城市戶外綠地不同景觀空間夏季微氣候效應研究

李小梅,謝秋蘭,劉學鋒

(1.湛江科技學院,廣東 湛江 524000; 2.中國林業科學研究院速生樹木研究所,廣東 湛江 524022)

0 引言

隨著城市氣候問題的日益突出,城市開放綠地空間的熱環境受到全球變暖及城市熱島效應的影響亦愈來愈明顯[1]。城市公園作為城市綠地空間的基本形式之一,可調節小氣候,提高城市低碳韌性,對綠色生態發展發揮著重要的作用[2]。而城市公園空間微氣候受氣候影響,當不舒適度超過一定范圍值時,其對應的景觀空間就會影響游人的休憩行為[3-4]。相關研究表明,環境空間的太陽輻射照度、溫度、風速、相對濕度等微氣候參數對人的行為有著實質性的影響,園林空間微氣候的精心設計在一定程度上可以刺激環境使用[5]。

國內外學者針對城市微氣候問題從不同角度進行了研究。程婧婧等[6-7]在夏季監測了武漢市居住區空間環境的熱舒適度,發現其整體風速較小且偏濕熱,長期生活在該區域的居民可以接受現有狀況,但在一定程度上會對其景觀環境產生微調。饒峻荃[8]研究發現,廣州居住區室外微氣候主要受到建筑布局、建筑材質、道路材質及人為熱量排放等因素的影響,進而影響了居民的人體熱舒適。趙曉龍[9]等以步行街為研究對象,比較了不同形態步行街空間熱舒適度的PET值,發現步行街中的樹木形態特征對小氣候環境具有調節作用。何柳靜[10]研究指出,以草地和水體為基礎的要素組合,在緩解熱不適方面能力有限,而樹木的冠層形狀及高度對居民熱舒適影響更大。Mahmoud[11]研究了景觀空間要素與人體熱舒適之間的關系,指出景觀要素在一定程度上能夠改善人體熱舒適,即公園內植被、建筑、地形等景觀要素對居民熱感覺有一定程度的影響。有學者通過選取不同類型空間進行熱舒適評價與分析,認為綠色植物周邊的環境熱舒適度大于水與建筑環境的熱舒適度[12]。Nikolopoulou[13]等調研了歐洲5國的14個開放空間,發現熱感覺與綜合微氣候因子的相關性在0.27～0.68。有學者指出,戶外舒適度最重要的因素不是空氣溫度,而是平均輻射溫度[14]。

綜上可見,研究者從城市空間布局、建筑、植物、水體、鋪裝等角度分析了其對微氣候的影響。但不同地區的氣候不同,微氣候參數也有所不同,產生的人體熱舒適感也不盡相同。如在干熱地區,濕度的增加可以改善其舒適感,但在濕熱氣候區卻會降低熱舒適感[15-16]。因此,不同氣候區的微氣候效應不同,對景觀要素進行調節設計來改善城市微氣候的方法也有所差別。本研究以廣東省湛江市某花園為例,分析公園不同景觀空間的微氣候及相互影響的相關性,探討景觀要素對熱舒適度的影響,從而為營造熱舒適良好的城市開放空間設計提供研究思路及方法。

1 研究內容

1.1 觀測地點

選擇廣東省湛江市某花園進行試驗,此處總面積34.6 km2,以水面為中心連接貫穿各個景區。內部建有澳洲園、紅林大道、燈塔廣場、濱湖木棧道、雨林植物觀賞區等[17]。按不同景觀要素空間在公園內選取了7個觀測點位置如圖1所示。

圖1 湛江市某花園觀測點位置

1.2 觀測時間及內容

湛江市每年7—9月份較為炎熱,受季風氣候影響,低壓、熱帶風暴、臺風登陸頻繁。根據典型氣象年氣象參數,結合天氣預報預定觀測時間,分別于2021年7月15日、7月22日、7月29日、8月6日在觀測點實測4 d,每天觀測時間為8:30—17:30,設置儀器每5 min自動記錄氣象數據1次,每小時取平均值,取4 d對應時段觀測數據的平均值進行分析。主要觀測內容包括氣溫、風速、相對濕度及太陽輻射照4個微氣候參數,觀測高度按照國際慣例均在離地面或水面1.5 m處測量。采用的觀測儀器信息見表1。

表1 測量儀器及主要參數

2 研究方法

早期人們對微氣候的綜合評價建立了不同的評價指標,包括生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature,PET)[18-19]、濕球黑球溫度( Wet Bulb Globe Temperature WBGT)[20-21]、溫濕指數(Temperature Humidity Index,THI)[22]等。WBGT是全球使用最普遍的熱應力指數[23],廣泛用于評價環境中的熱舒適指標[24],已被引入國際標準ISO 7243[25-26]。本研究選取WBGT作為公園熱環境評價指標,采用研究區域與湛江氣候條件相似的WBGT簡化平衡式[27](公式1)。

WBGT=1.157Ta+17.425RH+2.407×10-3SR-20.550

(1)

其中,Ta為空氣干球溫度(℃),RH為相對濕度(%),SR為總太陽輻射照度(W/m2),WBGT值的單位采用國際標準單位℃。平衡式針對適應氣候著衣人群,即不單獨考慮著衣指數。

3 研究結果及分析

城市空間中,熱舒適可被理解為客觀環境信息被居民接受成為主觀感受信息,其環境熱舒適度受微氣候的4種參數,即氣溫、相對濕度、風速及太陽輻射的綜合影響[28-29],但哪種微氣候要素可能成為影響人體熱舒適的主導因子需根據實際的區域環境條件加以分析。

3.1 各觀測點微氣候參數分析

7個觀測點中(見圖2),空氣溫度在觀測時間內整體呈先上升后下降的趨勢。廣場空間溫度整體較其他景觀要素溫度較高,最高值高達36.03 ℃,其中在廣場空間中溫度上升最快。林下空間溫度上升最慢,達到最高值后下降最快。空氣濕度隨時間的推移先下降后上升,原因是隨時間變化溫度升高,太陽輻射強度增強,濕度隨之下降,反之濕度上升。風速在觀測時間內有波動但變化不大,其中平均風速最大的是水體空間,為2.29 m/s,其次是草坪空間及廣場空間,相對較低的是林下空間與灌木叢空間,原因可能是與景觀元素的圍合空間類型有關,林下空間及灌木叢空間郁閉度較高,樹種植較密集,故導致其透風率偏低。太陽輻射強度是影響環境熱舒適的因素之一[30]。廣場空間與水體空間的太陽輻射值較高,不同時間段內的平均太陽輻射值分別為631.92 W/m2、620.17 W/m2,其次是草坪空間與園路空間,而林下空間與建筑旁空間由于有覆蓋遮陰作用,太陽輻射值較低。

圖2 花園觀測點夏季微氣候參數

3.2 各觀測點熱舒適綜合指數分析

熱舒適是指由空氣溫度、相對濕度、風速、太陽輻射等物理環境因素作用于人體的冷熱感,是熱舒適綜合指數的客觀體現[31-32]。從圖3可知,各測點在8:30—10:30和15:30—17:30時間段內WBGT值較低,該時間段的內熱舒適度相對較好。從觀測點看,7個觀測點中,廣場空間的平均WBGT值最高,為31.74 ℃,最高值高達33.98 ℃,與其最低值相差4.27 ℃,可見熱舒適度相對較差。其次是水體空間(31.54 ℃)、園路空間(30.56 ℃)、草坪空間(30.49 ℃)、建筑旁空間(30.32 ℃)、灌木叢空間(30.26 ℃)、林下空間(29.19 ℃)。初步判斷林下空間、建筑旁空間、灌木叢空間及園路空間的熱舒適度整體上優于廣場空間、水體空間及草坪空間,但需進一步分析WBGT與微氣候參數的相關性及微氣候參數之間的相關性,才能綜合判斷空間熱舒適之間的差異,以更好地找到相應的調節措施。

圖3 花園觀測點夏季熱舒適綜合指數

3.3 相關性分析

景觀要素形成的空間對微氣候存在影響,而環境熱舒適與微氣候參數關系密切[33]。利用SPSS 22統計進一步分析觀測點對應時間段的氣溫、相對濕度、風速、太陽輻射照度與 WBGT的相關性、微氣候參數之間的相關性,以便找到關鍵性的微氣候因子來改善景觀要素的熱舒適性。

3.3.1 熱舒適度與微氣候要素的相關分析

對各景觀空間的熱舒適度與溫度X1、濕度X2、風速X3、太陽輻射X4進行相關性分析表2,從溫度和WBGT相關性看,7個觀測點中的WBGT與溫度呈線性正相關,相關排序為草坪空間>廣場空間>林下空間>園路空間>水體空間>灌木叢空間>建筑旁空間,其中草坪空間(p<0.01)、廣場空間(p<0.01)、林下空間(p<0.01)、園路空間(p<0.01)、水體空間(p<0.05)5個空間的WBGT與溫度之間存在極顯著或顯著相關。從濕度和WBGT相關性可知,濕度與較為開敞的水體空間、廣場空間、園路空間、草坪空間的WBGT呈顯著負相關,特別是廣場空間與草坪空間的濕度對WBGT的相關性最為顯著,相關系數分別為-0.69、-0.87,而與其他3個景觀空間的相關性較弱。從風速與WBGT的相關性看,在夏季,風速的提升有助于空氣的流通,有助于與其他微氣候參數的耦合效應,但所有測點的風速與WBGT相關性不顯著,可能與觀測當天的風速大小有關或受其他微氣候參數的主導影響。由太陽輻射照度與WBGT的相關分析可知,除了林下空間、灌木叢空間與建筑旁空間的太陽輻射照度與WBGT不存在顯著關系外,與其余4個空間WBGT高度相關,相關系數r分別為廣場空間0.94、草坪空間0.92、水體空間0.86、園路空間0.84,說明夏季露天場地中,太陽輻射照度是影響熱舒適度的關鍵因素,因此對太陽輻射的遮擋或攔截對微氣候環境的調節起到了至關重要的作用,在景觀元素設計中應考慮元素組合來降低太陽輻射,以提高空間的熱舒適度。

表2 觀測點微氣候相關性分析

通過以上分析可知,不同景觀要素的微氣候參數值有所不同,其微氣候即氣溫、相對濕度、風速及太陽輻射對空間熱舒適的主導影響也不盡相同,完善不同要素結構組合是改善空間微氣候的有效途徑。

3.3.2 微氣候因子間的相關分析

單一的氣候因子無法準確揭示人們在戶外環境的熱感覺[34],通過對微氣候因子間的進一步相關分析可了解空氣溫度、相對濕度、風速及太陽輻射之間的相互影響,更能了解微氣候要素對空間熱舒適的綜合作用。

由表2可看出,7個測點中,溫度與濕度及太陽輻射之間均存在顯著或極顯著相關從風速與其他3個微氣候要素相關性來看,風速對溫度的影響效應呈負相關,對濕度呈正相關。林下空間的風速與其他3個微氣候要素之間均呈極顯著相關,其r值分別是-0.83、1.00、-0.93。草坪空間的風速與溫度及濕度呈顯著相關,其余5個觀測點的風速與濕度、溫度、太陽輻射之間不存在顯著相關。由此說明,在覆蓋型的林下空間,溫度、濕度及太陽輻射通過植物冠層的攔截或吸收有所調節,而其空間相對封閉,空氣的流動性比其他觀測點低。

3.4 微氣候要素對熱舒適度的通徑分析

相關性分析結果反映了各微氣候因子在其他因素的協同作用下對熱舒適的綜合效果,僅反映因子間的相關,不能真正反映微氣候因子對熱舒適的直接或本質作用,故有必要在此基礎上進行通徑分析,進一步揭示各微氣候因子與熱舒適相關的原因。以熱舒適度為因變量,4個微氣候要素為自變量(溫度X1、濕度X2、風速X3及太陽輻射照度X4)進行通徑分析,將其分解為直接作用與間接作用,進一步揭示微氣候因子對熱舒適度的影響效應及其大小(表3)。經通徑系數的顯著性差異檢驗,剔除通徑系數不顯著的變量(P>0.05),保留3個微氣候要素變量(溫度、濕度、太陽輻射照度)。根據直接通徑系數的結果可以看出(表3),微氣候要素對熱舒適度的影響均為正向,7個觀測點中除灌木叢空間與草坪空間外,直接作用都是溫度,其次依次為濕度、太陽輻射照度。灌木叢空間直接作用排序為溫度>太陽輻射照度,草坪空間為溫度>濕度。從間接作用的總和來看,各微氣候因子對熱舒適的間接作用也存在較大差異,水體空間、建筑旁空間、園路空間、廣場空間、林下空間中濕度的間接作用最大,太陽輻射照度作用較小,其中濕度與溫度對熱舒適度是負間接作用。灌木叢空間與草坪空間的間接作用與其直接作用一致。綜合各微氣候要素對熱舒適度的直接作用與間接作用的分析結果,說明微氣候參數對熱舒適度存在不同程度及不同作用的影響,但如何利用好景觀要素調節微氣候與熱舒適度之間的平衡是研究的關鍵及重點。

表3 觀測點微氣候通徑系數分析

4 結論與討論

通過對某花園內7個不同景觀元素空間觀測點的微氣候參數監測,運用熱舒適評價指標WBGT,定量分析了夏季室外不同景觀元素空間微氣候對熱舒適的影響,得到結論如下:

不同景觀要素空間夏季微氣候與WBGT的相關程度不同,溫度越高WBGT越大,熱舒適度越差,說明溫度作為微氣候的影響因子之一,與熱舒適度有密切關系,通過合理的景觀元素設計可改善其空間微氣候。濕度與較為開敞空間的WBGT為顯著負相關,特別是廣場空間與草坪空間的濕度對WBGT的相關性最顯著,濕度過高或過低均影響了其空間熱舒適,所有觀測點的風速與WBGT相關性不顯著,結果與張磊[27]的研究一致,與Mahmoud[35]等的研究不一致,主要原因是其研究的區域為高海拔山區,氣候條件跟本研究差異較大。太陽輻射照度與開敞型空間WBGT高度相關,與陳睿智等的研究一致[20]。

從微氣候參數因子相互作用角度看,觀測點中的溫度與濕度及太陽輻射之間、濕度與溫度及太陽輻射之間、太陽輻射與溫度及濕度之間均存在顯著或極顯著相關,說明這3個微氣候要素之間相互制約,只是制約程度有所不同,其中太陽輻射是影響溫度的最主要因素,與黃基傳等的研究一致[36],林下空間的風速與其他3個微氣候要素之間均呈極顯著相關,說明風速是影響林下空間微氣候的關鍵因素,通過引導風速的流通可以提高其空間的舒適性。

通過微氣候通徑系數分析表明,溫度對熱舒適度的直接作用最大,通過濕度因子的間接作用正負抵消后對熱舒適的影響仍比較強烈。濕度對熱舒適度的直接作用次之,會通過太陽輻射因子或溫度的間接作用共同影響熱舒適度。

綜上所述,單一的景觀要素空間在緩解夏季熱舒適方面的能力有限,應設計更合理的景觀要素組合。通過實測探討不同景觀空間對微氣候效應的影響,為適應城市公園綠地空間設計提供了研究思路。研究發現,草坪空間、廣場空間等大面積空曠空間應適當增加其他景觀要素,以降低溫度或太陽輻射,如增加樹形高大、冠層葉面積密度大的喬木,利用其自身的蒸騰和葉片阻滯等作用改善周邊環境的溫度與風速[37-38]。相對封閉的林下空間需注意風速流動以提高其空間熱舒適,在炎熱的夏季白天可以有效抵御太陽輻射。但景觀要素所營造的空間對微氣候效應的研究還需要深入量化分析,如考慮不同景觀要素的垂直結構及水平排布形式等。

改善景觀空間熱舒適度需要綜合分析微氣候參數與熱舒適的相關性及微氣候參數之間的制約性,才能找到影響場地熱舒適度的主導氣候參數,由此找到改善關鍵性氣候參數及適宜的景觀元素設計策略。