半干旱区城市广场树木形态对微气候的影响研究

王爱霞 任光淳 秦亚楠

广场是展现城市文化、净化城市环境及市民休闲活动的重要场所之一[1]。广场植物群落设计旨在改善空间微气候环境，调节广场内部湿热平衡[2-3]、缓解热岛效应[4-5]，并对人群健康产生直接或间接的促进作用。因此，研究广场绿地植物组成、结构配置对微气候改善及广场内部人群游览体验的有效提高有重要意义。

1 广场区位及样点分布图Square location and sample distribution map

表1 受试点基本情况统计表Tab. 1 Basic information statistics of each tested point

表2 测试仪器参数Tab. 2 Test instrument parameters

现有研究多针对城市微气候调节[6]、广场微气候实测分析[7-8]、营造策略[9]、人群活动相关性[1]，[10-11]等方面展开，主要通过植物乔、灌、草搭配比例[12-14]、空间围合及开口朝 向[15-16]、下垫面设计[17-18]、控制绿地率等[19]改善微气候环境，而关于植物群落结构中树木的形状、高度、胸径等对微气候的影响的研究较少。因此笔者选取半干旱区呼和浩特市成吉思汗广场常见的4种植物群落样地进行实测和模拟分析，对不同高度、形状、胸径的落叶乔木和常绿乔木群落进行比较，评估不同类型乔木的树形对绿地微气候的影响，得出具有地域特性的配置方式，指导当地的广场生态设计和规划实践。

1 研究方法

1.1 测点概况

成吉思汗广场位于内蒙古呼和浩特市新城区成吉思汗大街，东经111°39′42.42″～ 111 °40 ′10.15 ″， 北 纬40 °51 ′14.37 ″～ 40°51′18.13″，属于温带大陆性气候。地处半干旱区，干燥少雨，气候极端，春季气温变化剧烈、干旱、多风，夏季短暂、温热干燥，秋季日光充足、温度急速降低，冬季漫长、寒冷、少雪。测试地附近建筑物低矮，广场总长678 m，面积为7.3 hm2（图1），在其中选取4种类型的绿地结构（2种针叶疏林、2种阔叶疏林）和1块空地作为对照测点（测点1，为硬质地面、无植物覆盖，图1、表1），各样地面积约为25 m×25 m，群落高度范围为 3～10 m，郁闭度范围约0.18～0.21，叶面积指数范围为3.1～5.2，5种样地各2块，各样地实验重复3次。样地面积相同，周围小气候环境一致，乔木、灌木的种植间距基本一致，其影响可忽略不计。

1.2 测试方法

测试数据包括空气温度（℃）、相对湿度（%）、风速（m/s）。测试时间为2017年8月 （夏季，用Sum.表示）、10月（秋季，用Aut.表 示）、11月（冬 季，用Win.表 示），以 及2018年4月（春季，用Spr.表示）。选择气流平稳、晴朗的天气，每个季节测试3周，测试时间段为09：00—16：00，每个测试点重复读取数据3次，仪器测试高度为1.5 m，仪器参数见表2。

1.3 模拟方法

采用ENVI-met4.4.3软件对广场四季代表性天气的空气温度、相对湿度及风速进行模拟，模拟时间、地块面积与实测保持一致，风向相同。网格数量为13×9，尺寸为25 m×25 m，温度和风速设定为：春季 3～22 ℃、5m/s；夏季16～29 ℃、3.4 m/s；秋季4～17 ℃、3.2 m/s，冬季-9～2 ℃、2.3 m/s，选取气候要素分布变化较小的09：00—16：00作为数据提取时段，每一时段模拟重复3次，取其平均值。

1.4 数据处理

将各时间段风速、温度、湿度的实测和模拟数据取其平均值，绘制相关分析图。图像处理采用Adobe Photoshop CS6，数据处理采用SPSS14.0。

2 受试点各季节温度变化分析图 Analysis charts of temperature changes in different seasons of the tested points

3 受试点各季节湿度变化分析图Analysis chart of humidity changes in different seasons of the tested points

表3 受试点微气候要素平均值与植物群落指标偏相关分析Tab. 3 Partial correlation analysis between average of microclimate elements and plant community index in tested points

2 受试结果分析

2.1 受试点实测数据分析

2.1.1 空气温度

图2显示，各受试点对温度的调控效应因季节的不同而不同。测点1为对照测点，硬质地面，无植物覆盖。春季对照测点1升、降温迅速，从17.23 ℃迅速升温到29.32 ℃，平均温度为22.32 ℃，变化幅度为70.16%；测点 3（阔叶疏林）的各时段保温效果最好，温度范围在16.27～24.95 ℃，平均温度均高于其他测点，为22.38 ℃；测点4平均温度最低，为22.01 ℃。夏季，对照测点1温度范围为29.89～35.34 ℃，平均温度为31.91 ℃；与其相比，测点5升温最快，出现2次峰值，在 13：00和15：00出现峰值33.83 ℃、38.01 ℃，后迅速回落；测点3温度范围是26.09～33.78 ℃，平均温度为30.71℃，居于各测点最小值，降温效果明显。秋季，对照测点1温度持续升高，温度变化范围为15.55～19.53 ℃，平均温度16.83 ℃；测点4升温最快，从14.10 ℃迅速升到21.90 ℃，为各测点所有时段最高值，平均温度为17.31 ℃，保温效果最好，温度回落后保持相对稳定；而测点3、5也有较好保温效果，平均温度分别为16.01 ℃和17.02 ℃。冬季，对照测点1温度范围为0.63～5.38 ℃，平均温度为2.84 ℃；与其相比，测点3的保温效果最好，温度变化范围是0.93～7.89 ℃，平均温度为3.88 ℃，最小值、最大值及平均温度均高于其他测点，其他测点的平均温度排序为：测点2 ＞测点4 ＞测点5。对各测点植物群落测量指标与温度平均值进行相关性分析（表3），发现温度与胸径、郁闭度、高度、叶面积指数呈正相关，且达到了极显著状态。

2.1.2 相对湿度

春季和夏季，各测点湿度变化趋势大致相同（图3）。春季各测点湿度均很低，非常干燥，变化趋势为09：00—11：00迅速降低，在14：00后湿度增大。对照测点1变化剧烈，变化范围是10.39～24.96%，变化幅度最大，为140.20%；变化幅度最小的为测点4，为91.90%，保湿效果最好。夏季，各测点湿度变化基本一致，与对照测点相比（湿度范围为19.35～39.25%，平均湿度24.91%），各测点平均湿度均高于对照测点，有显著或极显著的增湿效果：其中以测点2为最优，湿度范围为19.57%～46.27%，平均湿度为26.45%，其湿度高于其他测点，且下降缓慢；其次为测 点4，湿度变化范围19.08%～41.00%，平均湿度为25.83%。秋季各测点湿度上升到一定程度后处于动态平衡状态，与对照测点相比：测点2平均湿度为43.86%，湿度峰值为49.81%，湿度变化幅度最小，为41.82%～49.81%，保湿效果最好；测点3平均湿度、峰值分别为43.47%、51.59%，保湿效果较好。冬季，各测点湿度变化趋势为先下降后略有升高，与对照测点（平均湿度为2.84%）对比，平均湿度最大的是测点2，为32.96%，其他测点则均低于对照测点。各测点湿度与植物群落高度、叶面积指数呈正相关，达到了显著状态，而高度、郁闭度对其湿度影响较小（表3）。

4 受试点各季节风速变化分析图 Analysis chart of wind speed changes in different seasons of the tested points

表4 树种形态模型基本参数Tab. 4 Basic parameter of tree models with different shapes

2.1.3 风速

图4显示，与对照测点1相比（风速范围0.25～1.14 m/s，平均风速 为0.56 m/s），春季，其他测点在12：00之前均有良好的降风效果；之后，测点3～5出现风速峰值；测点2变化较小（风速范围为0.06～0.54 m/s，平均风速为0.22 m/s）；其次为测点3（风速范围为0.03～1.78 m/s，平均风速为0.40 m/s）。夏季，各结构风速范围、平均风速均低于对照测点（风速范围为0.27～1.67 m/s，平均风速为 1 m/s），有明显的降风作用。其中降风作用最好的是测点4，风速范围为0.06～0.50 m/s，平均风速为0.33 m/s；而通风最好的是测点3，风速范围为0.23～0.99 m/s，平均风速最大，为0.53 m/s。秋季，与对照测点相比（风速范围为0.07～0.48 m/s，平均风速为0.31 m/s），测点2变化稳定，平均风速最小，为0.19 m/s，降风效果明显；其次为测点4，平均风速为 0.27 m/s。冬季，测点3降风效果较好，平均风速低于对照测点（风速范围为0.10～0.97 m/s，平均风速为0.44 m/s），变化幅度较小，变化范围为0.05～0.65 m/s，测点3平均风速为0.28 m/s， 依次为测点2（平均风速为0.38 m/s）和测点5（平均风速为0.42 m/s）；测点4的风速起伏较大，最大峰值为0.85 m/s，平均风速为 0.51 m/s，高于对照测点。通过观察植物群落胸径、郁闭度、高度等对风速的影响（表3），发现这些指标与风速呈负相关，且达到了显著相关。

2.2 树木形态对模拟微气候的影响分析

实测结果表明，树木形态对微气候有较为显著的影响。为进一步探究树木影响微气候的机理，针对针叶及阔叶树种，就高度、形状、胸径3方面特征展开研究。以无乔木种植的模型为背景（即对照组），分别选取3种高度、形状、胸径的落叶乔木和常绿乔木进行对照分析，以相同的种植位置、种植数量构建模型，保证唯一变量恒定（表4）。分析不同特征的乔木对微气候的影响时，主要考虑植物在夏季的降温通风效果，春、秋、冬季的增温降风效果，以及四季的增湿效果。

表5 不同高度乔木微气候模拟数据平均值表Tab. 5 The mean value of simulation data for trees of different heights

表6 树木形态与微气候要素相关性分析表Tab. 6 Correlation analysis of tree morphology and microclimate elements

2.2.1 乔木高度对模拟微气候的影响分析

以大胸径、圆柱形紧密树冠作为落叶树的基本特征，大胸径、圆锥形紧密树冠作为常绿树的基本特征，分别选取园林常规高度 5 m、15 m和25 m的乔木进行模拟（表3）。

1）温度。不同高度的乔木对四季微气候均有不同程度的影响，且平均温度随乔木高度的增长而降低，呈明显的负相关性（表5）。树木越高其降温效果越明显，树高由5 m增加至15 m，四季平均温度下降幅度最大；由 15 m增加至25 m，下降幅度减缓。

2）湿度。春、夏、秋3季，植物均具有增湿作用。春季，增湿效应以25 m高落叶乔木最为明显，夏、秋季则为25 m高常绿乔木最为显著，冬季仅25 m高落叶乔木表现出明显增湿效果。树高由5 m增加至15 m，春、夏、秋3季平均湿度增长最快，冬季增至临近对照组；由15 m增加至25 m，湿度发生小幅度变化，表4结果也显示树木高度与湿度有明显的相关性。

3）风速。3种高度的落叶及常绿乔木在不同季节均有一定的降风作用，树木越高，降风作用越小，而通风作用增强，树高与风速呈显著正相关（表6）。25 m高乔木所营造的小环境出现最高风速平均值为1.69 m/s、较小风差为1.04 m/s，即小环境内各点风速均较大，通风效果显著；5 m高树具有引导风向上的作用，风速较低；树高由5 m增加至15 m，风速迅速提升，表现为通风作用。

通过比较，3种高度的乔木在春、夏、秋季均有降温增湿作用，落叶树及常绿树无显著区别，5 m树高在四季中降风作用突出，在冬季增温降风效果优于其他2个树高，但在夏季降温通风效果低。

2.2.2 乔木形态对模拟微气候的影响分析

以城市园林中所占比例较大的树高（15 m）作为模拟基值，大胸径、紧密树冠作为基本特征，分别选取圆柱形、心形、球形的落叶树及圆柱形、圆锥形的常绿树进行模拟，对比分析树形对微气候环境的影响（表7）。

1）温度。与对照组相比，各形状的乔木在四季均表现出不同程度的降温效果。3种形状的落叶乔木中，心形及球形树调节能力相近且降温效果较显著，心形树在夏季的降温作用最优，低于对照组（1.48 ℃），且冬季有微弱增温作用；圆柱形落叶树在秋冬季的无增温作用，与对照组温差分别为0.14 ℃、0.01 ℃。圆柱形常绿树在夏季降温最显著。

2）湿度。春、夏、秋3季，各形状的乔木均具有增湿作用。落叶树、常绿树均以圆柱形树木增湿效应显著，圆柱形常绿树3季分别可增湿2.79%、5.43%、2.24%，冬季则无增湿效果，且各组湿度变化范围接近，心形落叶树与对照组湿度最为临近，仅相差0.01%。

3）风速。不同形状的常绿树对风速的调节能力均优于落叶树，圆柱形常绿树在四季均可增大风速、各形状落叶树在四季均有通风作用，数据显示，球形树种比其他形状树种降风能力好，心形、球形落叶树与圆柱形常绿树在夏季通风作用较好，心形落叶树所营造的小环境的最高风速平均值为1.56 m/s，通风效果显著。

表7 不同形态乔木微气候模拟数据平均值表Tab. 7 The mean value of microclimate simulation data for trees with different shapes

表8 不同胸径乔木微气候模拟数据表Tab. 8 The mean value of microclimate simulation data for trees with different DBH

各形状的乔木在春、夏、秋季均具有降温增湿作用，乔木形状与温湿度、风速的相关性呈极显著（表6）。圆柱形落叶树在秋、冬季有降风效果，且在秋、冬季增温、增湿、降风效果优于其他形状的树种；心形落叶树（及圆柱形常绿树）在夏季降温、增湿、通风效果优于其他形状树种，但在过渡季、冬季效果低。常绿乔木树形与温度、湿度、风速有显著相关性，落叶乔木的树形则显著影响湿度的变化（表4）。

2.2.3 乔木胸径对模拟微气候的影响分析

以15 m高度、圆柱形与圆锥形紧密树冠作为基本特征，分别选取大（＞ 23 cm）、中（11～23 cm）、小（ ≤10 cm）3种胸径的落叶及常绿乔木进行模拟，对比分析胸径对微气候环境的影响（表8）。

1）温度。不同胸径的落叶树的平均温度均小于对照组，有不同程度的降温效果，中等胸径落叶树在秋季降温最显著，达1.15 ℃；不同胸径常绿树在夏、秋季有降温效果，春、冬季有增温效果，与对照组相比，小胸径常绿树在春、冬季温度分别提高0.17 ℃、0.21 ℃。

2）湿度。不同胸径的落叶树对湿度的调控作用相近，以大、中等胸径最为接近；常绿树作用突出。春、夏、秋3季，各乔木均可增加湿度，小胸径常绿树增湿作用优于落叶树，较之分别多增加湿度1.77%、7.87%、5.08%。冬季，表现为降低湿度。夏季，小胸径乔木增湿效果最为显著，落叶树增湿达7.14%，常绿树达14.01%。

3）风速。胸径的改变对风速的影响微弱。各胸径乔木在春、冬季均具有通风作用，中等胸径常绿树作用最强，风速分别增长 0.86 m/s、0.31 m/s。夏季，大胸径乔木可有效通风，落叶树风速增长0.03 m/s，常绿树增长0.09 m/s（表5）。秋季，小胸径乔木均可降低风速，常绿树作用最强，可降0.48 m/s。

综上所述，不同胸径的乔木对微气候要素的调控作用有区别，且与温度、湿度、风速呈显著相关性（表6），其中常绿树作用更为积极。各乔木在夏、秋季均具有降温增湿作用，在春、冬季均有通风效果，仅大胸径乔木在夏季具有通风作用，小胸径乔木秋季降风效果明显，小胸径常绿树在春、冬季有增温作用，且在春、秋、冬3季增温、增湿、降风效果较好，夏季则以降温、增湿效果最佳。

2.2.4 实测数据与模拟模型有效性验证

通过对实测数据和模拟模型数据进行验证，采用相同季节、相同时段的常绿树种、落叶树种的数据进行对比，利用平均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）、平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）、平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE）反映模型的精度和适用性[20]。研究区域四季空气温度、湿度、风速模拟值与实测值之间的RMSE范围分别为0.72～0.97 ℃、0.57～1.06%、 0.73～1.06 m/s，MAE分别为0.52～0.89 ℃、0.42～0.91%、0.51～0.97 m/s，MAPE分别为3.15%～5.53%、2.84%～5.58%、3.12%～5.55%，而评估ENVI-met模型的误差范围分别为RMSE：0.62～1.35、MAE：0～1.5、MAPE ≤10%（表9）。本研究模拟值与实测值之间的误差均符合误差范围，说明模拟模型与实测有较好的拟合度，ENVI-met模型可以反映所测地块的微气候环境，证明实验的有效性。

表9 受试点实测值和模拟值拟合度分析Tab. 9 Fit degree analysis of measured and simulated value at the tested points

3 讨论

3.1 不同植物群落结构对温度的影响分析

植物群落特征（高度、郁闭度、叶面积指数、树冠形态）直接影响林地内的微环境（温度、湿度、风速等），从而使得不同林地内微环境存在显著差异。因此，合理的测定和预估方法直接影响结果的准确性。实测数据和模拟模型数据验证结果表明（表9），实测与模拟模型数据的拟合度较好，二者均可在一定程度上反映植物群落对微气候环境的影响。测点3在春、冬季保温，夏季降温效果最好，而测点3、4分别在秋、冬季具有较好的保温能力，测点2次之。测点3和4是阔叶疏林，郁闭度、叶面积指数均相对较大且树种多样，以小胸径、心形乔木为主，模拟模型数据显示心形树具有夏季降温、冬季增温的效果，可能与其夏季冠大荫浓、冬季透光率高、保温效果较好有关；模拟结果也显示小胸径、低矮的乔木在冬季具有增温效应 （表5、8），验证了实测结果。Shahidan等[21]利用ENVI-met模型比较了不同叶面积指数树木群落的降温性能，证明树木的降温、保温与群落特征有密切关联。测点3和4普遍为小胸径，树木间无遮挡，故温度较高。测点2乔木冠径在5 m左右，均为小胸径，保温效果较好。各形状树木对温度的调控能力不同，心形树冠幅大、叶面积大，可形成紧密的林下空间，有效遮蔽阳光、降低温度。卫笑等[22]在对树冠空间结构的研究中提出“上大下小”型树冠的乔木群落对整体区域和林冠下方区域的降温、增湿效果的表现最好，主要原因是该类型树冠的乔木能为林下提供更好的遮阳空间，提高降温、增湿效果。此外，植物群落内不同大小林隙内的光照条件也会影响气温和相对湿度的变化[23]，Shibo Sun[24]在其热舒适度研究中提出可增加较高树木的覆盖率，改善微气候，达到更好的热舒适水平，因此可在植物种植时多选择一些较高的阔叶树，与针叶树搭配种植，冬季树叶凋零，且枝干矮小，场地阳光直射面积大，温度增高。

3.2 不同植物群落结构对湿度的影响分析

植物群落通过蒸腾作用来调节其周围环境的湿度。图4、表3结果显示，测点4在春、夏季的增湿作用明显，测点4为阔叶疏林，以心形和圆球形树冠为主，且都属于中、小型胸径，郁闭度、叶面积指数与湿度呈正相关（表6），而模拟结果表明，心形及小胸径的乔木增湿效果明显（表7～8），与实测结果相互印证，因为心形树冠遮阴效果好，温度较低，减缓蒸腾作用，增加湿度。相关研究也表明，公园林地夏季平均增加湿度为3.91%，且群植树的小气候效应明显高于孤植树[25]。测点2在夏、秋、冬季有较好增湿作用，常绿树竖向结构层次分明，增加荫蔽，且在秋、冬季不脱叶，可保持相对频繁的蒸腾作用，故较之阔叶树种具有良好的增湿作用。有研究表明，城市森林冠层通过削减太阳辐射和降温、增湿等对城市森林小气候具有显著的调节作用，且植物竖向结构、冠幅均会影响湿度[26]，而植被结构越复杂，植被对于冬季冷风的遮挡作用和夏季的降温、增湿作用也随之增强[27]。

3.3 不同植物群落结构对风速的影响分析

树木群落对风环境的影响与诸多因素有关，如树木高度、胸径、树冠形态和大小、叶面积指数等[28]，本研究发现树高、胸径、叶面积指数等与风速大小呈显著负相关 （表3）。观察图5，春季测点2降风、通风效果最好，夏季以测点2、冬季以测点3降风效果最好。研究地区春、秋季风速较大，树种配置主要考虑防风作用，测点2为圆柱形针叶林，通过改变其竖向结构予以控风、导风，从而影响风速。黄笑等[29]研究表明，圆锥形林冠降风效果优于圆台形和椭圆形，与本研究圆柱形和圆锥形常绿树有较好降风效果的结果相近。夏季测点2和3通风作用良好，这与圆柱形常绿树、心形落叶树夏季增大风速的模拟结果一致（表7）；测点2针叶疏林的竖向结构丰富，分枝点高，易形成气流通道，风速较大。落叶阔叶心形树的树冠之间上方形成夹角，易构成气流通道，可增强风速，冬季心形树木低矮，风吹来时穿过树枝，形成气流屏障，以降低风速。测点4的夏季降风效果好，与模拟结果相似，因为球形树冠饱满，树冠可最大程度连接，以形成完整的气流屏障，降低风速。王晶懋等[30]研究也表明场地微环境的植物群落会影响风环境，可印证本研究的结果。

4 结论

通过对广场内不同林地的实测及常见乔木形态的模拟分析结果，得到如下结论： 1）植物调节微气候具有明显的季节性，主要通过高度、冠幅、竖向结构影响场地微气候；2）乔木高度、形状、胸径可直接影响微气候环境，25 m高、心形、中等胸径的落叶乔木在夏季的降温、增湿、通风作用明显，5 m高、圆柱形、小胸径的落叶乔木在春、秋、冬3季增温、增湿、降风效果最优，故可依据地区特点合理配置树种。测试点地处半干旱地区，依据其气候干燥、多风等特点，广场植物种植可采用大型落叶乔木为主、常绿乔木为辅，在主导风的上风向及广场周围宜种植具有导风、防风效果的高大乡土树种，例如新疆杨（Populus alba）、国槐（Sophora japonica）、圆柏（Sabina chinensis）、侧柏（Platycladus orientalis）等高大乔木；广场内休息区位置附近，可种植冠幅较大的落叶乔木（如小叶榆、国槐及白蜡等）和适当比例的常绿植物，高低搭配，疏密有致，以吸引人群、提高广场参与率与使用者的舒适度。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图表均由作者绘制。