魯凱莉，王愛霞，郭亞男，呂楊超

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 建筑學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)綠色建筑重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

城市化的快速發(fā)展改變了城市環(huán)境，地表特征及下墊面性質(zhì)的變化導致局部能量和微氣候環(huán)境復(fù)雜化，從而加劇了環(huán)境惡化[1]，甚至引發(fā)了健康風險[2]。營造舒適的室外環(huán)境可增加人們在戶外活動的時間，減少建筑內(nèi)部能源消耗，引導人們形成低碳的生活方式。公園地形和下墊面形式對環(huán)境微氣候和人體舒適度均有一定的影響。近年來，國內(nèi)外對微氣候領(lǐng)域的研究主要集中于城市住區(qū)[3-5]、城市熱島[6-7]、城市交通[8]、城市下墊面[9-11]、植物群落[12-14]等對氣象因子及周邊環(huán)境的影響，對人體舒適度的研究主要關(guān)注人體對公園氣象物理因素感知的量化指標分析、感受主體的主觀、客觀表現(xiàn)等[15-17]；采用的研究方法主要借助ENVI-MET 進行微氣候模擬分析[18]、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析[19-20]，在監(jiān)測點附近進行問卷調(diào)查等[21]，制定優(yōu)化公園微氣候環(huán)境策略。

有學者指出，人體舒適度與室外微氣候環(huán)境密切相關(guān)，且這種相關(guān)性在不同氣候區(qū)表現(xiàn)各異[22-23]。CASTILLO等[24]發(fā)現(xiàn)樹木能緩解溫室效應(yīng)，且溫度—濕度指數(shù)與當?shù)貧夂蛴兄苯勇?lián)系；WU 等[25]認為建筑和樹木的布置都會影響微氣候；劉濱誼等[26]對濕熱區(qū)開敞空間小氣候與開敞空間布局間的關(guān)聯(lián)研究中提出適合該地區(qū)的微氣候改善對策；李宏宇、買買提江?買提尼亞孜[23,27]等揭示了干旱地區(qū)下墊面對城市微氣候的調(diào)節(jié)作用。這些研究結(jié)果表明，氣候區(qū)不同，微氣候的調(diào)控機制和人體舒適度表現(xiàn)各有差異。本研究對半干旱區(qū)下沉式公園的微氣候及人體舒適度變化規(guī)律進行了探索，以期得出公園最佳下沉深度范圍和適宜的下墊面配比，為該地區(qū)下沉式公園的設(shè)計決策提供依據(jù)，從而改善下沉式公園環(huán)境，為游人提供健康舒適的活動空間環(huán)境。

1 實驗方法及內(nèi)容

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)（39°10′～39°58′ N，109°08′～110°23′ E），處于沉降構(gòu)造盆地的中部，地表侵蝕強烈，水土流失嚴重，局部地區(qū)基巖裸露，是典型的丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性氣候，日照強、降水量少且蒸發(fā)量大，年均氣溫為6.2℃，年均降水量為348.3 mm，冬季干冷，夏季涼爽，春秋溫度偏低且大風。試驗點鐵西公園位于該區(qū)中心，占地面積為23.87 hm2，是因城市建設(shè)采挖砂石、泥土等產(chǎn)生的坑體，經(jīng)人工修復(fù)后建成公園，下沉深度約為5 m，從公園四周向中心由坡道、平臺和臺階相互銜接漸進式下沉，公園最深處坡角（公園下沉坡面與水平面的夾角）約為40°，綠地、硬質(zhì)、水體的比例為6∶3∶1，是一處無圍合的大型綜合性開放式下沉公園（圖1）。

圖1 鐵西公園區(qū)位及樣地分布圖Figure 1 Location of Tiexi Park and distribution of sample plots

1.2 實驗方法

1.2.1 測試方法 2019 年，選取春（4 月）、夏（7 月）、秋（9 月）、冬（12 月）四個季節(jié)中晴朗、少風的天氣各1 周。將目標公園空間分為綠地、硬質(zhì)、水體3 種，每種選取4 個點（見圖1）。日測量時間為8:00—18:00，每小時測試一次，測量儀器設(shè)置高度為距地面1.5 m，每次讀取20 個數(shù)據(jù)，求取平均值。使用Testo-405-v1 風速儀［精度±（0.1+5%）m·s-1），量程0～10 m·s-1］、Testo625 溫濕度儀（精度±0.5℃、±2.5℃RH，量程－10℃～60℃、0～100℃RH）測量風速、溫度和濕度。

1.2.2 模擬內(nèi)容 以鐵西公園為參照物，采用實測季節(jié)氣象數(shù)據(jù)與氣象站氣象數(shù)據(jù)建立場地數(shù)據(jù)庫，利用ENVI-MET 軟件建立模型，模型設(shè)置地理位置、總面積、坡度、周圍環(huán)境、風向、日期等參數(shù)與實測公園相同。季節(jié)氣象參數(shù)溫度、濕度、風向、風速分別為：春，4～15℃、15%～35%、西北風、1.5 m·s-1；夏，15～35℃、25%～35%、北風、1.5 m·s-1；秋，5～15℃、40%～60%、北風、1 m·s-1；冬，－10～5℃、15%～35%、西北風、1 m·s-1。下沉深度參數(shù)分別為0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m，下墊面配比（綠地、硬質(zhì)和水體）依據(jù)公園設(shè)計規(guī)范（GB51192—2016）中用地比例要求配置，分別選取A（6∶3∶1）、B（6∶2∶2）、C（6∶1∶3）、D（7∶3∶0）、E（7∶2∶1）、F（7∶1∶2）、G（8∶2∶0）、H（8∶1∶1）共8 種方案。模型尺寸為50 m×25 m×30 m（長×寬×高），網(wǎng)格尺寸為dx=6 m（長）、dy=6 m（寬）、dz=2 m（高）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft E xcel 2010、Origin 2019b、SPSS S tatistics 等軟件進行數(shù)據(jù)處理、繪圖和分析。本文采用3個指標評價模型精度：方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）、平均絕對百分比誤差（MAPE）來衡量觀測值同模擬值之間的偏差，評價模型的精度和適用性，其計算公式見表1 中公式（1）（2）（3）。選用空氣溫度、相對濕度和風速3 種氣象要素和人體舒適度為主要評價指標，舒適度指數(shù)、降溫率、增濕率、降風率和舒適度改善率計算公式見表1 中公式（4）（5）（6）（7）和（8）[17]。

表1 各評價指標計算公式Table 1 Formulas for calculation of different indicators

2 結(jié)果與分析

2.1 公園微氣候?qū)崪y值與ENVI-MET 模擬值擬合度分析

如圖2所示，以春季氣象因子的模擬與實測值為例進行模擬驗證，溫度的RMSE、MAE、MAPE分別為0.52℃、0.45℃、3.79%，濕度的RMSE、MAE、MAPE分別為0.69%、0.58%、2.74%，風速的RMSE、MAE、MAPE分別為0.05 m·s-1、0.04 m·s-1、9.55%。ENVI-MET 模型的誤差范圍分別為：RMSE介于0～1.0、MAE介于0～1.0、MAPE≤10%，說明模擬與實測數(shù)據(jù)的擬合度較好，可反映所測地塊的真實情況，模型構(gòu)建合理，適用于本研究。

圖2 公園氣象因子實測值與ENVI-MET 模擬值擬合圖Figure 2 Fitting curve of determined meteorological factors and simulated ones of ENVI-MET

2.2 公園不同下沉深度與微氣候參數(shù)相關(guān)性分析

由圖3 可知，公園不同下沉深度的氣象因子與人體舒適度平均改善率之間差異顯著（P<0.05）。四季方案的平均降溫率較低，僅春、秋過渡季節(jié)在下沉深度＞15 m 時有降溫效應(yīng)，在冬、夏極端季節(jié)，下沉深度的降溫作用均不明顯；下沉深度≥5 m 時，在夏、秋季有增濕作用，春季，僅下沉深度為40 m 時有微弱的增濕效應(yīng)；除0 m 參照點外，不同下沉深度的降風率較強，下沉深度為5～20 m 時，四季的降風率呈先下降后上升的趨勢，下沉深度為25～50 m 時，隨著下沉深度的增加降風率不斷上升；秋季，不同下沉深度的舒適度均無改善，下沉深度為5～35 m 時，春、夏、冬季的舒適度改善率隨著下沉深度的增加逐漸下降，下沉深度＞35 m 時，四個季節(jié)均無舒適度改善效應(yīng)。

圖3 四季不同下沉深度各方案平均微氣候及舒適度改善率Figure 3 Improvement rate of average microclimate and comfort of different treatments with different sinking depth in different seasons

由圖4 表明，不同下沉深度的四季平均降溫率隨著下沉深度的增加而波動式上升，且二者呈顯著正相關(guān)性，R2=0.83；四季平均增濕率隨著下沉深度的增加而逐漸上升，二者呈顯著正相關(guān)性（R2=0.79）；四季的平均降風率與下沉深度呈正相關(guān)（R2=0.61）；四季平均舒適度改善率隨著下沉深度的增加波動式下降，二者呈顯著負相關(guān)（R2=0.84）。

圖4 下沉深度與微氣候及舒適度改善率相關(guān)性分析Figure 4 Correlation analysis on subsidence depth with microclimate and comfort improvement rate

2.3 不同下沉深度各下墊面微氣候比較分析

2.3.1 不同下沉深度對各下墊面的降溫效應(yīng) 由圖5 可知，春、秋季不同下沉深度對各下墊面均有降溫效應(yīng)。春季，下沉深度在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m 時的最佳降溫方案分別為方案A（0.92%±0.02%）、B（0.92%±0.05%）、D（3.08%±0.06%）、A（1.48%±0.10%）、F（4.36%±0.21%）、F（3.48%±0.05%）、G（4.60%±0.13%）、C（4.36%±0.01%）、F（5.48%±0.21%）、B（6.51%±0.23%）。秋季，下沉深度為0 m 時，各方案均無降溫作用；下沉深度為5 m 時，最佳降溫方案為方案G（1.64%±0.02%）；下沉深度為10 m 時，最佳降溫方案為方案E（3.19%±0.07%）；下沉深度為15 m 時，最佳降溫方案為方案G（2.34%±0.14%）；下沉深度為20 m 時，最佳降溫方案為方案A（3.35%±0.07%）和C（3.58%±0.12%）；下沉深度為25 m 時，最佳降溫方案為方案H（2.88%±0.13%）；下沉深度為30 m 時，最佳降溫方案為方案G（4.13%±0.07%）；下沉深度為35 m 和40 m 時，最佳降溫方案為方案H（5.22%±0.16%）。夏季，僅在下沉深度為50 m 時有輕度降溫效應(yīng)（0～1.03%）。冬季，增溫效果較好，且以近地面的效果顯著。

圖5 四季不同下沉深度各方案氣候和舒適度改善率Figure 5 The climate and comfort improvement rate of each treatment with different subsidence depths in different seasons

2.3.2 不同下沉深度對各下墊面的增濕效應(yīng) 春季，下沉深度為0～30 m 時，各方案均無增濕作用；下沉深度為35 m 時，方案E 和F 有增濕效應(yīng)；下沉深度為40 m 時，方案C 和F 的增濕率較大，分別為5.26%±0.11%和5.12%±0.15%；下沉深度為50 m 時，方案F 的增濕率最大，為5.72%±0.10%。夏、秋季，除下沉深度為0 m時增濕率有負值外，其他各下沉深度的8 種方案均有增濕作用。夏季，下沉深度為15 m 時，最佳增濕方案為方案C（5.75%±0.15%）；下沉深度為30 m 時，最佳增濕方案為方案F（4.52%±0.21%）和G（3.61%±0.15%）；下沉深度為35 m 時，最佳增濕方案為方案C（4.08%±0.23%），方案B（4.00%±0.15%）次之；下沉深度為40 m 時，最佳增濕方案為方案C（4.55%±0.21%）；下沉深度為50 m 時，最佳增濕方案為方案E（8.11%±0.21%）。秋季，下沉深度為5 m 時，最佳增濕方案為方案G（2.57%±0.15%），方案H（2.19%±0.14%）次之；下沉深度為10 m 時，最佳增濕方案為方案C（2.24%±0.09%）；下沉深度為15 m 時，最佳增濕方案為方案H（3.62%±0.14%）和G（3.44%±0.13%）；下沉深度為20 m 時，最佳增濕方案為方案C（3.26%±0.23%）；下沉深度為25 m 時，最佳增濕方案為方案H（2.86%±0.15%）；下沉深度為30 m 時，最佳增濕方案為方案G（3.62%±0.12%）；下沉深度為35 m 時，最佳增濕方案為方案C（3.34%±0.23%）；下沉深度為40 m 時，最佳增濕方案為方案F（4.30%±0.12%）；下沉深度為50 m 時，各方案的增濕率均在4.0%～5.0%之間。冬季，下沉深度為0～40 m 時，增濕率隨下沉深度的增加呈增加趨勢，但均為負值，無增濕效應(yīng)；下沉深度為50 m 時，僅方案C（0.63%±0.10%）和F（0.11%±0.13%）有微弱的增濕效應(yīng)。

2.3.3 不同下沉深度對各下墊面的降風效應(yīng) 同一深度，不同下墊面配比方案的降風能力不同，春、夏、秋、冬四季僅在下沉深度為0 m 時各方案的降風率出現(xiàn)負值。春季，下沉深度為0 m 時，方案E、F、G 的降風率均為負值，其他各方案以方案A、B 的降風效果最佳（2.74%±0.09%）；下沉深度為5～40 m 時，最佳降風方案分別為方案A 和E（50.18%±0.25%）、B 和G（33.58%±0.27%）、A（33.58%±0.11%）、G（40.70%±0.21%）、H（28.83%±0.21%）、D（30.02%±0.25%）、B（31.21%±0.11%)、D（62.05%±0.16%）；下沉深度為50 m 時，各方案的降風率均大于60%，且方案F 的降風率最大，為71.53%±0.24%。夏季，下沉深度為0 m 時，方案D 的降風率最大，為0.23%±0.09%。下沉深度為0～50 m 時，降風率最優(yōu)方案的數(shù)值在36.41%～87.94%之間變化。秋季，下沉深度為0 m 時，各方案均無降風效應(yīng)；下沉深度為5 m 時，方案D（49.10%±0.27%）的降風率最大；下沉深度為10 m 時，方案H（26.28%±0.11%）的降風率最大；下沉深度為15 m 時，方案A（80.69%±0.27%）的降風率最大；下沉深度為20 m 時，方案D（84.20%±0.25%）和G（84.20%±0.21%）的降風率最大；下沉深度為25 m 時，方案B（73.67%±0.11%）和C（73.67%±0.21%）的降風率最大；下沉深度為30 m 時，方案E（91.22%±0.25%）的降風率最大；下沉深度為40 m 時，方案G（85.96%±0.18%）的降風率最佳；下沉深度為50 m 時，在方案F 處取得降風率最大值（98.24%±0.21%），方案H 處次之（96.49%±0.30%），其他各方案的降風率均在60%～70%之間。冬季，下沉深度為0 m 時，各方案均無降風作用；下沉深度為5 m 時，方案A（41.52%±0.27%）的降風率最大；下沉深度為10 m 時，方案G（23.97%±0.29%）的降風率最大；下沉深度為15 m 時，方案A（37.62%±0.21%）的降風率最大；下沉深度為20 m 時，方案B（29.82%±0.17%）和C（29.82%±0.16%）的降風率最大；下沉深度為25 m 時，方案B（16.18%±0.25%）和C（16.18%±0.21%）的降風率最大；下沉深度為30 m 時，方案C（12.28%±0.29%）和D（12.28%±0.18%）的降風率最大；下沉深度為35 m時，方案G（25.92%±0.27%）的降風率最大；下沉深度為40 和50 m 時，各下墊面的降風率在50%～70%之間，且分別以方案G 和F 為最佳。

2.3.4 不同下沉深度對各下墊面的舒適度改善效應(yīng) 春季，下沉深度為0 m 時，各方案的舒適度改善率整體狀況良好，方案F 最優(yōu)，為18.02%±0.20%，方案D、G 次之，分別為13.39%±0.15%和14.60%±0.17%；下沉深度為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m 時，分別是方案G（9.02%±0.14%）、A（8.69%±0.07%）、D（23.97%±0.16%）、D（6.25%±0.15%）、A（7.53%±0.14%）、D（7.49%±0.17%）、A（7.09%±0.15%）、A（3.99%±0.14%）、A（2.23%±0.06%）的舒適度改善率為最優(yōu)。夏季，下沉深度為0～15 m 時，各方案的舒適度均有改善，下沉深度為0 m 時，方案F（10.10%±0.15%）的舒適度改善率最大；下沉深度為5 m 時，方案F（4.68%±0.16%)的舒適度改善率最大；下沉深度為10 m 時，方案A（1.86%±0.12%）的舒適度改善率最大；下沉深度為15 m 時，方案A（1.31%±0.07%）和F（1.31%±0.07%）的舒適度改善率最大；下沉深度為20 m、25 m、30 m 時，僅方案G 和B、H、E 的舒適度改善效果較好；下沉深度為35～50 m 時，各方案的舒適度改善率均較低或為負值。秋季，下沉深度為0 m 時，方案H 的舒適度改善率最大，為11.30%±0.21%；下沉深度為5～50 m 時，各方案的舒適度改善率均為負值，舒適感相對越差。冬季，下沉深度為0～35 m 時，各方案均能改善公園的人體舒適度，下沉深度為40～50 m 時，各方案的整體舒適度改善率均為負值。綜合四季不同下沉深度較佳下墊面配置方案，得出下沉深度為0 m、25 m 時，綠地占比為67%～89%，硬質(zhì)鋪裝占比為11%～33%；下沉深度為5 m、10 m、20 m 時，綠地占比為67%～80%，硬質(zhì)鋪裝占比為20%～33%；下沉深度低于30 m 時，水域面積占比為0～25%的舒適度改善率最佳；下沉深度為30～35 m時，綠地占比為67%～70%，硬質(zhì)鋪裝占比為30%～33%，水域面積占比為0～11%的舒適度改善率最適宜。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

地形下沉會改變公園內(nèi)部的光照條件、風速、增加陰影面積，且樹種特性會影響蒸發(fā)作用，使得局部微氣候改變，從而引起人體舒適度感知的變化[28-29]。而體感舒適度受環(huán)境因子的綜合影響[30]。研究發(fā)現(xiàn)鐵西公園四季的平均降溫率、增濕率隨著下沉深度的增加而呈上升趨勢，夏、冬季，各下墊面的降溫率、增濕率基本上為負值，降溫增濕作用不明顯；春、秋季，下沉深度大于20 m 時，各方案均具有降溫作用。

春、秋氣溫較低，樹葉的蒸騰作用受到一定的影響[31]。研究發(fā)現(xiàn)四季不同下沉深度各方案的降溫增濕作用差異顯著（P<0.05），春、秋降溫作用明顯，夏季無降溫作用，冬季則有增溫效果；春季增濕作用只體現(xiàn)在下沉深度為40～50 m 時，秋季增濕效果較強，下沉深度為0～20 m 時，增濕效應(yīng)較強方案相對應(yīng)的綠地占比表現(xiàn)各異，下沉深度為25～50 m 時，增濕率基本保持在70%～80%之間。微氣候環(huán)境不僅受到公園樹木類型及配置方式、綠地的蒸騰和遮陰的影響，還與空間光照、陰影面積等有關(guān)[32-33]。夏季氣溫高，下沉地形空氣流動小，增濕作用明顯，下沉深度為0～50 m 時，各方案最佳增濕率的綠地占比呈升-降-升的趨勢；冬季，樹木落葉，光照足，有增溫效應(yīng)但增濕作用不明顯。綠地的降風作用明顯[34]。研究表明不同下沉深度的公園降風率均大于下沉深度為0 m 的參照點，最佳降風方案對應(yīng)的綠地和水體占比波動較大，無明顯規(guī)律可循，是因為下沉式空間四周高中間低，阻擋了風的進入，因此，本文并不能證明下沉式公園內(nèi)綠地占比對降風率的影響，但可表明下沉式公園有一定的降風作用，而下沉式空間不利于風的擴散，下沉深度較大時也不利于環(huán)境質(zhì)量的改善。

下墊面對微氣候的調(diào)節(jié)作用明顯，公園林地及水體可改善微氣候環(huán)境及舒適度，且公園綠地的調(diào)節(jié)作用較強[33]。本文研究發(fā)現(xiàn)，下沉深度為0～35 m 時，四季較佳方案綠地面積在67%～89%范圍內(nèi)，此時綠地降溫增濕以及舒適度改善效果得以體現(xiàn)，與Doick 等[35]的研究結(jié)果一致；相對應(yīng)的水體面積占比均不超過25%，下沉深度大于30 m 時，水體面積增加才能起到保濕作用，但大面積水體不利于改善舒適度，雅各布斯（Cor J）[36]認為小水體對環(huán)境影響不顯著，這與本文的研究結(jié)果有差異，表明下沉式公園下墊面對環(huán)境的影響區(qū)別于地表下墊面對環(huán)境的影響；不同材質(zhì)的鋪裝對環(huán)境舒適感的影響具有差異性[37]，文中較佳方案硬質(zhì)鋪裝占比隨著下沉深度的增加呈先上升再下降后上升的趨勢，具體占比在滿足公園設(shè)計規(guī)范基礎(chǔ)上，應(yīng)與綠地和水域面積相互聯(lián)系。本文針對性地研究公園下沉深度及下墊面配置對微氣候的影響，由于目前下沉式公園不同面積對微氣候環(huán)境影響的研究有限，未來可進一步探索。開發(fā)礦產(chǎn)資源以及城市建設(shè)等原因?qū)е碌牡V坑，經(jīng)過修復(fù)建設(shè)成服務(wù)于人民群眾的下沉式公園，在促進經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展，推動形成礦地和諧、人與自然和諧發(fā)展等方面發(fā)揮著積極作用，但同時下沉式公園的具體規(guī)劃設(shè)計要符合公園設(shè)計規(guī)范，特別是公園下沉坡度的大小、下沉方式等均應(yīng)在規(guī)范要求的標準下進行，保障設(shè)計合理性及游人的安全性。

3.2 結(jié)論

（1）公園下沉深度與降溫率、增濕率和降風率呈顯著正相關(guān)，與舒適度改善率成顯著負相關(guān)。

（2）公園舒適度改善率隨著下沉深度的增加而降低，且下沉深度＞35 m 時，舒適度較低。

（3）不同下沉深度的綠地具有一定的降溫、保濕、降風作用；下沉深度為0 m、25 m 時，綠地占比為67%～89%，硬質(zhì)鋪裝占比為11%～33%的舒適度改善率最適佳，下沉深度為5 m、10 m、20 m 時，綠地占比為67%～80%，硬質(zhì)鋪裝占比為20%～33%的舒適度改善率最適佳，下沉深度低于30 m 時，水域面積占比為0～25%的舒適度改善率最佳；下沉深度為30 m～35 m 時，綠地占比為67%～70%，硬質(zhì)鋪裝占比為30%～33%，水域面積占比為0～11%的舒適度改善率最適宜。

（4）公園下沉深度會影響四季微氣候的變化，且不同下沉深度各下墊面對微氣候的調(diào)控效應(yīng)各異，最優(yōu)下墊面配比選擇與深度直接相關(guān)，水體大小影響增濕效果，保證一定的綠地占比對風速和舒適度改善率有正向作用。公園的微氣候環(huán)境和舒適性是由各種氣象因子綜合作用影響的，因此，在進行下沉式公園規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)該綜合考慮各種氣候因子、下沉深度、下墊面配比、植被種類、配置區(qū)域等各種因素，建議在此類公園設(shè)計中下沉深度不超過35 m，結(jié)合下沉深度合理配置下墊面。