城市公园景观要素的微气候相关性分析

陈睿智

微气候是影响户外空间利用的重要因素之一，即使微气候恶劣，露天空间的精心设计可刺激环境的使用[1-2]。相反，微气候不舒适度达到一定阈值时，空间环境将不会发生休憩行 为[3]。近年的研究显示空间的太阳辐射照度、气温、风速、风向等微气候参数对人的参与度和参与行为有着实质性的重要影响[4]5。

2001—2004年，RUROS项目①吸引不少研究人员调研城市居民的热舒适感，并实测了欧洲多个城市的微气候参数[2]1456。遗憾的是，这项研究工作因缺乏充足的微气候量化指标，而没能成为有效的城市气候设计辅助工具。随后，不少研究者致力于探讨微气候的评估，以及影响城市微气候的要素。研究者建立模型从宏观到微观评估城市热辐射[4-5]，发现城市热环境不仅与城市空间布局、城市结构、城市建筑密度和人口密度密切相关[6-7]，还与建筑立面、建筑间距和建筑材料相关[8]。研究者还讨论了植物、水体、铺装[9-10]和景观空间断面[11]等要素对微气候的影响。这些研究促进了探寻改善城市微气候方法的研究，但缺乏气候区划的实证研究难以推广运用[12]。其原因是：不同气候区微气候参数不同，热舒适度不同。比如湿度增加可以改善干热气候区舒适度，但在湿热气候区，湿度增加将降低体感热舒适度。因此，在不同气候区，景观要素的微气候效应不同，适应城市气候的景观设计策略也应不同。

表1 成都市百花潭公园观测点情况表Tab. 1 Observation points of Baihuatan Park in Chengdu

城市公园是大部分居民休憩、活动、交流的主要场地，是城市活力的主要标志之一。因此，城市应重视公园微气候营造，为居民提供健康舒适的休憩和交往空间。基于四川省气候分区，成都市位于湿热气候区[13]，夏季高热、高湿。百花潭公园是位于成都市的免费开放性公园，是附近居民首选的休憩场所，但百花潭公园夏季居民体感热舒适度不满意，导致公园夏季活力不足。本文作者以成都市百花潭公园为例，实证分析湿热气候区景观要素的微气候相关性，研究目的如下。

1）研究结果可为百花潭公园优化热环境方案提供理论基础和技术借鉴。通过讨论景观要素的微气候相关性，可以为这些疑问提供研究思路和实现途径：湿热气候区中，影响热舒适性的关键性气候参数是哪些？借助哪些景观要素能更有效地改善这些关键性的气候参数从而改善热舒适性？

2）研究结果对同类气候区适应气候设计、提升户外微气候舒适性具有借鉴意义。湿热气候区是中国人口密集区，该气候区的居民有强烈户外活动和户外交往的需求。百花潭公园属于典型的湿热气候区开放空间，此实证研究将为湿热气候区规划设计满足居民热舒适需求的户外空间提供新的研究思路和技术方法。

1 研究方法和内容

1.1 观测场地和观测时间

在百花潭公园选取7个观测点同时进行数据观测，这7个观测点都属于较空旷场地，周围无大型建筑（表1）。成都市湿热气候特征最显著的时间段为每年7—8月，结合天气预报（预定观测日期），分别在2016—2019年的7—8月选择连续2个晴天后的晴天进行测量，一共实测8天，分别是：2016年的7月26日 和8月6日；2017年 的7月20日 和8月6日；2018年 的8月14—15日；2019年 的8月12日和20日。每天测试时间为12：00—16：00，这一时间段太阳辐射最强，热度和湿度均达到极值[7]，适宜观测和分析景观要素对微气候参数的影响。

1.2 观测工具

观测仪器为Kestrel4000型手持气象站、JTR05太阳辐射测试仪，观测之前已校准观测仪器。观测微气候参数包括气温、风速、相对湿度和太阳辐射照度，所有微气候参数均在离地面或水面1.5 m处测量并每隔5 min自动储存。每0.5 h取平均值，4年中的8天对应时段取平均值进行分析。

1.3 分析和评估方法

早期的研究学者从“炎热指数”“风寒指数”“舒适度”等方面建立微气候综合评价指标，从使用者体感舒适度角度来评价舒适度，但在规划设计阶段，这些指标不能直接模拟和预测建成环境热舒适度。基于热平衡关系，早期文献根据不同气候区的气候特征建立了通过物理气象参数评估户外热环境的WBGT平衡式，本研究选择适宜湿热气候区气候特征的WBGT平衡式（公式1），其计算结果表示热舒适综合指标[14]可用来探讨景观要素的微气候相关性。

其中：ta为空气干球温度，单位为℃；φ为相对湿度，单位为%；G为总太阳辐射照度，单位为W/m2；tmr为环境平均辐射温度，单位为℃；V为风速，单位为m/s；总相关系数r=0.985 8，WBGT值的单位采用国际标准单位℃。平衡式针对适应气候着衣的人群，即不单独考虑着衣指数。相关试验表明：环境辐射温度对WBGT值的误差影响可忽略不 计[14]44，本研究在计算WBGT值时，即以ta替代tmr。

1 百花潭公园观测点夏季WBGT情况The WBGT of observation points in Baihuatan Park in summer

2 百花潭公园观测点夏季温度情况The temperature of observation points in Baihuatan Park in summer

表2 观测点微气候相关性分析Tab. 2 Correlation analysis of microclimate in observation points

2 观测结果

1）景观要素的适应性规划设计对热舒适度的正效应明显。7个观测点中（图1）， 湖亭在观测时间段的WBGT平均值为27.6 ℃，热舒适度相对最好；接着依次是水中（30.9 ℃）、水 岸（31.3 ℃）、榕树下空间（31.6 ℃）、陆亭（31.8 ℃）、桂花林下空间（35.3 ℃）；广场在观测时间段内的热舒适度相对最差，WBGT平均值为37.8 ℃，最高值为39.2 ℃。同时，观测时间段内，WBGT变化最大的是露天广场，WBGT最高值（39.2 ℃）和最低值（37.3 ℃）差值为2.9 ℃；湖亭的WBGT最高值（28.3 ℃）与最低值（26.7 ℃）差值为1.6 ℃，其差值是7个观测点中最小的。

2）同类景观要素对微气候的影响不同。由图1可看出：同样是植物景观，榕树下空间的热舒适度比桂花林下空间的热舒适度好，前者在观测时间段内的WBGT平均值为31.6 ℃，后者为35.3 ℃，桂花林下空间最高值达到36.1 ℃；同为亭式建筑，湖亭的热舒适度也优于陆亭，湖亭的WBGT最高值为28.3 ℃，在整个观测时间内都适宜休憩；陆亭的最高值为33.7 ℃，已超过了人体耐热值，不适宜休憩。

3 相关性分析

观测景观要素对微气候影响的目的是分析影响环境热舒适度的关键性微气候参数，以便选择适宜的景观要素改善关键性的微气候参数。本研究利用各测点对应时段的微气候参数，结合观测点相对湿度、气温、风速、太阳辐射照度与WBGT的相关性、微气候参数之间的相关性（利用correl函数计算得出变量间相关性系数）进一步分析（表2）。

3.1 微气候参数与热舒适度的相关性分析

3.1.1 气温

7个观测点中（图2），气温平均值超过29 ℃的分别是榕树下空间（29.4 ℃）、桂花林下空间（29.4 ℃）、陆亭（30.1 ℃）、水岸（30.1 ℃）和广场（32.3 ℃），湖亭和水中的平均温度分别为28.5 ℃和27.3 ℃，平均温度最高值与最低值之间相差5 ℃。观测时间段内，温度最高值出现在14：30，最高值是广场（34.0 ℃），最低值是水中（27.0 ℃），两者相差7.0 ℃。初步原因是：广场是露天环境，石板铺地，观测时间段内吸收太阳辐射照度强，加之石板热容量低，所以广场温度高，水体降温效果明显，所以湖亭和水中的温度相对 更低。

3 百花潭公园观测点夏季风速情况The wind speed of observation points in Baihuatan Park in summer

4 百花潭公园观测点夏季太阳辐射照度情况The solar irradiance of observation points in Baihuatan Park in summer

从温度与热舒适度的相关性看（表2）：7个观测点温度与WBGT相关性r全部大于0.3，说明7个观测点的温度与热舒适度是呈线性正相关。其中，湖亭温度与WBGT相关性r值为0.838，说明湖亭的温度与WBGT高度相关；陆亭和广场温度与WBGT的相关系数r分别为0.759、0.756，说明温度与WBGT显著相关。这3个观测点中，微气候参数分别与WBGT相关性r值比较中，温度与WBGT的相关性值r是最高的，说明这3个观测点的温度是影响热舒适度的关键要素。

3.1.2 风速

夏季湿热气候区的风速提升热舒适度。 7个观测点中（图3），平均风速超过1.00 m/s的有水中（1.52 m/s）、湖亭（1.50 m/s）和水岸（1.45 m/s）。榕树下空间风速不高，平均值为0.38 m/s，榕树与广场相邻，榕树下空间平均温度为29.4 ℃，广场平均32.3 ℃，两者间温差为2.9 ℃，温差具备了形成风的理论条件，但榕树是孤植，遮阴面积相对小，降温幅度相对低，温差相对更小，因此榕树下空间的风速偏低，但榕树下空间与广场的温差持续存在，故观测时段内榕树下空间的风速稳定，没有静风状态。陆亭和广场的平均风速都很低，分别为0.30 m/s和0.20 m/s，趋于静风状态，陆亭平均气温为30.1 ℃，陆亭外为石板露天铺地，两者温差不大，故风速也偏低。广场是7个观测点中气温最高的，温差相对最低，故风速低。桂花林下空间风速最低，平均风速仅为0.10 m/s，大部分时段处于静风状态，主要原因是桂花树种植密集，且分枝点低，郁闭度高，林中透风率低。

从风速与WBGT的相关性看（表2）， 7个观测点中，桂花林下空间的风速与WBGT的相关系数r为0，说明风速与热舒适度完全不相关，主要原因是桂花林下空间的风速几乎为0。其他观测点的风速与WBGT的相关系数r都小于0，说明风速降低了WBGT。其中，广场风速与WBGT相关系数为-0.243，几乎不相关，原因是广场风速很低，平均仅为0.20 m/s；陆亭的风速与WBGT的相关系数r为-0.381，低度相关，原因是陆亭的风速也低，平均为0.30 m/s。7个观测点中，水岸风速与WBGT的相关系数r为-0.886，高度相关，说明风速是改善水岸微气候的主要因素；湖亭的风速与WBGT的相关系数r为-0.790，显著相关，说明风速也是改善湖亭热舒适度的重要因素；榕树下空间的风速与WBGT的相关系数r为-0.791，4个微气候参数与WBGT相关性比较中，风速与WBGT的相关值r是最高的，说明风速是改善榕树下空间微气候的关键因素。

3.1.3 太阳辐射照度

7个观测点中（图4），太阳辐射照度均值相对高的是露天场所的广场（682 W/m2），水岸（653 W/m2）和水中（635 W/m2）。由于水体的反辐射作用，3个观测点中，水中的太阳辐射照度值相对更低。由于建筑或植物遮阴，榕树下空间、桂花林下空间、陆亭、湖亭的太阳辐射照度值都相对偏低，平均值分别为289 W/m2、267 W/m2、231 W/m2、214 W/m2，榕树是单株，其遮蔽阳光的效果不如林地强，榕树下空间的太阳辐射照度比桂花林下空间的高。同样是亭式建筑，水体的反射率高于陆地，湖亭的太阳辐射照度值比陆亭低。

从太阳辐射照度与WBGT的相关性看（表2），露天场所太阳辐射照度与热舒适度的相关性比遮阴场所的相关性明显，7个观测点中，太阳辐射照度与热舒适度高度相关的是露天水中，r值为0.927，接近完全正相关；露天场所水岸太阳辐射照度与WBGT相关系数r为0.887，高度相关，露天广场太阳辐射照度与WBGT相关系数r为0.766，显著相关，接近高度相关；露天场所太阳辐射照度与WBGT相关系数r大，说明露天环境中太阳辐射照度是影响热舒适度的重要因素。遮阴观测点中：桂花林下空间的太阳辐射照度与热舒适度的相关性r值（0.135）最低，几乎不相关，主要原因是桂花林下空间遮蔽度高，太阳辐射照度值低，影响其舒适度的主要因素不是太阳辐射照度。湖亭、陆亭、榕树下空间 3个观测点的太阳辐射照度与热舒适度的相关系数高于桂花林下空间，但低于露天测点的相关系数，因为湖亭、陆亭和榕树下空间是半遮阴场地。因此，夏季露天场地中，太阳辐射照度是影响热舒适度的重要因素。

5 百花潭公园观测点夏季湿度情况The humidity of observation points in Baihuatan Park in summer

3.1.4 相对湿度

干热地区湿度增加会优化热舒适度，但在湿热地区却是降低热舒适度。7个观测点中（图5），平均湿度最高的是桂花林下空间，达到81%，整个观测时段内的平均湿度都超过80%，主要原因是植物蒸腾增加湿度，加之桂花林下空间几乎处于静风状态（图3）。受植物蒸腾影响，榕树下空间的平均相对湿度也达到75%。露天环境太阳辐射照度强，湿度偏低，广场是7个观测点中平均湿度最低的，比桂花林下空间少了11%，水体增加湿度，因此湖亭、水中和水岸的平均湿度比广场高，分别为73%、73%、72%。

从湿度与WBGT的相关性看（表2），相关系数r较低的是广场和水岸，分别为0.358和0.349，接近不相关，说明湿度对这2个观测点的热舒适度影响不大。桂花林下空间平均湿度最高，湿度与热舒适度的相关性也最明显，r为0.838，高度相关，说明湿度是影响桂花林下空间热舒适度的主要因素。榕树下空间的平均湿度也较高，与热舒适度的相关系数r为0.698，显著相关，说明湿度对其热舒适度的影响也明显。湖亭、陆亭、水中3个观测点的相对湿度比桂花林下空间和榕树下空间低，与热舒适度的相关系数也比桂花林下空间和榕树下空间低，分别为0.592、0.538和0.545，对热舒适度影响明显。

3.2 微气候参数之间的相关性分析

从以上分析看出，7个观测点中的温度、湿度与热舒适度都呈正相关，湿热气候区，人体主观不舒适的直观感知是高温、高湿。因此，以下分析各观测点4个微气候参数分别与温度、湿度的相关性（表2），以探讨影响温度和湿度的微气候参数。

3.2.1 风速与温度、湿度的相关性

风速对温度、湿度的影响效应明显，特别是在水体景观中。湖亭、水中、水岸3个测点风速与温度的相关系数r分别为：-0.757、 -0.893、-0.466，其相关性分别是高度负相关、显著负相关和实际负相关；风速与湿度的相关系数r分别为-0.569、-0.573、-0.490，其相关性是实际负相关，说明风速降低水体景观温度和湿度。此处降温效果比相关研究显著[15]， 主要原因是这3个观测点位于迎风处，风速与温度之间形成良性循环：风速增加降低温度，由此增加观测点与无风区的温差，温差形成气压差又增加风速。相关研究表明湿热气候区水体的增湿作用明显[6]，但这3个观测点的湿度与其他4个观测点相比，差异并不明显，甚至低于桂花林下空间的湿度 （图5），主要原因是实测的水体周围空旷，且顺应风向，即风速增大而降低了湿度，而国内相关实测水体周围的建筑物形成风障，风速减小，水体增湿明显[16]。风速、气温等多参数叠加，因此，3个水体景观的热舒适度比其他观测点更优，观测时间段内变化幅度相对更平稳。

植物景观中的榕树下空间和桂花林下空间下空间2个观测点，风速与温度的相关系数r分别为-0.429和0，其相关性分别是实际负相关和不相关；风速与湿度的相关系数分别为-0.230和0，其相关性分别是低度负相关和不相关。风速对植物观测点的微气候效应没有水体景观显著，尽管植物遮阴起到一定的降温作用，但桂花林密闭且分枝点低，通风性差，基本处于静风状态，植物蒸腾增加湿度，所以桂花林下空间的平均湿度达到81%，而平均温度也达到29.4℃，因此，桂花林下空间的WBGT均值达到35.3℃，相对非常不舒适（图1）。如前所述，单株榕树仅对遮阴空间降温，风速小，因此对热舒适度的改善效果有限。

同是建筑景观，陆亭风速与温度、湿度的相关系数r值小于湖亭风速分别与温度、湿度的r值，前者相关系数分别为-0.111和 -0.259，不相关，后者分别为-0.757和-0.569， 相关性是高度负相关和实际负相关，说明湖亭的风速对温度和湿度的影响明显，而陆亭的风速对温度和湿度影响微弱。主要原因是：湖亭和陆亭建筑材料虽相同，但湖亭周围的水体降低湖亭内温度，陆亭周围的广场石板铺地吸热产生辐射热使陆亭内增温，湖亭与水岸平均温差1.5 ℃，而陆亭与周围环境几乎无温差，温差产生气压差形成风，加之陆亭内净空高比湖亭低2 m（表1），通风性比湖亭差，陆亭风速远低于湖亭，风速对温度和湿度的效应也低于湖亭，WBGT值比湖亭高。

露天环境广场的风速与温度、湿度的相关系数r分别为-0.243和-0.353，不相关和低度负相关，说明广场风速对温度和湿度影响微弱。主要原因是露天环境和石板铺地吸热使得广场温度是7个测点中最高的（图2），而广场风速相对较低，仅高于桂花林下空间（图3），因此风速对广场降温、除湿效果很不显著。

3.2.2 太阳辐射照度与温度、湿度的相关性

露天场所的太阳辐射照度与气温的相关性高于遮阴场所。广场、水中、水岸3个测点中，太阳辐射照度与温度的相关系数分别为0.566和-0.631，相关性分别为显著相关和显著负相关，说明太阳辐射照度对温度的增加明显，同时也在一定程度上降低了湿度。太阳辐射照度与水中、水岸和广场温度的相关系数r分别为：0.623、0.376和0.566，相关性分别是：显著相关、实际相关、显著相关，说明露天场地太阳辐射照度增温明显；太阳辐射照度与湖亭、陆亭、榕树下空间、桂花林下空间温度的相关系数r分别为0.328、0、0.046、0，相关性分别是低度相关、不相关、几乎不相关、不相关，说明遮阴场地太阳辐射照度对温度影响小。7个测点中，广场太阳辐射照度与湿度的相关性最明显，r为-0.691，显著负相关，说明太阳辐射照度显著降低湿度；其余6个测点，太阳辐射照度与湿度的相关系数绝对值都小于0.300，相关性弱，主要原因是水中、水岸、湖亭、桂花林下空间、榕树下空间5个测点中水体或植物的增湿性掩盖了太阳辐射照度的除湿性，陆亭无水体或植物增湿，半遮阴环境虽降低太阳辐射照度，但弱化除湿功能。

4 启示

1）湿热气候区夏季影响热舒适度的关键性微气候参数是风速和太阳辐射照度。主观体感上，影响户外热舒适度的主要原因是高温、高湿，改善高温、高湿的关键微气候参数是风速和太阳辐射照度。通过上述微气候观测和相关性分析，景观要素改善热环境的关键是通风和遮阴，湿热气候区夏季减少太阳辐射照度、增加风速会形成良性循环：降低温度和湿度，温差又会提高风速，可以很好地改善湿热气候区的微气候。

2）湿热气候区中，水体是改善户外空间热舒适度相对更适宜的景观要素。水体、植物、建筑、露天广场4类景观要素的微气候效应中，水体景观的微气候效应最明显，水体景观会形成风道，强化通风效果，顺应风向的水体景观能最大限度地优化热环境。植物和建筑主要是通过遮阴来有效降低太阳辐射照度，且降温来改善覆盖空间的热舒适度；植物和建筑景观既会形成风道，发挥通风作用，也会形成风障，阻碍通风。与水体景观相比，植物和建筑对其覆盖空间的降温效果优于水体正上方空间，但相同面积的植物和建筑对其周围环境的降温效果低于同面积水体的降温效果。单一的露天广场缺乏遮阴和通风，热舒适度最差。

3）提出湿热气候区利用景观改善户外热舒适度的新思路和技术策略。城市户外空间非常有限，综合性地利用景观要素营造舒适热环境首先需要实测场地微气候参数，综合评价场地热舒适度，然后分析微气候参数与场地热舒适的相关性、微气候参数之间的相关性，找到影响场地热舒适度的关键性气候参数，由此找到改善关键性气候参数的适宜的景观技术策略。这是城市热环境改善的资源节约的低成本途径。

5 结论

本研究以成都市公园为例，量化分析公园景观要素与微气候的相关性，研究结果表明：湿热气候区影响户外热舒适度的关键性微气候参数是风速和太阳辐射照度，进一步的相关性分析得到影响关键性微气候参数的景观要素是水体和植物。本研究为城市户外空间运用景观要素改善热环境舒适度提供了经济高效的实现路径，促进城市生态健康安全发展。

注释(Notes)：

① RUROS项目：Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces的简称，即再发掘城市场所和开放空间项目，源于英国剑桥大学科研项目，2000年开始在欧洲许多国家推行，旨在通过改善城市老城区的视觉景观、听觉景观和热舒适度而激发老城区的活力。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中所有图表由作者拍摄、绘制。