校园不同景观空间小气候舒适度研究
——以福建农林大学为例
2020-07-16陈凯旋叶沐涵蒋文斌宁春娇曾静雯
陈凯旋，叶沐涵，蒋文斌，宁春娇，曾静雯，黄 河
(1.福建农林大学金山学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学园林学院，福建 福州 350002)
小气候(micro-climate)泛指在相同大气特点范围内由地表、人类和生物活动而形成的较小范围内的特殊气候状况[1]。小气候对周边环境及人体舒适性均具有重要影响，研究其影响机理对提升人居环境质量有着重要意义。从风景园林角度研究小气候，主要通过研究景观要素中的植物、水体、建筑、铺装及其所依附的空间来揭示小气候变化的内部规律，有利于塑造舒适的环境。
目前，有关于小气候与人体舒适度及温湿指数的研究大多集中在商业街区[2]、居住区[3]、公园等公共场所[4]，对人群活动较为集中且与师生身心发展关系密切的校园活动空间的小气候舒适度研究较少[5]。校园是师生学习交流、休闲活动的主要场所，且该场地具有人口密度高、使用率高的特点，对校园环境小气候研究显得更具意义，舒适的校园环境能为师生户外活动、交流、学习提供轻松惬意的氛围[6]，有促进身心发展和减轻精神疲劳的效果。[7]
本文对福建农林大学活动空间小气候进行研究，利用NK 5500 LINK风速气象仪对校园人群活动空间小气候进行实测，对比分析不同校园活动空间设计要素对校园环境小气候的影响，结合温湿指数和人体舒适度评价，探求各景观要素与小气候之间的关系，为建设更加舒适的校园人群活动空间提供启发和参考。
1 研究区概况与方法
1.1 研究区概况
研究区位于福建省福州市福建农林大学，夏季均温为26～34℃，属于典型的亚热带季风气候，夏长冬短，夏季以晴热高温天气为主[8]。
1.2 实测内容与研究方法
针对不同类型空间进行小气候数据测量，通过所测数据，分析、比较不同校园人群活动空间的小气候效应状况。实验测定选取晴朗少云的天气，测定时间为2018年7月13日上午7∶00至2018年7月13日晚上 19∶00，总计12 h。根据实验目的，在校园中选择A、B、C、D 4种空间类型点位(表1)。
表1 各类型空间及周边环境
利用美国产的NK 5500 LINK风速气象仪，对选定场地进行连续12 h定点测量。按照相关测定规范，采用定点定位观察法，气象仪测量的气象指标包括：温度、湿度、风速等。为了保证实验数据的典型性和可操作性，本研究分别在临水型空间的茶人码头、建筑围合型的田间实验楼、林荫型的将乐路、空旷广场型的中华园4个区域布置测点，累计使用仪器3台，每1 h读取数据一次，测量高度距地面约1.5 m。因发现当阳光直射温度感应器时，气温指标会异常升高，故在仪器使用过程中，避免阳光对温度传感器直射，以保证数据的准确性。
1.3 人体舒适度指数
人体舒适度是依据人体与周围环境之间热量平衡原理，从气象环境角度来评价人体在不同外在环境下舒适程度的生物气象指标。[9]从气候条件分析,以温度、风速、湿度3因素对人体的生理和心理影响最为敏感。[10-13]本研究人体舒适度指标采用陆鼎煌环境卫生学方法的综合舒适度指标[14-15],全面考虑气温、风速、相对湿度3个指标进行描述(表2),综合舒适度指标计算公式如下：
S=0.6(|T-24|)+0.07(│RH-70│)+0.5(│V-2│)
式中：S为综合舒适度指标; T为空气温度(℃); RH为空气相对湿度(%);V为风速(m/s)。设定：S≤4.55为舒适;4.55
表2 人体舒适度评价标准
2 结果与分析
2.1 温度变化趋势与差异性分析
当天天气预报最高气温为37℃，最低气温为27℃，根据本研究所测量出的A、B、C、D 4个点位的温度来看，波动均在合理范围内(图1)。
图1 各类型空间温度随时间变化趋势
将连续12个小时测量所得数据进行对比分析，发现4个不同类型空间的温度变化趋势呈现A>B>D>C的情况，其中B、D点变化趋势近乎相同，C点的降温功能远胜于A、B、D点，就算在太阳辐射最强烈的12∶00-15∶00间，温度也仍处在一个相对稳定的区间。由此可见，乔灌草群落构成的林荫型空间有着很好的温度调控功能。
从图1可知，A、B、C、D 4种空间点的温度随着时间段推移，变化趋势大体相同——在 7∶00—12∶00 处于上升趋势；在 15∶00—18∶00 处于下降趋势。在 12∶00—15∶00 时间段因为大部分太阳辐射被云层所遮蔽，导致A点出现温度骤降和骤升的现象。图中还能看出，C点的温度变化趋势整体较为平缓，且平均温度均低于A、B、D点；而A、B、D点在 8∶00—15∶00 的整体温度变化波动较为明显。其中A、B点的最高最低温差分别为6℃和5℃，变化趋势较大；C、D点的最高最低温差分别为3.9和4.8，变化趋势较小。
从图1可知，属于临水型空间的A点整体温度高于其他3个点，原因是A点虽临近水体，但周围既没有树木枝叶或灌木截留太阳辐射，也没有建筑物遮挡阳光，整个空间基本处于太阳直射状态，因此，该点在12∶00时的温度比另外3个点高。可见，在没有遮挡物和植物的环境下，只靠水体蒸腾的降温效果并不显著。而在14∶00时温度骤降，是因为当时出现了大片云层，太阳辐射效果减弱，周围水体蒸发吸收热量并蒸发水汽使得空气温度得以下降，且当时的风速达到了0.9 m/s，是该点当天风速的最大值，空气流动的加快让水体的降温效果更加明显。
B点属于建筑围合型空间，尽管该空间植物稀少，但周边建筑起到了一定的吸收、遮蔽太阳辐射的作用，使得B点避免了全天处于太阳辐射直射的状态。因为该点处于建筑物间，可活动空间在4个测点当中最小，空气的流动速率也是4个空间中最快的，再加上混凝土的比热容较小，放热与吸热的速率快，这使得8∶00—15∶00时，在云层和建筑物的遮蔽、吸收、反射的作用下，温度出现了较大的波动，尽管如此，该点整体温度仍低于阳光直射时间较长且只有一个温度变化因素的A点。
属于林荫型空间的C点整体温度低于其他3个点,最高温也仅有32.6℃。经调查，C点位于林荫树下，高大的树形和茂密的树冠形成顶面覆盖空间，除此之外，周围还有大量的灌木草本覆盖，乔灌草的立体结构有效地减少了地表对热辐射的吸收，起到极佳的降温效果。
D点属于空旷型空间，因周边无遮阳和植物水体，温度比A、B、C点高，数值的变化也更为频繁。其中，温度在9∶00和11∶00—12∶00时有所下降，是由于在9∶00时风速达到了1.2 m/s，相比8∶00和10∶00升高了0.8 m/s；10∶00—13∶00时风速达到了1.25 m/s，当时在云层的遮挡和空气快速流动的情况下，温度的上升趋势得到了减缓。
2.2 相对湿度变化趋势与差异性分析
相对湿度总体变化趋势呈现C>A>B>D的结果，这与温度变化的趋势一致(图2)。
图2 各类型空间湿度随时间变化趋势
A点位于求知路中心茶人码头，三面环湖，周围没有遮蔽物和蒸腾作用的植被，全天处于阳光直射状态，所以水汽是影响空气相对湿度的主要因素，由图2可知，A点湿度仅次于C点，表明水体对湿度的调控效果较强，在14∶00时，该点的相对湿度出现了较大的波动，是因为13∶00—14∶00 时段温度升高，水体蒸腾作用加大，导致出现了相对湿度突然升高的现象。
B点下垫面由混凝土构成，周围几乎没有植物、水体及其他影响相对湿度的因素，因此相比起其他 有着影响因素的测量点，在空气本就干燥的情况下，该空间的相对湿度并没有因为温度的暂时降低而出现上升的趋势。B点比D点湿度稍高，尽管两处都没有调控湿度的景观要素，但因B点处于遮阴状况下，空气中的相对湿度保持较好。
C被乔灌木围绕，从图2可知，C点湿度最高，原因是因为该地有着由高大林荫树构成的顶面覆盖空间，在 12∶00 和 14∶00 之间湿度明显升高，原因是中午日晒强温度升高，植物构成的空间因叶面积大导致蒸腾作用较大，空气中的湿度上升较快，再加上周围乔灌草群落结构吸收并反射太阳辐射，搭配植物特有的蒸腾作用，起到了显著的增湿降温效果，植物围合空间使得蒸腾的水分不像其他开阔空间能够快速扩散，这也导致了该空间的空气湿度远高于其他空间，从而使该空间的相对湿度高于A、B、D点。
D点下垫面为大理石铺砖，比热容较高，与B点一样没有植物和水体调控湿度，两者湿度变化趋势相似，但因D点全天无遮盖，湿度总体上比B点低。
2.3 各空间类型人体舒适度情况
根据人体舒适度公式量化人体舒适度，并根据人体舒适度指标作出评价，如表3、表4、表5、表6所示。
表3 A点空间各时间段舒适度及评价
表4 B点空间各时间段舒适度及评价
从表3、表4、表5、表6可知，C点在观测时间内的人体舒适度始终维持在舒适和较舒适的稳定区间，而A、B、D点的人体舒适度指数在大部分时间段临近不舒适指标，甚至出现了不舒适的情况。经计算发现：相比A点的临水型空间，C点的林荫型空间改善环境功能更强，达到了13.38%；相比B点，C点可改善环境舒适度14.9%，A、B点虽都有遮蔽物，但从图表数据可以看出由植物群落所构成的覆盖空间更能改善、调节空间小气候；相比D点，C点可改善环境舒适度15.6%，D点的少量植物与C点的植物群落相比所起到改善人体舒适度的作用微乎其微。这也说明在A、B、C、D 4类空间中，乔灌草群落丰富的C点更适合校内人群活动。
表5 C点空间各时间段舒适度及评价
表6 D点空间各时间段舒适度及评价
4种空间人体舒适度变化为C>A>B>D的顺序，其中A、B点变化趋势近乎相同(图3)。
图3 各类型人体舒适度指数随时间变化趋势
3 结论
实测结果表明，校园不同人群活动空间夏季小气候变化情况与其空间类型、遮阴状况(周围环境)密切相关。在同一天气下，影响人体舒适度的主要因素是温度及相对湿度。
本研究同步测量了福州市福建农林大学内4种不同类型空间的小气候因子，从人体舒适度角度评价：A点作为临水开敞型校园人群活动空间，小气候要素值变化的幅度较小，小气候环境较为稳定，但在中午高温环境下的整体舒适度不高；B点和D点作为围合型校园人群活动空间和半开敞活动空间，小气候要素值变化幅度较大，小气候环境不稳定，整体舒适度较低；C点作为行列式校园人群活动空间给人体感受较为舒适的时间最长，小气候要素值的变化幅度较小，小气候环境较为稳定，相对于其他3个点，在高温环境下依旧能保持舒适。分析C点的空间构成有：建筑物——遮阴、提高风速；高大树形、茂密树冠的行道树，可形成顶面覆盖空间——遮阴、蒸腾作用增加空气湿度；地面铺砖选择防腐木类的透气性木栈道——提高土壤与空气中水分的互动性，增加空气湿度；林下大量的覆地植被——减少了地表热量的吸收,降温效果显著；周围靠近水源——水份蒸发增加空气湿度，在同一高温天气条件下，能够降低湿度指数，人体舒适度得以提升。
