乔木覆盖率对公园夏季微气候舒适性的调节作用

乔木覆盖率及形态特征对公园夏季微气候舒适性的调节作用——以郑州市绿荫公园为例

 

摘要：以郑州市绿荫公园为研究对象，采用正交试验法设计试验方案，借助ENVI-met进行多因素量变模拟，探究乔木覆盖率及形态特征对公园夏季微气候舒适性的调节作用。得出以下结论。

1)乔木覆盖率与热湿环境关联度大，树干高与风环境关联度大。

2)各因素对公园微气候影响有时段性差异。3个乔木形态特征参数中，冠幅贡献率始终最大，中午时段高达22.5%；树干高在早上时段贡献率相对较高；叶面积指数的贡献率时段差异最小，中午时段略高；乔木覆盖率的贡献率各时段均大于3个乔木形态特征参数之和。

3)乔木覆盖率85%、树干高4m、叶面积指数3.9、冠幅7m的组合方式夏季热舒适度最佳。建议城市公园在保证乔木覆盖面积的基础上，结合空间功能的时段性需求，合理选择乔木树种，有效发挥乔木对公园微气候的积极作用。

 

“公园城市”理念和城市发展新范式的提出，将“城市的核心是人”作为价值取向，致力于营造宜居、舒适、绿树成荫的城市环境，明确了构建绿色发展的城市空间新要求[1]。绿色空间能有效缓解城市的热岛效应，发挥重要生态功能的同时能大幅改善城市空间环境，为市民创造微气候适宜、节能低碳的绿色城市街区。

 

相关研究表明城市绿化可使夏季热感觉从热转为暖，生理等效温度PET降低超过8℃[2]。而植物的降温效应主要是通过遮阴、蒸散作用和影响空气流动实现，是减轻城市热岛效应的有效途径[3]。其中，乔木由于林冠的遮阴作用，产生的降温效果总体上比草坪的蒸散冷却更为显著，改善热舒适的能力最好[4-5]，而乔木覆盖率越大，其降温增湿效应也越明显[6]。夏季，林荫空间因其显著的降温作用，往往成为人们高频率活动的场所。

 

研究表明，宽大的树冠能使树下气温降幅增大[7]，是乔木发挥微气候效应的主要组成部分[8]。冠幅和叶面积指数大小，主要决定植物冠层对太阳辐射的遮蔽范围和阻挡能力，能直接影响达到地面的太阳辐射量[9]，与人体热舒适之间存在较强的正相关关系[10]；而树干高度则决定了林荫空间的开敞度，在一定程度上影响着风环境，宽树冠高树干结合可形成最佳的热舒适条件[7]。可见，除了植被覆盖程度外，不同形态特征的乔木树种对微气候环境的影响亦有所差异。

 

目前，关于植物与公园微气候舒适度的模拟研究多侧重于植物空间配置的单因素量变模拟[11-12]，忽略了实际中各因素的互相配合和共同作用。因此，引入正交试验法设计试验方案，借助ENVI-met模拟软件，以提升城市公园环境舒适性为目标，探究乔木覆盖率及树干高、叶面积指数、冠幅3个乔木形态特征参数对公园微气候的共同影响，量化各因素及交互作用对改善公园热舒适的贡献程度，提出城市公园乔木优化配置建议，为城市公园绿量控制及树种选配提供参考依据。

 

1研究对象

 

郑州市虽属寒冷地区，但处在寒冷地区与夏热冬冷地区的交界处，夏季极端高温可达39℃，时常酷暑难当，影响居民出行活动，城市公园成为居民避暑纳凉的聚集场所。研究对象绿荫公园是郑州市绿广管理处下辖的四大公园之一，建成于1999年，位于郑州市人口密度最大的金水区，周围遍布居住区。园内共划分为8个活动区，种植乔灌观赏植物80多种，7000余株，多以遮阴效果好的树木为主，也因此而得名。居民日常使用频率较高，公园地块较为规整，南北长、东西短，面积约6.77hm2，绿地占比约83%，是以绿化为主的社区公园，园中植被种类丰富，尤以乔木居多。

 

2研究方法

 

2.1模拟软件校验

 

ENVI-met是德国Bruse教授及其团队于1994年开发的一款基于计算流体力学、热力学及城市生态学相关原理的三维城市微气候环境模拟软件，可综合考虑建筑、植被、下垫面及大气环境之间的相互作用过程，对中小尺度城市微气候环境的影响因子进行全面整体的数值模拟。该软件已被广泛应用于构建植被模型、探究树木形态及叶片的蒸腾蒸散作用等相关研究中[13]，是评估绿地植被对城市微气候影响的常用软件。

为保证本次研究的准确性，在模拟试验前，需针对寒冷地区小尺度公园的适用性进行软件校验，综合考虑人群活动及景观特征差异，在园内布置4个测点，进行夏季微气候环境定点观测，测试日晴朗无风，采用OnsetHOBO温湿度自记仪，测量距地高1.5m处的空气温湿度，连续记录11h(7：00—18：00)。为增强模型的准确性和稳定性，设置比公园实际面积更大范围的网格面积350m×500m，模型分辨率5m。



以高清卫星影像图为依据，建立公园现状模型(图1)，模拟参数设置见表1。将空气温湿度实测值与模拟值进行比较，用均方根差(root-mean-squareerror，RMSE)和一致性指数(indexofagreement，d值)定量评价数值模拟的绝对误差和相对误差，得到模拟预测空气温湿度的RMSE分别约2.3℃、6.7%，d值分别约0.86、0.91，模拟与实测吻合度较好，校验偏差在可接受范围内[14]，表明模拟结果能较好地反映绿荫公园近地面微气候特征，适用于本研究。

 

 

2.2模拟方案设计

 

2.2.1明确试验目标

 

正交试验是一种安排多因素试验的数理统计方法，可获得各因素的重要性及对试验指标的影响程度，快速获取试验的最优组合。借助正交试验法设计模拟方案进行多因素量变模拟，量化研究绿化参数对公园微气候环境的具体影响。

 

目前，关于室外热环境的评价主要有生理等效温度PET、预测平均热感觉指数PMV、通用热气候指数UTCI等。其中，PET是MayerH团队基于MEMI(MunichEnergyBalanceModelforIndividuals)模型提出的热指标，其优势在于不仅综合考虑空气温度、湿度等各项气象参数，同时也关注到人的个体参数，已被证实是更适宜评估人类热感觉的指标[15]。此外，该团队建立的PET与热感觉标尺的对应关系，也在微气候舒适性评价中被广泛应用[16]，故研究选用PET作为试验指标，并参考其建立的PET与热感觉标尺的对应关系评价方案间的微气候舒适性差异。

 

2.2.2确定因素水平

 

研究表明，乔木覆盖率对园林热环境的改善作用最为显著[6]，树冠下形成的林荫空间能极大地提高行人的舒适度，而叶面积指数能够有效地反映冠层遮蔽度，直接影响林荫空间的阴凉效果[9]。故选择乔木覆盖率及树干高、叶面积指数、冠幅3种反应乔木形态特征的绿化参数作为试验的量变因素。

 

通过遥感影像统计郑州市内124个城市公园的乔木覆盖率，接近75%的公园乔木覆盖率为60%~90%，将其分段取平均值得到65%、75%、85%作为试验中乔木覆盖率的3个水平。另经实地调查，绿荫公园以悬铃木、棕榈、女贞等阔叶乔木类型居多，结合现场测量及文献研究[17]，分别获得乔木树干高、叶面积指数和冠幅的各3个常见水平值。据此设置试验水平(表2)。

 

2.2.3制定试验方案

 

综合考虑乔木覆盖率、3个乔木形态特征参数自身及其交互作用对微气候的影响，选用正交表L27(313)编制研究试验方案共27组(表3)，并依此建立公园工况模型，进行微气候模拟。

 

2.3模拟参数设置

 

根据表2中乔木形态特征参数值，利用ENVI-met插件Albero建立9种不同的乔木形态(图2)，并在此基础上调节树干高度。叶片反射率、根深、根面积密度等植被参数均为默认值，以排除干扰，其余设置同表1。