苗如如,唐紅
(甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院,甘肅 蘭州 730070)
近年來全球變暖導(dǎo)致我國夏季高溫事件頻繁發(fā)生,加之城市化進程引起城市熱島效應(yīng)使一些城市酷熱程度增加,而戶外環(huán)境過熱嚴重威脅居民的身體健康。有學者對氣候、城市關(guān)系、城市微氣候改善等方面進行了研究,希望通過有效的環(huán)境設(shè)計策略,并利用現(xiàn)有氣候條件來改善城市小氣候環(huán)境。小尺度范圍的環(huán)境氣候直接影響了人體的舒適性[1-8]。植物群落直接影響著公園空間小氣候,而公園是戶外熱舒適研究的重要空間類型之一[9-14]。本研究針對蘭州市金城公園進行夏季小氣候?qū)崪y分析,探討金城公園中植物群落間溫度、濕度、風速等氣候因子波動和舒適度感受。
1.1.1 研究區(qū)概況。蘭州金城公園位于蘭州市西固區(qū)南山腳下,面積約為133 333 平方米,是蘭州市內(nèi)面積較大、功能較為健全的文化主題城市公園。
1.1.2 樣地設(shè)置。樣地群落全部選擇在金城公園1 期植物種類較為豐富、過往游人相對較少的區(qū)域。同時為了減少水面對群落內(nèi)微氣候的影響,樣地選址遠離公園水體。在公園內(nèi)根據(jù)群落特征選取5 個樣方,每個樣方為50 m×60 m,因為在此范圍內(nèi)每個植物群落都獨立存在且囊括群落類型所需植物種類(圖1)。樣方A 為喬灌草植物群落,喬木主要為國槐,灌木主要為木槿,草本為結(jié)縷草。樣方B 為喬灌植物群落,喬木主要為欒樹,灌木主要為連翹。樣方C 為喬草植物群落,喬木主要為圓柏,草本為結(jié)縷草。樣方D 為灌草植物群落,灌木主要為榆葉梅,草本為結(jié)縷草。樣方E 為裸露草地群落,草地植物主要為結(jié)縷草(表1)。
表1 各群落植物種類
圖1 植物群落樣方布置及現(xiàn)場照片
按照氣象學劃分,蘭州的夏季為6 月、7 月、8月,本文的研究于2021 年6 月15 日~8 月10 日這三個最熱的月份,期間共計30 個晴朗天氣日進行現(xiàn)場問卷調(diào)查和微氣候數(shù)據(jù)實測。問卷發(fā)放時間段與小氣候?qū)崪y時間段相對應(yīng)。
1.2.1 問卷調(diào)查。調(diào)研問卷設(shè)計為個人信息和舒適度打分兩個板塊(表2)。調(diào)研期間共獲得有效問卷385份,6 月、7 月和8 月問卷數(shù)分別為129、131 和125 份。
表2 人體舒適度調(diào)查問卷
1.2.2 小氣候?qū)崪y。測試儀器采用中國?,攦x表生產(chǎn)的AR866A 熱線式風速儀和AS847 分體式溫濕度計。每個植物樣方于植物群落內(nèi)各設(shè)置4 個測點(圖2),最終實測數(shù)據(jù)取其均值進行分析。每日從8:30 至17:00 時不間斷測量,每5 分記錄一次數(shù)據(jù),最終取每日9:00 至15:30 之間的數(shù)據(jù)作為最終分析數(shù)據(jù)。
圖2 植物群落樣方及測點詳情
本研究比較了WBGT(黑球溫度)、HI(熱強度指標)、UTCI(通用熱氣候指數(shù))、DI(人體舒適度指數(shù))以及THI(溫濕指數(shù))五種人體舒適度評價模型,發(fā)現(xiàn)DI(人體舒適度指數(shù))結(jié)合溫度、濕度以及風速三個小氣候指標對人體舒適度進行評價,應(yīng)用于人體舒適度指數(shù)預(yù)報[15-16],比較適合蘭州地區(qū)人體舒適度評價。該模型公式為:
式中,V 為平均風速;DI 為人體舒適度指數(shù);T 為平均氣溫;RH 為相對濕度。中國氣象局限定規(guī)定人體舒適度級別分為9 類[17](表3),由表可知,夏季DI 值越低,人體舒適度越高,DI 值越高,人體舒適度越低。
表3 人體舒適度級別劃分
對實驗日內(nèi)五種植物群落實測數(shù)據(jù)進行整理,利用Origin 2019 b 數(shù)據(jù)處理軟件圖示各植物群落相對濕度和空氣溫度以及與當天實時氣象數(shù)據(jù)二者差值,以此來反映對比不同植物群落對環(huán)境小氣候的調(diào)節(jié)趨勢。
另外,將微氣候數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DI 人體舒適度指數(shù),以此來反映人體當下感知客觀舒適度狀況。利用問卷調(diào)查顯示人體主觀舒適狀況,以此形成主客觀人體舒適度數(shù)據(jù),利用SPSS 軟件探究場地人體舒適度與微氣候因子的相關(guān)關(guān)系。
空氣溫度與相對濕度可以反映一個區(qū)域的微氣候特征。本研究以△T 和△RH 表示各樣方的空氣溫度與相對濕度與氣象站顯示的實時溫度與濕度之間的差值變化(圖3)。對比植物群落實測樣方可發(fā)現(xiàn),△T 趨勢先變小后變大,而△RH 趨勢則先變大后變小。觀察結(jié)果表明公園綠地對園林小氣候環(huán)境起著顯著調(diào)節(jié)作用,不同植物群落可以不同作用力于小氣候環(huán)境,但整體調(diào)節(jié)趨勢相對統(tǒng)一。另外,我們可以發(fā)現(xiàn)在樣方A、樣方B、樣方D 三種植物群落的-△T 次數(shù)均大于△T次數(shù),樣方C 和樣方E 反之,這表明喬灌草植物群落、喬灌群落以及灌草群落能更有效降低環(huán)境溫度,提高夏季人體舒適感。其次,各群落的△RH 最大值均出現(xiàn)在11:00~12:30 時間段內(nèi),這表明當中午太陽輻射較大的時候,各植物群落能產(chǎn)生更為顯著的保濕效應(yīng)。
圖3 不同植物群落的△T 和△RH
通過各植物群落人體舒適度指數(shù)(圖4),可以看出喬灌草植物群落和灌草植物群落人體舒適度指數(shù)集中于60~90,說明在這兩種群落中模型顯示人體舒適度指數(shù)較高,裸露草地人體舒適度指數(shù)則更集中于90~105,說明在該群落中模型顯示人體舒適度指數(shù)較低。通過主觀舒適度投票顯示(圖5),游人在喬灌草植物群落和灌草植物群落投票結(jié)果顯示舒適級別0 與1 占比更高,說明在這三類群落中游人心理感知較舒適,在裸露草地游人舒適度最低。對比說明夏季金城公園人體舒適心理感知與模型分型結(jié)果保持一致,以此表明人體舒適度指數(shù)DI 能夠客觀反映蘭州市公園綠地人體舒適度?;跉夂蛞蜃拥膶崪y,運用人體舒適度指數(shù)DI將微氣候數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為人體舒適度。通過溫度、濕度、風速等微氣候因素計算出的DI 值來反映人體所處場地的舒適度情況。
圖5 各植物群落主觀舒適度投票
由圖4 可以看出各植物群落DI 值均在50~105 的區(qū)間內(nèi),喬草植物群落與裸露草地DI 值均在14:00 前達到最大后下降。喬灌草植物群落、喬灌植物群落、灌草植物群落DI 值均在14:00 后達到最大后下降,但這三個測點的下降趨勢較喬草植物群落與裸露草地相對平緩。即在14:00 之前,喬草植物群落與裸露草地的舒適度較高,14:00 之后樣方喬灌草植物群落、喬灌植物群落、灌草植物群落舒適度較高。這是由于溫度上升時,裸露草地與喬草群落升溫較快,舒適度較低。當大氣溫度降低時其散熱也快,對風的遮擋作用很小,造成了群落內(nèi)舒適度上升。喬灌草植物群落、喬灌植物群落以及灌草植物群落由于植物類型較為復(fù)雜,在大氣溫度上升時群落內(nèi)的空氣溫度上升較為緩慢,舒適度較高,當外界溫度下降時群落內(nèi)的散熱較慢,造成群落內(nèi)舒適度較差。
圖4 各植物群落人體舒適度指數(shù)
將植物群落測試組的主觀舒適度投票與微氣候因子進行相關(guān)性分析(表4),發(fā)現(xiàn)夏季人體舒適度與溫度顯示為負相關(guān),與相對濕度顯示為正相關(guān),與風速相關(guān)性極不顯著。說明受訪者處于植物群落空間對于溫度感受較敏感,對濕度感受一般。溫度與舒適度投票顯示溫度越高越不舒適;濕度與舒適度投票顯示濕度越大越舒適。
表4 舒適度打分與各氣候因子相關(guān)性分析
2.3.1 相對濕度。如各測點的相對濕度值(圖6),各植物群落的濕度范圍在17%~47%,且各測點空氣濕度的整體變化都是呈先下降后上升的趨勢。上午與下午空氣濕度較大,中午考慮到太陽輻射,使得大氣中的水汽蒸發(fā)顯著,導(dǎo)致綠地水汽散失。具體來說,在9:00~12:30 時間段內(nèi)濕度逐漸降低,在12:30~14:00時間段內(nèi)濕度先小幅上升,至14:00 開始回落,在14:00~15:30 時間段內(nèi)濕度逐漸回升。其中,在9:00~12:00時間段內(nèi),各測點濕度較高,最大值出現(xiàn)在喬灌草群落,為46.3%;在12:00~13:30 時間段內(nèi),各測點濕度較低,最小值出現(xiàn)在裸露草地,為18.1%,二者相差28.1%。由圖可知,各植物群落相對濕度由大到小的排列順序為喬灌草群落>喬灌群落>灌草群落>喬草群落>裸露草地。
圖6 各植物群落相對濕度
2.3.2 空氣溫度。由各測點空氣溫度值可知(圖7),各樣方溫度的整體變化基本都顯現(xiàn)為先增加,至13:30 達到最大值,之后逐漸回落的趨勢。其中,在12:00~14:30 時間段內(nèi)各測點空氣溫度均較高,最大值出現(xiàn)在樣方E,數(shù)值為40℃;在9:00~10:00 時間段內(nèi)各測點空氣溫度均較低,最小值出現(xiàn)在樣方D,數(shù)值為22.8℃,二者相差17.2℃。其中,樣方C 在12:30 達到了最大溫度,樣方E 溫度一直呈現(xiàn)相對上升趨勢,這表明喬草群落的升溫速度較快。其他測點溫度變化均不明顯,且最大值均出現(xiàn)在13:00 之后,這表明灌草群落、喬灌群落以及喬灌草群落升溫較為緩慢,此三類植物群落都具有相同的群落特征,即植物配置種類較多,灌叢層次豐富緊湊,能有效抵擋太陽輻射。在一定程度上群落內(nèi)植物葉面積指數(shù)較高,葉片滯留濕氣效果顯著,這表明在夏季,當大氣溫度上升,在植物群落內(nèi),豐富的植物配置對環(huán)境的降溫保濕具有重要作用。
圖7 各植物群落空氣溫度
2.3.3 風速。如各點風速值(圖8),各個植物群落的測點風速變化較復(fù)雜。尤其是喬草植物群落、灌草植物群落以及裸露草地的風速變化波動較大,其中60%時間段風速均大于1 m/s。喬灌草植物群落與喬灌植物群落風速變化平緩,且一直維持在0.2~0.8 m/s。各測點風速最大值出現(xiàn)在裸露草地,表明夏季喬草植物群落、灌草植物群落以及裸露草地能更好地通風。
圖8 各植物群落風速
本研究對蘭州金城公園進行微氣候?qū)崪y和大眾心理問卷調(diào)查,得出以下結(jié)論:
(1)公園綠地對園林小氣候環(huán)境起著顯著調(diào)節(jié)作用,不同植物群落對小氣候環(huán)境作用不一,但整體調(diào)節(jié)趨勢相對統(tǒng)一;喬灌草植物群落、喬灌群落以及灌草群落能更有效降低環(huán)境溫度,提高夏季人體舒適感。
(2)人體舒適度指數(shù)DI 能夠客觀反映蘭州市公園綠地人體舒適度;夏季大氣溫度上升致使裸露草地與喬草群落升溫顯著,人體舒適度較差,大氣溫度降低時群落內(nèi)散熱速度加快,加之群落內(nèi)植物對風速的遮擋作用較小,造成群落內(nèi)舒適度上升;喬灌草植物群落、喬灌植物群落以及灌草植物群落植物類型較為復(fù)雜,在大氣溫度上升時,群落內(nèi)的空氣溫度上升緩慢,尤其在中午太陽輻射較大時該現(xiàn)象更加突出,植物群落降溫保濕作用明顯,導(dǎo)致群落內(nèi)舒適度增加。
(3)各植物群落的濕度范圍在17%~47%,且各測點空氣相對濕度的整體變化趨勢都是呈先下降后上升的趨勢;各測點的溫度趨勢變化相近,呈先上升后下降趨勢,喬草群落的升溫速度較快,灌草群落、喬灌群落以及喬灌草群落升溫較為緩慢,表明在夏季大氣溫度上升明顯時,豐富的植物配置對群落空間環(huán)境降溫保濕具有重要作用;各個植物群落的測點風速變化較復(fù)雜,喬木+草本、灌木+草本的組合以及裸露草地能起到很好的通風作用。
通過對蘭州金城公園小氣候的實測研究發(fā)現(xiàn),各植物群落對所在區(qū)域的小氣候具有調(diào)節(jié)作用,因此設(shè)計合理的景觀植物群落的布局形式可營造更加舒適宜人的公園小氣候環(huán)境,所以在注重景觀藝術(shù)性的同時對公園綠地的效益需求更廣[18-19],希望此研究可為城市營造更加適宜的公園綠地空間提供參考。