曹林森,徐 歡,李 紅
(江蘇師范大學(xué),江蘇 徐州 221116)
城市局地微氣候與城市下墊面的具體特征密切相關(guān)[1-2],風(fēng)景園林對(duì)于局地微氣候有著直接的影響,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為地形、水體、植物群落和建筑布局等設(shè)計(jì)要素對(duì)熱、濕、風(fēng)環(huán)境等均具有調(diào)節(jié)功能[3-4]。景觀空間的微氣候要素對(duì)熱舒適度有決定作用,也直接影響了人們的空間體驗(yàn)。植被作為主要景觀要素,對(duì)改善景觀空間微氣候及熱舒適度都有重要意義?,F(xiàn)階段的研究多關(guān)注植被在夏季的微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng),以期發(fā)揮植物的降溫增濕作用改善場(chǎng)地夏季微氣候舒適度[5-7]。相對(duì)而言,寒冷季節(jié)植被對(duì)熱舒適度的影響較少有人關(guān)注[8-9]。有學(xué)者通過定點(diǎn)測(cè)量、問卷調(diào)研和行為標(biāo)注等方式對(duì)植被群落的寒冷季節(jié)微氣候效應(yīng)進(jìn)行定量分析[10-11],但由于植被群落的復(fù)雜性,此類研究難以對(duì)具體樹種的微氣候及熱舒適度效應(yīng)作出判斷。研究方法對(duì)于植物群落空間可行,但由于外界干擾因素較多,對(duì)于樹種單體的熱舒適度影響效應(yīng)分析并不適宜。而掌握樹種單體的熱舒適度效應(yīng),對(duì)于理解植被對(duì)熱舒適度的影響機(jī)理和指導(dǎo)景觀空間植物配置都有現(xiàn)實(shí)意義。
城市中微觀尺度,應(yīng)用于研究城市微氣候的軟件使用較多的是Fluent、Phoenics以及ENVI-met模型。由于Fluent中沒有預(yù)設(shè)的植物模型、Phoenics中植物不涉及植物與空氣間的蒸騰、蒸發(fā)和熱通量交換,而ENVI-met能夠全面考慮空間布局、地表材質(zhì)、太陽(yáng)輻射、植被覆蓋等多種因素,且具備三維植物構(gòu)建模塊[12],因而ENVI-met是一款被證實(shí)能有效模擬植物微氣候調(diào)節(jié)作用的模型。
本研究以南京市寒冷氣候?yàn)楸尘?,在?yàn)證ENVI-met軟件模擬準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,選取南京市6個(gè)不同規(guī)格常綠及落葉喬木、灌木典型綠化樹種進(jìn)行微氣候效應(yīng)模擬,獲取太陽(yáng)輻射、空氣溫度、濕度、風(fēng)速等微氣候要素?cái)?shù)值,并利用Rayman平臺(tái)計(jì)算監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的熱舒適度值。通過與空地對(duì)照組的數(shù)據(jù)對(duì)比分析不同樹種對(duì)人體熱舒適度的影響規(guī)律,并對(duì)影響較明顯的樹種類型從高度、葉面積密度和郁閉度等方面做進(jìn)一步模擬研究。
為驗(yàn)證ENVI-met模型的可靠性,選擇江蘇師范大學(xué)田家炳工學(xué)院南側(cè)綠地為測(cè)試地點(diǎn),進(jìn)行冬季風(fēng)速的驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明實(shí)測(cè)與模擬風(fēng)速的相關(guān)性R2為0.719,存在較強(qiáng)相關(guān)性。同時(shí)采用Willmott et al[13]提出的均方根誤差(root mean square error,RMSE),系統(tǒng)均方根誤差(RMSEs)、非系統(tǒng)均方根誤差(RMSEu)以及一致性指標(biāo)(d)驗(yàn)證模型的可靠性。實(shí)測(cè)與模擬風(fēng)速RMSE為0.15 m·s-1,RMSEu與RMSE值接近,d值為0.79。整體顯示ENVI-met模型在描述冬季綠地與微氣候關(guān)系比較可靠,適用于冬季綠地對(duì)微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的研究。
以南京市為氣候背景,在南京市典型常綠喬木、落葉喬木、常綠灌木、落葉灌木中分別選取不同大小規(guī)格的常見樹種(表1)。由于所選灌木樹種耐修剪、可塑性強(qiáng),所以大小灌木未做樹種區(qū)分。ENVI-met4.0 Albero模塊植物建模需要的特征因子包括株高、冠幅、枝下高、樹冠形狀、根部特征、葉面積密度(leaf area density,LAD)、葉片反射率、固碳類型、葉片類型等。其中植物根部特征、葉片反射率等因子變化對(duì)微氣候的影響較小[14-15],植被樹冠空間結(jié)構(gòu)對(duì)微氣候影響的研究已經(jīng)較多[16-17],本研究主要探討植被類別和高度、LAD、郁閉度等因子對(duì)寒冷季節(jié)熱舒適度的影響效應(yīng)。ENVI-met主要通過LAD值區(qū)分植物的落葉及常綠屬性,冬季(12月)植物的LAD為夏季(6、7、8月)的0.2倍?;谘芯磕繕?biāo)及植被調(diào)研結(jié)果,在Albero模塊中設(shè)定植物模型特征因子見表1。其他特征因子統(tǒng)一設(shè)定為固碳類型C3,葉片發(fā)射率默認(rèn)0.6,根部特征為系統(tǒng)默認(rèn)。
表1 典型綠化樹種及建模特征因子Table 1 Typical greening tree species and modeling characteristic factors
根據(jù)植被不同尺度空間要求,Space模塊中喬木模擬空間網(wǎng)格分辨率設(shè)置為dx=2 m、dy=2 m、dz=3 m,灌木設(shè)置為dx=1 m、dy=1 m、dz=3 m。模擬日期為2019年12月21日,參照南京市歷年冬季氣候平均參數(shù),設(shè)置氣候初始數(shù)據(jù)為風(fēng)速3.60m·s-1,風(fēng)向90°(垂直于植被),空氣溫度8℃,濕度70%。模型下墊面材質(zhì)為系統(tǒng)默認(rèn),場(chǎng)景粗糙度長(zhǎng)度采用0.1。選取9:00-21:00為數(shù)據(jù)輸出時(shí)間段,輸出高度設(shè)置為人體感知較為明顯的1.5 m。
經(jīng)過前期預(yù)模擬總結(jié)發(fā)現(xiàn),植被對(duì)微氣候和熱舒適度的影響(排除樹木陰影范圍)主要出現(xiàn)在正下風(fēng)向位置,喬木的影響主要出現(xiàn)在樹高的2倍范圍處,而灌木的影響主要在6 m范圍內(nèi)。據(jù)此本研究喬木的微氣候數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)為:植被正下風(fēng)向,距離喬木(高度h)中心2h、2h-2 m、2h+2 m處3個(gè)測(cè)點(diǎn);灌木的采樣點(diǎn)為:植被正下風(fēng)向,距離灌木中心2、4、6 m處3個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1)。分別提取3個(gè)測(cè)點(diǎn)的空氣溫度、風(fēng)速、濕度和太陽(yáng)輻射等微氣候參數(shù)以計(jì)算熱舒適度值。
圖1 微氣候數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)位置示意圖(左:?jiǎn)棠?,右:灌木,高度?.5 m)Fig.1 Location of microclimate data sampling points
采用生理等效溫度(physiological equivalent temperature,PET)作為熱舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo),它表示在某一室外環(huán)境中,當(dāng)人體處于熱平衡時(shí),體表溫度和體內(nèi)溫度達(dá)到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的氣溫。PET以通用的攝氏度(℃)為單位,更便于各行業(yè)學(xué)者理解。且相比標(biāo)準(zhǔn)有效溫度(SET)、預(yù)測(cè)平均投票(PMV)等單一評(píng)價(jià)體系,PET指標(biāo)在考慮主要微氣候因子(太陽(yáng)輻射、空氣溫度、風(fēng)速、濕度)對(duì)熱舒適影響的基礎(chǔ)上,還考慮了衣服熱阻、人體活動(dòng)量及物理參數(shù)對(duì)熱舒適度的影響,更適宜作為戶外熱舒適度的評(píng)價(jià)尺度[20]。計(jì)算公式為:
PET=(代謝能量+所獲太陽(yáng)輻射量+所獲地球輻射量)-(蒸發(fā)熱損耗+對(duì)流熱損耗+地面輻射散射)
(1)
借助Rayman平臺(tái)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)PET值,地理參數(shù)參照南京市數(shù)值(31°14″W,118°22″E),人體參數(shù)設(shè)定身高175 cm、體重70 kg、年齡35歲,衣服熱阻為0.9,活動(dòng)量為步行1.2 m·s-1。
分別模擬8種不同體量的常綠喬木、落葉喬木及常綠灌木、落葉灌木和空地對(duì)照組的冬季微氣候效應(yīng),并計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的PET值。通過獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析不同樹種與空地對(duì)照組對(duì)熱舒適度影響的差異性及顯著水平,并選擇其中差異顯著的景觀植物類型和時(shí)間段,對(duì)植株高度、LAD和郁閉度等特性因子的影響做進(jìn)行進(jìn)一步探索分析。
4種喬木和空地對(duì)照組的熱舒適度PET值對(duì)比結(jié)果顯示(圖2、表2),喬木類樹種PET變化趨勢(shì)與對(duì)照組一致,整體與對(duì)照組的差異并不顯著,白天整體的PET值差異>夜間。白天數(shù)據(jù)顯示,常綠小喬木樹種對(duì)熱舒適度的影響最大,可提高PET值2.29℃,但結(jié)合獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)顯示這種差異不顯著(P=0.204)。常綠大喬木和落葉小喬木對(duì)熱舒適度影響較弱,PET值提升幅度<1℃。落葉大喬木對(duì)熱舒適度有略微降低作用,PET均值降低0.16℃。對(duì)比夜間各組數(shù)據(jù),常綠小喬木仍然對(duì)熱舒適度的影響最大,整體提升PET均值0.82℃,且通過T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組具有顯著差異(P=0.002)。常綠大喬和落葉小喬對(duì)熱舒適度的影響較弱,PET均值提升<0.5℃。落葉大喬木對(duì)熱舒適度沒有影響。4類喬木樹種中,常綠小喬木對(duì)熱舒適度的影響最為明顯;落葉大灌木對(duì)熱舒適度有較弱的降低作用或不存在影響;常綠大喬木和落葉小喬木雖對(duì)熱舒適度都有一定提升作用,但作用幅度均<1℃。
圖2 喬木類樹種對(duì)PET的影響曲線Fig.2 Effect on PET value of arbor tree species
表2 喬木類樹種與對(duì)照組PET值描述性分析及差異性檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Descriptive analysis and difference test results of PET betweenarbor tree species and control group
4種灌木樹種和空地對(duì)照組的熱舒適度PET值對(duì)比結(jié)果表明(圖3、表3),灌木類植被PET變化趨勢(shì)與對(duì)照組保持一致,且對(duì)熱舒適度的影響強(qiáng)于喬木,白天影響強(qiáng)于夜間。白天常綠大灌木對(duì)熱舒適度的影響程度最明顯,與對(duì)照組相比提高PET均值3.96℃,其次為常綠小灌木,提高PET均值2.36℃。落葉大灌木對(duì)熱舒適度影響不明顯,使PET均值提高0.78℃,落葉小灌木對(duì)熱舒適度沒有影響。將4種灌木的熱舒適度結(jié)果與對(duì)照樣本分別進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),結(jié)果顯示常綠大灌木與對(duì)照組有明顯差異性(P=0.03),說明常綠大灌木可以對(duì)白天的熱舒適度值(6 m以內(nèi))產(chǎn)生顯著影響。
圖3 灌木類樹種對(duì)PET的影響曲線Fig.3 Effect on PET value of shrub tree species
表3 灌木類樹種與對(duì)照組PET值描述性分析及差異性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Descriptive analysis and difference test results of PET between shrubs tree species and control group
夜間影響與白天具有相似性,常綠大小灌木對(duì)PET均值都有較明顯提升作用,分別提高1.44℃和0.82℃。落葉大灌木對(duì)PET均值提升作用較弱,落葉小灌木則不產(chǎn)生影響。同樣將4種灌木的熱舒適度結(jié)果與對(duì)照樣本分別進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)常綠大灌木、小灌木與對(duì)照組都存在明顯差異性(P=0.00),說明常綠灌木可以對(duì)夜間的熱舒適度產(chǎn)生顯著差異,但與白天相比,PET值升高幅度較小,人體感知較弱。
上述分析表明,常綠灌木樹種對(duì)冬季熱舒適度的影響較為明顯。為進(jìn)一步探究植被對(duì)熱舒適度的影響效應(yīng)和機(jī)理,并基于現(xiàn)實(shí)景觀植被設(shè)計(jì)的需求,分別就植被高度、LAD和郁閉度3個(gè)因素對(duì)白天常綠灌木對(duì)熱舒適度的影響效應(yīng)進(jìn)行探討。
為探究常綠灌木的高度對(duì)人體熱舒適度的影響效應(yīng),以石楠為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),在ENVI-met Albero模塊中分別設(shè)置5種高度(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m)的灌木模型,設(shè)置植株LAD為2.2,其他模型參數(shù)保持一致。模擬空間及微氣候設(shè)置參數(shù)如1.3所述,分別模擬5種不同高度灌木微氣候效應(yīng)。提取木3個(gè)測(cè)點(diǎn)的空氣溫度、濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等微氣候數(shù)值,并利用Rayman平臺(tái)計(jì)算熱舒適度PET值,結(jié)果見圖4、表4。
圖4曲線顯示,不同高度的灌木與對(duì)照組相比,對(duì)熱舒適度都有提升作用,且作用程度差異較小,PET值曲線重合度較高。由表4可見,2 m高灌木與對(duì)照組相比,提升PET值3.36℃,但是T檢驗(yàn)結(jié)果顯示差異不顯著(P=0.061)?!?.5 m高度灌木與對(duì)照組都存在顯著差異(P<0.05),且高度越高,對(duì)PET值得提升作用逐漸減弱,所以試驗(yàn)組中2.5 m高度灌木對(duì)熱舒適度的提升作用最為明顯。存在顯著影響的灌木高度與ΔPET相關(guān)分析得到相關(guān)系數(shù)r=-0.995(P<0.01),說明兩者之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表5),即灌木高度越高,其熱舒適度提升作用越差。
圖4 不同高度灌木對(duì)PET的影響Fig.4 Effect on PET of shrubs with different height
表4 不同特性灌木與對(duì)照組PET值描述性分析及差異性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Descriptive analysis and difference test results of PET value among shrubs with different indices and the control group
由于樹木LAD變化范圍在0~4.17 m2·m-3[21],為探究常綠灌木的葉面積密度對(duì)人體熱舒適度的影響效應(yīng),在Albero模塊中分別建立5種LAD(1.4、2.0、2.6、3.2、3.8)灌木模型,設(shè)置其他模型參數(shù)保持一致。模擬空間及微氣候設(shè)置參數(shù)同1.3所述,與空地對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比模擬分析。提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的微氣候數(shù)值并利用Rayman平臺(tái)計(jì)算熱舒適度PET值,結(jié)果見圖5、表4。
圖5 不同LAD灌木對(duì)PET的影響Fig.5 Effect on PET of shrubs with different LAD
由圖5可知,不同LAD灌木植被與對(duì)照組相比,對(duì)熱舒適度有不同程度提升作用。LAD值越大,對(duì)PET值提升程度越明顯。由表4可見,當(dāng)LAD為1.4時(shí),灌木對(duì)熱舒適度的改善作用與對(duì)照相比在均值上提升2.95℃,但是差異水平并不顯著(P=0.091)。當(dāng)LAD值>2時(shí),灌木對(duì)PET值已經(jīng)存在顯著影響,且影響水平隨著LAD值的增大而增強(qiáng)。灌木LAD值與ΔPET相關(guān)分析得到相關(guān)系數(shù)r=0.998(P<0.01),說明兩者之間存在顯著正相關(guān)(表5)。
為了進(jìn)一步研究灌木栽植郁閉度對(duì)熱舒適度的影響規(guī)律,根據(jù)圖7栽植方式在Space模塊中設(shè)置5種郁閉度(32.4%、45.7%、73.5%、89.2%、94.4%)的灌木模型,設(shè)置其他模型參數(shù)保持一致,以前述方式與空地對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比模擬分析。同理提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的微氣候數(shù)值并輸入Rayman平臺(tái)計(jì)算熱舒適度PET值,結(jié)果見圖6、表4。
圖7 郁閉度示意Fig.7 Diagram of crown density
由圖6可見,隨著栽植郁閉度的增加,灌木的熱舒適度得到不同程度改善。由表4可知,當(dāng)郁閉度為32.4%時(shí),PET均值提高3.37℃;郁閉度達(dá)到94.6%時(shí),PET均值提高6.28℃,可見郁閉度的增大對(duì)熱舒適度的改善效果明顯。T檢驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)郁閉度為32.4%和45.7%時(shí),植株的PET值與對(duì)照組沒有顯著差異(P=0.074,P=0.064);當(dāng)郁閉度>73.50%,各試驗(yàn)組與對(duì)照組均呈顯著性差異;當(dāng)郁閉度>89.2%(即兩排栽植)時(shí),熱舒適度改善效果較郁閉度73.5%情境下增加了1.53℃。此后郁閉度的增加對(duì)熱舒適度的影響程度減弱。具有顯著差異的郁閉度值與ΔPET相關(guān)系數(shù)為0.098(P=0.044),說明郁閉度與ΔPET有明顯正相關(guān),郁閉度越大,對(duì)熱舒適度的改善越明顯(表5)。
表5 植株特性與ΔPET的相關(guān)性及回歸分析Table 5 Correlation and regression analysis of plant characteristics and ΔPET
圖6 不同郁閉度灌木對(duì)PET的影響Fig.6 Effect on PET of shrubs with different crown density
對(duì)南京市寒冷季節(jié)景觀植物對(duì)人體熱舒適度的影響展開數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明,喬木樹種整體對(duì)冬季熱舒適度的提升程度較弱,白天的影響強(qiáng)于夜晚,常綠小喬木的影響強(qiáng)于落葉喬木;灌木對(duì)冬季熱舒適度提升程度強(qiáng)于喬木,同樣白天影響強(qiáng)于夜間。其中大小常綠灌木的影響均較顯著,落葉灌木的影響較弱;≥2.5 m高度常綠灌木對(duì)熱舒適度值有顯著影響;但隨著高度增加,這種影響有減弱趨勢(shì);灌木對(duì)熱舒適度的改善程度,隨著LAD值的增大而加強(qiáng),兩者呈顯著正相關(guān)。灌木郁閉度>73.5%,對(duì)熱舒適度有顯著提升作用。在一定范圍內(nèi)郁閉度越大,熱舒適度改善程度越強(qiáng)。綜合相關(guān)性分析結(jié)果,LAD和郁閉度變化對(duì)灌木的熱舒適度影響效應(yīng)最大,高度變化的影響相比較弱。
目前,寒冷季節(jié)植被對(duì)微氣候及熱舒適的影響研究開始得到重視,一般認(rèn)為隨著景觀植物群落結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜,微氣候效應(yīng)隨之增強(qiáng),主要體現(xiàn)在冬季擋風(fēng)和夏季的降溫增濕作用[21-22]。在冬季寒冷氣候條件下,人們對(duì)空氣溫度和濕度的敏感性降低,對(duì)于風(fēng)速的敏感程度加強(qiáng)[10]。因此,雖然冬季植被有一定的降溫增濕作用,但是相比較而言,人體對(duì)其風(fēng)速的降低作用感知更為明顯。復(fù)雜植被結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速有降低作用,對(duì)提高人體熱舒適度有著積極的作用。本研究同樣發(fā)現(xiàn),雖然寒冷季節(jié)常綠樹種植被對(duì)溫、濕度有一定負(fù)面影響,但是由于其對(duì)風(fēng)速的有效阻擋作用,整體熱舒適度提升效應(yīng)較為明顯。在南京市及類似氣候條件下的景觀空間營(yíng)造過程中,應(yīng)著重考慮在冬季主導(dǎo)風(fēng)向的垂直方向栽植常綠大灌木類樹種,為冬季景觀空間提供良好的熱舒適度環(huán)境。灌木樹種栽植應(yīng)多考慮選擇石楠、海桐(Pittosporumtobira)、大葉黃楊(Buxusmegistophylla)等耐修剪、葉面積密度大、冠幅在2.5 m左右的大灌木。栽植方式可考慮兩排栽植或其他密植方式為主,增加郁閉度。同時(shí)可配合常綠喬木,增加植物景觀的層次性。
張明娟等[11]通過實(shí)測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)冬季常綠喬木單層林通過顯著降溫作用惡化了場(chǎng)地?zé)崾孢m度,其結(jié)論與本研究存在差異。本研究模擬發(fā)現(xiàn),冬季常綠喬木對(duì)微氣候的影響存在位置的顯著差異,喬木陰影及其風(fēng)向下游位置熱舒適度較低,但是喬木下風(fēng)向2倍植物高度位置因風(fēng)速的降低,熱舒適度有一定的提升效果。即觀測(cè)位置的不同可能造成研究結(jié)果的差異。由于風(fēng)速對(duì)寒冷季節(jié)熱舒適度影響較大,由于風(fēng)速的大小、方向變化較快,難以通過實(shí)測(cè)方法對(duì)植物單體的熱舒適度影響機(jī)理進(jìn)行分析,所以本研究選擇使用可信度較高的軟件進(jìn)行模擬分析。
本研究對(duì)灌木的微氣候采樣點(diǎn)主要在6 m范圍內(nèi),但不同特性的灌木對(duì)熱舒適度影響范圍也存在明顯差異,而有效影響范圍的確定對(duì)實(shí)際應(yīng)用也存在較大價(jià)值。如灌木高度的變化對(duì)6 m內(nèi)熱舒適度的變化存在負(fù)相關(guān),但其與影響范圍的大小有明顯的正相關(guān)作用,這在今后的研究中也可以做進(jìn)一步探討。同時(shí)發(fā)現(xiàn)微氣候的采樣點(diǎn)對(duì)研究結(jié)果存在顯著影響,植被對(duì)微氣候的影響在陰影處和其他位置有顯著差異,對(duì)這種差異性進(jìn)行更加精準(zhǔn)的研究,并利用這種差異對(duì)植被的體量、位置等特性進(jìn)行有效控制,對(duì)營(yíng)造景觀空間的微氣候有重要意義。本研究只對(duì)南京市一種寒冷氣候背景、6個(gè)典型綠化樹種進(jìn)行了模擬分析,不同地區(qū)的寒冷季節(jié)氣候條件不同,不同綠化樹種的規(guī)格及特性也存在差異,今后可對(duì)多種寒冷季節(jié)氣候條件及其他綠化樹種的熱舒適度影響規(guī)律進(jìn)行更全面的探索。