃；相對濕度誤差±2%,精度0.1%；風速誤差±3%,精度0.1 m·s-1。采集時間為2020年干季期2個典型晴朗氣候日,監測時間為人群活動較頻繁的9∶00-17∶00,測量間隔為1 min。測量時間日平均氣溫為20.20℃,平均相對濕度為79.02%,平均風速(10 m處)2.78 m·s-1。結合Delta-T HemiView數字植物冠層分析系統記錄監測點植被現狀(表1),郁閉度計算結果為0.50～0.62。

表1 監測點空間與植被特征

2.2 微氣候模擬

本研究采用氣候實測與模型模擬相結合的方法,通過ENVI-met構建研究區域模型,對氣溫、空氣相對濕度及風速微氣候因子進行數值模擬；計算生理等效溫度(PET),即室外常用熱舒適度指標值,參照亞洲熱帶區域熱感覺投票對監測點PET值進行熱感覺分級[25-26]。近年來,更新的氣候模擬系統在城市綠地優化建設方面不斷展現優勢,ENVI-met作為室外綠地微氣候模擬系統,其精確性在不同氣候環境條件下得到實測驗證[27-28]。

現狀場景BASE基于Google衛星圖像與實地調研場地基本結構、下墊面材料、建筑高度、植物種類等基本信息建立。模擬區域擬合為540 m×376 m網格,網格分辨率為dx＝4.0,dy＝4.0,dz＝2.0。提前6 h進行預熱模擬以獲得更精確的模擬結果。初始氣象信息來自當地氣象局與國家氣象中心提供的“中國地面氣候資料日值數據集”海口站點(59 758)數據。初始時間為測量日1月23日9∶00,氣溫為15.90℃,空氣相對濕度為98.00%,10 m處風速2.30 m·s-1,風向252 °。

為探究研究區域植被配置對綠地熱舒適的影響程度,通過ENVI-met對濱水區域的喬木配置集中進行綠量增減模擬,模擬樹形參照?？谑械湫妥貦邦惻c闊葉類喬木形態,分析城市綠地熱舒適性提高所需達到的綠量要求,以此作為當地熱舒適改善的植物種類篩選依據。模擬場景設置如下:

場景一(SC1):構建無喬木場景,剔除濱水綠帶和政府前附屬綠地區域中以喬木為主的覆蓋植被,僅留下25～50 cm高的草本。

場景二(SC2):增加濱水綠帶和政府前附屬綠地區域內的喬木,于濱水綠帶增加BASE場景100%數量的棕櫚類喬木(Palm trees,高15 m,medium LAD),考慮到實際種植空間與空氣流通,種植間隔設為4 m,每列網格間隔種植。

場景三(SC3):增加濱水綠帶和政府前附屬綠地區域內的喬木,于濱水綠帶增加BASE場景100%的常綠闊葉喬木(Sphere shaped trees,高15 m,high LAD),與SC2增加的喬木數量與種植位置相同。

2.3 數據處理

利用Exce2016與SPSS20.0進行數據處理與分析,使用SigmaPlot12.5進行圖表繪制。SPSS20.0中使用相關性分析,計算Pearson相關系數,檢驗現狀模擬結果中5個監測點模擬氣溫、空氣相對濕度與風速數值的精確度。模擬生理等效溫度PET值在ENVI-met內置模塊BIO-met中進行計算,初始數據采用默認數據。

3 結果與分析

3.1 ENVI-met模擬系統精度驗證

監測與模擬數據對比如圖1所示。經相關性檢驗,氣溫、空氣相對濕度與風速的模擬結果與實測數據均呈顯著性相關,Pearson相關系數分別為0.527、0.326和0.372,均在0.05水平(雙側)上顯著性相關。ENVI-met模型在本研究區域還原場景的數據結果精確性得到驗證。

圖1 模擬與監測氣象數據對比

3.2 場景模擬結果對比

以現狀BASE場景的初始信息作為基本輸入條件,選取最高氣溫時刻15∶00的氣溫、相對濕度、風速與生理等效溫度PET進行3個設計場景的模擬,結果如圖2所示。集中于模擬增加綠化量的濱水綠帶區域,15∶00場景間氣溫SC3(22.20～23.52℃)＜SC2(23.14～23.66℃)＜BASE(23.17～24.22℃)≈SC1(23.18～24.24℃)。與BASE場景相比,保留草本植物的SC1場景僅在P1測點北側河段的溫度平均升高0.10℃,最高溫差為0.23℃；SC2場景河段的氣溫平均降低0.09℃,最高溫差達0.30℃；SC3場景河段的氣溫平均降低0.33℃,最高溫差達0.66℃。濱水的P2、P3和P4監測點降溫效果更明顯,沿河段向南北至建筑方向氣溫逐漸升高。

圖2 設計場景模擬結果

所有模擬場景中,P1、P3與P4所在的水體區域空氣相對濕度均高于其南北側建筑區域,增加范圍為1.52%～11.25%,表明水體提升了場地的空氣相對濕度。濱河區域內部空氣相對濕度范圍為BASE(68.00%～72.00%)、SC1(66.61%～69.90%)、SC2(65.42%～71.21%)、SC3(67.77%～69.78%)。在其他地物要素不做改變的情況下,喬木植物量的增加對于空氣相對濕度的提高幾乎無影響。各場景風速的模擬結果無較明顯差異,SC2場景和SC3場景中,由于受到氣流影響,風速在P5建筑區域驟然升高,對比現狀風速提高0.40 m·s-1。

模擬場景測點PET值與熱感覺分級如圖3所示。集中于模擬增加綠化量的濱水綠帶區域,15∶00整體PET值SC3(22.68～34.20℃)＜SC2(24.66～38.96℃)≈BASE(23.46～40.62℃)＜SC1(35.20～40.96℃),SC3場景在熱舒適性的調節程度最佳,使整個濱水空間由熱狀態轉為涼爽或適中狀態。BASE場景中PET大部分時間處于溫暖與稍溫階段,14∶00-15∶00處于高溫熱階段,僅在9∶00與15∶00之后基本處于適中或涼爽階段,現狀場景下的植被并未對熱舒適的改善中發揮明顯優勢。增加喬木種植的SC2場景與SC3場景熱狀態出現頻率明顯降低,適中與涼爽階段出現頻率明顯增加。

圖3 模擬場景PET值與熱感覺

4 討論

4.1 熱帶典型喬木對降溫增濕的影響

增加植被數量,提高覆蓋率和綠量能夠降低城市綠地氣溫。對比現狀多種類與層次的植物群落,單一種植棕櫚類植物在降低氣溫方面并不顯著,氣溫在P1附近降低0.52℃。而SC3場景中,闊葉喬木樹種樹形特性導致綠量大幅增加,對比現狀植物,其降溫增濕幅度更大。

增加喬木種植量在增濕效應上并不突出,對應了實測氣象因子中場地內不同群落結構下濕度變化差異不顯著的結果,可能的解釋是種植群落結構的不合理性。喬灌草植物群落結合的降溫增濕效應比單一密集種植的喬木更為突出,這在以往對植物群落結構的氣候調節研究結果中均得到驗證[29]。

4.2 熱帶典型喬木對熱舒適的影響

提高闊葉喬木數量能夠更為顯著地調節熱舒適。對比無喬木場景,現狀場景熱舒適僅在9∶00-11∶00的含綠地測點內得到改善,熱感覺由稍溫轉為適中或微涼狀態。增加植被數量使PET降低,將現狀下測點10∶00-15∶00高溫階段溫暖與熱感狀態普遍調整為適中與微涼狀態,行人熱舒適度得到有效改善,其中提高闊葉喬木數量調節效果更為顯著,棕櫚類植物調節效果較弱這與新加坡等熱帶地區研究結果相同[17,20]。

為了維持干季期的熱舒適,仍然需要高綠量的闊葉類喬木達到足夠的遮陽效果,但隨著溫度持續下降,維持熱舒適更需要適當降低植被遮蔭性,加大采光面積。研究表明,在冬季使PET值降低超過15℃的樹木可能會帶來熱不適[22],冬末春初的干季期,落葉闊葉樹反而是用于熱舒適調控更好的選擇。

4.3 熱帶氣候適應性的城市植物配置建議

在?？谑械木G地中,雖然具有熱帶特色的棕櫚類喬木是典型的優勢樹種[30],但是基于調節熱舒適性方面的考量,應優先選擇綠量較高的大喬木,如?？谑械膬瀯輼浞N小葉榕(Ficus microcarpa)、高山榕(Ficus altissima)、印度紫檀(Pterocarpus indicus)、小 葉 欖 仁(Terminaliaboivinii)、黃葛榕(Ficus virens)、苦楝(Melia azedarach)、欖仁樹(Terminalia catappa)、垂葉榕(Ficus benjamina)等[30-31],而其中的印度紫檀、苦楝以及欖仁樹等鄉土季相樹種在溫度較低的干季期是游憩場地獲得充足光照的更好選擇。在保留場地原有植物群落的基礎上,補充高綠量樹種以提升綠地整體綠量,對于提高已建成綠色空間內的熱舒適性是切實可行的途徑。此外,復層結構植物群落能夠有效改善局地氣候環境,提升熱舒適水平已在多個研究中被證實[32-36],因此,在綠地中補植灌木和小喬木同樣可以對熱帶城市的微氣候調節產生積極作用。

5 結論

本文以海口市建成區內公共綠地為例,結合實地測量與ENVI-met模擬,并通過計算熱舒適指標PET對現狀綠地分布格局熱舒適性進行評價,同時通過增種棕櫚類與闊葉類喬木預測兩種典型熱帶喬木對公共綠地的熱舒適性影響,結論如下:熱帶城市綠地中,通過增加植被數量以提高植物覆蓋率與綠量的做法能夠調節微氣候的降溫增濕效應,將居民熱感覺調整到舒適的范圍；兩類典型喬木提高相同種植數量,闊葉類的高綠量喬木比棕櫚類喬木更能顯著地調節氣候、改善熱舒適性；適應本地氣候與種植偏好,提高復層植物群落結構、增加高綠量的闊葉喬木種植比例是改善熱環境更好的選擇。