廣州3種樹冠覆蓋度綠地的微氣候與人體舒適度研究

郭浩軒 易慧琳 吳友爐 李銀 譚廣文

摘要城市綠地能有效調節局部微氣候及緩解城市熱島。研究綠地的微氣候與人體舒適度可為城市綠地規劃提供參考。以廣州市二沙島為例，在夏季日間對島上3種不同樹冠覆蓋度綠地的風速、空氣溫度和相對濕度等微氣候因子進行連續3天的實測，并采用熱舒適度預測不滿意率（predictive dissatisfaction rate，PPD），將其作為人體舒適度評價指標。結果表明，樹冠覆蓋度越大，越舒適，其影響因素如下。（1）空氣溫度，高樹冠覆蓋度的綠地降溫作用最明顯，其日均溫度比低樹冠覆蓋度的綠地低1.38℃，其中10：00-16：00高樹冠覆蓋度與低樹冠覆蓋度綠地的溫度差異達顯著水平，而低樹冠覆蓋度的綠地在18：00時溫度在三者中最低;（2）相對濕度，高樹冠覆蓋度的綠地增濕和保濕作用最明顯，其日均相對濕度比低樹冠覆蓋度的綠地高5.98%，3種類型綠地全天的相對濕度差異均不顯著;（3）風速，樹冠覆蓋度越低的綠地風速越大，高樹冠覆蓋度的綠地與低、中樹冠覆蓋度的綠地風速差異達到顯著水平;（4） PPD值，其與溫度和風速均呈極顯著正相關，與相對濕度呈負相關。調節城市微氣候功能最佳的是高樹冠覆蓋度型綠地，且其人體舒適度最好，適宜人們在夏季高溫天氣進行戶外活動。

關鍵詞城市綠地;微氣候;人體舒適度;樹冠覆蓋度

中圖分類號 TU986 文獻標識碼 A? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2021.12.019

Microclimate and Human Comfort of Three Green Spaces with Different Canopy Coverage in Guangzhou

GUO? Haoxuan1 ，2） YI? Huilin1） WU Youlu1 ，2） LI Yin1） TAN? Guangwen1）

（1 Pubang Landscape Architecture Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong 510630， China;

2 Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou， Guangdong 510220， China）

Abstract? Urban green space can effectively regulate local microclimate and mitigate the urban heat island effect， and the study of the microclimate and human comfort of green space can provide reference for urban green space planning. The wind speed， air temperature， and relative humidity in three green spaces with different canopy coverage on the Ersha island， Guangzhou were measured in day time for three consecutive days? in? summer，? and? thermal? comfort? was? adopted? to? evaluate? human? comfort? by? using? the? index? of predicted percentage of dissatisfied （PPD）. The results? showed that the greater the canopy coverage the green spaces on the Ersha island the more comfortable the people feel. The resultant factors include air temperature， relative humidity and PPD index. For air temperature， the green space with the high canopy coverage has the most obvious cooling effect; its daily average temperature is 1.38℃ lower than that of the green space with the low canopy coverage; the temperature difference between the green spaces with the high and low canopy coverage is significant from 10：00 am to 16：00 pm， and the green space with the low canopy coverage is the lowest in temperature among the three spaces at 18：00 pm. For relative humidity， thegreen? space with the high canopy coverage has the most obvious effect of humidification and moisture retention， and its daily average relative humidity is 5.98% higher than that of the green space with the low canopy coverage. The relative humidity throughout the day are not significantly different among the three green spaces. For wind speed the lower the canopy coverage， the greater the wind speed in the green space， and the difference in wind speed between the green space with high canopy coverage and the green spaces with low and moderate canopy coverage reached a significant level. For the PPD index the PPD value is highly significantly positively correlated with temperature and wind speed， and negatively correlated with the relative humidity. Green space with high canopy coverage works the best in regulating the function of the urban? microclimate， under which? human? comfort? is? optimal? and hence? suitable? for human? outdoor activities in hot summer weather.

Keywords? urban green space ; microclimate ; human comfort ; tree canopy coverage

近年來，隨著全球氣候變暖及城市化的快速發展，與城市熱環境相關的問題日益突出[1]。19世紀初，英國氣候學家路克·霍華德首次提出城市熱島（Urban Heat Island，簡稱 UHI，下同）和熱島效應（ Heat-island Effect）[2]，認為 UHI 對當地微氣候、自然生態系統和人類生產生活產生極大影響[3]。微氣候的改善能夠提高一個城市的宜居性，直接影響到人對外界環境的舒適度體驗，對改善城市人居環境具有重要意義[4]。

相關研究表明，城市結構、地表覆蓋、城市肌理和城市代謝是 UHI效應的主要影響因素[5]。從地表覆蓋的角度看，城市鋪砌地、植被和裸地等覆蓋類型會改變城市環境中的熱交換[6]。而從城市肌理的角度看，城市各規劃用地的總體比例影響 UHI 的強度和分布，缺乏足夠的綠化會導致熱量的積累[7]。其中，城市綠地（Urban Green Space，簡稱 UGS）這種類型的用地具有降溫、增濕、遮陽等調節局部微氣候的作用，能夠有效緩解 UHI 效應[8]。而園林植物是城市綠地必要的配備，大量研究表明，植物群落對微氣候的調節有重要作用，能夠有效改善局部熱環境[9]。當城市微氣候發生變化時，對人的生理健康產生較大影響。一般而言，溫度和濕度微氣候因子對人的感受影響最大[10]。近年來越來越多的學者強調以人為主體，把人體舒適度作為綠地的一個評價標準，并對植物群落微氣候與人體舒適度的相關性做了相關研究，證明二者之間有顯著的相關性[11]。

林木樹冠覆蓋度（ Tree Canopy Coverage，簡稱 TCC，下同）近年來受到社會各界的高度關注，TCC作為森林城市功能與結構中一個重要的評價指標，利于森林城市建設的長效性和可持續性[12]。較多研究證明，樹冠對微氣候調節方面有顯著影響[9，13]，但目前缺少從 TCC 的差異性上研究樹冠對微氣候和人體舒適度的影響[12，14]。本研究選取二沙島東部公園綠地上3種不同 TCC 的樣地為研究對象，在夏季對3個樣地的風速、空氣溫度和相對濕度3個微氣候因子進行觀測，并以熱舒適預測不滿意率（ PPD）作為人體舒適度的評價指標，量化分析出利于人們夏季在戶外活動的綠地類型，提出公園綠地的植物配置及養護的有效措施，為城市綠地規劃提供參考。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1研究區概況及氣候特征

測試區域為廣州市越秀區二沙島（圖1），經緯度坐標為23°10′N， 113°31′E，坐落于越秀區中心珠江河段上，與珠江新城中央商務區毗鄰，占地面積約126 hm2，整體呈狹長型，屬于亞熱帶季風氣候，雨熱同期，全年太陽輻射強，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨[15]。根據相關氣象數據，近年來廣州市7—9月的高溫日數逐漸增多，極端高溫氣溫介于38～39℃，年平均雨量為1682.4～2698.5 mm，全年日照時數1462.4～1832.5 h [16]。

1.1.2樣地選擇及概況

依據遙感數據，實驗在二沙島東部的公園綠地上選取3種樹冠覆蓋度（表1）的樣地（長×寬=100 m×100 m，面積為1 hm2）。 A，TCC=84.44%;B， TCC=55.30%; C， TCC=29.93%（下文統稱為 A、B、C），樣地 A、B、C分別代表高、中與低樹冠覆蓋度的3個級別。3個樣地的 TCC 呈較理想的階梯下降，為研究提供良好的差異植被群落樣本，同時在群落水平結構上具有較大差異性，能夠涵蓋二沙島并代表廣州市區常見的綠地類型。3個樣地的立地條件相似，且在地理上具有相對獨立性，減少了外界因素對實驗的影響。如圖2所示，A、 B、C 的位置關系為：A位于 B 的東北側，C位于 A 的東北側。3樣地實景圖見圖3。

1.2方法

1.2.1微氣候測定

采用網格布點法[17]，在每個樣地內部設9個測點，在距地面1.5 m處，每個樣地安排2名測試人員，用臺灣產便攜式溫濕度風速儀 TES-1341記錄風速、空氣溫度、相對濕度數據（每測點取3個數值加以平均），每次采集時間控制在10 min 內。于2019年7月25—27日（天氣晴朗，風速<2 m/s）每日08：00—18：00進行測試，每隔2 h 測試一次，分別在6個時間點采集數據。

1.2.2人體舒適度計算

實驗采用熱舒適度預測不滿意率（ PPD）為人體舒適度的評價指標。PPD值越高，代表人對冷熱環境的滿意度越低，人體感覺越不舒適[18]。測試時間和微氣候測試同步，于 2019年7月25—27日，測量每日08：00—18：00實際數據，測點定于每個樣地的中央，安排一名測試人員用意大利產 HD32.3熱指數儀每小時采集4次數據（間隔15 min）。

1.2.3數據分析

利用 Microsoft Excel 和 SPSS 21.0分析軟件對數據進行處理和分析。

2結果與分析

2.1微氣候實測定量分析

2.1.1風速效應分析

樣地 A、B 和 C 各時間段平均風速的差異性見圖4。6個時間段的平均風速值排序均為 C>B>A，而 C 與 A、B 的風速值差異均達到了顯著水平（p<0.05）。其中，3個樣地 A、B、C 的平均峰值均出現在12：00，分別為0.55、0.60、1.60 m/s;谷值均出現在18：00，分別為0.13、0.14、0.36 m/s。由此得知，TCC越高的樣地風速越低，反之，則風速越高?？梢?TCC對風速的調節能力十分明顯。

2.1.2空氣溫度效應分析

樣地 A、B、C各時間段平均溫度的差異性見圖5。8：00—16：00五個時間段平均溫度值排序為 C >B>A，18：00時平均溫度值排序為 B>A>C。A和 B 的平均溫度峰值出現在14：00，分別為33.55和33.98℃;而 C 的平均溫度峰值出現在12：00，為34.95℃。A、C 的平均溫度谷值均出現在18：00，分別為28.72和28.22℃;而 B 的平均溫度谷值出現在8：00，為29.11。在測試的6個時間段中，10：00和12：00時，C 與 A、B 的溫度差異均達顯著水平（p<0.05）;14：00和16：00時，A 和 C溫度差異性顯著（p<0.05），而此刻 B 與 A、C 差異均不顯著。

在3種樣地類型中，溫度值由低至高綜合排序為 A2.1.3相對濕度效應分析

樣地 A、B、C 3 d 的平均相對濕度差異性見圖6。6個時間段 A、B、C平均相對濕度的排序為： A >B>C。A較 B 的全天平均相對濕度高3.32%，A較 C高5.98%，B較 C高2.65%。A 的平均相對濕度峰值出現在8：00，為55.10%，谷值出現在14：00，為30.17%;B 的平均相對濕度峰值出現在8：00，為44.82%，谷值出現在16：00，為26.27%;C 的平均相對濕度峰值出現在8：00，為47.38%，谷值出現在16：00，為23.55%。在本實驗測試的6個時間段中，3個樣地各時段平均相對濕度差異不顯著， TCC最高的樣地 A 的增濕保濕作用較強。

2.2人體舒適度評價

2.2.1熱舒適度預測不滿意率（PPD ）分析

樣地 A、B、C 3 d 的平均 PPD值的變化趨勢如圖7所示。前5個時間段 PPD排序為 A

以往較多學者普遍認為，溫濕度是影響人體舒適度最顯著的氣候因子[28-31]，但本研究實測結果表明，二沙島夏季極顯著的氣候因子是溫度和風速，其次是相對濕度。原因是研究地分布于我國華南地區大型水體的周圍，本身相對濕度較高[32]，同時綠地上的植物發揮了其蒸騰作用，增濕作用明顯[33]。從實測的數據結果看來，3個樣地的相對濕度差異較小，全天的相對濕度差也相對較小，因此其對人體舒適度的影響不如溫度和風速。另外，從實測結果看，風速與溫度成顯著正相關。一般來說，自然風能夠發揮空氣中氣流的冷卻作用，從而降低空氣溫度[34]，但是從微氣候因子與 PPD的相關性分析看，PPD與風速為極顯著正相關，證明了在廣州夏季室外偏熱環境下，雖然自然通風能夠提供足夠的通風量，但溫度過高的自然風會使戶外熱環境變得更惡劣[35-36]。研究地周圍被珠江水環繞，白天因陸地與江面受熱不均勻而產生氣壓差，由此而形成了江風[37]，而正午時溫度越高水陸之間的空氣流動越大，風速更強，正午的熱風會使環境熱舒適度更差。

因此，對于未來城市公園綠地的建設，應當充分考慮到人們的舒適度體驗，在保證其有足夠的戶外活動空間的前提下，考慮多種植葉面積指數較高的喬木，以加強夏季的遮陰和增濕功能。此外，還應當加強對綠地的養護和管理，在保證遮陰充足的前提下，優化綠地內部的通風，提高風舒適度。

3.2結論

研究結果表明，樹冠覆蓋度越高，風速、溫度越低，相對濕度越高。其次，風速與溫度成顯著正相關，風速、溫度與 PPD呈正相關，顯著影響 PPD值。最后，白天樹冠覆蓋度高的綠地舒適度最好，而接近傍晚時刻，低樹冠覆蓋度的綠地散熱較快。綜上，對于廣州相同的氣候區而言，公園綠地的樹冠覆蓋度越高，在夏季中更利于創造舒適的林下微氣候環境，對人的生理健康更有利。

本研究探討了二沙島的公園綠地在不同覆蓋度下對微氣候及人體舒適度的影響，為城市綠地的建設提供了參考依據。在廣州城市建設高速發展、人口持續激增加劇熱島效應的背景下，未來必將引起一系列的城市生態環境效應，從而影響城市局部的氣候和大氣環境，最終會威脅到城市居民的身體健康[38]。今后可通過大面積組建公園綠地，提高城市的樹冠覆蓋度，由表及里地優化綠地的局部微環境，在精細尺度上改善城市生態環境及舒適度，從而提高城市的宜居性。

參考文獻

[1] Yang J，? Wang Y，Xiu C，? et al. Optimizing local climate zones to mitigate urban heat island ef‐fect? in? human? settlements [J]. Journal? of Cleaner Production， 2020， 275： 123767.

[2]彭少麟，周凱，葉有華，等.城市熱島效應研究進展? [J].生態環境，? 2005（4）： 574-579.

[3] Soltani A，? Sharifi E. Daily variation of urban heat island effect and its correlations to urban greenery：? A case study of Adelaide [J]. Fron‐ tiers of Architectural Research， 2017， 6（4）：529-538.

[4]劉超，李卓欣，陳芷凝，等.基于微氣候模擬與人體舒適度指數的校園微更新研究——以同濟大學四平路校區為例? [J].住宅科技，? 2021， 41（3）：38-46.

[5] Oke T R. Initial guidance to obtain representa‐tive meteorological observations at urban sites[J]. World Meteorological Organization，? Report， 2006（81）.

[6] Karatasou S，Santamouris M，Geros V. Urban building climatology [ M]. Environmental Design of Urban Buildings：An Integrated Approach，Lon ‐ don：Earthscan，2006.

[7] David S-K Ting. Heat islands：? understanding and mitigating heat in urban areas [J]. The Inter ‐ national Journal of Environmental Studies， 2012，69（6）：1008-1011.

[8] Javadi R. Urban green space and health： The role of thermal comfort on the health benefits from the urban green space;? a review study [J]. Building? and Environment，? 2021，? 202（4） ：108039.

[9] Shashua-Bar L， Hoffman M E. Vegetation as a cli ‐matic? component? in? the? design? of? an? urban street：? An empirical model for predicting the cooling effect of urban green areas with trees [J]. Energy and Buildings，? 2000，? 31（3）：221-235.

[10]晏海，王雪，董麗.華北樹木群落夏季微氣候特征及其對人體舒適度的影響 [J].北京林業大學學報， 2012， 34（5）： 57-63.

[11]鄭鈺旦，朱思媛，方夢靜，等.城市公園不同植物配植類型與溫濕效應的關系 [J].西北林學院學報， 2020， 35（3）： 243-249.

[12]賈寶全，王成，邱爾發，等.城市林木樹冠覆蓋研究進展 [J].生態學報，? 2013， 33（1）：23-32.

[13] Giridharan R，? Lau S S Y，? Ganesan S，? et al. Lowering the outdoor temperature in high-rise high-density? residential? developments? of coastal Hong Kong：? The vegetation influence [J]. Building? and? Environment，? 2007，? 43（10）： 1583-1595.

[14] Cappiella K，Schueler T， Wright T， et al. Urban watershed forestry manual：? part 2：? Con ‐ serving and planting trees at development sites [ M]. United States Department of Agriculture， Forest Service， Northeastern Area， State and Private Forestry，2006.

[15]易慧琳，王剛，楊文麗，等.廣州市老城區夏季室外園林空間人體舒適度評價[J].熱帶農業科學，2020， 40（1）： 97-102.

[16]馮錫文.基于廣州地區的全年室外熱舒適研究[ D].廣州：廣州大學，? 2018.

[17] Fanger P O. Calculation of Thermal Comfort， In ‐troduction of a basic comfort equation [J].ASHRAE Transactions， 1967， 73（2）： 1-20.

[18]張莉.大氣環境監測布點方法優化分析[J].中國資源綜合利用，? 2020， 38（12）： 147-149.

[19] Zhou H F. Discussion in synthetic index of climatic change influence on human health [J]. Clim Environ Res， 1999， 4（1）： 121-126.

[20] Zheng S，Guldmann J M， Wang Z， et al. Experi‐ mental and theoretical study of urban tree in ‐stantaneous and hourly transpiration rates and their cooling effect in hot and humid area [J]. Sustainable Cities and Society，? 2021，? 68：102808.

[21] Kang G，? Kim J J，? Choi W. Computational fluid dynamics simulation of tree effects on pedes ‐trian wind comfort in an urban area [J]. Sus ‐tainable? Cities? and? Society，? 2019，? 56：102086.

[22]陳新光，潘蔚娟，張江勇，等.氣候顯著變暖使廣州極端氣候事件增多 [J].廣東氣象，? 2007（2）： 24-25.

[23] Abhijith K V， Kumar P， Gallagher J， et al. Air pollution abatement performances of green in ‐frastructure in open road and built-up street canyon environments-A review [J]. Atmospheric Environment， 2017， 162： 71-86.

[24] Buccolieri R，? Santiago J L，? Rivas E，? et al. Review on urban tree modelling in CFD simula‐tions：? Aerodynamic，? deposition and thermal effects [J]. Urban Forestry & Urban Greening，2018， 31： 212-220.

[25]鄭君.游憩性草坪空間營造和偏好研究 [ D].南昌：南昌大學，? 2019.

[26] Huang Y J， Akbari H， Taha H， et al. The poten‐tial of vegetation in reducing summer cooling loads in residential buildings [J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology， 1987， 26（9）： 1103-1116.

[27] He B J，? Ding L，? Prasad D. Relationships among local-scale urban morphology，? urban ventila‐tion，? urban heat island and outdoor thermalcomfort under sea breeze influence [J]. Sus ‐tainable? Cities? and? Society，? 2020，? 60：102289.

[28]吳菲，李樹華，劉嬌妹.林下廣場、無林廣場和草坪的溫濕度及人體舒適度 [J].生態學報，2007（7）：2964-2971.

[29]潘劍彬，李樹華.北京城市公園綠地熱舒適度空間格局特征研究 [J].中國園林，2015，31（10）：91-95.

[30]晏海，王雪，董麗.華北樹木群落夏季微氣候特征及其對人體舒適度的影響 [J].北京林業大學學報，2012，34（5）： 57-63.

[31]王晶懋，劉暉，梁闖，等.校園綠地植被結構與溫濕效應的關系 [J].西安建筑科技大學學報（自然科學版）， 2017， 49（5）： 708-713.

[32]張麗紅，李樹華.城市水體對周邊綠地水平方向溫濕度影響的研究 [ C].//北京園林學會、北京市園林綠化局、北京市公園管理中心：北京園林學會，2007：10.

[33] Zheng S，Guldmann J M， Wang Z， et al. Experi‐ mental and theoretical study of urban tree in ‐stantaneous and hourly transpiration rates and their cooling effect in hot and humid area [J]. Sustainable Cities and Society，? 2021，? 68：102808.

[34]阮立揚.偏熱環境下落地風扇舒適性調控策略研究[ D].重慶：重慶大學，2019.

[35] Ahmed T， Kumar P，Mottet L. Natural ventilation in warm climates：? The challenges of thermal comfort，? heatwave resilience and indoor air quality [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2021， 138：110669.

[36]林波榮，譚剛，王鵬，等.皖南民居夏季熱環境實測分析 [J].清華大學學報 （自然科學版），2002（8）：1071-1074.

[37]王學華，呂恩珊，肖玉玲.長江馬鞍山段江陸風特征及大氣污染物的控制對策 [J].中南林業科技大學學報，2010，30（1）：120-124.

[38] Patz J A，? Campbell-Lendrum D，? Holloway T， et al. Impact of regional climate change on human health [J].Nature，2005， 438（7066）：310-317.

（編輯排版：林海妹）