下垫面类型对其温湿效应及人体舒适度的影响

吴思佳, 董 丽, 范舒欣

(北京林业大学园林学院，北京 100083)

城市热岛效应作为城市化发展以来引起城市气候变化最突出的问题，在长时间的城市人居环境改善研究中备受国内外学者的广泛关注.国内外已有大量研究证明，绿地具有降温增湿效应，可有效调节微气候，改善城市热环境[1-4].舒适度指标作为反映绿地温湿效应的特征指标，对提高环境宜居水平有一定指示作用，近年来国内外广泛展开了舒适度与绿地特征相关性的讨论，并研究了舒适度指标在绿地舒适度及其对环境适应性方面的应用[5-7].研究表明，不同下垫面类型及绿地下垫面结构对其温湿效应及人体舒适度有显著影响，通常绿地植被的降温效应最好，绿地中又以林地的最好[8,9]，不同结构绿化覆盖的人体舒适度均高于硬质铺装的人体舒适度[10,11]，而铺装覆盖率>50%的公园园内气温甚至高于公园外气温[12]，即铺装面积对绿地温湿效应和人体舒适度有明显消极影响，绿化覆盖对降温增湿效应有积极影响.以上研究多探讨夏季天气下垫面构成对其微气候的影响，对绿地不同季节的温湿效应及人体舒适度改善缺乏广泛研究，而绿地的降温增湿效应及人体舒适度改善效益是多季综合的结果，应对不同季节的绿地温湿效应影响机制进行分析，方可充分发挥其人居环境改善作用.另外现有研究多围绕植被、铺装两大类下垫面进行，对建筑的考虑不足，但随着城市化进程的加快，建筑能耗对城市微气候带来的影响不可忽视.

本研究通过对春夏秋三季城市公园绿地多种下垫面内温湿特征进行实地观测，探讨不同季节各下垫面的温湿特征与人体舒适度变化特征及其季节变化差异，旨在探究下垫面类型在不同季节对绿地温湿效应及其人体舒适度的影响，以期为绿地改善城市人居环境提供参考依据.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

研究选取北京市奥林匹克森林公园(以下简称奥森)南园为研究对象.奥森地处北京市中轴线的北端，总占地面积达680 hm2，其中绿化面积约478 hm2，水域面积约67.7 hm2，绿化覆盖率高达95.61%，同时植物结构丰富、种类多样，具有显著的局地微气候调节效益，对于改善城市热环境及提高城市宜居度具有重要的生态意义.公园基底环境均质性高，内部包含绿地、水体、建筑等多种下垫面类型，试验样地选择具有可操作性.

1.2 研究方法

在奥森南园内以Google Earth地图结合实地踏查选取5个半径为100 m的样地进行试验，所选样地均包括5种下垫面类型(草地、林地、建筑、硬质铺装、水体)，其中草地下垫面均为高度约10 cm草坪草，林地下垫面林龄基本一致，树种为银杏(Ginkgobiloba)、国槐(Sophorajaponica)，密度均为0.16株·m-2，面积均大于15 000 m2，建筑下垫面各建筑高度均在3～4 m之间，硬质铺装下垫面材料均为不透水地面，水体均为自然驳岸式人工水体.草地、林地及硬质铺装在中心设置测点，水体沿岸设置测点，建筑在其外部无建筑阴影处设置测点.各样地之间相距足够距离，以避免彼此间产生干扰.为避免高程差异带来的试验影响，各样地均避免布置于奥森仰山区域.试验同时在奥森南门入口开阔广场处设置一对照组测点，共设置测点26个.试验于春夏秋三季(2017年8月、10月和2018年4月)各选择气候相近的晴朗无云无风(日平均风速≤2 m·s-1)试验日3天，于8:00—16:00时段对样地的空气温度、相对湿度进行监测，每2 h测定1次.监测方法为移动路线观测法，利用TES-1341风速风量仪在每个测点距地面1.5 m处重复测定空气温度和相对湿度，取观测区域气象站当日空气温度和相对湿度逐小时的测值作为观测数据校正参考值，对观测值进行数据统一处理(图1).

1.3 数据分析

将各下垫面在各样地的测值的算术平均值作为该类型下垫面的温湿值进行日间变化特征和季变化特征分析；各下垫面类型的降温强度、增湿强度与人体舒适度改善强度取其与对照组的温湿值、人体舒适度差值，即：

降温强度=对照点空气温度-测点空气温度

增湿强度=测点相对湿度-对照点相对湿度

人体舒适度改善强度=测点人体舒适度-对照点人体舒适度

人体舒适度指标选取户外热环境评价适用性高、通过人体对环境最直观感受的温度和湿度指标反映人体舒适情况的湿热指数(Thermal Humidity Index,THI)[13]作为样地人体舒适度衡量指标，计算公式为：

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

其中，T为空气温度(℃)，RH为相对湿度(%).

表1 湿热指数与人体舒适度对照表

舒适度划分标准如表1所示[13].湿热指数值越高，说明越不舒适，不适合进行工作等活动，反之湿热指数越低，舒适度越高.

采用SPSS 24.0进行ANOVA单因素方差分析和LSD多重比较，分析下垫面类型对空气温度、相对湿度、降温增湿效应及人气舒适度的影响，及其组间差异.

2 结果与分析

2.1 不同季节各下垫面的温湿效应特征分析

2.1.1 空气温度的日间变化特征分析 在观测时间段内，5种下垫面的气温在各季节的日间变化曲线均呈现先上升后下降的单峰型变化趋势，在午后14:00达到全天最高温度，三季的空气温度明显呈现出夏季>春季>秋季的特征(图2).其中，各下垫面类型的各时间段空气温度在春夏秋三季均表现为林地最低、建筑最高的特点，是由于植物树冠可反射红外光，并且吸收一部分可见光，同时通过蒸腾作用调节树冠下的空气温度，使得林地内气温明显更低[14,15]，而建筑则因为热容大、散热慢，且存在室内的能耗及碳排放，导致其周围气温较高.

2.1.2 相对湿度的日间变化特征分析 图3反映了各下垫面类型三季的相对湿度日间变化特征.春夏两季相对湿度明显高于秋季的相对湿度，且春夏两季相对湿度呈现先下降后上升的单谷型曲线，秋季则呈现先下降后上升再下降的变化趋势，其中，春季的相对湿度最低点除草坪外均出现在14:00，且12:00—14:00间具有回升趋势，夏季所有类型下垫面的最低点均出现在14:00.春夏两季林地下垫面的相对湿度较高，秋季反之较低，主要是因为林地在春夏两季树木的蒸腾作用强，加之土壤蒸发作用，使得其相对湿度较其他下垫面更高，而进入秋季后植物蒸腾作用变弱，蒸发较慢使得蒸发量大幅减少，且冠层对土壤蒸发作用产生的水分的保持作用减弱，导致相对湿度降低.

2.1.3 降温增湿效应分析 各下垫面在春夏秋三季的降温强度和增湿强度分别如图4、图5所示，结果表明，春夏秋三季降温强度由高至低的下垫面类型排序是：林地>水体>铺装>草坪>建筑，增湿强度由高至低排序为：林地>草坪>水体>铺装>建筑，即林地的降温增湿效应最强，建筑的降温增湿效应最弱.其中，降温强度最强的季节在秋季，最弱为春季；增湿强度最强的季节在夏季，最弱的同为春季，即城市绿地在春季的微气候调节效果最弱.分析其原因认为主要是由于春季太阳辐射增强，草坪与水体等下垫面升温快，且林地冠层尚未达到浓密状态令其对太阳辐射的截留较弱，使得绿地较对照点的气温降幅不显著；另外春季绿地的相对湿度与夏季接近，而对照点是不透水材料，土壤表面几乎不存在蒸发作用，但其春季气温低，空气中的水分蒸发作用更小，相对湿度更高，因此绿地较对照点的增湿作用不明显.根据研究结果还可以看出，较对照点而言，建筑在春夏两季气温更高，具有“升温效应”.

2.2 不同季节各下垫面人体舒适度特征分析

2.2.1 不同季节各下垫面人体舒适度的日间变化特征分析 各类型下垫面三季的湿热指数值变化趋势均呈现先上升后下降的单峰型曲线，除夏季建筑、秋季铺装的最高值出现在12:00外，其余类型下垫面在不同季节的湿热指数最高值均出现在午后14:00时间段，三季的湿热指数值由高至低排序为夏季>春季>秋季(图6).根据表1的舒适度划分标准判断，即绿地的秋季舒适度最好，且评价等级为舒适(THI<17)；春季舒适度次之，12:00—16:00时间段较不舒适(21

2.2.2 不同季节各下垫面人体舒适度改善效应分析 研究区域内，各下垫面春、夏、秋三季总体人体舒适度改善效应由强至弱的排序为林地>水体>草坪>铺装>建筑(图7).其中，秋季的人体舒适度改善情况最好，其次为春季，夏季人体舒适度改善效应最差，均为负值，即夏季各下垫面的人体舒适度水平均低于对照点人体舒适度水平，根据湿热指数计算公式可知，温度与湿度越高，湿热指数越大，则舒适度水平越差，夏季绿地内温湿度都较高，而对照点空气温度较相对湿度与绿地更为接似，但湿度更低，因此湿热指数较绿地更小，使得夏季绿地的人体舒适度改善值为负值，但其中负效应由弱至强排序为林地<水体<铺装<草坪<建筑，即夏季各下垫面之间相比较调节效应最好的仍为林地，建筑最差，主要是由林地降温效果显著而建筑增温效果较强导致的.

2.3 下垫面类型对温湿效应及人体舒适度的影响

2.3.1 下垫面类型对温湿效应的影响 对各下垫面类型在各个季节的微气候特征因子(空气温度、相对湿度、降温强度、增湿强度)进行ANOVA单因素方差分析，结果表明，在春季下垫面类型对空气温度、相对湿度、降温强度及增湿强度均有极显著影响(各因子显著性检验结果分别为F=8.856,P=0.000;F=8.823,P=0.002;F=8.823,P=0.002;F=6.088,P=0.002).在观测时间段内，下垫面类型在8:00对各个特征因子均有极显著影响，14:00时间段均无显著影响，其他时间段内对空气温度与降温强度有显著影响.在夏季，下垫面不同对其空气温度和降温强度有极显著影响(显著性检验结果分别为F=13.731,P=0.000;F=13.621,P=0.000)，其中8:00与12:00时间段有显著影响，其余时间段下垫面类型对温湿效应均无显著影响.秋季下垫面类型对空气温度和降温强度有显著影响(F=4.032,P=0.015;F=4.032,P=0.015)，其中10:00和14:00时间段分别有极显著影响和显著影响，其他时间段均无显著影响.因此可以看出，下垫面类型对温湿效应的影响在春季最强，夏季次之，秋季最弱，可以认为春季绿地的温湿效应由于下垫面类型的不同受到波动较大，应当重点考虑.

进一步对不同下垫面类型之间的微气候特征因子进行LSD多重比较，结果(表2)表明，春季不同下垫面类型间的温湿效应均存在较多的显著差异性，其中林地与另外四个类型下垫面几乎均表现出差异显著(相对湿度、增湿强度两项因子与草坪的差异不显著)；夏、秋两季空气温度和降温强度在不同类型下垫面之间存在显著差异性，相对湿度、增湿强度差异不显著，其中林地与其他下垫面类型几乎均存在显著差异(秋季与草坪的差异不显著).因此可以看出，林地在不同季节的温湿效应与其他下垫面类型之间存在显著差异性，对绿地的温湿效应具有明显影响.

表2 不同下垫面的空气温度、相对湿度、降温增湿强度比较1)

1)字母不同表示差异显著(P<0.05).

表3 不同下垫面的湿热指数比较1)

1)字母不同表示差异显著(P<0.05).

2.3.2 下垫面类型对人体舒适度的影响 对各下垫面类型在各个季节的湿热指数进行ANOVA单因素方差分析及LSD多重比较(表3)，结果表明，春、夏两季下垫面类型对人体舒适度的有极显著影响(显著性检验结果分别为F=7.510,P=0.001;F=8.734,P=0.000)，秋季下垫面类型对人体舒适度存在显著影响(F=3.976,P=0.016).春季林地与草坪、铺装、建筑和水体的人体舒适度均存在显著差异，夏季与草坪、建筑差异显著，秋季与铺装、建筑和水体差异显著.

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究通过对公园绿地内5种下垫面类型在春、夏、秋三季的微气候特征因子的实地观测，发现下垫面类型在不同季节对于其微气候特征因子均有显著影响，且各不同类型下垫面存在显著差异性.其中，各下垫面类型的各时间段空气温度在三季均表现为林地最低、建筑最高的特点，三季的空气温度总体明显呈现出夏季>春季>秋季的特征；就相对湿度而言，春夏两季林地下垫面的相对湿度较高，各季节的相对湿度总体呈现出春夏两季相对湿度高于秋季的特点.该结果与其他下垫面对温湿效应的影响的相关研究得出的结论相似，Yan et al[17]研究表明，夏季公园绿地内林地的日平均气温显著低于草坪、路面和水域，林地、水域和草坪的日平均相对湿度显著高于路面的相对湿度，因此本试验增加了对建筑下垫面的研究，以探究建筑对微气候环境带来的影响，结果表明，建筑的温湿效应最差，甚至在春夏季节对降温增湿有负效应，应在城市绿地设计中给予关注 .刘滨谊等研究风、湿、热等小气候要素与上海市开敞空间布局间的关联性时发现，将研究对象中的广场空间分为4种空间单元，其夏季日平均空气温度由高到底排列依次为无覆盖硬质铺装空间(硬质)>无覆盖草坪空间(草坪)>植物覆盖硬质铺装空间(植物)>建筑覆盖硬质铺装空间(建筑)[18]，该研究中建筑测点位于建筑内部，因此温度最低，本试验中建筑测点位于建筑外部无阴影出，受到建筑表面材料与能耗放热的影响，因此温度最高.由此看来，对于建筑下垫面对绿地微气候的影响，在今后的研究中可从建筑内外热环境差异方面进行更深入的分析，以从深层原因改善其降温增湿负效应.此外，受于城市复杂多变的环境因素影响和实地观测条件限制，现有研究中从定性角度分析下垫面类型对温湿效应的影响较多，定量分析其构成比例与绿地温湿效应的相关性或从空间布局角度考虑下垫面的影响在今后的研究中仍有待发现.

前人在校园环境不同结构绿地对夏季小气候改善作用的影响时，发现半天然乔-灌-草结构的绿地的人体舒适性改善程度最好，其后依次为人工乔—草>人工乔—灌—草>人工草坪，且各绿地的人体舒适度均高于无绿化地面[10].有研究表明[11]，北京城市公园林下广场与无林广场间温湿度具有极显著差异，林下广场由于具有树冠遮挡，太阳辐射温度远低于阳光直射时的太阳辐射温度，因此温湿效应最好，舒适度最好.本研究结果表明，三季林地的舒适度情况最好，建筑最差，且林地与其他下垫面类型对人体舒适度水平的影响有显著差异，表明了林地对人体舒适度改善的积极作用，但对下垫面的改变对人体舒适度的影响的定量分析还缺乏研究.THI指数作为温湿环境的表征以综合反应舒适度环境，与温湿度具有明显相关关系，下垫面类型通过对空气温度和相对湿度的显著影响，间接地使得其在不同季节对人体舒适度均存在显著影响，因此通过改变下垫面构成来提升绿地温湿效应，且空气温度、相对湿度分别如何进行改善能使温湿指数获得更好的降低从而提高人体舒适度水平，仍有继续探讨的空间.

3.2 结论

城市公园绿地内，下垫面类型在春、夏、秋三季对温湿效应有显著影响，具体表现为：春季下垫面类型对其温湿效应均有极显著影响，夏季和秋季下垫面对其空气温度和降温强度分别存在极显著影响和显著影响，各下垫面类型的空气温度总体呈现出三季均为林地最低、建筑最高的特点，相对湿度表现为春、夏两季林地的相对湿度最高，秋季水体的相对湿度最高，三季降温强度由高至低的下垫面类型排序是：林地>水体>铺装>草坪>建筑，增湿强度由高至低排序为：林地>草坪>水体>铺装>建筑，即林地的降温增湿效应最强，建筑的降温增湿效应最弱.下垫面类型在春、夏季对人体舒适度具有极显著影响，秋季存在显著影响，其中林地的舒适度情况最好，建筑最差，人体舒适度改善效应由强至弱的排序为林地>水体>草坪>铺装>建筑.综上，公园绿地内林地的降温增湿效应及人体舒适度改善效应最佳，其次为水体，建筑最弱，因此，建议公园绿地内优先设计大面积林地和水体，减少非必须建筑的布置，并将建筑的布局与林地和水体结合，削弱建筑对微气候的负影响，以更好地发挥绿地的温湿调节作用，提升绿地舒适度水平，改善人居环境.