趙曉龍

周 燁

趙冬琪

呂佳駿

戶外健身步道是市民運(yùn)動的重要場所，認(rèn)識其景觀特征對微氣候因子的調(diào)節(jié)機(jī)理對于優(yōu)化健身步道設(shè)計(jì)，促進(jìn)市民的戶外運(yùn)動具有重要意義。目前，風(fēng)景園林學(xué)科視角下，關(guān)于微氣候特征的研究主要在于2種空間類型：一類是面狀空間，主要集中于在公園、古典園林、廣場等開放空間內(nèi)進(jìn)行不同景觀要素和軟硬質(zhì)下墊面微氣候特征的比較[1-2]，或在居住小區(qū)內(nèi)研究綠地覆蓋率、綠地分布及結(jié)構(gòu)特征對微氣候環(huán)境的改善作用[3]；另一類是線性空間，通常以城市街道、帶狀公園、濱水帶等作為主要研究載體，如在街道帶狀林蔭空間進(jìn)行的“空氣熱效應(yīng)場”的剖面實(shí)態(tài)變化分析[4-5]，或?qū)Σ煌聣|面特征的街道峽谷[6]微氣候環(huán)境的數(shù)值模擬研究，以及對濱水帶空間斷面微氣候特征的實(shí)測研究[7]等。健身步道作為重要的線性活動空間，其微氣候舒適度直接影響了市民的健身意愿，但目前圍繞健行步道開展的微氣候特征研究較少。而在微氣候數(shù)據(jù)獲取方面，多數(shù)研究采用散點(diǎn)法、均勻布點(diǎn)法和分層布點(diǎn)法等定點(diǎn)觀測方法，移動測量結(jié)合地理信息獲取的方法尚未應(yīng)用到小尺度線性空間的研究中。

本研究選擇寒地戶外健身時(shí)間的起始點(diǎn)春季，以哈爾濱兆麟公園為研究對象，通過實(shí)地觀察和問卷調(diào)查的方法篩選出一條使用頻率最高的健身步道作為測試路線，使用移動測量的方法記錄各測試點(diǎn)的微氣候數(shù)據(jù)(溫度、濕度、風(fēng)速)，將微氣候數(shù)據(jù)與GIS擬合得出健身步道微氣候特征圖，揭示健身步道微氣候因子的變化規(guī)律。沿途選取9個(gè)典型的景觀空間截面作為測試點(diǎn)，測量各個(gè)測點(diǎn)的景觀形態(tài)特征數(shù)據(jù)，通過微氣候因子與景觀形態(tài)特征相關(guān)性分析，研究各景觀元素及其組合關(guān)系對健身步道微氣候的影響。

1 實(shí)測試驗(yàn)

1.1 測試場地簡介

測試場地位于中國東北部的城市哈爾濱的兆麟公園內(nèi)。兆麟公園始建于1906年，總面積約8.4hm2，年平均氣溫3.6℃，夏季炎熱而短暫，冬季寒冷而漫長，春秋季節(jié)氣候變化明顯。春季相對濕度最小，4、5月僅為51%左右。年相對濕度的最小值也出現(xiàn)在春季，多在5%以下，甚至為零。季風(fēng)氣候明顯，年平均風(fēng)速4.1m/s。春、秋季風(fēng)速一般較大，春季多西南風(fēng)。

1.2 測試路線與測試點(diǎn)

本研究采用實(shí)地觀察與調(diào)查問卷方法，對公園內(nèi)5條常用健身步道的使用人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，隨后采用疊圖法篩選出一條使用頻率最高的健身步道為測試路線。在測試路線上選取9個(gè)典型景觀空間截面作為測試點(diǎn)。測試點(diǎn)布置及實(shí)地照片如圖1所示。

信息協(xié)調(diào)是基于BIM技術(shù)信息交互平臺的建立而實(shí)現(xiàn)的。建筑施工過程中，工程任務(wù)量大、建設(shè)工期緊是其主要的特征所在；這對于建筑工程項(xiàng)目的部門溝通、專業(yè)溝通和節(jié)點(diǎn)溝通提出了較高要求。傳統(tǒng)信息管理模式中，其信息交互的過程具有滯后性，繁瑣的數(shù)據(jù)傳達(dá)方式使得數(shù)據(jù)殘缺、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的現(xiàn)象廣泛存在，其嚴(yán)重影響了工程建設(shè)的效率和質(zhì)量。在BIM技術(shù)體系下，建設(shè)單位、施工單位、業(yè)主等信息交互方俱被納入統(tǒng)一的管理平臺，其實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的高度共享與利用，有效的避免了信息溝通不到位而造成的施工質(zhì)量問題。

圖1 現(xiàn)狀照片及測試點(diǎn)

表1 健身步道使用人數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.3 測試季節(jié)和測試因子的確定

測試季節(jié)選在冬夏交接的春季，主要原因有2個(gè)：首先，4月為寒地城市居民每年開始頻繁戶外健身的時(shí)間點(diǎn)，有研究表明，春季健身步道微氣候特征助于延長寒地城市居民運(yùn)動的時(shí)間。其次，春季氣候早晚變化顯著，相較于其他季節(jié)更容易觀察微氣候變化規(guī)律。根據(jù)春季氣候特點(diǎn)選擇需要研究的微氣候因子，由于寒地春季氣候特點(diǎn)為風(fēng)大、干燥、溫差大，而太陽輻射對于春季戶外活動的影響較小，因此本研究選擇溫度、濕度和風(fēng)速作為微氣候特征的研究對象。測試的具體時(shí)間選在2016年4月27—29日，晴朗少云的3d，每天在3個(gè)居民使用健身步道頻率最高的時(shí)間段(8：00—8：30、12：00—12：30、16：00—16：30)進(jìn)行微氣候?qū)崪y，每次移動測量時(shí)間為30min。測試儀器每隔10s自動記錄一次微氣候數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)采集儀器與數(shù)據(jù)處理軟件

詳見表2。

表2 數(shù)據(jù)采集儀器與數(shù)據(jù)處理軟件基本情況

1.5 測試方法

該測試選擇移動測量的方法，移動測量是在機(jī)動車上裝配數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在車輛勻速行駛的過程中快速采集道路地理空間信息和其他空間屬性數(shù)據(jù)的一種測量方法[8]。該方法廣泛用于城市熱環(huán)境研究的定量分析[9]，但目前應(yīng)用于公園小尺度空間的測量研究較少[10]。微氣候數(shù)據(jù)采集的記數(shù)時(shí)間間隔設(shè)為10s/次，測點(diǎn)高度為距地面1.5m處。為保證移動過程的穩(wěn)定性，將儀器固定在手推車上，車速控制在0.5m/s以下，盡量保持直線勻速行駛，以減小行走風(fēng)速對測試結(jié)果的影響，并且在每處測試點(diǎn)停留5min以等待測試結(jié)果趨于穩(wěn)定后繼續(xù)前進(jìn)。

2 測試結(jié)果及分析

實(shí)測數(shù)據(jù)包括三部分：景觀形態(tài)特征信息數(shù)據(jù)，健身步道微氣候數(shù)據(jù)以及健身步道地理信息數(shù)據(jù)(表3)。將不同時(shí)間段內(nèi)健身步道的微氣候數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)擬合得到不同時(shí)間段內(nèi)健身步道的溫度、濕度、風(fēng)速效應(yīng)圖，進(jìn)而對健身步道溫度、濕度和風(fēng)環(huán)境進(jìn)行整體分析，并結(jié)合各測點(diǎn)分布對測點(diǎn)微氣候環(huán)境進(jìn)行比較分析，初步分析其原因。

2.1 健身步道溫度效應(yīng)分析

如圖2所示，在8：00—8：30測試時(shí)段中，溫度最高的為測試點(diǎn)3(草地)，溫度最低的為測試點(diǎn)8(水的下風(fēng)向)，但這2點(diǎn)溫差較小，各測試點(diǎn)溫度比較如下：水下風(fēng)向＜灌木密林＜喬木林＜水上風(fēng)向＜南坡＜北坡＜灌木疏林＜草地；觀察12：00—12：30時(shí)段健身步道的溫度線性動態(tài)變化圖發(fā)現(xiàn)各測試點(diǎn)溫差幅度增大，測試點(diǎn)4(喬木)與對照點(diǎn)的溫差可達(dá)5.02℃，各測試點(diǎn)溫度順序略有變化，由低到高依次是：喬木林＜北坡＜水下風(fēng)向＜灌木密林＜水上風(fēng)向＜灌木疏林＜南坡＜草地；16：00—16：30時(shí)段溫度差又趨于減小，最大溫差不超過0.46℃，受太陽西落的影響，場地西北部出現(xiàn)高溫點(diǎn)，各測點(diǎn)溫度比較如下：水下風(fēng)向＜喬木林＜灌木密林＜水上風(fēng)向＜南坡＜北坡＜灌木疏林＜草地。

縱觀3個(gè)時(shí)間段的健身步道溫度效應(yīng)圖，發(fā)現(xiàn)健身步道的高溫主要出現(xiàn)在場地西北部，而低溫主要出現(xiàn)在場地東部，這主要是由于西北部景觀以草地和硬質(zhì)鋪裝為主，而東部場地植被、水體等景觀元素豐富，且有地形變化。各測點(diǎn)與對照點(diǎn)相比較均具有降溫效果，植被的降溫效果最為顯著，水體、山體地形次之，其中植被和水體的降溫效果均在正午達(dá)到最大值，主要是由于午間太陽輻射值大，促進(jìn)了植物葉片的蒸騰作用和水體的蒸發(fā)冷卻能效，而山體早晚的降溫效果略強(qiáng)于中午，主要是由太陽高度角造成的。

表3 各測試點(diǎn)景觀特征信息采集表

2.2 健身步道濕度效應(yīng)分析

如圖3所示，8：00—8：30時(shí)段內(nèi)場地濕度較高的地方主要分布在場地的東南部，水體下風(fēng)向(測試點(diǎn)8)處的濕度顯著高于上風(fēng)向(測試點(diǎn)5)。濕度從測試點(diǎn)5起，隨著路線向北東方向移動并逐漸增大，在水的下風(fēng)向達(dá)到最大值，離開水體后隨著測試點(diǎn)路線繼續(xù)向北移后，濕度開始逐漸降低；12：00—12：30時(shí)段場地濕度分布較均勻，濕度較高的測試點(diǎn)主要分布在場地的西部與東北部。觀察水體周圍的濕度分布可發(fā)現(xiàn)，水體西部的濕度略高于其他部分，可能由水體西部的噴泉所致，動態(tài)的水增大了周圍的濕度值，濕度最大的2個(gè)測試點(diǎn)變?yōu)?和4，結(jié)合場地特征可知，在中午水蒸氣蒸發(fā)速度急劇加快的情況下，測試點(diǎn)6和4均在場地形成一定程度的陰影，通過降溫的方式降低水蒸氣的蒸發(fā)速度，從而保持一定的空氣濕度；在16：00—16：30的時(shí)段內(nèi)，場地濕度分布較均勻，各測試點(diǎn)濕度值相差不超過1.2%，高濕度分布由東部轉(zhuǎn)移到場地西部。測試點(diǎn)5的濕度值最大，上風(fēng)向與下風(fēng)向濕度相差0.51%。

由3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均值可看出，早上場地的濕度最大，中午場地的濕度最小，早晨濕度大的測試點(diǎn)主要分布在場地的東南方向，中午開始向西北方向擴(kuò)散，到下午則主要分布在西南方向。對比健身步道各測點(diǎn)濕度，發(fā)現(xiàn)總結(jié)健身步道濕度變化原因，主要與場地水體的分布有關(guān)，故場地南部的濕度要始終高于場地北部。除水體外，還與植被和山體地形的陰影有關(guān)，在高溫情況下，陰影對空氣濕度的保持作用顯著高于裸露水體。

2.3 健身步道風(fēng)環(huán)境效應(yīng)分析

健身步道3個(gè)時(shí)段的風(fēng)環(huán)境情況如圖4所示，從時(shí)間縱向來看，3個(gè)時(shí)間段的平均風(fēng)速值相差不大，基本保持在1m/s左右。在不同測試點(diǎn)測得的風(fēng)速值與對照點(diǎn)相比有增有減。風(fēng)速的隨機(jī)性較大，但從整體上看，測試點(diǎn)3在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速都有所增加，而測試7在所有時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速都有所降低。分析原因在于，場地的當(dāng)日風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，測試點(diǎn)7南面的山體對風(fēng)具有遮擋作用，進(jìn)而降低了風(fēng)速。而測試點(diǎn)3為大面積草地，其上風(fēng)向并沒有太大的遮擋物，故而測試點(diǎn)3處的風(fēng)速略高于參照點(diǎn)。由此可見，山體地形和灌木對健身步道風(fēng)速具的減弱作用較強(qiáng)，各景觀元素對風(fēng)速的衰減強(qiáng)度依次為：山體地形＞灌木＞喬木＞草地＞水體。

3 典型景觀形態(tài)特征與微氣候相關(guān)性分析

依據(jù)上文分析，發(fā)現(xiàn)山體的坡向、水與風(fēng)向的方位、植被類型、植被疏密度是影響健身步道微氣候變化的主要景觀特征。通過SPSS軟件對圍繞地形、水體、植被景觀特征選取的不同測試點(diǎn)進(jìn)行了最小差異性分析及雙變量相關(guān)性分析，通過最小差異性分析來判斷2個(gè)對照點(diǎn)的測試結(jié)果是否顯著，然后通過雙變量相關(guān)性分析進(jìn)一步研究地形或水體的空間方位與微氣候因子變化的相關(guān)性。

3.1 山體地形坡向與微氣候相關(guān)性

圖2 健身步道溫度變化圖

圖3 健身步道濕度變化圖

圖4 健身步道風(fēng)速變化圖

地形是景觀設(shè)計(jì)中重要的豎向要素，氣象學(xué)與地理學(xué)的大量研究證明同一地形的不同坡向的局部微氣候環(huán)境具有顯著差異性[11]。以南北向?yàn)樽鴺?biāo)軸，以測試點(diǎn)6(正南坡)為起始點(diǎn)，以測試點(diǎn)7(正北坡)為終點(diǎn)，以偏向角(θ)代表地形的坡向，通過坡向與微氣候因子的相關(guān)性分析，進(jìn)一步研究山體地形坡向?qū)∩聿降牢夂蛞蜃拥挠绊懸?guī)律。山體測試場地狀況如圖5所示。由坡向與微氣候相關(guān)性分析可知，山體坡面的角度與健身步道的溫度、濕度都具有顯著相關(guān)性，其中山坡角度與健身步道的溫度成正相關(guān)，與濕度成負(fù)相關(guān)。即山體的坡向由南向北，山體的溫度逐漸升高，濕度逐漸降低。觀察比較3個(gè)微氣候因子與山體坡向的相關(guān)性R2值：風(fēng)速的R2值最大，濕度的R2值最小，說明風(fēng)速與山體坡向的相關(guān)性最大，其次為溫度，濕度與坡向的相關(guān)性最小。

3.2 水體方位與微氣候相關(guān)性

前文已初步證明水體具有降溫增濕的作用，然而影響水體的因素很多，現(xiàn)有研究證明，水體的面積、深度以及盛行風(fēng)風(fēng)向都是影響水體微氣候特征的重要因素[12]。本研究進(jìn)一步以水體與風(fēng)向方位為研究點(diǎn)，以健身步道環(huán)繞的一處水體為研究對象，以東西向?yàn)闄M坐標(biāo)軸，南北向?yàn)榭v坐標(biāo)軸，以正南向?yàn)?°、正北向?yàn)?80°、正東向?yàn)?0°，以空間方位與南北軸向的夾角(δ)來描述水體的空間方位(圖6)，研究水體的空間方位與微氣候特征的關(guān)系。因場地當(dāng)天風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，故選取西南向-30°的場地測試點(diǎn)5作為水體上風(fēng)向，東北向150°的場地測試點(diǎn)8為水體下風(fēng)向。以水體空間方位(以夾角δ表示)與所測得的微氣候因子值進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析可知，水體的空間方位與健身步道的溫度和濕度之間具有顯著相關(guān)性；且水體的方位與健身步道的溫度成正相關(guān)，與其濕度成負(fù)相關(guān)。即水體方位在由南向北的過程中，其附近健身步道的溫度逐漸增大，濕度逐漸減小。而健身步道風(fēng)速與水體方位的相關(guān)性并不顯著。

3.3 植被空間特征與微氣候相關(guān)性

高寬比是描述線性空間特征的一個(gè)基本指標(biāo)，從理論上講，兩側(cè)植被與健身步道的高寬比會影響健身步道的微氣候特征。在不同高寬比的灌木林地微氣候特征研究的基礎(chǔ)上，選擇植被高度不同的4個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析，進(jìn)一步研究植被高度對健身步道微氣候的調(diào)節(jié)機(jī)理。4個(gè)測試點(diǎn)分別為：測試點(diǎn)2、3、4、9，各測點(diǎn)斷面特征見圖7。分析測試點(diǎn)3、4、9可知，植被類型與溫度、風(fēng)速顯著相關(guān)，與濕度相關(guān)但并不顯著；喬木對溫度的調(diào)節(jié)能力最顯著，灌木對風(fēng)速的調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，草地降溫增濕能力最弱。對比分析測試點(diǎn)2和9，分析灌木道路高寬比對微氣候因子的影響，發(fā)現(xiàn)濕度與植被的高寬比有關(guān)，當(dāng)灌木與健身步道的高寬比＞1時(shí)，灌木對健身步道的濕度具有增加作用，當(dāng)高寬比＜1時(shí)，灌木對健身步道除的增濕作用更加明顯，同時(shí)對風(fēng)速的衰減作用也較明顯。

圖5 山體測試場地現(xiàn)狀圖

圖6 水體測試場地現(xiàn)狀圖

圖7 典型植被空間形態(tài)特征圖

4 結(jié)語

本研究采用移動觀測數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)擬合的方法研究哈爾濱兆麟公園健身步道春季微氣候特征，除了對健身步道微氣候因子進(jìn)行分析外，還探尋了構(gòu)成行人熱舒適環(huán)境的空間形態(tài)特征，從而揭示了微氣候特征和景觀空間形態(tài)特征二者之間交互的作用機(jī)制。研究結(jié)果雖然顯示山體地形對風(fēng)速的調(diào)節(jié)能力較弱，但不排除場地風(fēng)向、山體高度和體積、測點(diǎn)位置、山體向陽面等多因素干擾導(dǎo)致結(jié)果存在一定的誤差，因此在后續(xù)的研究中，可以將更多的影響因素納入研究范疇中。本研究是寒地健身步道空間形態(tài)與微氣候因子交互作用機(jī)制研究的階段性成果，目前僅在春季氣候條件下對單一公園做出了測試分析，對多個(gè)季節(jié)下多個(gè)活動空間的長期跟蹤還有待進(jìn)一步深入開展。

注：文中圖片均由周燁、趙冬琪拍攝或繪制。