李 彬 彭 歷

(北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144)

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模擬及分析街頭綠地植物群落對夏季小氣候影響★

李 彬 彭 歷

(北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144)

選取北京城市綠地中具有代表性的幾處植物空間結(jié)構(gòu)，利用儀器測量與ENVI-met軟件，對植物空間結(jié)構(gòu)溫濕度在不同時間段的階梯變化進行了實測與模擬，探索了喬草結(jié)構(gòu)、裸露草地、灌草結(jié)構(gòu)與喬灌草結(jié)構(gòu)四種植物空間結(jié)構(gòu)與空氣溫度、相對濕度等影響要素的關(guān)系，指出植物空間結(jié)構(gòu)對緩解城市高溫機制有著不同的效果。

ENVI-met，植物群落，小氣候溫濕度，街頭綠地

1 小氣候適應(yīng)性中對于ENVI-met的應(yīng)用

1.1 ENVI-met的功能

ENVI-met軟件起始階段適合對城市小尺度范圍內(nèi)微氣候設(shè)計的不同方案進行評價及分析，模擬時間在1 d以內(nèi)，間隔10 s，模擬過程中的水平解析度為1 m～10 m的一維邊界層模型。其后，通過對ENVI-met的進一步開發(fā)，增加了水體蒸發(fā)模塊，能夠有效的模擬湖泊、溪流等不同尺度水面對環(huán)境的熱作用?，F(xiàn)今ENVI-met在保持以上應(yīng)用的同時，可以更加準確地輸出城市微氣候環(huán)境尺度的溫濕度、風(fēng)速、輻射等氣象參數(shù)。ENVI-met的水平空間范圍增加到10 km以內(nèi)，高度在200 m以內(nèi)，模擬時間可達到4 d，增加與細化了包括大氣、植物、土壤子模型，細化了大量不同種類的環(huán)境下墊面及植物種類，加強了模擬的準確性和真實性。

1.2 ENVI-met的應(yīng)用及處理

國外對ENVI-met數(shù)值模擬研究起步較早。20世紀末首次驗證ENVI-met可模擬城市空間中下墊面、植物以及大氣的相互作用。分析了綠地空間土壤下墊面、植物的相互影響，結(jié)果顯示ENVI-met可以較好的模擬地面植物和下墊面對于空間小氣候的影響。21世紀以來分別對英國曼徹斯特郊區(qū)商業(yè)中心室外和美國鳳凰城等地區(qū)的熱環(huán)境進行了評估。國內(nèi)應(yīng)用主要集中街區(qū)的空間，證明了ENVI-met模擬數(shù)據(jù)與實測所得的空氣溫濕度、風(fēng)速、太陽輻射基本一致。

近幾年通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明，應(yīng)用ENVI-met來分析環(huán)境空間已經(jīng)很成熟，無論是在城市氣候環(huán)境的布局還是綠化方面都有很好的發(fā)展。利用遙感數(shù)據(jù)與實地調(diào)研的方法，得到場地內(nèi)下墊面、植物、小品設(shè)施等景觀要素的準確數(shù)據(jù)，采用多種應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)和影響進行準確提取，最終建立研究場地模擬模型。輸入當(dāng)日城市氣象站所測空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。最終通過所測的數(shù)據(jù)進行如圖1所示數(shù)據(jù)模擬，最終對所需場地進行小氣候評估。

2 北京街頭綠地下墊面與溫濕度影響的監(jiān)測

2.1 監(jiān)測儀器及方法

實驗為監(jiān)測城市街頭綠地喬草群落、裸露草地、灌草群落、喬灌草群落與小氣候溫濕度關(guān)系。利用NK4500小型氣象站，5月26日～28日每天早8點～晚18點，每10 min自記場地內(nèi)不同植物群落距地面1.5 m處空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速等各一次。

2.2 監(jiān)測點位置及環(huán)境特征

實測地點位于北京市石景山區(qū)阜石路南側(cè)街頭綠地，東至楊莊東路、西至楊莊路。占地約6 hm2，園內(nèi)現(xiàn)狀主要有喬木、灌木等不同植物群落。監(jiān)測點：1—喬草群落；2—裸露草地；3—灌草群落；4—喬灌草群落。

2.3 實測數(shù)據(jù)分析

2.3.1 植物群落與小氣候溫度關(guān)系

將各測點每1 h平均空氣溫度進行比較(見圖2),可見，喬灌草群落<喬草群落<灌草群落<裸露草地。喬灌草群落最高溫度出現(xiàn)在13點～14點，且溫度低于裸露草地與灌草群落同時段溫度，喬灌草群落與測點2的最大溫差近2.1 ℃，其他群落的溫度最大值出現(xiàn)在下午14點～15點。由此可見，植物群落的豐富性與空氣溫度呈負相關(guān),植物種類越豐富,空氣溫度越低,降溫效果越明顯。

2.3.2 植物群落與相對濕度關(guān)系

將各測點每小時平均相對濕度進行比較排序(見圖3)，可見,各群落在16點前的相對濕度變化趨勢基本相同，相對濕度最低值均出現(xiàn)在14點～15點。裸露草地<喬草群落<灌草群落<喬灌草群落，相對濕度最大差值約3.7%。

北京夏季環(huán)境濕度在30%～60%時人體感覺最為舒適，25%～30%人體感覺較為舒適，結(jié)果顯示具有植物蒸騰作用、保蓄水能力強的植物群落有明顯的保濕能力，除13點～15點時間段，其他時間段相對濕度均保持在30%～60%間，人體感受舒適；除裸露草地在14點～15點的相對濕度外，其他時段人體感覺較為舒適；植物豐富度最佳的喬灌草結(jié)構(gòu)增濕能力最強，保濕效果最明顯。

2.3.3 植物群落的人體舒適度數(shù)值

人體舒適度指數(shù)(ssd)利用指數(shù)的大小劃分等級并確定舒適程度。最適宜的環(huán)境ssd指數(shù)一般在59～70之間，人體感覺最為舒適；ssd指數(shù)在71～75之間時人體感覺偏暖，較為舒適，在76～79之間時人體感覺偏熱。

通過人體舒適度指數(shù)計算公式：ssd=(1.818t+18.18)(0.88+0.002f)+(t-32)/(45-t)-3.2v+18.2(其中，t為最高溫度；f為14點相對濕度；v為風(fēng)速)，計算獲得如表1所示溫濕指數(shù)數(shù)據(jù),即：71<喬灌草群落<喬草群落<灌草群落<裸露草地<75。由此可見，所有植物群落的人體舒適度指數(shù)均在較為舒適區(qū)間內(nèi)。喬灌草群落是人體感覺最為舒適的場地；裸露草地數(shù)值最高，舒適度最差，人體感覺較熱。表明植物群落越豐富，覆蓋率越高，人體舒適度越佳。

表1 不同植物群落人體舒適度指數(shù)數(shù)值

2.4 ENVI-met模擬溫濕度場數(shù)值比較

研究以ENVI-met軟件為基礎(chǔ)，將四種不同植物空間結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀作為輸入量，將溫濕指數(shù)作為輸出量(見圖4)。將四種不同植物群落離地1.5 m的逐時空氣溫度變化數(shù)值模擬比較。從圖4中可知，北京夏季時段不同植物群落平均空氣溫度對比為：喬灌草群落<喬草群落<灌草群落<裸露草地。其中喬灌草群落比裸露草地的空氣溫度平均低3.3 ℃，最高溫度差為4.9 ℃，且在11點～15點溫度較高時段，裸露草地的平均溫度比喬灌草結(jié)構(gòu)高3.9 ℃。

圖5為四種不同植物群落離地1.5 m的逐時相對濕度數(shù)值模擬比較。從圖5中可知，不同植物群落相對濕度對比為：喬灌草群落>喬草群落>灌草群落>裸露草地。四種植物空間結(jié)構(gòu)的變化趨勢較為一致，其中在13點之前，四種植物群落的相對濕度差距不大，在3.5%以內(nèi)。在13點以后，裸露草地的相對濕度變化數(shù)值大，約7.4%。喬灌草群落比裸露草地相對濕度平均高4.8%，最大差值為6.6%。

2.5 ENVI-met模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

全天溫度與相對濕度監(jiān)測及模擬值曲線變化趨勢如圖6所示較為一致，由于植物對周邊空氣有明顯的增濕效應(yīng)，灌草群落與喬灌草群落的擋風(fēng)效果較好，水蒸氣消散較慢，出現(xiàn)的空氣相對濕度較高，與監(jiān)測結(jié)果一致。比較監(jiān)測與模擬的溫度曲線表明，模擬數(shù)值均高于監(jiān)測值，但變化曲線基本一致。

2.6 對夏季北京城市綠地下墊面設(shè)計的啟示

1)設(shè)計與建立合理的植物群落。建立植物層次豐富的植物群落是夏季城市綠地小氣候適宜性設(shè)計的有效措施。喬草群落可以有效的控制太陽輻射來降低空氣溫度，同時可以有效的引導(dǎo)風(fēng)的流通，提高人體舒適度；灌草群落的植物高度及其蒸騰作用可以更有效的增加人類活動空間的空氣濕度。從人體舒適度數(shù)值可以看出，雖然灌木在降低風(fēng)速的作用中作用明顯，但二者絕非簡單的線性關(guān)系，有效的建立合理的喬灌草群落，可以更好的起到降溫增濕作用。依據(jù)植物的蒸騰速率、郁閉度、植物層次、空間結(jié)構(gòu)需求等因素，合理的選擇植物種類，設(shè)計種植結(jié)構(gòu)，是有效調(diào)節(jié)街頭綠地小氣候的重要手段。

2)增加郁閉度高的植物種植數(shù)量。太陽輻射是影響室外空氣溫度的主要原因[2]，通過監(jiān)測與模擬結(jié)果顯示，喬草群落的空氣溫度明顯低于灌草群落與裸露草地的空氣溫度。由此說明喬木郁閉度與太陽輻射量、空氣溫度呈現(xiàn)負相關(guān)狀態(tài)，植物的遮蔭效果是有效調(diào)節(jié)空氣溫度的生態(tài)效能之一。有效的增加植物的郁閉度能有效的增加區(qū)域內(nèi)小氣候適宜性，是降低空氣溫度的重要手段之一；增加冠幅大的闊葉喬木，可以降低夏季戶外空間的空氣溫度，是改善夏季小氣候適宜性的有效生態(tài)途徑。

3 結(jié)語

植物在夏季可以緩解城市熱島效應(yīng)，有效的改善局部小氣候，植物群落是植物種植設(shè)計中最為重要的設(shè)計要素之一[3]。本文通過實際監(jiān)測與ENVI-met模擬，比較了喬草群落、裸露草地、灌草群落、喬灌草群落的小氣候條件，分析了四種植物群落的空氣溫度、相對濕度、人體舒適度數(shù)值差別與變化。結(jié)果表明，不同植物群落對局部小氣候的改善作用存在差異性，總結(jié)發(fā)現(xiàn)植物不同的郁閉度、遮蔭效果、植物高度、種植層次性等設(shè)計要素均對小氣候產(chǎn)生影響。由于喬木有較好的郁閉度及遮蔭效果，使得其對局部空間有較好的降溫效果，灌木對于人類活動區(qū)域的增濕作用更為明顯。因此增加喬灌草群落的種植方式，選擇郁閉度好的闊葉喬木，蒸騰作用好的喬灌木，可以創(chuàng)造更好的降溫增濕空間，有利于提高北京夏季人體舒適度。

[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] 劉濱誼,張德順,張 琳,等.上海城市開放空間小氣候適應(yīng)性設(shè)計基礎(chǔ)調(diào)查研究[J].中國園林,2014(12):17-22.

[3] 柏 春.城市設(shè)計的氣候模式語言[J].華中建筑,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 ★:北京市教委科技計劃一般項目(項目編號：KM201610009013)；北方工業(yè)大學(xué)“2016校內(nèi)人才強校-青年拔尖”項目(項目編號：XN071017)

李 彬(1991- )，男，在讀碩士； 彭 歷(1983- )，男，講師

TU985

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