秋季校园不同下垫面小气候特征比较分析

胡懿航 古扎丽努尔·热木扎 王 越 王新禹

(东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

近年来城市化作用和工业发展使得热岛效应逐渐增加[1-3]。目前，彭历[4]等(2017)人发现小气候受下垫面的影响；贺晓冬[5]等人揭示了不同下垫面气象因子的变化趋势和原因；汪永英、孔令伟[6]等(2014)对哈尔滨城市森林不同林型的小气候特征和人体舒适度进行了分析；任桂萍[7]等(2019)对嘉峪关市不同下垫面小气候特征及其生态意义进行分析研究。环境是指人体以外的空间和影响人的物质及能量的总和。人类是否感到舒适很大一部分上取决于环境的各种因素，诸多环境中与学生有着密切关系的环境非校园环境莫属。校园环境的舒适性与校园师生的快乐学习和生活有着密切关系，为了探究不同类型校园绿地所产生的小气候效应，我们选取东北林业大学校区内具有代表性的草坪、篮球场、林场和宿舍4个下垫面进行试验。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区域选在了黑龙江省哈尔滨市东北林业大学校区(45.72°N，126.63°E)，实验区的气候特点为夏季炎热、冬季寒冷、春季和秋季的气温变化幅度较大、变化时间较短。本次实验研究时间选在了一年中的秋季(9-11月)，实验区在北方冷空气的入侵下气温逐渐降低。校园内的植物种类多样、分布广泛，包括水曲柳、白桦、红皮云杉等乔木，以及榆叶梅、丁香类等灌木[8]。

研究地点选在东北林业大学校园内的4种不同类型的下垫面进行监测分析，在每个下垫面均设置5个1m×1m的实验样方，并保证样方内各种影响因素分布较为均匀，对照组选择黑龙江省气象局发布的官方数据与实验组进行分析比较，选取的4处实验样地下垫面的结构类型及特征为：

(1)宿舍区—4号学生公寓后：地表无植物覆盖主要由砖块构成，仅在中午存在阳光直射，由于楼体密集风速较小，下垫面周围存在一些水曲柳等乔木和少量灌木，人流密度较大。

(2)草坪区—草坪：位于主楼正南方向，地表由草本植物覆盖，植被覆盖率大于60%。样方南侧种植一排乔木使得草坪四周均有建筑物或树木阻挡，风速较小。草坪区由于位置空旷所以阳光照射时间较长，此外人流密度较小，受人类影响较少。

(3)活动区—篮球场：下垫面由水泥上方铺设一层橡胶软垫构成，实验区域无植被，实验区周围存在几棵乔木。实验区位置空旷，仅有一面存在建筑物遮挡所以阳光直射时间长，升温快，风速较大。午后至傍晚时分人员密度较大，易受人们行动影响。

(4)林场——水曲柳林地：实验区位于林场东侧，区域内存在大量乔木和灌木，植被覆盖率较高。由于样方周围树木密集所以阳光直射时间极少、风速较低，此外人流密度极低，人类活动对林场的感扰可以忽略不计。

1.2 研究方法

2020年9-11月，每月选择6 d，每日从7:00—19:00每隔2 h进行一次测量，共测量7次。实验区的温度、相对湿度和风速使用TES温湿度仪和Testo410-1风速仪进行测量。每个下垫面均采用五点取样法(四方样地顶角四点和中心一点)，每个点每次采样1min，共采样3次，测量高度为距离地面1.5m处，与成人呼吸高度基本一致。

1.3 数据处理

研究选用Excel软件进行数据整理、计算和分析，增温率、降湿率和降风率计算公式[9]为：

TN=(Tn-To)/To×100%

(2-1)

FN=(Fo-Fn)/Fo×100%

(2-2)

VN=(Vo-Vn)/Vo×100%

(2-3)

式中：TN为降温率(%)，To为对照点温度(℃)，Tn为林内温度(℃)；FN为增湿率(%)，Fo为对照点湿度(%)，Fn为林内湿度(%)；VN为降风率(%)；Vo为对照点风速(m/s);Vn为林内风速(m/s)。

2 结果分析

2.1 不同下垫面空气温度的比较

草坪、篮球场、林场、宿舍和对照点的秋季平均气温分别为：10.45℃、10.90℃、10.45℃、10.87℃和9.12℃。总体来说，四个下垫面的季平均温度均高于对照值。可能与人类活动频繁程度、建筑及植被有关。由图1可知，不同月份4个下垫面与对照的温度日变化特征相同，均呈现先上升后下降的单峰曲线，且这三个月份的最高气温都出现在在13：00。9月，4个下垫面除个别点外，各时段平均值均高于对照点。草坪和林场每个时段的温度都低于宿舍和篮球场，宿舍在上午温度较高，篮球场温度在下午较高，与宿舍相比，林场的降温幅度为0～0.4℃，草坪的降温幅度-0.4～0.3℃，篮球场的降温幅度为-0.5～0.0℃。10月，4个下垫面平均气温均高于对照点。草坪和篮球场每个时段的气温都要低于宿舍和林场，宿舍在上午温度较高，林场温度在下午较高，与宿舍相比，林场的降温幅度为-1.4～0.9℃，草坪的降温幅度-0.8～1.1℃，篮球场的降温幅度为-1.0～0.5℃。11月，4个下垫面数值均高于对照点。大部分时间都是篮球场温度较高，傍晚宿舍温度较高。与宿舍相比，林场的降温幅度为-0.3～2.0℃，草坪的降温幅度-0.3～1.0℃，篮球场的降温幅度为-0.8～1.0℃。

图1 不同下垫面9-11月气温的日变化曲线

2.2 不同下垫面相对湿度的比较

草坪、篮球场、林场、宿舍及对照点的秋季平均相对湿度分别为：58.20%、55.99%、58.67%、54.12%、64.26%。与对照点相比，总体来说，4个下垫面都有明显的降湿现象，其中宿舍和篮球场的降湿程度要高于草坪和宿舍。 由图2可知，实验组和对照组的湿度变化趋势基本一致，均为早晚较高中午较低与温度变化相反。通过后续计算我们知道温度与湿度存在显著负相关，通过温度和湿度的变化趋势也可以印证这一结论。从图2我们可以看出，9-11月相对湿度最低值大部分出现在13点，与气温在13点出现最大值相联系，然而在11点和15点也出现过最小值，说明相对湿度不仅与气温有关，也受风速等因素的影响。此外我们可以看出在9、10月份，草坪和林场的曲线要高于宿舍和篮球场，而在11月，4条线相差不大，说明植被相对于柏油路面存在一定的增湿效应[10]。

图2 不同下垫面相对湿度日变化曲线

2.3 不同下垫面风速的比较

草坪、篮球场、林场、宿舍和对照点的秋季平均风速分别为：0.65、0.87、0.41、0.73和3.22m/s。与对照点相比较，总体来说降风功能分别为：林场>草坪>宿舍>篮球场。

由图3可知，不同月份四个下垫面的风速变化各不相同。9月和11月，篮球场风速最大；10月，宿舍风速最大；秋季，林场风速月平均风速一直最小。

图3 不同下垫面风速日变化

2.4 不同下垫面增温率、降湿率、降风率的比较

根据计算公式(2-1)、(2-2)和(2-3)计算可得出在增温方面，相对于对照点，9月，4个下垫面都有不同程度的增温情况，篮球场和宿舍的增温量大于草坪和林场的增温量；10月，草坪低于其他3个下垫面的增温率但4个下垫面的增温量差距在减小；11月，4个下垫面增温效应的差距更加的小。

在减湿效应方面，相较于对照点，9月：林场<草坪<宿舍<篮球场；10月：林场<草坪<篮球场<宿舍；11月：草坪<宿舍<篮球场<林场。4个下垫面相对于对照点均有一定的减湿作用，其中篮球场和宿舍相对于林场和草坪减湿作用更加明显，可能与植被有关，植被多，湿度减少反而不明显。在降低风速方面，4个下垫面均表现出降风作用。林场在3个月份降风效果均很显著，草坪在10月和11月降风效应较好，篮球场降风效率较低，说明降低风速除了与植被有关外，受周围建筑物结构很大影响。

3 结论

4个下垫面互相进行对比，大部分时间温度表现为：宿舍楼、篮球场>草坪、林场，而11月，篮球场、宿舍楼>草坪>林场。经分析这与供暖有关，草坪、篮球场和宿舍楼的选址位于校园人流比较大的主校区，而林场的位置比较偏僻，很少有供暖管道与设施。

秋季湿度表现为：草坪、林场>篮球场、宿舍，9月降水量高于10月、11月，所以会呈现出空气相对湿度9月>10月>11月的特征。

秋季风速日变化起伏较大，表现为：宿舍楼、篮球场>草坪、林场，其中林场在风速较大时对风的消减作用明显。上午风速增加快，而下午风速减弱的慢。