胡懿航 古扎麗努爾·熱木扎 王 越 王新禹

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

近年來(lái)城市化作用和工業(yè)發(fā)展使得熱島效應(yīng)逐漸增加[1-3]。目前，彭歷[4]等(2017)人發(fā)現(xiàn)小氣候受下墊面的影響；賀曉冬[5]等人揭示了不同下墊面氣象因子的變化趨勢(shì)和原因；汪永英、孔令偉[6]等(2014)對(duì)哈爾濱城市森林不同林型的小氣候特征和人體舒適度進(jìn)行了分析；任桂萍[7]等(2019)對(duì)嘉峪關(guān)市不同下墊面小氣候特征及其生態(tài)意義進(jìn)行分析研究。環(huán)境是指人體以外的空間和影響人的物質(zhì)及能量的總和。人類是否感到舒適很大一部分上取決于環(huán)境的各種因素，諸多環(huán)境中與學(xué)生有著密切關(guān)系的環(huán)境非校園環(huán)境莫屬。校園環(huán)境的舒適性與校園師生的快樂(lè)學(xué)習(xí)和生活有著密切關(guān)系，為了探究不同類型校園綠地所產(chǎn)生的小氣候效應(yīng)，我們選取東北林業(yè)大學(xué)校區(qū)內(nèi)具有代表性的草坪、籃球場(chǎng)、林場(chǎng)和宿舍4個(gè)下墊面進(jìn)行試驗(yàn)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選在了黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)校區(qū)(45.72°N，126.63°E)，實(shí)驗(yàn)區(qū)的氣候特點(diǎn)為夏季炎熱、冬季寒冷、春季和秋季的氣溫變化幅度較大、變化時(shí)間較短。本次實(shí)驗(yàn)研究時(shí)間選在了一年中的秋季(9-11月)，實(shí)驗(yàn)區(qū)在北方冷空氣的入侵下氣溫逐漸降低。校園內(nèi)的植物種類多樣、分布廣泛，包括水曲柳、白樺、紅皮云杉等喬木，以及榆葉梅、丁香類等灌木[8]。

研究地點(diǎn)選在東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的4種不同類型的下墊面進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，在每個(gè)下墊面均設(shè)置5個(gè)1m×1m的實(shí)驗(yàn)樣方，并保證樣方內(nèi)各種影響因素分布較為均勻，對(duì)照組選擇黑龍江省氣象局發(fā)布的官方數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行分析比較，選取的4處實(shí)驗(yàn)樣地下墊面的結(jié)構(gòu)類型及特征為：

(1)宿舍區(qū)—4號(hào)學(xué)生公寓后：地表無(wú)植物覆蓋主要由磚塊構(gòu)成，僅在中午存在陽(yáng)光直射，由于樓體密集風(fēng)速較小，下墊面周圍存在一些水曲柳等喬木和少量灌木，人流密度較大。

(2)草坪區(qū)—草坪：位于主樓正南方向，地表由草本植物覆蓋，植被覆蓋率大于60%。樣方南側(cè)種植一排喬木使得草坪四周均有建筑物或樹(shù)木阻擋，風(fēng)速較小。草坪區(qū)由于位置空曠所以陽(yáng)光照射時(shí)間較長(zhǎng)，此外人流密度較小，受人類影響較少。

(3)活動(dòng)區(qū)—籃球場(chǎng)：下墊面由水泥上方鋪設(shè)一層橡膠軟墊構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)區(qū)域無(wú)植被，實(shí)驗(yàn)區(qū)周圍存在幾棵喬木。實(shí)驗(yàn)區(qū)位置空曠，僅有一面存在建筑物遮擋所以陽(yáng)光直射時(shí)間長(zhǎng)，升溫快，風(fēng)速較大。午后至傍晚時(shí)分人員密度較大，易受人們行動(dòng)影響。

(4)林場(chǎng)——水曲柳林地：實(shí)驗(yàn)區(qū)位于林場(chǎng)東側(cè)，區(qū)域內(nèi)存在大量喬木和灌木，植被覆蓋率較高。由于樣方周圍樹(shù)木密集所以陽(yáng)光直射時(shí)間極少、風(fēng)速較低，此外人流密度極低，人類活動(dòng)對(duì)林場(chǎng)的感擾可以忽略不計(jì)。

1.2 研究方法

2020年9-11月，每月選擇6 d，每日從7:00—19:00每隔2 h進(jìn)行一次測(cè)量，共測(cè)量7次。實(shí)驗(yàn)區(qū)的溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速使用TES溫濕度儀和Testo410-1風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)下墊面均采用五點(diǎn)取樣法(四方樣地頂角四點(diǎn)和中心一點(diǎn))，每個(gè)點(diǎn)每次采樣1min，共采樣3次，測(cè)量高度為距離地面1.5m處，與成人呼吸高度基本一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理

研究選用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、計(jì)算和分析，增溫率、降濕率和降風(fēng)率計(jì)算公式[9]為：

TN=(Tn-To)/To×100%

(2-1)

FN=(Fo-Fn)/Fo×100%

(2-2)

VN=(Vo-Vn)/Vo×100%

(2-3)

式中：TN為降溫率(%)，To為對(duì)照點(diǎn)溫度(℃)，Tn為林內(nèi)溫度(℃)；FN為增濕率(%)，F(xiàn)o為對(duì)照點(diǎn)濕度(%)，F(xiàn)n為林內(nèi)濕度(%)；VN為降風(fēng)率(%)；Vo為對(duì)照點(diǎn)風(fēng)速(m/s);Vn為林內(nèi)風(fēng)速(m/s)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同下墊面空氣溫度的比較

草坪、籃球場(chǎng)、林場(chǎng)、宿舍和對(duì)照點(diǎn)的秋季平均氣溫分別為：10.45℃、10.90℃、10.45℃、10.87℃和9.12℃?？傮w來(lái)說(shuō)，四個(gè)下墊面的季平均溫度均高于對(duì)照值?？赡芘c人類活動(dòng)頻繁程度、建筑及植被有關(guān)。由圖1可知，不同月份4個(gè)下墊面與對(duì)照的溫度日變化特征相同，均呈現(xiàn)先上升后下降的單峰曲線，且這三個(gè)月份的最高氣溫都出現(xiàn)在在13：00。9月，4個(gè)下墊面除個(gè)別點(diǎn)外，各時(shí)段平均值均高于對(duì)照點(diǎn)。草坪和林場(chǎng)每個(gè)時(shí)段的溫度都低于宿舍和籃球場(chǎng)，宿舍在上午溫度較高，籃球場(chǎng)溫度在下午較高，與宿舍相比，林場(chǎng)的降溫幅度為0～0.4℃，草坪的降溫幅度-0.4～0.3℃，籃球場(chǎng)的降溫幅度為-0.5～0.0℃。10月，4個(gè)下墊面平均氣溫均高于對(duì)照點(diǎn)。草坪和籃球場(chǎng)每個(gè)時(shí)段的氣溫都要低于宿舍和林場(chǎng)，宿舍在上午溫度較高，林場(chǎng)溫度在下午較高，與宿舍相比，林場(chǎng)的降溫幅度為-1.4～0.9℃，草坪的降溫幅度-0.8～1.1℃，籃球場(chǎng)的降溫幅度為-1.0～0.5℃。11月，4個(gè)下墊面數(shù)值均高于對(duì)照點(diǎn)。大部分時(shí)間都是籃球場(chǎng)溫度較高，傍晚宿舍溫度較高。與宿舍相比，林場(chǎng)的降溫幅度為-0.3～2.0℃，草坪的降溫幅度-0.3～1.0℃，籃球場(chǎng)的降溫幅度為-0.8～1.0℃。

圖1 不同下墊面9-11月氣溫的日變化曲線

2.2 不同下墊面相對(duì)濕度的比較

草坪、籃球場(chǎng)、林場(chǎng)、宿舍及對(duì)照點(diǎn)的秋季平均相對(duì)濕度分別為：58.20%、55.99%、58.67%、54.12%、64.26%。與對(duì)照點(diǎn)相比，總體來(lái)說(shuō)，4個(gè)下墊面都有明顯的降濕現(xiàn)象，其中宿舍和籃球場(chǎng)的降濕程度要高于草坪和宿舍。 由圖2可知，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的濕度變化趨勢(shì)基本一致，均為早晚較高中午較低與溫度變化相反。通過(guò)后續(xù)計(jì)算我們知道溫度與濕度存在顯著負(fù)相關(guān)，通過(guò)溫度和濕度的變化趨勢(shì)也可以印證這一結(jié)論。從圖2我們可以看出，9-11月相對(duì)濕度最低值大部分出現(xiàn)在13點(diǎn)，與氣溫在13點(diǎn)出現(xiàn)最大值相聯(lián)系，然而在11點(diǎn)和15點(diǎn)也出現(xiàn)過(guò)最小值，說(shuō)明相對(duì)濕度不僅與氣溫有關(guān)，也受風(fēng)速等因素的影響。此外我們可以看出在9、10月份，草坪和林場(chǎng)的曲線要高于宿舍和籃球場(chǎng)，而在11月，4條線相差不大，說(shuō)明植被相對(duì)于柏油路面存在一定的增濕效應(yīng)[10]。

圖2 不同下墊面相對(duì)濕度日變化曲線

2.3 不同下墊面風(fēng)速的比較

草坪、籃球場(chǎng)、林場(chǎng)、宿舍和對(duì)照點(diǎn)的秋季平均風(fēng)速分別為：0.65、0.87、0.41、0.73和3.22m/s。與對(duì)照點(diǎn)相比較，總體來(lái)說(shuō)降風(fēng)功能分別為：林場(chǎng)>草坪>宿舍>籃球場(chǎng)。

由圖3可知，不同月份四個(gè)下墊面的風(fēng)速變化各不相同。9月和11月，籃球場(chǎng)風(fēng)速最大；10月，宿舍風(fēng)速最大；秋季，林場(chǎng)風(fēng)速月平均風(fēng)速一直最小。

圖3 不同下墊面風(fēng)速日變化

2.4 不同下墊面增溫率、降濕率、降風(fēng)率的比較

根據(jù)計(jì)算公式(2-1)、(2-2)和(2-3)計(jì)算可得出在增溫方面，相對(duì)于對(duì)照點(diǎn)，9月，4個(gè)下墊面都有不同程度的增溫情況，籃球場(chǎng)和宿舍的增溫量大于草坪和林場(chǎng)的增溫量；10月，草坪低于其他3個(gè)下墊面的增溫率但4個(gè)下墊面的增溫量差距在減小；11月，4個(gè)下墊面增溫效應(yīng)的差距更加的小。

在減濕效應(yīng)方面，相較于對(duì)照點(diǎn)，9月：林場(chǎng)<草坪<宿舍<籃球場(chǎng)；10月：林場(chǎng)<草坪<籃球場(chǎng)<宿舍；11月：草坪<宿舍<籃球場(chǎng)<林場(chǎng)。4個(gè)下墊面相對(duì)于對(duì)照點(diǎn)均有一定的減濕作用，其中籃球場(chǎng)和宿舍相對(duì)于林場(chǎng)和草坪減濕作用更加明顯，可能與植被有關(guān)，植被多，濕度減少反而不明顯。在降低風(fēng)速方面，4個(gè)下墊面均表現(xiàn)出降風(fēng)作用。林場(chǎng)在3個(gè)月份降風(fēng)效果均很顯著，草坪在10月和11月降風(fēng)效應(yīng)較好，籃球場(chǎng)降風(fēng)效率較低，說(shuō)明降低風(fēng)速除了與植被有關(guān)外，受周圍建筑物結(jié)構(gòu)很大影響。

3 結(jié)論

4個(gè)下墊面互相進(jìn)行對(duì)比，大部分時(shí)間溫度表現(xiàn)為：宿舍樓、籃球場(chǎng)>草坪、林場(chǎng)，而11月，籃球場(chǎng)、宿舍樓>草坪>林場(chǎng)。經(jīng)分析這與供暖有關(guān)，草坪、籃球場(chǎng)和宿舍樓的選址位于校園人流比較大的主校區(qū)，而林場(chǎng)的位置比較偏僻，很少有供暖管道與設(shè)施。

秋季濕度表現(xiàn)為：草坪、林場(chǎng)>籃球場(chǎng)、宿舍，9月降水量高于10月、11月，所以會(huì)呈現(xiàn)出空氣相對(duì)濕度9月>10月>11月的特征。

秋季風(fēng)速日變化起伏較大，表現(xiàn)為：宿舍樓、籃球場(chǎng)>草坪、林場(chǎng)，其中林場(chǎng)在風(fēng)速較大時(shí)對(duì)風(fēng)的消減作用明顯。上午風(fēng)速增加快，而下午風(fēng)速減弱的慢。