哈尔滨城市森林小气候状况及对人体舒适度的影响1)

2012-03-05汪永英孔令伟毛桃义曹晓飞荣旭东

东北林业大学学报 2012年7期

汪永英孔令伟李雯毛桃义曹晓飞荣旭东

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

城市森林是生长在城市(包括市郊)对所在环境有明显改善作用的林地及其相关植被［1］，是现今城市绿地的一个重要组成部分。城市小气候的形成是城市森林植被与环境条件综合作用的结果，是城市森林质量的综合反映，也是城市森林生态建设评价的一个重要指标［2］。人体舒适度是以人类机体与近地大气之间的热交换原理为基础，评价人类在不同气候条件下舒适感的一项生物气候指标。人体对外界冷热的舒适感，并不仅仅取决于气温或其它任何单一的气象要素，而是各种气象因素综合作用的结果。人们在长期的研究和实践中，提出了许多表征人体舒适度的方法。为了衡量不同天气条件下人体舒适状况，多年来国内外开发了许多人体舒适度指数，有考虑温度和湿度组合的温湿指数［3－4］、温度和风组合的风寒指数，以及由包含了太阳辐射、海拔和各种生理过程、衣着和热量传输等方面变量的人体热量平衡方程导出的人体感觉温度等。这些指数在人体热舒适、生物气候条件评价、气象与健康以及城市规划等方面得到了广泛应用［5］。

目前，关于城市不同下垫面对温、湿度的影响研究较多［6－10］。夏季初期的6月份，对于哈尔滨市来说，整体感觉比较舒适，但对于那些爱好晨练的人们来说，大自然的氧吧让他们选择了走进森林。笔者通过选择城市森林不同林型进行人体舒适度的比较分析，以期为改善城市环境及城市森林生态建设提供科学依据，为人类选择合适的休闲娱乐场所提供指导。

1 研究区概况

研究区域为黑龙江省哈尔滨城市林业示范基地，地理位置为东经127°30' ～127°34'，北纬45°20' ～45°25'［11］，海拔136 ～148 m，属温带季风性气候，夏季温暖湿润，冬季寒冷干燥，年均气温3.5 ℃，年均降水量534 mm，降雨集中在7—8月份，年均相对湿度67%。20 世纪50年代栽有兴安落叶松(Larix gmelinii)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、黑皮油松(Pinus tabulaeformis var. mukdensis)、黄波椤(Phellodendron amurense)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、白桦(Betula platyphylla)，蒙古栎(Quercus mougolica)和水曲柳(Fraxinus maudshurica)等人工纯林和针阔混交人工林［12］。

2 研究方法

在哈尔滨城市林业示范基地内选取3 块人工林(白桦林、蒙古栎林、樟子松林)林地，并以香坊区乐松广场空旷地为对照点。在选定的3 块人工林中心位置设定20 m×20 m 样地，样地基本情况见表1。

表1 3 种不同林型基本概况

2010年6月中旬，选择无风或微风条件下在3种不同林型内利用DHM2 型通风干湿表连续观测3 d，每种林型内再设3 个平行观测点作为重复;另外，远离试验区选择空旷地作为对照点同时观测，每天观测7 次(6:00—18:00，每隔2 h 观测1 次)，干、湿球温度测定高度距离地面1.5 m，相对湿度通过干、湿球温度值由湿度查算表求得。

降温率计算公式为:

式中:TN为降温率(%);Tn为样地树木阴影中心1.5 m 处气温的测定值(℃);T0为样地外空旷地气温对照值(℃)。若TN值＞0，则说明样地内气温低于空旷地气温，有降温的作用。TN值越大，说明降低气温的作用越强;反之，则越弱。

增湿率计算公式为:

式中:FN为增湿率(%);Fn为样地树木阴影中心1.5 m 处相对湿度值(%);F0为样地外空旷地相对湿度对照值(%)。若FN值＞0，说明样地内相对湿度高于空旷地相对湿度，则森林植物群落达到增加相对湿度的作用。FN值越大，证明该群落增加相对湿度的作用越强;反之，则越弱［13］。

人类的健康受气候、天气因素的影响非常大，当周围的温度、湿度、风、太阳辐射、气压等气象因子发生显著变化时，对一些人的身体健康就会产生影响。国内外许多研究表明，在所有的气象要素中，温度、湿度对人体的感觉影响最大［7］。综合考虑温度和湿度对人体舒适度的影响，本试验选用王远飞［14］夏季舒适度及工作时数预报的温湿指数(Thermal Humidity Index，表示为ⅠT，H)公式，将其作为反映哈尔滨市各下垫面人体舒适度的指数［14－15］:

ⅠT，H=T－0.55(1－F)×(T－14.5)。

式中:ⅠT，H为温湿指数;T 为环境气温(℃);F 为相对湿度值(%)。

温湿指数反映了群体的人对环境的热感受［7］。由于本次试验内容是在6月中旬完成的，人体的感觉主要是凉爽、热、稍热等，没有冷、很热和酷热的范畴。ⅠT，H与人体舒适度的划分标准具体见表2［4］。

表2 ⅠT，H 与人体舒适度的划分标准

3 结果与分析

3.1 哈尔滨城市森林初夏3 种林型的降温率比较

3.1.1 气温的日变化规律

根据表3可以看出，在哈尔滨城市森林即哈尔滨城市林业示范基地内不同林型气温日变化数据中，日平均气温最低的是白桦林(23.4 ℃)，其次为蒙古栎林(23.7 ℃)、樟子松林日平均气温最高(23.8℃)，而对照点空旷地日平均气温最高为25.3 ℃。在观测时段内，各观测点均表现为早上6:00 达到一天气温最低值，之后逐渐上升，气温变化的幅度较大;14:00 左右达到一天气温最高值，随后又开始下降，气温变化的幅度变小。气温日变化动态基本呈单峰型分布。

表3 不同下垫面气温和相对湿度的日变化规律

3.1.2 降温率比较

3 种不同林型与空旷地相比，在观测时间内气温日变化幅度较空旷地平缓，但仍有明显的峰值出现。在日出前后，空旷地的最低气温值略低于其他林型的最低气温，主要原因是由于日出前后各林型林冠层的覆被作用阻缓了热量的散发，从而使林内气温比林外高。日出后空旷地的气温上升很快，这时各林型才表现出明显的降温效应，不同林型测定点各时刻气温值均低于对照点。由各林型的降温率可见(表4)，在早上6:00 时，3 种林型均表现出较弱的保温功能，并且蒙古栎林保温效果强一些。日出之后，3 种林型的降温效应开始增加，主要是因为森林中的植物通过蒸腾作用，不断地从环境中吸收热量，降低了林内环境空气的气温。在表4中，白桦林平均降温率达7.20%，白桦林降温幅度最大，最大降温幅度为2.9℃，降温效应极为明显。其次为蒙古栎林，平均降温率为5.67%;樟子松林降温效应最小，为5.58%。一天中，降温率最大的白桦林发生在10:00—12:00 时，此时降温率最大，为12.21%。樟子松和蒙古栎林的最大降温率出现在14:00—16:00，分别为9.49%和9.44%。各林型之间降温率极值出现的时间上的延迟，主要反映了森林覆盖率对林内气温的影响。森林能降低林内最高气温，提高林内最低气温，夏季较其它季节表现更为显著。

表4 不同下垫面降温率与增湿率的日变化规律

3.2 哈尔滨城市森林初夏3 种林型的增湿率比较

3.2.1 相对湿度的日变化规律

由表3可见，观测时段内空旷地相对湿度变化呈明显的“U”字型分布，变化范围为41% ～80.8%，各时刻变化幅度较大。其中6:00 相对湿度最大，14:00 左右达到最小。此后相对湿度略有回升，但回升趋势缓慢。3 种林型观测点相对湿度变化规律与空旷地极为一致，也呈“U”字型分布，但变化幅度均小于空旷地，变化范围为51.5% ～84.5%，且各时刻相对湿度值均高于空旷地。在3 种不同林型中，蒙古栎林的日平均相对湿度最高，为75.93%;白桦林的平均相对湿度次之，为75.79%;樟子松林的平均相对湿度最低，为70.57%，而空旷地的平均相对湿度仅为54.82%。这说明森林这种特殊的下垫面对于增加相对湿度具有重要的作用，主要是由于森林具有一定的蒸散能力，增大了林内的水汽含量，再加上气温较林外低，风速又小，乱流交换弱，从而林区相对湿度增加。

3.2.2 增湿率比较

在表4中，蒙古栎林平均增湿效应最大，为44.78%，最大增湿幅度达79.39%，其次是白桦林，为44.48%，最大增湿幅度为75.78%，樟子松林也具有一定的增湿效应，但增湿效应较弱，为32.15%，最大增湿幅度为62.42%。蒙古栎林和白桦林增湿效应发挥最大的时段为14 ∶00—16 ∶00，而樟子松林增湿效应发挥最完全的时段为16:00。

3.3 不同下垫面的人体舒适度比较

根据不同下垫面的气温和相对湿度的观测统计结果，计算出温湿指数的排序为:蒙古栎林＞空旷地＞樟子松林＞白桦林。而温湿指数愈高，人体舒适度感觉愈不舒适。由表5可见，各下垫面在早上6:00—8:00，人体感觉均很舒适(温湿指数ⅠT，H＜21.1);一天当中，各林分中不舒适(温湿指数ⅠT，H＞23.9)的时段分别为:蒙古栎林集中在12:00—16:00，空旷地集中在12:00—14:00，樟子松林则为14:00，白桦林全天观测的结果对于人体而言，均感觉为较舒适和很舒适。在6月中旬的天气条件下，由于蒙古栎纯林林地上枯落物成分单一，分解速率较快，总的蓄积量很少［16］，一天的平均气温较其他林型稍高，再加上相对湿度的增加，导致了人体感觉并不是很舒适;而对于樟子松林和白桦林来说，在比较合理的郁闭度以及适宜的气温和相对湿度的配合下，人体感觉较舒适。因此对于那些喜欢晨练和在林区活动的人们来说，可以选择合适的林地及感觉很舒适的时段:樟子松林6:00—8:00 及白桦林6:00—10:00。而在午后的14:00，人体感觉不舒适的时段则不利于进行林内的各项活动。

3.3.1 人体舒适度指数随气温的变化规律

如表3和表5所见，3 种不同林型和空旷地的温湿指数ⅠT，H随气温升高而升高，随气温降低而降低;各下垫面气温在14:00 时均达到最高，各林地气温始终低于空旷地，与空旷地的最大温差可达2.9℃，此时温湿指数各下垫面的ⅠT，H值也为最大，见表5。除了蒙古栎林地处于不舒适状态以外，其他的下垫面均为较舒适状态。14:00 之后气温开始降低，ⅠT，H也呈下降趋势，至18:00 之后，各下垫面的人体舒适度感觉都接近较舒适状态。

3.3.2 人体舒适度指数随空气相对湿度的变化规律

如表3和表5所见，温湿指数ⅠT，H随空气相对湿度降低而升高，随空气相对湿度升高而降低。14:00空气相对湿度达到最低，除了白桦林为较舒适外，其余均为不舒适。空旷地及3 种不同林型下垫面日平均空气相对湿度中，蒙古栎林最大，白桦林次之，空旷地最低。空气相对湿度过高会让人感到潮湿，过低让会人感到干燥，因此，白桦林林地的空气相对湿度恰好能使人们感到很舒适。由于白桦林林地上的植物及灌木较多，所以人们还是比较喜欢地被物有较少分布的樟子松林进行各种林地活动。

表5 不同下垫面的温湿度指数及人体舒适度比较

3.3.3 不同下垫面人体舒适时间分析

按表2人体舒适度的划分标准，当21.1＜ⅠT，H≤23.8 时，人体对外界的感觉较舒适;当ⅠT，H≤21.1时，人体对外界的感受最舒适。空旷地和3 种不同林型林地在6:00—18:00 的ⅠT，H平均值均小于23.8，说明各下垫面在初夏季节均表现为比较舒适。但不同的下垫面，在不同气温和相对湿度的综合作用下表现出不同的舒适程度。一天中，空旷地在10:00前和16:00 后感觉较舒适;樟子松林在12:00 前和16:00 后较舒适;蒙古栎林在10:00 前和18:00 后感觉较舒适，而白桦林在观测时间内均表现为较舒适。综合各下垫面的人体感觉舒适的时间分别为:白桦林地(12 h)＞樟子松林(10 h)＞空旷地(8 h)＞蒙古栎林(6 h)。

4 结论与讨论

6月中旬，哈尔滨城市森林可以改善局地的小气候效应，增加人体的舒适感。

在降温率方面，3 种林型中，白桦林降温率最大，蒙古栎林次之，樟子松林最小。

在增湿率方面，3 种林型中，蒙古栎林增湿率最大，白桦林次之，樟子松林最小。

3 种林型的舒适度让人感觉比较舒适的是白桦林，其次是樟子松林，最后是蒙古栎林。

在观测时段内，白桦林与樟子松林感觉较舒适时间较长，超过10 h。由于初夏时哈尔滨的天气不是太热，空旷地的舒适度也比较舒适，人体感觉舒适时间最短的为蒙古栎林。

本文主要是针对哈尔滨城市森林即哈尔滨城市林业示范基地比较典型的3 种林型在6月中旬展开的研究，范围比较小，而且研究林型主要是在林业示范基地内生长占一定优势的树种，综合考虑适合人们业余活动而展开的比较研究，同时，从人居环境的宜人角度讲，城市森林的降温增湿效应在7月、8月份更为重要，因此在随后的研究中，可以考虑将试验时间延长到整个生长季，以期探讨城市森林不同林型在降温增湿方面的差异。为了进一步扩大不同林型对人体舒适度在不同季节的影响，今后可针对哈尔滨主要绿化树种和植物园内的主要林型进行大区域的人体舒适度指数研究。

本研究主要选取城市森林气温和相对湿度两种气象因子计算温湿指数，确定人体舒适度，为人们选择更加舒适的活动场所提供参考。由于条件有限，本研究只采用两个影响因子，而忽略了风速因子，若将这些忽略因子加入到舒适度模型中，会大大提高模型的可用度。

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