段玉俠

金荷仙*

史 琰

小氣候(micro-climate)是指在具有相同大氣候環(huán)境范圍內(nèi)，由于受下墊面條件、地形方位等多種因素的影響而在局部地區(qū)形成的獨(dú)特氣候狀況[1]。城市氣候作為在區(qū)域大氣候背景下形成的一種相對獨(dú)立的小氣候，它與城市的發(fā)展和人類活動密切相關(guān)，風(fēng)景園林空間是當(dāng)今社會人們親近自然的有效途徑，它基于風(fēng)景園林學(xué)的視角，涵蓋了包括地形地貌、植(動)物、建(構(gòu))筑物、水體等多種物質(zhì)形態(tài)在內(nèi)的空間構(gòu)成，在微觀層面上可以看作是人們?nèi)粘Ｉ?、工作游憩和生存所需的戶外環(huán)境[2]。其使用頻率及質(zhì)量評價受到多種因素的影響，在典型的夏熱冬冷地區(qū)，風(fēng)景園林空間的局部小氣候特征能夠直接影響置身其中的使用者的舒適度感受。研究表明樹木群落的冠層特征對群落內(nèi)的微氣候因子具有重要的調(diào)節(jié)作用[3]，如城市森林冠層在削減太陽輻射、高溫滯后與改善舒適度方面作用顯著[4]，而在小尺度空間內(nèi)的綠地冠層格局也具有一定的溫、濕度調(diào)控效應(yīng)，其中溫度調(diào)控能力主要來自綠地植物的遮陰作用[5]。在有關(guān)戶外熱環(huán)境的人體舒適度研究中，常用的熱舒適模擬和評價指標(biāo)包括PMV(預(yù)測平均投票)、PET(生理等效溫度)、SET＊(標(biāo)準(zhǔn)有效溫度)[6]，其中生理等效溫度(Physiologically Equivalent Temperature,PET)[7]近些年借助RayMan熱舒適模擬計算軟件被廣泛用作有關(guān)小氣候熱舒適研究的理論評價依據(jù)[8-11]。

目前有關(guān)城市小氣候、戶外熱環(huán)境的研究中，主要包括各類公園、廣場、居住區(qū)、街道等類型，療養(yǎng)院作為具有一定特殊治療效果的醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)，十分重視并有賴于景觀的優(yōu)勢，風(fēng)景園林空間也是療養(yǎng)院的重要療養(yǎng)因子[12]。本文基于療養(yǎng)院內(nèi)良好的景觀環(huán)境，通過對各小氣候因子的實地測量，分析不同冠層遮陰在夏季炎熱氣候背景下對風(fēng)景園林空間內(nèi)熱環(huán)境(太陽輻射、空氣溫度、地表或表面溫度)、濕環(huán)境(相對濕度)、風(fēng)環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向)[11]的影響差異，采用生理等效溫度(PET)作為熱舒適度評價指標(biāo)，探索影響夏季人體熱舒適度感受的主要因素，并提出相應(yīng)設(shè)計改善策略。

圖1 杭州療養(yǎng)院平面圖及測點(diǎn)分布(底圖引自天地圖網(wǎng)站)

1 場地概況

南京軍區(qū)杭州療養(yǎng)院(120°12′E，29°11′～30°24′N)位于杭州市西湖區(qū)楊公堤畔，占地面積約20.53hm2，院內(nèi)植物群落種類豐富，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，綠化覆蓋率達(dá)90%。根據(jù)杭州市氣象局的氣象資料，2017年7月杭州市西湖區(qū)平均高溫為36.2℃，平均低溫為27.9℃，極端高溫出現(xiàn)在7月24日，41.1℃，各測試日天氣情況見表1。

2 實驗方法

2.1 小氣候因子測試方法

本次實驗數(shù)據(jù)測量，選擇了7月晴朗少云的天氣進(jìn)行，測試日分別是2017年7月26—28日連續(xù)3d，每日具體測試時間為白天大多數(shù)人群的活動時間8：00—19：00，測試儀器包括太陽輻射儀、高精度溫濕度計、風(fēng)速風(fēng)向儀、紅外測溫槍等，對各個測點(diǎn)的太陽輻射、空氣溫度、相對濕度、地表(表面)溫度、瞬時風(fēng)速、風(fēng)向、地表(表面)溫度等氣候因子進(jìn)行定點(diǎn)走動觀測，各測點(diǎn)每小時逐時記錄一次，測試儀器距離地面1.5m，各儀器的測定范圍及精度見表2。

2.2 天空可視因子的計算

天空可視因子(Sky View Factor，SVF)是指地面某點(diǎn)對天空的可見程度，是表征城市形態(tài)和空間冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，也是影響室外熱舒適度和城市熱島效應(yīng)的重要因素[13]。SVF是介于0～1之間的無量綱量，對于視覺無阻的空曠地區(qū)，其值為1，而對于天空完全被遮蔽的地方，其值為0。SVF的計算參考了有關(guān)林冠郁閉度的簡易測量方法[14]，首先采用魚眼鏡頭拍攝各測點(diǎn)頂部遮陰覆蓋空間影像圖，而后利用Photoshop進(jìn)行像素化處理，圖像中無覆蓋物的可視部分像素值與整體空間像素值之比即可近似視為該測點(diǎn)空間的天空可視因子。

2.3 測點(diǎn)的選擇與分布

基于戶外人群的行為活動情況，根據(jù)SVF的不同分別選出全遮陰(SVF值小于0.1)、半遮陰(SVF值0.5左右)、無遮陰(SVF值大于0.95)3種類型的風(fēng)景園林活動空間共計18個測點(diǎn)(分布情況見圖1)，每種類型空間包含6個測點(diǎn)，各測點(diǎn)分類及具體信息見表3。

3 結(jié)果與分析

為避免實驗結(jié)果的偶然性，將各測點(diǎn)3個測量日各時段實測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1 熱環(huán)境

本文中熱環(huán)境的衡量指標(biāo)包括太陽輻射強(qiáng)度，空氣溫度以及地表(表面)溫度，其中太陽輻射作為地球表層最主要的能量來源，能夠直接影響空氣溫度以及地表(表面)溫度，對于人類來說，太陽輻射不僅影響人體熱舒適度，其攜帶的紫外線更能對眼睛、皮膚甚至免疫系統(tǒng)產(chǎn)生損害[15]。

表1 各測試日天氣狀況

表2 各測試儀器主要參數(shù)

圖2-1 平均太陽輻射

圖2-2 全遮陰測點(diǎn)太陽輻射

圖2-3 半遮陰測點(diǎn)太陽輻射

圖2-4 無遮陰測點(diǎn)太陽輻射

表3 測點(diǎn)分組及基本情況

3.1.1 太陽輻射強(qiáng)度日變化

圖2-1顯示，各不同遮陰類型的測點(diǎn)空間平均太陽輻射強(qiáng)度差異較大，尤其是無遮陰空間，從8：00開始強(qiáng)度平均已至400wat/m2，最高700wat/m2，其中測點(diǎn)14(圖2-4)在12：00左右太陽輻射值接近900wat/m2；半遮陰和全遮陰空間總體平均太陽輻射值始終處于低位且差距不大，最高值不足200wat/m2，說明在炎熱的夏季，相對于露天空間，當(dāng)SVF降至0.5左右時，即能顯著降低太陽輻射強(qiáng)度，阻隔近70%的直射陽光。大喬木遮陰空間受樹干分枝點(diǎn)高低的影響，遮陰效果會隨太陽高度角的變化而變化，因此在半遮陰空間中(圖2-3)，大部分測點(diǎn)在13：00—14：00太陽西斜時太陽輻射達(dá)到峰值；無遮陰空間(圖2-4)，最高值出現(xiàn)在12：00左右，測點(diǎn)3的太陽輻射值相對較低，最高值441.13wat/m2，接近無遮陰測點(diǎn)平均值的最低值，表明相對于室外完全露天的風(fēng)景園林空間，透明有機(jī)玻璃雖然整體透光性很高，幾乎等同于無遮陰狀態(tài)，但依然能顯著降低太陽輻射強(qiáng)度，削弱太陽直射可能給人帶來的不良影響。

圖3-1 平均空氣溫度

圖3-2 全遮陰測點(diǎn)空氣溫度

圖3-3 半遮陰測點(diǎn)空氣溫度

圖3-4 無遮陰測點(diǎn)空氣溫度

續(xù)表3

3.1.2 空氣溫度日變化

對于空氣溫度，各不同遮陰空間及其內(nèi)部各測點(diǎn)間的差距較小，圖3-1所示，3種不同類型遮陰空間中，全遮陰與半遮陰空間平均空氣溫度幾乎同步變化，只在12：00—14：00出現(xiàn)最高約0.5℃左右的差值，其余時間段2種類型空間平均空氣溫度基本一致，無遮陰空間在16：00前，其平均空氣溫度始終相對于前兩者高3℃左右，表明遮陰狀況對空氣溫度的間接影響：在炎熱的夏季，太陽輻射較強(qiáng)時，一定的遮陰能夠顯著降低太陽輻射強(qiáng)度，進(jìn)而影響空氣溫度。

全遮陰空間(圖3-2)因不同遮陰材料的影響，各測點(diǎn)空氣溫度變化趨勢一致，差值較為穩(wěn)定，最大差值出現(xiàn)在14：00—16：00，約2℃；半遮陰(圖3-3)測點(diǎn)在12：00—17：00，空氣溫度差值較大，尤其是測點(diǎn)2和6，在12：00—13：00、15：00—16：00 明顯高于同時段其他測點(diǎn)，最大差值2.5℃左右； 無遮陰空間隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，各測點(diǎn)直接經(jīng)受太陽直射，空氣溫度均快速升高，溫差逐漸減小，于15：00—16：00均達(dá)到峰值，最大差值約4℃(8：00—9：00)。

3.1.3 地表(表面)溫度日變化

地表(表面)溫度的變化與太陽輻射強(qiáng)度較為密切，且受到各測點(diǎn)鋪裝材質(zhì)的影響，因此各不同遮陰類型空間及同一類遮陰空間內(nèi)各測點(diǎn)間差異都較大，圖4-1顯示，無遮陰空間遠(yuǎn)高于半遮陰及全遮陰空間，最大差值高達(dá)20℃，最小差值也在5℃以上；半遮陰與全遮陰空間在12：00—15：00差值最大，約5℃，其他時間段差值約2℃，18：00后二者趨同，但由于地表(表面) 溫度具有一定的累積效應(yīng)，此時無遮陰空間仍在40℃以上。反的變化趨勢。全遮陰空間與半遮陰空間幾乎沒有差異，與無遮陰空間差距明顯，但三者總體的變化趨勢同步，差值穩(wěn)定，最低值都出現(xiàn)在15：00—16：00。

續(xù)表3

圖4-1 平均地表(表面)溫度

圖4-2 全遮陰測點(diǎn)地表(表面)溫度

圖4-3 半遮陰測點(diǎn)地表(表面)溫度

圖4-4 無遮陰測點(diǎn)地表(表面)溫度

全遮陰各測點(diǎn)間差值較大，測點(diǎn)15始終較低，測點(diǎn)1受水體影響，測點(diǎn)7和17周邊綠化量較大，因此相對濕度偏高；半遮陰測點(diǎn)在12：00—17：00太陽輻射較強(qiáng)時出現(xiàn)波動，最大差值約5%，其他時間段差值不明顯；無

全遮陰空間(圖4-2)的變化一直是緩慢上升的趨勢，約在13：00—14：00達(dá)到峰值，卵石鋪地的測點(diǎn)5和17地表溫度始終較低；半遮陰空間先快速上升，13：00—14：00達(dá)到峰值而后逐漸回落；無遮陰空間中(圖4-4)測點(diǎn)14與11始終存在明顯差距，最大地表溫度差值在中午時分達(dá)到了15℃，最小差值也在10℃以上，表明瀝青比花崗巖等天然石材更易儲熱，不宜在無遮蔭環(huán)境下大面積使用。

3.2 濕環(huán)境

相對濕度的變化受太陽輻射及空氣溫度的直接或間接影響，與空氣溫度緊密相關(guān)且呈相遮陰測點(diǎn)最大差值超過10%，出現(xiàn)在8：00—10：00和18：00—19：00太陽輻射強(qiáng)度在全天最弱時。

3.3 風(fēng)環(huán)境

風(fēng)環(huán)境主要指各測點(diǎn)空間內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向變化，將3個測試日所得各個測點(diǎn)的平均風(fēng)速進(jìn)行分類累加，得到各類型遮陰空間總風(fēng)量的對比(圖6-1)，結(jié)果顯示無遮陰空間總風(fēng)量最大，全遮陰與半遮陰空間差距不大；計算3種遮陰類型空間平均風(fēng)速(圖6-2)，整體來看，平均風(fēng)速從大到小的排序是無遮陰空間〉半遮陰空間〉全遮陰空間，表明相對開敞的空間有利于風(fēng)的形成和流通，風(fēng)速風(fēng)量較大。

風(fēng)向的變化較為復(fù)雜，除了受季節(jié)性大氣候環(huán)境的影響及各測試日當(dāng)天的主風(fēng)向影響外，還與各測點(diǎn)所處位置的周邊建筑布局、植被種植等密切相關(guān)，3種遮陰類型中全遮陰、半遮陰測點(diǎn)無風(fēng)狀態(tài)偏多，尤其是測點(diǎn)5、7、8、17，無風(fēng)狀態(tài)占比超過2/3(圖6-3)；在方向的分布上，3個測試日的統(tǒng)計結(jié)果顯示3種類型空間無明顯區(qū)別(圖6-4)。

3.4 生理等效溫度日變化特征

PET是由H?ppe基于MEMI(Munich Energy Balance Model forIndividuals)模型而提出的人體熱舒適度指標(biāo)[7]，利用Ray Man軟件可以計算出各個測點(diǎn)每一時間段內(nèi)的PET值，對應(yīng)PET熱感覺和生理應(yīng)激等級(圖7)模型區(qū)間則可得出相應(yīng)的熱舒適感受。

對比各遮陰空間平均熱舒適度及各測點(diǎn)熱舒適度日變化(圖8-1～8-4)，結(jié)果顯示在炎熱夏季，無遮陰空間最不舒適，內(nèi)部所有測點(diǎn)全天幾乎都處于“熱”及“炎熱”的狀態(tài)，只有在18：00以后才回歸舒適水平；全遮陰空間僅在12：00—16：00有點(diǎn)熱，且程度較低，屬于微熱，整體舒適度仍然很高；半遮陰空間在10：00—17：00表現(xiàn)較熱，尤其是13：00—14：00最熱，但尚未達(dá)到“炎熱”的程度，只有測點(diǎn)2、9午后伴隨太陽西斜接受陽光直射而在短時間內(nèi)達(dá)到“炎熱”。

圖5-1 平均相對濕度

圖5-2 全遮陰測點(diǎn)相對濕度

圖5-3 半遮陰測點(diǎn)相對濕度

圖5-4 無遮陰測點(diǎn)相對濕度

圖6-1 各類型空間總風(fēng)量占比

圖6-2 各類型空間平均風(fēng)速

圖6-3 各測點(diǎn)風(fēng)向分布

圖6-4 各類型空間風(fēng)向分布

表4 PET和遮陰率及各小氣候因子相關(guān)性分析

4 結(jié)論和討論

通過以上對全遮陰、半遮陰、無遮陰3種不同遮陰類型下18個測點(diǎn)各小氣候因子的實地測量和結(jié)果分析得出以下結(jié)論。1)太陽輻射強(qiáng)度是影響室外小氣候環(huán)境的重要因素，因此遮陰對于夏季風(fēng)景園林空間的舒適度營造至為關(guān)鍵。相對于露天空間，全遮陰與半遮陰空間整體差異不大，當(dāng)SVF降至0.5左右時，即能降低空間內(nèi)70%的太陽輻射量，有效避免了陽光直射帶來的高溫高熱及對人體產(chǎn)生的不適影響。2)遮陰材料及地表(表面)鋪裝材質(zhì)的選擇尤為重要，對于遮陰材料，首選實頂或不透光的人工構(gòu)筑物，可結(jié)合一定量的綠化配置，能有效阻隔午后的直射陽光；其次可選冠大蔭濃、分枝點(diǎn)較低的喬木(也可通過抬升或架空平臺來實現(xiàn))或密度較高的大灌木；對于鋪裝材料，在面積較小的區(qū)域可考慮鵝卵石、防腐木，避免在太陽直射區(qū)域大面積使用瀝青、水泥等材料，推薦使用人工透水磚或增加一定木質(zhì)鋪裝比例。3)在炎熱夏季，可通過噴泉、跌水等流動性的水體景觀來增加空氣濕度，提高人體的舒適度感受。

本實驗旨在探究室外風(fēng)景園林空間冠層遮陰對夏季小氣候及人體熱舒適度感受的影響，仍存在一定欠缺。首先，天空可視因子不能全面反映空間的遮陰情況，一天中隨著太陽高度角的變化各個測點(diǎn)空間的遮陰情況也在不斷改變，后期可結(jié)合軟件模擬進(jìn)行光影的動態(tài)實時分析；其次，3個測試日的平均風(fēng)速都偏小，以致最終的風(fēng)速數(shù)據(jù)均較小，因而弱化了風(fēng)速對熱舒適度的影響，后面的研究可考慮選擇風(fēng)速偏大的天氣進(jìn)行測量；最后，測量時間局限于白天的8：00—19：00，未考慮到人們早上及晚間的戶外活動時間段，未來也須完善。

圖7 PET熱感覺和生理應(yīng)激等級[9]

圖8-1 平均熱舒適度

圖8-2 全遮陰測點(diǎn)熱舒適度

圖8-3 半遮陰測點(diǎn)熱舒適度

圖8-4 無遮陰測點(diǎn)熱舒適度

注：文中圖片除注明外，均由作者拍攝或繪制。