冠顶式步道秋季微气候效应研究——以福州“福道”为例

高仰驰，余坤勇，刘艳芬，杨柳青，陈凤飞，刘 健,3*

(1.福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002；2.3S技术与资源优化利用福建省高等学校重点实验室，福建 福州 350002；3.福建农林大学 林学院，福建 福州 350002)

随着城市化进程的加快，城市热岛效应显著，高温、高热的户外环境与人们追求健康户外生活的矛盾日益凸显，改善户外热舒适成为城市设计与景观设计的重要内容。“冠顶式步道”(treetop walk,TTW)[1-2]最早出现在20世纪80年代后期的欧洲国家，步道通过支撑结构被放置在距离地面12～40 m的空中，以便公众可以在绿树成荫的无障碍步道系统之间穿梭。90年代开始，冠顶式步道从起初的为了满足科学研究活动的需求转变为以满足普通民众的科普体验、健身休闲和景观游憩的需求[3]。相比于国外，我国冠顶式步道的研究尚处在初始阶段，福州“福道”建于2016年，为国内首条冠顶式步道，其设计充分尊重自然地形，使人们能够通行在过往难以接触到的自然环境中[4]。国内多位学者对福道进行了研究，曾真等[5]探讨分析了福道游客的游憩动机与行为特征，针对不同人群的人口统计学特征和娱乐行为差异，提出了针对游客的游憩动机和行为特征为导向的城市绿道现状优化策略。许晓玲等[6]运用模糊评价法对福道游客满意度进行综合评价，得出了风俗特色、建筑小品等12个影响游客满意度的显著因子，为福道建设提供科学理论指导及实际建议。林月彬等[7]运用以“W-F定律”、GST法和AHP法共同确立的研究方法，对福道的景观环境现状展开研究发现，福道及周边环境优异，能够同时兼顾公众的锻炼需求与休闲游憩需求。以往关于福道的研究，主要集中于对景观环境、游憩体验的评价，近年来许多学者对城市街道、公园、广场等空间的微气候环境进行了研究[8-10]，而冠顶式步道作为新型的城市森林步道，环境特征与其他景观环境有所差别，其良好的微气候环境有益于人体健康，同时也影响了公众的游览意愿。

本研究以福州福道梅峰山地公园段为例，观测福道不同类空间秋季微气候(空气温度、相对湿度、风速、光照强度)的日动态变化特征，同时获取各测点的天空可视因子、盖度与景观特征，采用舒适度评价指标对福道不同类型空间、不同时段进行人体舒适度评价，并分析舒适度与各微气候因子、天空可视因子、冠层覆盖度的相关性,旨在探讨如何使冠顶式步道的微气候环境更加舒适，以期丰富理论研究，为冠顶式步道的建设作出一些有益的尝试。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福道位于福建省福州市，全线长19 km，沿线分布着10个标志性的场所入口，东北连接左海环湖栈道，西南连闽江，随着山势环绕了象山、后县山、梅峰山、金牛山等山体脊，贯穿福州5大公园，旨在将丘陵地带与森林地区融为一体。福道是福州市首条城市山水生态休闲健身走廊，其主体采用空心钢管桁架组成，步道面板采用间隔<1.5 cm的格栅板，方便无障碍通行，每隔500 m左右设置休息平台或观景平台，休息平台设有座椅与遮阳顶棚，方便游客休息。研究选取位于福道中段的梅峰山地公园段为对象，该区步道长1.5 km，顺着山势与福道主轴线相连，是福道的重要节点和主要出入口之一。

1.2 研究方法

1.2.1 样点的选择 通过实地考察，本研究按照线性栈道、观景平台、休憩平台对研究区域内的空间进行分类，其中线性栈道包括：两侧有树、两侧无树、单侧有树3类。按照该分类，在研究区均匀布设10个测点并在研究区外空旷的水泥路面选取1个点作为参照点，分析对比福道相同空间类型、不同空间类型的微气候环境特点，各测试点的分布情况及参数见图1、表1。

表1 各测点设置情况Table 1 Setting of each measuring point

图1 各测点的分布情况Fig.1 Distribution of each measurement point

1.2.2 测定时间、内容及方法 试验测定时间为2019年9月27-29日连续3 d(表2)，天气晴朗、无风(风速<2 m·s-1)，每天8:00-18:00，每隔2 h在各样点中心距离地面1.5 m处同步测定各观测点的空气温度、相对湿度、风速、光照度，按不同方向重复测定3次，实测结果取平均值。测试仪器包括美国手持综合气象站(Kestrel5500)、照度计(TES-1339R)。同时获取各测点的天空可视因子与盖度，采用鱼眼镜头采集各测点顶部遮阴覆盖空间影像图,利用Photoshop进行像素化处理,获取测点空间的天空可视因子[11]；各测点盖度的估测由3人同时进行，通过去平均值得到最终结果[12]。

表2 各测试日天气状况Table 2 Weather conditions on each test day

1.2.3 数据处理 降温率、增湿率计算公式[13]：

dT/%=(Tp-Ta)/Tp

(1)

dRH/%=(RHa-RHp)/RHp

(2)

式中，dT(%)为降温率；Tp为对照点温度；Ta为测点温度；dRH(%)为增湿率；RHa为测点湿度；RHp为参照点湿度；

遮光率计算公式[14]：

dL/%=(Lp-La)/Lp

(3)

式中，dL(%)为遮光率；Lp为对照点光照度；La测点光照度；

本研究采用《人居环境气候舒适度评价》中提出的温湿指数(THI)作为评价人体热舒适度主要指标[15]，计算公式为：

I=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

(4)

式中,I表示温湿指数，T表示空气温度(℃)，RH为空气相对湿度(%)。其等级评价标准见表3。

表3 人体热舒适度等级评价标准Table 3 Human thermal comfort level evaluation criteria

2 结果与分析

2.1 各测点微气候定量分析

2.1.1 空气温度效应分析 图2呈现了各测点的温度日间变化特征。10个测点及对照点的空气温度随时间呈现先上升后下降的单峰形变化，各测点最低温均在8：00-10:00，12：00-14：00各测点均达到全天最高温度。与对照点相对比，各测点都有一定的降温效应(表4)，其中AT类降温效应最佳，其日均降温强度为：1.7℃～3.9℃，平均降温率达9.2%。LP类降温效应最弱，其降温强度为：0.5℃～1.8℃，平均降温率达3.9%。在相同类型测点之间进行比较发现，各类型测点内部均存在一定差异，其中差异最大的为VP1与VP2，日均降温强度平均值相差1.1℃，日均降温率相差2.8%。

图2 对照组与各测点空气温度日变化特征Fig.2 Diurnal characteristics of air temperature in the control group and various measurement points

2.1.2 相对湿度效应分析 从图3可以看出，对照点及不同测点相对湿度的日间动态均呈近“U”形变化，8：00-10：00相对湿度最高，气温的上升导致相对湿度迅速下降，12:00-14:00相对湿度降至1 d中最低值，随后空气相对湿度呈缓慢上升趋势。与对照点相比各测点都有一定的增湿效应(表4)，HT和AT类日均增湿强度最高，HT类日均增湿强度为2.9%～9%，平均增湿率为11.5%；AT类日均增湿强度为3.1%～8.6%，平均增湿率与AT类相同；NT类增湿效应最弱，日均增湿强度为1.5%～3.5%，平均增湿率为4.8%。对相同类型的测点进行比较，HT1与HT2差异最大，增湿率相差1.7%，NT1与NT2差异最小，增湿率相差0.7%。

图3 对照组与各测点相对湿度日变化特征Fig.3 Characteristics of daily changes in relative humidity between the control group and each measurement point

2.1.3 光照强度效应分析 从图4可以看出，对照点及不同测点的光照强度日动态基本呈单峰分布，日间光照强度的最高值均出现在12:00-14:00，该时间段内各测点与对照点光照强度的差值最大，最低值均出现在16:00-18:00。与对照点相比，除NT类其余测点均有一定的遮荫效果(表4)，其中遮光强度最大的为VP2,其日均遮光强度为8 554～53 907 lx,遮光率达76.8%；遮光效应最弱的为NT2，其日均遮光强度为-3 046～-22 596 lx，遮光率达-45%。在相同类型测点中，VP1与VP2遮光效应差异最大，日均遮光强度相差14 190 lx，遮光率相差47.8%，遮光效应差异最小的为NT类，日均遮光强度相差1 518 lx，遮光率相差2.1%。

图4 对照组与各测点光照度日变化特征Fig.4 Diurnal characteristics of light intensity in the control group and each measurement point

2.1.4 风速效应分析 从图5可以看出，将对照点与各测点风速日平均值进行比较，各测点风速日动态变化并无明显规律，因此未计算各测点的降风强度与降风率(表4)，风速值最高的测点NT2与风速值最低的测点LP2的日均风速差值达(1.4 m·s-1)，测点NT2、NT1、VP1、AT2日均风速均高于RP。HT与LP类测点的遮风效果最明显，NT类的日均风速最大。对相同类型测点进行内部比较，其中VP1与VP2两相同类型测点风速日均值相差最大，差值为1 m·s-1，其余同类型测点内部之间日均风速值几乎无差异。

表4 各测点空气温度、相对湿度、光照度和风速比较Table 4 Comparison of air temperature,relative humidity,light intensity and wind speed at each measurement point

图5 对照组与各测点风速日变化特征Fig.5 Characteristics of daily change of wind speed in the control group and each measurement point

2.2 人体舒适度分析

由表5可以看出，8:00-10:00对照点及各测点的舒适度指数均在17～25.4，人体感觉舒适，而12:00-14:00对照点及各测点的舒适度指数均>25.4，人体有热感，较不舒适，该时间段内有且只有对照点舒适度为28，高于27.5，即这个范围内这种环境中人体舒适度感觉为闷热难受，不舒服，从不同测点的不同时刻舒适度指数来看，10个测点中只有1个测点(VP2)在5个时间段中有4个时间段均保持在舒适状态，另4个测点(HT1、HT2、AT1、AT2)只在3个时间段内保持舒适状态，其余测点1 d中只有8:00-10:00处于舒适状态。相比对照点，各测点都能够提高一定的舒适度指数，提高舒适度指数率为2.6%～7.1%,平均值为5.1%，其中只有HT类、AT类、VP2的日均舒适度均在17～25.4，其人体舒适度感觉为“舒适”，其他测点虽比对照点有增加一定的舒适度但其舒适度范围仍处于25.5～27.5，人体有热感，较不舒服。

表5 不同测点在不同时刻的舒适度指数Table 5 Comfort index of different measurement points at different moments

2.3 不同测点微气候因子、结构特征与舒适度的相关性分析

由表6看出，测点内的舒适度与空气温度呈极显著正相关(r=0.886，P<0.01),与相对湿度(r=-0.875，P<0.01)呈极显著负相关，与光照度具有极显著正相关关系(r=0.389,P<0.01)，与风速呈相关关系(r=0.149,P=0.279)。在各测点的结构特征中，舒适度与天空可视因子呈显著关系(r=0.311,P<0.05)，和盖度呈现负显著关系(r=0.343,P<0.05)。冠顶式步道的光照强度与各测点的结构特征具有极显著的相关性，与天空可视因子(r=0.568，P<0.01)和盖度(r=-0.693,P<0.01)分别表现为极显著正相关与极显著负相关。

表6 微气候因子、测点结构特征与THI的相关性分析Table 6 Correlation analysis of microclimate factors,structural features of measurement points and THI

3 结论与讨论

“福道”各测点与对照点相比，都能提高一定的舒适度指数，说明福道本身对于热舒适度具有一定的调节效果。空气温度与相对湿度是影响其舒适度的重要因素，而不同的冠层结构特征对各微气候因子起到调节作用。不同类型的测点提高舒适度指数的程度不同，单侧有树类、两侧有树类与观景平台2的热舒适度最好，而两侧无树与休憩平台类空间人体舒适较差，经过实地调研了解，福道主要为线性栈道，全程中两侧无树的空间占比最大且休憩平台类型一致，因此可推断，公众秋季在“福道”进行活动时的整体舒适度感觉较差,在现状情况下，建议公众在8:00-10:00时在福道进行活动，此时各测点舒适程度最佳。通过对微气候因子、舒适度指数、各测点的结构特征的相关性分析，结果表明它们之间存在显著的相关性。

通过对福道各测点微气候因子日动态测定发现，相比于对照点，8:00-18:00“福道”的空气温度低、相对湿度高，表明福道整体的微气候效应好于裸露的水泥地面，由于城市森林具有明显的降温增湿效应[16-18]，冠顶式步道设置于城市森林的上部空间，因此其所处环境因素对微气候效应产生了一定的影响。各测点中，相同时间段内的温湿度、光照度、风速有一定差异，说明各测点微气候变化主要受测试点所处环境差异影响。本研究的5种不同类型测点中，HT与AT类的整体降温增湿效应最佳，NT与LP类整体降温增湿效应弱，降温效应差为1.2℃～1.9℃，增湿效应差为1.4%～4.4%，这是由于效应佳的测点均被高大的植物围合，而效应弱的测点植被覆盖率低，LP类虽有构筑物三面围合，但其材质吸热，无法达到降温增湿的效果。NT类遮光效应弱，平均遮光率达-43%，VP2遮光效应最佳，平均遮光率达76.8%，这是由于VP2上部有构筑物围合，且四周植物茂密，盖度大，而NT类测点四周空旷无遮挡。NT类风速效应强，LP2与HT类风速效应弱，LP2在场地盛行风(东北风)面被玻璃遮挡，因此具有很强的防风效应；HT1在东北、西南处由相思树、构树围合，HT2的东北、西、南由芒果树及秋风围合，故而风效被大幅削弱。对相同类测点比较发现，各测点内部微气候效应存在一定差异，VP类内部降温、增湿、遮光、风速差异最为明显，VP1四周无植物围合，构筑仅有遮光作用，较于VP2茂密的植物围合，其降温、增湿、遮光效应均更弱；风铃塔处于VP1西侧，其他三面开敞，因此场地风速效应强，VP2北为一处大体量建筑物，西、南、东处被植物围合，故风速为稳定偏低值。综上所述，说明植被具有良好的降温增湿、遮阴效应，这个研究结果被国内外不同学者广泛证实[19-20];场地上各要素的空间布局对风速有重要的影响[21];测点的结构特征对测点的降温效应具有重要影响，即测点的天空可视因子越小，盖度越大，则测点内的空气温度就越低[22]。

本研究发现，人体舒适度与空气温度和相对湿度呈极显著相关关系，说明人体舒适度由各测点的空气温度和相对湿度共同影响，这与M.A.Ruizetal[23]、刘畅等[24]的研究结果一致。段玉侠等[25]研究发现，在半遮荫、无遮荫、全遮荫3种类型的空间中，人体舒适度感受为：全遮荫>半遮荫>无遮荫，人体热舒适感受与天空可视因子呈极显著相关，以上研究与本研究的结果大致相同，但本研究中,LP类测点的舒适度较差，根据相关性分析，人体舒适度与盖度和天空可视因子仅具有显著相关关系，这可能是由于本研究中LP类测点顶面为封闭式钢制屋顶，两侧为有机透明玻璃，其天空可视因子值为0，盖度值偏高，而导致天空可视因子和盖度与舒适度的相关性偏低。温湿指数是由空气温度和相对湿度共同构成的用来描述人体舒适度的综合影响指标，冠层结构通过对各测点微气候因子的调节作用，从而影响了环境舒适度水平[26]。

通过研究，对“福道”的秋季微气候改善提供以下建议：1)观景平台的选址可选择植物密度较高的场地，周围无景致可观赏的角度可进行植被的栽植；在现有观景平台中，设置坐凳以让公众驻足赏景的空间，可适当增加遮阳顶棚，营造半围合式空间。2)休憩平台中道路两侧的玻璃墙面可增加可开合式窗户，增加通风的同时可起到散热作用；在休憩平台内侧顶部可增加降温喷雾，以增强休憩舒适感。增加休憩平台的屋顶绿化，能够有效阻隔太阳辐射对屋面的直接照射，减少辐射热对构筑物内部热环境的影响。3)线性栈道类：在景致不够美观的路段可采用双侧植树方式，起到遮挡障碍物作用的同时能够增加栈道的舒适度；大多数路段可在靠近山体一侧增加单侧树木的栽植，选择本地树种中冠大荫浓、分枝高的落叶乔木，以保证遮荫与通风；减少对植被的过度修建，保证道路的荫蔽程度；对于周围不易植树且与周围植被冠顶相离较远的路段，适当增加遮阳顶棚。

本研究仅是冠顶式步道微气候效应研究的阶段性成果，仍存在一定欠缺，一方面，对舒适度评价指标的选择仅考虑了温度与湿度2个微气候因子，后期研究中可选择更加合理的舒适度评价指标。另一方面，仅对福道中部分段落秋季微气候特征进行了研究，对福道全程及四季的微气候效应研究还有待进一步深入。