徐 冉 何榮曉,2 陳 俊 司艷萍 闕靜菲

1 海南大學(xué)林學(xué)院 海口 570228

2 熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海口 570228

全球城市化進(jìn)程中,地表覆蓋和建筑材質(zhì)的改變以及人為的熱排放導(dǎo)致城市地區(qū)溫度高于郊區(qū),形成熱島效應(yīng)[1]。熱島效應(yīng)會加劇全球變暖,損害人體健康,威脅人類生命[2-3]。城市綠化中的樹木可通過植被覆蓋結(jié)合自身的蒸騰作用,降低太陽輻射和地表空氣溫度,改善局部氣候環(huán)境,從而使人體舒適感增加[4-5]。擴(kuò)大城市綠化覆蓋率,增設(shè)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施可為市民提供更多緩解精神疲勞和壓力的游憩場所,調(diào)節(jié)在密集城市環(huán)境生活和工作帶來的心理負(fù)面影響[6-8]。因此,通過調(diào)節(jié)微氣候改善熱環(huán)境、保障城市居民健康的城市綠地規(guī)劃已得到廣泛認(rèn)可[9]。

城市綠地的植物群落結(jié)構(gòu)、樹種選擇、下墊面材料與周邊建筑布局等都是調(diào)節(jié)城市微氣候的關(guān)鍵要素[10-12],其中樹木對微氣候的改善作用高于建筑布局和下墊面材料等其他要素[13]。城市種植樹木對熱環(huán)境的改善程度受植被覆蓋度與種植密度的影響,在新加坡、巴西熱帶城市地區(qū)的案例研究中均有所體現(xiàn)[14-15]。不同植物群落結(jié)構(gòu)中,喬灌草群落對降溫增濕效果最佳,草本群落最差[16]。對比灌木和裸露草地,喬木蒸發(fā)量更少,能夠提供更有效的遮陽作用[17-18]。植物群落的種植郁閉度、高度及周圍環(huán)境等因素均會影響其降溫效果[19],其中郁閉度是影響植物群落微氣候效應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo),復(fù)合結(jié)構(gòu)下郁閉度大于0.6時整體微氣候調(diào)節(jié)效果最好,而單層結(jié)構(gòu)的裸露草地在增加空氣濕度上表現(xiàn)突出[20]。對于植物單體,樹木的形狀和高度等是遮蔭質(zhì)量和熱舒適調(diào)節(jié)的主要因素[21]。在新加坡的研究中,棕櫚類樹種可達(dá)到0.50℃的冷卻效果；成熟的闊葉類樹種為1.10℃,表現(xiàn)出更好的冷卻降溫效果[22]。這些研究普遍反映出綠量是調(diào)節(jié)城市氣候主導(dǎo)因子之一,是提升城市熱環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵。而綠量大小和植物物種選擇對熱帶城市綠地微氣候調(diào)節(jié)和人體熱舒適性的影響仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究選擇熱帶城市建成區(qū)典型綠地開展微氣候監(jiān)測,模擬分析對比熱帶典型喬木及綠量對熱舒適性改善的影響程度,探討基于熱帶氣候適應(yīng)性的城市景觀植物配置策略。

1 研究區(qū)概況

海口市位于中國海南省北部,是唯一熱帶全覆蓋的濱海城市,依據(jù)氣候與景觀物候特征為基準(zhǔn)的柯本氣候分類法,?？谑袨槌嗟莱睗裥詺夂騾^(qū),熱帶季風(fēng)氣候,全年炎熱,近30年累年月平均氣溫為24.40℃,平均極端氣溫達(dá)35.60℃,空氣相對濕度83.1%,風(fēng)速1.98 m·s-1。干季(每年11月至次年4月)溫和潮濕,濕季(每年5月至10月)炎熱多雨,干濕季氣象差異顯著[23-24]。

研究場地(110°19′17.33″E,20°02′11.01″N)位于?？谑薪ǔ蓞^(qū),長425 m,寬230 m,占地9.78 hm2,北至濱海新村住宅建筑,南至政府公共建筑與住宅區(qū),西至龍昆北路城市一級道路,東沿水域至政府宿舍住宅建筑區(qū)。場地內(nèi)主體為濱河公共綠地,河段全長1.7 km,河段南側(cè)為濱水綠地和公共建筑附屬綠地。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測場地及指標(biāo)

以功能空間類型、下墊面材質(zhì)與植被情況(表1)的差異性為布點(diǎn)原則,在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)5個點(diǎn)位。采用Kestrel5500氣象儀在監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)采集,測量指標(biāo)與精度分別為:空氣溫度誤差±0.5℃,精度0.1℃；相對濕度誤差±2%,精度0.1%；風(fēng)速誤差±3%,精度0.1 m·s-1。采集時間為2020年干季期2個典型晴朗氣候日,監(jiān)測時間為人群活動較頻繁的9∶00-17∶00,測量間隔為1 min。測量時間日平均氣溫為20.20℃,平均相對濕度為79.02%,平均風(fēng)速(10 m處)2.78 m·s-1。結(jié)合Delta-T HemiView數(shù)字植物冠層分析系統(tǒng)記錄監(jiān)測點(diǎn)植被現(xiàn)狀(表1),郁閉度計算結(jié)果為0.50～0.62。

表1 監(jiān)測點(diǎn)空間與植被特征

2.2 微氣候模擬

本研究采用氣候?qū)崪y與模型模擬相結(jié)合的方法,通過ENVI-met構(gòu)建研究區(qū)域模型,對氣溫、空氣相對濕度及風(fēng)速微氣候因子進(jìn)行數(shù)值模擬；計算生理等效溫度(PET),即室外常用熱舒適度指標(biāo)值,參照亞洲熱帶區(qū)域熱感覺投票對監(jiān)測點(diǎn)PET值進(jìn)行熱感覺分級[25-26]。近年來,更新的氣候模擬系統(tǒng)在城市綠地優(yōu)化建設(shè)方面不斷展現(xiàn)優(yōu)勢,ENVI-met作為室外綠地微氣候模擬系統(tǒng),其精確性在不同氣候環(huán)境條件下得到實(shí)測驗(yàn)證[27-28]。

現(xiàn)狀場景BASE基于Google衛(wèi)星圖像與實(shí)地調(diào)研場地基本結(jié)構(gòu)、下墊面材料、建筑高度、植物種類等基本信息建立。模擬區(qū)域擬合為540 m×376 m網(wǎng)格,網(wǎng)格分辨率為dx＝4.0,dy＝4.0,dz＝2.0。提前6 h進(jìn)行預(yù)熱模擬以獲得更精確的模擬結(jié)果。初始?xì)庀笮畔碜援?dāng)?shù)貧庀缶峙c國家氣象中心提供的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集”?？谡军c(diǎn)(59 758)數(shù)據(jù)。初始時間為測量日1月23日9∶00,氣溫為15.90℃,空氣相對濕度為98.00%,10 m處風(fēng)速2.30 m·s-1,風(fēng)向252 °。

為探究研究區(qū)域植被配置對綠地?zé)崾孢m的影響程度,通過ENVI-met對濱水區(qū)域的喬木配置集中進(jìn)行綠量增減模擬,模擬樹形參照?？谑械湫妥貦邦惻c闊葉類喬木形態(tài),分析城市綠地?zé)崾孢m性提高所需達(dá)到的綠量要求,以此作為當(dāng)?shù)責(zé)崾孢m改善的植物種類篩選依據(jù)。模擬場景設(shè)置如下:

場景一(SC1):構(gòu)建無喬木場景,剔除濱水綠帶和政府前附屬綠地區(qū)域中以喬木為主的覆蓋植被,僅留下25～50 cm高的草本。

場景二(SC2):增加濱水綠帶和政府前附屬綠地區(qū)域內(nèi)的喬木,于濱水綠帶增加BASE場景100%數(shù)量的棕櫚類喬木(Palm trees,高15 m,medium LAD),考慮到實(shí)際種植空間與空氣流通,種植間隔設(shè)為4 m,每列網(wǎng)格間隔種植。

場景三(SC3):增加濱水綠帶和政府前附屬綠地區(qū)域內(nèi)的喬木,于濱水綠帶增加BASE場景100%的常綠闊葉喬木(Sphere shaped trees,高15 m,high LAD),與SC2增加的喬木數(shù)量與種植位置相同。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Exce2016與SPSS20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,使用SigmaPlot12.5進(jìn)行圖表繪制。SPSS20.0中使用相關(guān)性分析,計算Pearson相關(guān)系數(shù),檢驗(yàn)現(xiàn)狀模擬結(jié)果中5個監(jiān)測點(diǎn)模擬氣溫、空氣相對濕度與風(fēng)速數(shù)值的精確度。模擬生理等效溫度PET值在ENVI-met內(nèi)置模塊BIO-met中進(jìn)行計算,初始數(shù)據(jù)采用默認(rèn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 ENVI-met模擬系統(tǒng)精度驗(yàn)證

監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)對比如圖1所示。經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn),氣溫、空氣相對濕度與風(fēng)速的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)均呈顯著性相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.527、0.326和0.372,均在0.05水平(雙側(cè))上顯著性相關(guān)。ENVI-met模型在本研究區(qū)域還原場景的數(shù)據(jù)結(jié)果精確性得到驗(yàn)證。

圖1 模擬與監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)對比

3.2 場景模擬結(jié)果對比

以現(xiàn)狀BASE場景的初始信息作為基本輸入條件,選取最高氣溫時刻15∶00的氣溫、相對濕度、風(fēng)速與生理等效溫度PET進(jìn)行3個設(shè)計場景的模擬,結(jié)果如圖2所示。集中于模擬增加綠化量的濱水綠帶區(qū)域,15∶00場景間氣溫SC3(22.20～23.52℃)＜SC2(23.14～23.66℃)＜BASE(23.17～24.22℃)≈SC1(23.18～24.24℃)。與BASE場景相比,保留草本植物的SC1場景僅在P1測點(diǎn)北側(cè)河段的溫度平均升高0.10℃,最高溫差為0.23℃；SC2場景河段的氣溫平均降低0.09℃,最高溫差達(dá)0.30℃；SC3場景河段的氣溫平均降低0.33℃,最高溫差達(dá)0.66℃。濱水的P2、P3和P4監(jiān)測點(diǎn)降溫效果更明顯,沿河段向南北至建筑方向氣溫逐漸升高。

圖2 設(shè)計場景模擬結(jié)果

所有模擬場景中,P1、P3與P4所在的水體區(qū)域空氣相對濕度均高于其南北側(cè)建筑區(qū)域,增加范圍為1.52%～11.25%,表明水體提升了場地的空氣相對濕度。濱河區(qū)域內(nèi)部空氣相對濕度范圍為BASE(68.00%～72.00%)、SC1(66.61%～69.90%)、SC2(65.42%～71.21%)、SC3(67.77%～69.78%)。在其他地物要素不做改變的情況下,喬木植物量的增加對于空氣相對濕度的提高幾乎無影響。各場景風(fēng)速的模擬結(jié)果無較明顯差異,SC2場景和SC3場景中,由于受到氣流影響,風(fēng)速在P5建筑區(qū)域驟然升高,對比現(xiàn)狀風(fēng)速提高0.40 m·s-1。

模擬場景測點(diǎn)PET值與熱感覺分級如圖3所示。集中于模擬增加綠化量的濱水綠帶區(qū)域,15∶00整體PET值SC3(22.68～34.20℃)＜SC2(24.66～38.96℃)≈BASE(23.46～40.62℃)＜SC1(35.20～40.96℃),SC3場景在熱舒適性的調(diào)節(jié)程度最佳,使整個濱水空間由熱狀態(tài)轉(zhuǎn)為涼爽或適中狀態(tài)。BASE場景中PET大部分時間處于溫暖與稍溫階段,14∶00-15∶00處于高溫?zé)犭A段,僅在9∶00與15∶00之后基本處于適中或涼爽階段,現(xiàn)狀場景下的植被并未對熱舒適的改善中發(fā)揮明顯優(yōu)勢。增加喬木種植的SC2場景與SC3場景熱狀態(tài)出現(xiàn)頻率明顯降低,適中與涼爽階段出現(xiàn)頻率明顯增加。

圖3 模擬場景PET值與熱感覺

4 討論

4.1 熱帶典型喬木對降溫增濕的影響

增加植被數(shù)量,提高覆蓋率和綠量能夠降低城市綠地氣溫。對比現(xiàn)狀多種類與層次的植物群落,單一種植棕櫚類植物在降低氣溫方面并不顯著,氣溫在P1附近降低0.52℃。而SC3場景中,闊葉喬木樹種樹形特性導(dǎo)致綠量大幅增加,對比現(xiàn)狀植物,其降溫增濕幅度更大。

增加喬木種植量在增濕效應(yīng)上并不突出,對應(yīng)了實(shí)測氣象因子中場地內(nèi)不同群落結(jié)構(gòu)下濕度變化差異不顯著的結(jié)果,可能的解釋是種植群落結(jié)構(gòu)的不合理性。喬灌草植物群落結(jié)合的降溫增濕效應(yīng)比單一密集種植的喬木更為突出,這在以往對植物群落結(jié)構(gòu)的氣候調(diào)節(jié)研究結(jié)果中均得到驗(yàn)證[29]。

4.2 熱帶典型喬木對熱舒適的影響

提高闊葉喬木數(shù)量能夠更為顯著地調(diào)節(jié)熱舒適。對比無喬木場景,現(xiàn)狀場景熱舒適僅在9∶00-11∶00的含綠地測點(diǎn)內(nèi)得到改善,熱感覺由稍溫轉(zhuǎn)為適中或微涼狀態(tài)。增加植被數(shù)量使PET降低,將現(xiàn)狀下測點(diǎn)10∶00-15∶00高溫階段溫暖與熱感狀態(tài)普遍調(diào)整為適中與微涼狀態(tài),行人熱舒適度得到有效改善,其中提高闊葉喬木數(shù)量調(diào)節(jié)效果更為顯著,棕櫚類植物調(diào)節(jié)效果較弱這與新加坡等熱帶地區(qū)研究結(jié)果相同[17,20]。

為了維持干季期的熱舒適,仍然需要高綠量的闊葉類喬木達(dá)到足夠的遮陽效果,但隨著溫度持續(xù)下降,維持熱舒適更需要適當(dāng)降低植被遮蔭性,加大采光面積。研究表明,在冬季使PET值降低超過15℃的樹木可能會帶來熱不適[22],冬末春初的干季期,落葉闊葉樹反而是用于熱舒適調(diào)控更好的選擇。

4.3 熱帶氣候適應(yīng)性的城市植物配置建議

在?？谑械木G地中,雖然具有熱帶特色的棕櫚類喬木是典型的優(yōu)勢樹種[30],但是基于調(diào)節(jié)熱舒適性方面的考量,應(yīng)優(yōu)先選擇綠量較高的大喬木,如海口市的優(yōu)勢樹種小葉榕(Ficus microcarpa)、高山榕(Ficus altissima)、印度紫檀(Pterocarpus indicus)、小 葉 欖 仁(Terminaliaboivinii)、黃葛榕(Ficus virens)、苦楝(Melia azedarach)、欖仁樹(Terminalia catappa)、垂葉榕(Ficus benjamina)等[30-31],而其中的印度紫檀、苦楝以及欖仁樹等鄉(xiāng)土季相樹種在溫度較低的干季期是游憩場地獲得充足光照的更好選擇。在保留場地原有植物群落的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充高綠量樹種以提升綠地整體綠量,對于提高已建成綠色空間內(nèi)的熱舒適性是切實(shí)可行的途徑。此外,復(fù)層結(jié)構(gòu)植物群落能夠有效改善局地氣候環(huán)境,提升熱舒適水平已在多個研究中被證實(shí)[32-36],因此,在綠地中補(bǔ)植灌木和小喬木同樣可以對熱帶城市的微氣候調(diào)節(jié)產(chǎn)生積極作用。

5 結(jié)論

本文以海口市建成區(qū)內(nèi)公共綠地為例,結(jié)合實(shí)地測量與ENVI-met模擬,并通過計算熱舒適指標(biāo)PET對現(xiàn)狀綠地分布格局熱舒適性進(jìn)行評價,同時通過增種棕櫚類與闊葉類喬木預(yù)測兩種典型熱帶喬木對公共綠地的熱舒適性影響,結(jié)論如下:熱帶城市綠地中,通過增加植被數(shù)量以提高植物覆蓋率與綠量的做法能夠調(diào)節(jié)微氣候的降溫增濕效應(yīng),將居民熱感覺調(diào)整到舒適的范圍；兩類典型喬木提高相同種植數(shù)量,闊葉類的高綠量喬木比棕櫚類喬木更能顯著地調(diào)節(jié)氣候、改善熱舒適性；適應(yīng)本地氣候與種植偏好,提高復(fù)層植物群落結(jié)構(gòu)、增加高綠量的闊葉喬木種植比例是改善熱環(huán)境更好的選擇。