模拟及分析街头绿地植物群落对夏季小气候影响★

李 彬 彭 历

(北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144)



模拟及分析街头绿地植物群落对夏季小气候影响★

李 彬 彭 历

(北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144)

选取北京城市绿地中具有代表性的几处植物空间结构，利用仪器测量与ENVI-met软件，对植物空间结构温湿度在不同时间段的阶梯变化进行了实测与模拟，探索了乔草结构、裸露草地、灌草结构与乔灌草结构四种植物空间结构与空气温度、相对湿度等影响要素的关系，指出植物空间结构对缓解城市高温机制有着不同的效果。

ENVI-met，植物群落，小气候温湿度，街头绿地

1 小气候适应性中对于ENVI-met的应用

1.1 ENVI-met的功能

ENVI-met软件起始阶段适合对城市小尺度范围内微气候设计的不同方案进行评价及分析，模拟时间在1 d以内，间隔10 s，模拟过程中的水平解析度为1 m～10 m的一维边界层模型。其后，通过对ENVI-met的进一步开发，增加了水体蒸发模块，能够有效的模拟湖泊、溪流等不同尺度水面对环境的热作用。现今ENVI-met在保持以上应用的同时，可以更加准确地输出城市微气候环境尺度的温湿度、风速、辐射等气象参数。ENVI-met的水平空间范围增加到10 km以内，高度在200 m以内，模拟时间可达到4 d，增加与细化了包括大气、植物、土壤子模型，细化了大量不同种类的环境下垫面及植物种类，加强了模拟的准确性和真实性。

1.2 ENVI-met的应用及处理

国外对ENVI-met数值模拟研究起步较早。20世纪末首次验证ENVI-met可模拟城市空间中下垫面、植物以及大气的相互作用。分析了绿地空间土壤下垫面、植物的相互影响，结果显示ENVI-met可以较好的模拟地面植物和下垫面对于空间小气候的影响。21世纪以来分别对英国曼彻斯特郊区商业中心室外和美国凤凰城等地区的热环境进行了评估。国内应用主要集中街区的空间，证明了ENVI-met模拟数据与实测所得的空气温湿度、风速、太阳辐射基本一致。

近几年通过国内外研究现状表明，应用ENVI-met来分析环境空间已经很成熟，无论是在城市气候环境的布局还是绿化方面都有很好的发展。利用遥感数据与实地调研的方法，得到场地内下垫面、植物、小品设施等景观要素的准确数据，采用多种应用软件对数据和影响进行准确提取，最终建立研究场地模拟模型。输入当日城市气象站所测空气温度、相对湿度、风速等气象数据。最终通过所测的数据进行如图1所示数据模拟，最终对所需场地进行小气候评估。

2 北京街头绿地下垫面与温湿度影响的监测

2.1 监测仪器及方法

实验为监测城市街头绿地乔草群落、裸露草地、灌草群落、乔灌草群落与小气候温湿度关系。利用NK4500小型气象站，5月26日～28日每天早8点～晚18点，每10 min自记场地内不同植物群落距地面1.5 m处空气温度、相对湿度、风速等各一次。

2.2 监测点位置及环境特征

实测地点位于北京市石景山区阜石路南侧街头绿地，东至杨庄东路、西至杨庄路。占地约6 hm2，园内现状主要有乔木、灌木等不同植物群落。监测点：1—乔草群落；2—裸露草地；3—灌草群落；4—乔灌草群落。

2.3 实测数据分析

2.3.1 植物群落与小气候温度关系

将各测点每1 h平均空气温度进行比较(见图2),可见，乔灌草群落<乔草群落<灌草群落<裸露草地。乔灌草群落最高温度出现在13点～14点，且温度低于裸露草地与灌草群落同时段温度，乔灌草群落与测点2的最大温差近2.1 ℃，其他群落的温度最大值出现在下午14点～15点。由此可见，植物群落的丰富性与空气温度呈负相关,植物种类越丰富,空气温度越低,降温效果越明显。

2.3.2 植物群落与相对湿度关系

将各测点每小时平均相对湿度进行比较排序(见图3)，可见,各群落在16点前的相对湿度变化趋势基本相同，相对湿度最低值均出现在14点～15点。裸露草地<乔草群落<灌草群落<乔灌草群落，相对湿度最大差值约3.7%。

北京夏季环境湿度在30%～60%时人体感觉最为舒适，25%～30%人体感觉较为舒适，结果显示具有植物蒸腾作用、保蓄水能力强的植物群落有明显的保湿能力，除13点～15点时间段，其他时间段相对湿度均保持在30%～60%间，人体感受舒适；除裸露草地在14点～15点的相对湿度外，其他时段人体感觉较为舒适；植物丰富度最佳的乔灌草结构增湿能力最强，保湿效果最明显。

2.3.3 植物群落的人体舒适度数值

人体舒适度指数(ssd)利用指数的大小划分等级并确定舒适程度。最适宜的环境ssd指数一般在59～70之间，人体感觉最为舒适；ssd指数在71～75之间时人体感觉偏暖，较为舒适，在76～79之间时人体感觉偏热。

通过人体舒适度指数计算公式：ssd=(1.818t+18.18)(0.88+0.002f)+(t-32)/(45-t)-3.2v+18.2(其中，t为最高温度；f为14点相对湿度；v为风速)，计算获得如表1所示温湿指数数据,即：71<乔灌草群落<乔草群落<灌草群落<裸露草地<75。由此可见，所有植物群落的人体舒适度指数均在较为舒适区间内。乔灌草群落是人体感觉最为舒适的场地；裸露草地数值最高，舒适度最差，人体感觉较热。表明植物群落越丰富，覆盖率越高，人体舒适度越佳。

表1 不同植物群落人体舒适度指数数值

2.4 ENVI-met模拟温湿度场数值比较

研究以ENVI-met软件为基础，将四种不同植物空间结构的现状作为输入量，将温湿指数作为输出量(见图4)。将四种不同植物群落离地1.5 m的逐时空气温度变化数值模拟比较。从图4中可知，北京夏季时段不同植物群落平均空气温度对比为：乔灌草群落<乔草群落<灌草群落<裸露草地。其中乔灌草群落比裸露草地的空气温度平均低3.3 ℃，最高温度差为4.9 ℃，且在11点～15点温度较高时段，裸露草地的平均温度比乔灌草结构高3.9 ℃。

图5为四种不同植物群落离地1.5 m的逐时相对湿度数值模拟比较。从图5中可知，不同植物群落相对湿度对比为：乔灌草群落>乔草群落>灌草群落>裸露草地。四种植物空间结构的变化趋势较为一致，其中在13点之前，四种植物群落的相对湿度差距不大，在3.5%以内。在13点以后，裸露草地的相对湿度变化数值大，约7.4%。乔灌草群落比裸露草地相对湿度平均高4.8%，最大差值为6.6%。

2.5 ENVI-met模拟与监测数据比较

全天温度与相对湿度监测及模拟值曲线变化趋势如图6所示较为一致，由于植物对周边空气有明显的增湿效应，灌草群落与乔灌草群落的挡风效果较好，水蒸气消散较慢，出现的空气相对湿度较高，与监测结果一致。比较监测与模拟的温度曲线表明，模拟数值均高于监测值，但变化曲线基本一致。

2.6 对夏季北京城市绿地下垫面设计的启示

1)设计与建立合理的植物群落。建立植物层次丰富的植物群落是夏季城市绿地小气候适宜性设计的有效措施。乔草群落可以有效的控制太阳辐射来降低空气温度，同时可以有效的引导风的流通，提高人体舒适度；灌草群落的植物高度及其蒸腾作用可以更有效的增加人类活动空间的空气湿度。从人体舒适度数值可以看出，虽然灌木在降低风速的作用中作用明显，但二者绝非简单的线性关系，有效的建立合理的乔灌草群落，可以更好的起到降温增湿作用。依据植物的蒸腾速率、郁闭度、植物层次、空间结构需求等因素，合理的选择植物种类，设计种植结构，是有效调节街头绿地小气候的重要手段。

2)增加郁闭度高的植物种植数量。太阳辐射是影响室外空气温度的主要原因[2]，通过监测与模拟结果显示，乔草群落的空气温度明显低于灌草群落与裸露草地的空气温度。由此说明乔木郁闭度与太阳辐射量、空气温度呈现负相关状态，植物的遮荫效果是有效调节空气温度的生态效能之一。有效的增加植物的郁闭度能有效的增加区域内小气候适宜性，是降低空气温度的重要手段之一；增加冠幅大的阔叶乔木，可以降低夏季户外空间的空气温度，是改善夏季小气候适宜性的有效生态途径。

3 结语

植物在夏季可以缓解城市热岛效应，有效的改善局部小气候，植物群落是植物种植设计中最为重要的设计要素之一[3]。本文通过实际监测与ENVI-met模拟，比较了乔草群落、裸露草地、灌草群落、乔灌草群落的小气候条件，分析了四种植物群落的空气温度、相对湿度、人体舒适度数值差别与变化。结果表明，不同植物群落对局部小气候的改善作用存在差异性，总结发现植物不同的郁闭度、遮荫效果、植物高度、种植层次性等设计要素均对小气候产生影响。由于乔木有较好的郁闭度及遮荫效果，使得其对局部空间有较好的降温效果，灌木对于人类活动区域的增湿作用更为明显。因此增加乔灌草群落的种植方式，选择郁闭度好的阔叶乔木，蒸腾作用好的乔灌木，可以创造更好的降温增湿空间，有利于提高北京夏季人体舒适度。

[1] Bruse M,Fleer H.Simulating surface-plant-air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model [J].Environmental Modeling & Soft-ware,1998,13(3/4):373-384.

[2] 刘滨谊,张德顺,张 琳,等.上海城市开放空间小气候适应性设计基础调查研究[J].中国园林,2014(12):17-22.

[3] 柏 春.城市设计的气候模式语言[J].华中建筑,2009(5):130-132.

Simulation and analysis on the influence of street green space plant communities to summer microclimate★

Li Bin Peng Li

(ArchitectureandArtSchool,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)

This paper selected the representative of several plant space structure of urban green space in Beijing, using the instruments measurement and ENVI-met software, measured and simulated the step change of plant space structure temperature and humidity in different time, explored the relationship of joe grass structure, bare grassland, shrub and grass structure and shrubs and spatial structure mechanism four plant space structures and air temperature, relative humidity and other influence factors, pointed out that the plant space structure had different effect on relieving the city high temperature mechanism.

ENVI-met, plant community, microclimate temperature and humidity, street green space

1009-6825(2016)31-0204-03

2016-08-13 ★:北京市教委科技计划一般项目(项目编号：KM201610009013)；北方工业大学“2016校内人才强校-青年拔尖”项目(项目编号：XN071017)

李 彬(1991- )，男，在读硕士； 彭 历(1983- )，男，讲师

TU985

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