金虹 呂環(huán)宇 林玉潔

綠地在影響城市生態(tài)環(huán)境、改善城市微氣候方面發(fā)揮重要作用[1]。研究發(fā)現(xiàn)：不同空間布局的綠地在降溫效果上表現(xiàn)出顯著差異，綠地面積越大，空間分布越均勻，其對室外的降溫效果越顯著[2-3]；在喬木間隙栽植灌木可以增強防風效果[4]；增加喬木數(shù)量和喬木葉面積密度對降低城市熱島及改善人體熱舒適效果顯著[5]；綠化量和綠化布局對溫濕度的調節(jié)有較大作用[6]，其效果隨著氣候的干熱程度的增加而變得更加顯著[7]。通過數(shù)值模擬預測可知，校園綠化面積減少3%將引起空氣溫度升高1℃[8]；大型公園的降溫效果可以拓展至幾百米甚至1.4km處，有時甚至可能造成微弱的空氣流動[9-10]。目前，有關嚴寒地區(qū)城市微氣候的研究已逐漸受到學術界的重視[11]，隨著嚴寒地區(qū)城市的快速發(fā)展與擴張，忽視微氣候的環(huán)境設計對居住區(qū)甚至城市環(huán)境產生的負面影響正逐漸暴露出來[12]。

上述研究結果表明了綠地對于調節(jié)城市微氣候的重要作用，以及進一步深入研究綠地調節(jié)微氣候性能的必要性。針對居住區(qū)綠化設計，已有學者對植被種類、綠化平面形式、孔隙率、綠化色彩設計等進行了相關研究[13-15]，其中已對植被種類對防風、降溫增濕、固碳釋氧等作用的差異性進行了充分的研究[16-21]，常見研究方法為數(shù)值模擬和理論研究，但缺乏對植被結構影響室外物理環(huán)境的實測研究。本研究以嚴寒地區(qū)典型城市哈爾濱為研究區(qū)域，對不同植被結構的典型居住區(qū)空間進行冬夏兩季微氣候環(huán)境的現(xiàn)場實測，得出植被結構與城市居住區(qū)微氣候的關聯(lián)性，而指導嚴寒地區(qū)城市居住區(qū)的景觀設計，以提高居住區(qū)物理環(huán)境品質，提升居民戶外活動舒適性。

1 研究方法

1.1 研究對象

哈爾濱地處中國高緯度地區(qū)，四季分明，冬季嚴寒漫長且多為寒風冰雪天氣，夏季涼爽短促；冬季最冷月平均溫度–16.9℃，夏季最高月均氣溫23.8℃[22]。據(jù)統(tǒng)計，哈爾濱面積不超過1hm2的中小型綠地面積占總綠地面積的43.7%[23]，綠地斑塊數(shù)量多且分布廣，多分布于居住區(qū)、道路兩側，主要呈現(xiàn)塊狀、帶狀和點狀，這些綠地直接影響著居民日常活動的室外空間微氣候環(huán)境。

根據(jù)群落形態(tài)的不同，綠地的植被結構可分為喬木、灌木、草地、喬木—灌木、喬木—草地、灌木—草地和喬木—灌木—草地7種形式，不同的綠化配置及組合方式不僅能夠豐富綠化空間層次，而且可以不同程度地改善微氣候環(huán)境[24]。根據(jù)實際調研情況，本文選取哈爾濱城市居住區(qū)常見的植被結構（草地、灌木+草地、喬木+灌木+草地）作為研究對象，對比研究不同植被結構對微氣候的影響差異。

1.2 測點布置

選取2個規(guī)模相近、布局形式相同、建筑高度相近（多層住宅小區(qū)，層數(shù)均為7層）、位置毗鄰、但植被結構不同的居住小區(qū)（錦江綠色家園以及河政花園）進行對比測試研究，如圖1。河政花園宅間綠地和中心綠地的植被結構均為喬灌草的組合，錦江綠色家園的宅間綠地綠化面積較小且以灌木+草地為主，中心綠地為草地。在兩居住區(qū)的對應位置各布置3個測點，形成3組對比，其中R4、R9為中心綠地的對照點，R4為喬灌草的組合，R9為草地；R1、R6與R3、R8為宅間綠地對照點（R1、R3為喬灌草組合，R6、R8為灌草組合），如表1。

由于哈爾濱地處氣候條件較為惡劣，居住區(qū)綠化植物種類的選擇受到氣候特征的限制，可供選擇的綠化植物種類有限，常用喬木有紅松（Pinus koraiensis）、榆樹（Ulmus pumila）、旱柳（Salix matsudana）、白樺（Betula platyphylla）等，常用灌木有小葉丁香（Syringa microphylla）、連翹（Forsythia suspensa）、茶條槭（Acer ginnale）等，草地為草花地被[25]。在本研究中，為控制測點植被種類變量，在選取測點時同一對照組內各測點的草地植物種類相同，灌木均為以小葉黃楊（Buxus sinicavar.parvifolia）、丁香為主的灌木群，各測點的喬木種類均為旱柳，且均為哈爾濱居住區(qū)常見植被種類。數(shù)據(jù)處理時，取R1、R3及R6、R8的平均值進行對比。

表1 測點植被結構特征表Tab. 1 Characteristics of vegetation structure measurement points

表 2 測試日期和天氣情況Tab. 2 Measurement dates and weather conditions

1 測點分布示意圖Field measurement points distribution

1.3 測試儀器及方法

測試日期和天氣情況如表2所示。本研究重點關注的是人行高度處的微氣候狀況，故測試內容為各個測點1.5m高度處的空氣溫度、相對濕度和風速。測試選用BES-01溫度采集記錄器、BES-02溫濕度采集記錄器和Kestrel 5500小型氣象站記錄上述氣象參數(shù)。為減小誤差，測試前對儀器進行對比與校準，并將溫濕度采集記錄器置于鋁箔防輻射罩內，以防止太陽輻射與周邊環(huán)境的長波輻射對測試結果產生影響。將儀器固定在三角支架上并布置在各個測點，如圖2所示。后期將采集的數(shù)據(jù)處理為30min平均值，以便更加直觀地對比各測點數(shù)據(jù)變化情況。

2 測試結果分析

2.1 不同植被結構對空氣溫度的影響分析

圖3為不同植被結構在冬、夏兩季的全天空氣溫度變化圖。對比3組對照測點的實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冬季各測點的溫度走勢較為接近，對照組的逐時溫度差值變化范圍為0.01～3.79℃，全天溫度平均值差值分別為1.03℃、0.04℃（表3），其中第一組對照組的測試結果說明復雜植被結構溫度低于簡單綠化結構，第二組兩測點的溫度數(shù)值十分接近（圖3，表3）。夏季，兩組對照點的溫差較為明顯，逐時溫度差值變化范圍為0.02～1.84℃，全天溫度平均值差值分別為1.11℃、0.30℃（表4），夏季各組對照均體現(xiàn)出植被結構復雜的測點溫度較低的特征，其中第一組對照（草地、喬木+灌木+草地）的溫度平均差值最大，最大降溫幅度1.84℃（出現(xiàn)在14：00）。

2.2 不同植被結構對相對濕度的影響分析

圖4為不同植被結構在冬、夏兩季的全天空氣濕度變化圖。對比兩組對照測點的實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冬季各測點的逐時相對濕度差值變化范圍差異較大，為0.06%～10.01%，全天相對濕度平均值差值分別為1.46%、0.02%（表4）。各組對照測點的相對濕度平均值大小關系分別為草地＞喬木+灌木+草地，灌木+草地＜喬木+灌木+草地；第二組結果顯示復雜植被結構相對濕度高于簡單綠化結構，第一組簡單植被結構相對濕度略大于復雜植被結構溫度，這是由于冬季草地積雪較多，對相對濕度數(shù)值產生了較大影響；夏季，兩組對照點的逐時相對濕度差值變化區(qū)間為0.03%～5.57%，全天相對濕度平均值差值分別為3.95%、3.54%（表4），均體現(xiàn)出植被結構復雜的測點濕度較高的特征，且綠化結構越復雜增濕效果越明顯。

2.3 不同植被結構對風環(huán)境的影響分析

圖5為不同植被結構各測點在冬夏兩季的逐時風速變化圖。分析對照組測點實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于植被結構差異帶來的風速差異較為顯著。冬季逐時風速差值變化范圍為0～1.29m/s，全天風速平均值差值分別為0.47m/s、0.98 m/s（表3），均能體現(xiàn)出復雜植被結構對風速的降低作用；夏季，4組對照測點逐時風速差值變化區(qū)間為0.03～1.00m/s，全天風速平均值差值分別為0.31m/s、0.19m/s（表4）；與冬季相比，夏季植被結構的復雜性對風速的影響相對較小，但各組對照測點仍然能體現(xiàn)出復雜植被結構對風速的降低作用。結果顯示，雖然植物的生長狀況在冬季和夏季有著明顯的差異，但不論冬季還是夏季，不同植被結構對住區(qū)風速的影響都十分顯著，植被結構越復雜對風速的降低作用越明顯；根據(jù)風速曲線可知，綠化良好的區(qū)域，風速的波動區(qū)間明顯減小。由此可見，復雜的植被結構可以使居住區(qū)內空氣流動更加平緩，有效抵御冬季疾風，增加居住區(qū)環(huán)境的舒適度。

3 結論

本文選取哈爾濱植被結構不同的居住區(qū)進行冬季和夏季的現(xiàn)場實測，比較研究不同植被結構條件下的室外空間微氣候。

研究發(fā)現(xiàn)，在夏季（表4），植被結構的不同對居住區(qū)的微氣候環(huán)境有著較為明顯的影響作用。不同植被結構的兩組對照點平均溫度差值分別為1.11℃、0.30℃，其中對照組1（喬木+灌木+草地、草地）中復雜結構植被降溫效果最明顯，最大降溫幅度1.84℃（出現(xiàn)在14：00）；對照點平均濕度差值分別為3.95%、3.54%，其中對照組1（喬木+灌地+草地、草地）中復雜結構植被增濕效果最明顯，相對濕度最大差值為5.57%（出現(xiàn)在14：00）；兩組對照點的平均風速差值分別為0.31m/s、0.19m/s，其中對照組1（喬木+灌地+草地、草地）中復雜結構植被降低風速的效果最明顯，風速最大差值為1.0m/s（出現(xiàn)在13：30）。

2 測試儀器及設備Measurement instruments and equipment

表3 冬季不同植被結構測點的空氣溫度、相對濕度、風速平均值Tab. 3 Average temperature, relative humidity and wind speed at different vegetation structure measurement points in winter

表4 夏季不同植被結構測點的空氣溫度、相對濕度、風速平均值Tab. 4 Average temperature, relative humidity and wind speed at different vegetation structure measurement points in summer

在冬季（表3），由于枝干對太陽輻射的遮擋作用，植被仍有一定的降溫作用，但降溫作用并不明顯。不同植被結構的兩組對照點冬季平均溫度差值分別為1.03℃和0.04℃，其中對照組1（喬木+灌地+草地、草地）中復雜結構植被降溫效果最明顯；兩組對照點的平均濕度差值分別為1.46%、0.02%，其中對照組1（喬木+灌地+草地、草地）中復雜結構植被增濕效果最明顯；兩組對照點的平均風速差值分別為0.47m/s、0.98 m/s，其中對照組2（喬木+灌地+草地、灌木+草地）中復雜結構植被降低風速的效果最明顯，風速最大差值為1.29m/s（出現(xiàn)在13：30）。

比較測試結果可知，冬夏兩季植被都有一定減緩風速和降溫增濕的作用。值得注意的是，在嚴寒地區(qū)冬季空氣溫度極低的情況下，街道行人對于空氣溫度和相對濕度的個體感覺并不十分敏感，但對于風速變化的敏感程度相對來講較為明顯[26]。因此，雖然在冬季復雜植被結構有一定的降溫作用，但對人體熱舒適的影響很小，相比較而言，復雜植被結構對風速的降低作用，對提高人體熱舒適有著積極的作用，因此對嚴寒地區(qū)而言，植被結構復雜的綠地在冬季仍是有利的。在本文的兩組對比中，喬木在改善室外微氣候方面有著不可忽視的作用，其樹冠的遮蔭和自身蒸騰作用對溫濕度的調節(jié)作用顯著，且樹干、葉片導致下墊面粗糙度的改變對空氣流動帶來的阻礙作用遠大于灌木和草地，有利于嚴寒地區(qū)冬季防風。因此，綠地在冬夏兩季均能有效改善嚴寒地區(qū)居住區(qū)居民室外活動空間的微氣候環(huán)境，植被結構越復雜對室外空間微氣候的調節(jié)作用越顯著。

3 不同植被結構測點的空氣溫度逐時變化Hourly variation of air temperature at various vegetation structure measurement points

4 不同植被結構測點相對濕度逐時變化Hourly variation of relative humidity at different vegetation structure measurement points

5 不同植被結構測點風速逐時變化Hourly variation of wind speed at different vegetation structure measurement points

注釋：

表2數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網；文中其他圖片、表格均為作者繪制。