高仰馳，余坤勇，劉艷芬，楊柳青，陳鳳飛，劉 健,3*

(1.福建農(nóng)林大學 園林學院，福建 福州 350002；2.3S技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高等學校重點實驗室，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學 林學院，福建 福州 350002)

隨著城市化進程的加快，城市熱島效應(yīng)顯著，高溫、高熱的戶外環(huán)境與人們追求健康戶外生活的矛盾日益凸顯，改善戶外熱舒適成為城市設(shè)計與景觀設(shè)計的重要內(nèi)容?！肮陧斒讲降馈?treetop walk,TTW)[1-2]最早出現(xiàn)在20世紀80年代后期的歐洲國家，步道通過支撐結(jié)構(gòu)被放置在距離地面12～40 m的空中，以便公眾可以在綠樹成蔭的無障礙步道系統(tǒng)之間穿梭。90年代開始，冠頂式步道從起初的為了滿足科學研究活動的需求轉(zhuǎn)變?yōu)橐詽M足普通民眾的科普體驗、健身休閑和景觀游憩的需求[3]。相比于國外，我國冠頂式步道的研究尚處在初始階段，福州“福道”建于2016年，為國內(nèi)首條冠頂式步道，其設(shè)計充分尊重自然地形，使人們能夠通行在過往難以接觸到的自然環(huán)境中[4]。國內(nèi)多位學者對福道進行了研究，曾真等[5]探討分析了福道游客的游憩動機與行為特征，針對不同人群的人口統(tǒng)計學特征和娛樂行為差異，提出了針對游客的游憩動機和行為特征為導(dǎo)向的城市綠道現(xiàn)狀優(yōu)化策略。許曉玲等[6]運用模糊評價法對福道游客滿意度進行綜合評價，得出了風俗特色、建筑小品等12個影響游客滿意度的顯著因子，為福道建設(shè)提供科學理論指導(dǎo)及實際建議。林月彬等[7]運用以“W-F定律”、GST法和AHP法共同確立的研究方法，對福道的景觀環(huán)境現(xiàn)狀展開研究發(fā)現(xiàn)，福道及周邊環(huán)境優(yōu)異，能夠同時兼顧公眾的鍛煉需求與休閑游憩需求。以往關(guān)于福道的研究，主要集中于對景觀環(huán)境、游憩體驗的評價，近年來許多學者對城市街道、公園、廣場等空間的微氣候環(huán)境進行了研究[8-10]，而冠頂式步道作為新型的城市森林步道，環(huán)境特征與其他景觀環(huán)境有所差別，其良好的微氣候環(huán)境有益于人體健康，同時也影響了公眾的游覽意愿。

本研究以福州福道梅峰山地公園段為例，觀測福道不同類空間秋季微氣候(空氣溫度、相對濕度、風速、光照強度)的日動態(tài)變化特征，同時獲取各測點的天空可視因子、蓋度與景觀特征，采用舒適度評價指標對福道不同類型空間、不同時段進行人體舒適度評價，并分析舒適度與各微氣候因子、天空可視因子、冠層覆蓋度的相關(guān)性,旨在探討如何使冠頂式步道的微氣候環(huán)境更加舒適，以期豐富理論研究，為冠頂式步道的建設(shè)作出一些有益的嘗試。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福道位于福建省福州市，全線長19 km，沿線分布著10個標志性的場所入口，東北連接左海環(huán)湖棧道，西南連閩江，隨著山勢環(huán)繞了象山、后縣山、梅峰山、金牛山等山體脊，貫穿福州5大公園，旨在將丘陵地帶與森林地區(qū)融為一體。福道是福州市首條城市山水生態(tài)休閑健身走廊，其主體采用空心鋼管桁架組成，步道面板采用間隔<1.5 cm的格柵板，方便無障礙通行，每隔500 m左右設(shè)置休息平臺或觀景平臺，休息平臺設(shè)有座椅與遮陽頂棚，方便游客休息。研究選取位于福道中段的梅峰山地公園段為對象，該區(qū)步道長1.5 km，順著山勢與福道主軸線相連，是福道的重要節(jié)點和主要出入口之一。

1.2 研究方法

1.2.1 樣點的選擇 通過實地考察，本研究按照線性棧道、觀景平臺、休憩平臺對研究區(qū)域內(nèi)的空間進行分類，其中線性棧道包括：兩側(cè)有樹、兩側(cè)無樹、單側(cè)有樹3類。按照該分類，在研究區(qū)均勻布設(shè)10個測點并在研究區(qū)外空曠的水泥路面選取1個點作為參照點，分析對比福道相同空間類型、不同空間類型的微氣候環(huán)境特點，各測試點的分布情況及參數(shù)見圖1、表1。

表1 各測點設(shè)置情況Table 1 Setting of each measuring point

圖1 各測點的分布情況Fig.1 Distribution of each measurement point

1.2.2 測定時間、內(nèi)容及方法 試驗測定時間為2019年9月27-29日連續(xù)3 d(表2)，天氣晴朗、無風(風速<2 m·s-1)，每天8:00-18:00，每隔2 h在各樣點中心距離地面1.5 m處同步測定各觀測點的空氣溫度、相對濕度、風速、光照度，按不同方向重復(fù)測定3次，實測結(jié)果取平均值。測試儀器包括美國手持綜合氣象站(Kestrel5500)、照度計(TES-1339R)。同時獲取各測點的天空可視因子與蓋度，采用魚眼鏡頭采集各測點頂部遮陰覆蓋空間影像圖,利用Photoshop進行像素化處理,獲取測點空間的天空可視因子[11]；各測點蓋度的估測由3人同時進行，通過去平均值得到最終結(jié)果[12]。

表2 各測試日天氣狀況Table 2 Weather conditions on each test day

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 降溫率、增濕率計算公式[13]：

dT/%=(Tp-Ta)/Tp

(1)

dRH/%=(RHa-RHp)/RHp

(2)

式中，dT(%)為降溫率；Tp為對照點溫度；Ta為測點溫度；dRH(%)為增濕率；RHa為測點濕度；RHp為參照點濕度；

遮光率計算公式[14]：

dL/%=(Lp-La)/Lp

(3)

式中，dL(%)為遮光率；Lp為對照點光照度；La測點光照度；

本研究采用《人居環(huán)境氣候舒適度評價》中提出的溫濕指數(shù)(THI)作為評價人體熱舒適度主要指標[15]，計算公式為：

I=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

(4)

式中,I表示溫濕指數(shù)，T表示空氣溫度(℃)，RH為空氣相對濕度(%)。其等級評價標準見表3。

表3 人體熱舒適度等級評價標準Table 3 Human thermal comfort level evaluation criteria

2 結(jié)果與分析

2.1 各測點微氣候定量分析

2.1.1 空氣溫度效應(yīng)分析 圖2呈現(xiàn)了各測點的溫度日間變化特征。10個測點及對照點的空氣溫度隨時間呈現(xiàn)先上升后下降的單峰形變化，各測點最低溫均在8：00-10:00，12：00-14：00各測點均達到全天最高溫度。與對照點相對比，各測點都有一定的降溫效應(yīng)(表4)，其中AT類降溫效應(yīng)最佳，其日均降溫強度為：1.7℃～3.9℃，平均降溫率達9.2%。LP類降溫效應(yīng)最弱，其降溫強度為：0.5℃～1.8℃，平均降溫率達3.9%。在相同類型測點之間進行比較發(fā)現(xiàn)，各類型測點內(nèi)部均存在一定差異，其中差異最大的為VP1與VP2，日均降溫強度平均值相差1.1℃，日均降溫率相差2.8%。

圖2 對照組與各測點空氣溫度日變化特征Fig.2 Diurnal characteristics of air temperature in the control group and various measurement points

2.1.2 相對濕度效應(yīng)分析 從圖3可以看出，對照點及不同測點相對濕度的日間動態(tài)均呈近“U”形變化，8：00-10：00相對濕度最高，氣溫的上升導(dǎo)致相對濕度迅速下降，12:00-14:00相對濕度降至1 d中最低值，隨后空氣相對濕度呈緩慢上升趨勢。與對照點相比各測點都有一定的增濕效應(yīng)(表4)，HT和AT類日均增濕強度最高，HT類日均增濕強度為2.9%～9%，平均增濕率為11.5%；AT類日均增濕強度為3.1%～8.6%，平均增濕率與AT類相同；NT類增濕效應(yīng)最弱，日均增濕強度為1.5%～3.5%，平均增濕率為4.8%。對相同類型的測點進行比較，HT1與HT2差異最大，增濕率相差1.7%，NT1與NT2差異最小，增濕率相差0.7%。

圖3 對照組與各測點相對濕度日變化特征Fig.3 Characteristics of daily changes in relative humidity between the control group and each measurement point

2.1.3 光照強度效應(yīng)分析 從圖4可以看出，對照點及不同測點的光照強度日動態(tài)基本呈單峰分布，日間光照強度的最高值均出現(xiàn)在12:00-14:00，該時間段內(nèi)各測點與對照點光照強度的差值最大，最低值均出現(xiàn)在16:00-18:00。與對照點相比，除NT類其余測點均有一定的遮蔭效果(表4)，其中遮光強度最大的為VP2,其日均遮光強度為8 554～53 907 lx,遮光率達76.8%；遮光效應(yīng)最弱的為NT2，其日均遮光強度為-3 046～-22 596 lx，遮光率達-45%。在相同類型測點中，VP1與VP2遮光效應(yīng)差異最大，日均遮光強度相差14 190 lx，遮光率相差47.8%，遮光效應(yīng)差異最小的為NT類，日均遮光強度相差1 518 lx，遮光率相差2.1%。

圖4 對照組與各測點光照度日變化特征Fig.4 Diurnal characteristics of light intensity in the control group and each measurement point

2.1.4 風速效應(yīng)分析 從圖5可以看出，將對照點與各測點風速日平均值進行比較，各測點風速日動態(tài)變化并無明顯規(guī)律，因此未計算各測點的降風強度與降風率(表4)，風速值最高的測點NT2與風速值最低的測點LP2的日均風速差值達(1.4 m·s-1)，測點NT2、NT1、VP1、AT2日均風速均高于RP。HT與LP類測點的遮風效果最明顯，NT類的日均風速最大。對相同類型測點進行內(nèi)部比較，其中VP1與VP2兩相同類型測點風速日均值相差最大，差值為1 m·s-1，其余同類型測點內(nèi)部之間日均風速值幾乎無差異。

表4 各測點空氣溫度、相對濕度、光照度和風速比較Table 4 Comparison of air temperature,relative humidity,light intensity and wind speed at each measurement point

圖5 對照組與各測點風速日變化特征Fig.5 Characteristics of daily change of wind speed in the control group and each measurement point

2.2 人體舒適度分析

由表5可以看出，8:00-10:00對照點及各測點的舒適度指數(shù)均在17～25.4，人體感覺舒適，而12:00-14:00對照點及各測點的舒適度指數(shù)均>25.4，人體有熱感，較不舒適，該時間段內(nèi)有且只有對照點舒適度為28，高于27.5，即這個范圍內(nèi)這種環(huán)境中人體舒適度感覺為悶熱難受，不舒服，從不同測點的不同時刻舒適度指數(shù)來看，10個測點中只有1個測點(VP2)在5個時間段中有4個時間段均保持在舒適狀態(tài)，另4個測點(HT1、HT2、AT1、AT2)只在3個時間段內(nèi)保持舒適狀態(tài)，其余測點1 d中只有8:00-10:00處于舒適狀態(tài)。相比對照點，各測點都能夠提高一定的舒適度指數(shù)，提高舒適度指數(shù)率為2.6%～7.1%,平均值為5.1%，其中只有HT類、AT類、VP2的日均舒適度均在17～25.4，其人體舒適度感覺為“舒適”，其他測點雖比對照點有增加一定的舒適度但其舒適度范圍仍處于25.5～27.5，人體有熱感，較不舒服。

表5 不同測點在不同時刻的舒適度指數(shù)Table 5 Comfort index of different measurement points at different moments

2.3 不同測點微氣候因子、結(jié)構(gòu)特征與舒適度的相關(guān)性分析

由表6看出，測點內(nèi)的舒適度與空氣溫度呈極顯著正相關(guān)(r=0.886，P<0.01),與相對濕度(r=-0.875，P<0.01)呈極顯著負相關(guān)，與光照度具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.389,P<0.01)，與風速呈相關(guān)關(guān)系(r=0.149,P=0.279)。在各測點的結(jié)構(gòu)特征中，舒適度與天空可視因子呈顯著關(guān)系(r=0.311,P<0.05)，和蓋度呈現(xiàn)負顯著關(guān)系(r=0.343,P<0.05)。冠頂式步道的光照強度與各測點的結(jié)構(gòu)特征具有極顯著的相關(guān)性，與天空可視因子(r=0.568，P<0.01)和蓋度(r=-0.693,P<0.01)分別表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)與極顯著負相關(guān)。

表6 微氣候因子、測點結(jié)構(gòu)特征與THI的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of microclimate factors,structural features of measurement points and THI

3 結(jié)論與討論

“福道”各測點與對照點相比，都能提高一定的舒適度指數(shù)，說明福道本身對于熱舒適度具有一定的調(diào)節(jié)效果?？諝鉁囟扰c相對濕度是影響其舒適度的重要因素，而不同的冠層結(jié)構(gòu)特征對各微氣候因子起到調(diào)節(jié)作用。不同類型的測點提高舒適度指數(shù)的程度不同，單側(cè)有樹類、兩側(cè)有樹類與觀景平臺2的熱舒適度最好，而兩側(cè)無樹與休憩平臺類空間人體舒適較差，經(jīng)過實地調(diào)研了解，福道主要為線性棧道，全程中兩側(cè)無樹的空間占比最大且休憩平臺類型一致，因此可推斷，公眾秋季在“福道”進行活動時的整體舒適度感覺較差,在現(xiàn)狀情況下，建議公眾在8:00-10:00時在福道進行活動，此時各測點舒適程度最佳。通過對微氣候因子、舒適度指數(shù)、各測點的結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性分析，結(jié)果表明它們之間存在顯著的相關(guān)性。

通過對福道各測點微氣候因子日動態(tài)測定發(fā)現(xiàn)，相比于對照點，8:00-18:00“福道”的空氣溫度低、相對濕度高，表明福道整體的微氣候效應(yīng)好于裸露的水泥地面，由于城市森林具有明顯的降溫增濕效應(yīng)[16-18]，冠頂式步道設(shè)置于城市森林的上部空間，因此其所處環(huán)境因素對微氣候效應(yīng)產(chǎn)生了一定的影響。各測點中，相同時間段內(nèi)的溫濕度、光照度、風速有一定差異，說明各測點微氣候變化主要受測試點所處環(huán)境差異影響。本研究的5種不同類型測點中，HT與AT類的整體降溫增濕效應(yīng)最佳，NT與LP類整體降溫增濕效應(yīng)弱，降溫效應(yīng)差為1.2℃～1.9℃，增濕效應(yīng)差為1.4%～4.4%，這是由于效應(yīng)佳的測點均被高大的植物圍合，而效應(yīng)弱的測點植被覆蓋率低，LP類雖有構(gòu)筑物三面圍合，但其材質(zhì)吸熱，無法達到降溫增濕的效果。NT類遮光效應(yīng)弱，平均遮光率達-43%，VP2遮光效應(yīng)最佳，平均遮光率達76.8%，這是由于VP2上部有構(gòu)筑物圍合，且四周植物茂密，蓋度大，而NT類測點四周空曠無遮擋。NT類風速效應(yīng)強，LP2與HT類風速效應(yīng)弱，LP2在場地盛行風(東北風)面被玻璃遮擋，因此具有很強的防風效應(yīng)；HT1在東北、西南處由相思樹、構(gòu)樹圍合，HT2的東北、西、南由芒果樹及秋風圍合，故而風效被大幅削弱。對相同類測點比較發(fā)現(xiàn)，各測點內(nèi)部微氣候效應(yīng)存在一定差異，VP類內(nèi)部降溫、增濕、遮光、風速差異最為明顯，VP1四周無植物圍合，構(gòu)筑僅有遮光作用，較于VP2茂密的植物圍合，其降溫、增濕、遮光效應(yīng)均更弱；風鈴塔處于VP1西側(cè)，其他三面開敞，因此場地風速效應(yīng)強，VP2北為一處大體量建筑物，西、南、東處被植物圍合，故風速為穩(wěn)定偏低值。綜上所述，說明植被具有良好的降溫增濕、遮陰效應(yīng)，這個研究結(jié)果被國內(nèi)外不同學者廣泛證實[19-20];場地上各要素的空間布局對風速有重要的影響[21];測點的結(jié)構(gòu)特征對測點的降溫效應(yīng)具有重要影響，即測點的天空可視因子越小，蓋度越大，則測點內(nèi)的空氣溫度就越低[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，人體舒適度與空氣溫度和相對濕度呈極顯著相關(guān)關(guān)系，說明人體舒適度由各測點的空氣溫度和相對濕度共同影響，這與M.A.Ruizetal[23]、劉暢等[24]的研究結(jié)果一致。段玉俠等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在半遮蔭、無遮蔭、全遮蔭3種類型的空間中，人體舒適度感受為：全遮蔭>半遮蔭>無遮蔭，人體熱舒適感受與天空可視因子呈極顯著相關(guān)，以上研究與本研究的結(jié)果大致相同，但本研究中,LP類測點的舒適度較差，根據(jù)相關(guān)性分析，人體舒適度與蓋度和天空可視因子僅具有顯著相關(guān)關(guān)系，這可能是由于本研究中LP類測點頂面為封閉式鋼制屋頂，兩側(cè)為有機透明玻璃，其天空可視因子值為0，蓋度值偏高，而導(dǎo)致天空可視因子和蓋度與舒適度的相關(guān)性偏低。溫濕指數(shù)是由空氣溫度和相對濕度共同構(gòu)成的用來描述人體舒適度的綜合影響指標，冠層結(jié)構(gòu)通過對各測點微氣候因子的調(diào)節(jié)作用，從而影響了環(huán)境舒適度水平[26]。

通過研究，對“福道”的秋季微氣候改善提供以下建議：1)觀景平臺的選址可選擇植物密度較高的場地，周圍無景致可觀賞的角度可進行植被的栽植；在現(xiàn)有觀景平臺中，設(shè)置坐凳以讓公眾駐足賞景的空間，可適當增加遮陽頂棚，營造半圍合式空間。2)休憩平臺中道路兩側(cè)的玻璃墻面可增加可開合式窗戶，增加通風的同時可起到散熱作用；在休憩平臺內(nèi)側(cè)頂部可增加降溫噴霧，以增強休憩舒適感。增加休憩平臺的屋頂綠化，能夠有效阻隔太陽輻射對屋面的直接照射，減少輻射熱對構(gòu)筑物內(nèi)部熱環(huán)境的影響。3)線性棧道類：在景致不夠美觀的路段可采用雙側(cè)植樹方式，起到遮擋障礙物作用的同時能夠增加棧道的舒適度；大多數(shù)路段可在靠近山體一側(cè)增加單側(cè)樹木的栽植，選擇本地樹種中冠大蔭濃、分枝高的落葉喬木，以保證遮蔭與通風；減少對植被的過度修建，保證道路的蔭蔽程度；對于周圍不易植樹且與周圍植被冠頂相離較遠的路段，適當增加遮陽頂棚。

本研究僅是冠頂式步道微氣候效應(yīng)研究的階段性成果，仍存在一定欠缺，一方面，對舒適度評價指標的選擇僅考慮了溫度與濕度2個微氣候因子，后期研究中可選擇更加合理的舒適度評價指標。另一方面，僅對福道中部分段落秋季微氣候特征進行了研究，對福道全程及四季的微氣候效應(yīng)研究還有待進一步深入。