半干旱区城市广场过渡季空间特征对微气候的调控效应研究

郭亚男

王爱霞*

城镇化的快速发展对环境产生了极大影响，人造空间取代了自然植被，出现了多种城市公共空间，形成了独特的微气候环境[1]。公共空间对城市微气候环境的影响在早期研究中就得到了验证[2]。城市广场分布广、占比大，是市民活动的重要场所，其内部微气候受季节、周边环境、绿化面积和下垫面形式等多种因素的影响[3]，舒适的微气候促使公众更愿意使用公共空间[4]，从而有效提高了空间的活力。因此，探讨微气候的影响因素对改善人体室外舒适度具有重要意义。目前，国外关于公共空间微气候的研究集中于植被[5-6]、水体[7]、空间形态[8]及替代材料[9]等对城市微气候的潜在影响，以及热环境的改善[10]、舒适度的提升[11]等方面。国内对城市广场微气候的研究多集中在严寒地区的冬季[12]和炎热地区的夏季，研究以极端季节微气候的实测及改善策略[13]、人体舒适度分析[14]等内容为主。其中，人体舒适度分析采用标准人体舒适度、生理等效温度等指标，此类指标可被应用于室外环境评价[15-16]。现有文献较少讨论不同围合条件下广场内各种下垫面配比对微气候的影响。本研究以地处半干旱区的内蒙古包头市为研究区域，其夏季短暂(约2个月)，气温平稳、凉爽，市民户外活动较多；春、秋过渡季持续时间长(约6个月)，太阳辐射强度适中，气候干燥、风速大、温湿度变化剧烈，对广场活力影响较大，因此选择在过渡季对4种下垫面的微气候参数进行实测，并进行ENVI-met模拟及人体舒适度分析，评估过渡季广场围合条件及下垫面配比对微气候的调控效应，得出最佳微气候调控配置模型，为提升半干旱地区城市广场活力提供设计理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

包头市地处蒙古高原南端(E109°15′～110°20′，N40°15′～42°43′)，位于半干旱区，属中温带大陆性季风气候，平均年降水量235～350mm。银河广场位于包头市青山区中心，南临钢铁大街，西靠民族东路，总面积约10hm2。广场东北角有高层建筑围合，其余三面均开敞(图1)。

图1 银河广场测点分布

1.2 实测内容与方法

采用仪器Tsto625温湿度计(精度±0.5℃、±2.5%RH；量程10～60℃、0～100%RH)、Tsto405-v1风速仪(精度±0.1m/s、量程0～10m/s)测定空气温度(℃)、相对湿度(%)和风速(m/s)。实测选择在春(3—5月)、秋(8—10月)季进行，每月在气流平稳、晴朗的天气条件下，对4种下垫面的微气候进行为期2周的测定。实测广场现状绿地-硬质比为13:7，绿地中疏林、密林、草地比为2:2:1，每种下垫面选择4个不同的测点，共计16个测点，测点情况如表1所示。测试时间为8：30—17：30，每小时测量5次并记录，结果取平均值。

表1 测点概况

1.3 模拟内容与方法

模型模拟的地块大小、气象参数、周围环境、植被状况和时间等初始参数设置与实测广场保持一致。根据《中华人民共和国城乡规划法》《城市广场设计导则》及前人的研究成果可知[17]：广场中绿地应占广场总面积的35%～75%，硬质铺装应占广场总面积的25%～65%，同时广场绿地中密林、疏林、草地的最适比为2:2:1，广场宽度与建筑高度的最适比为D/H=1.1～1.6，视距与建筑高度的最适比为L/H=1.5～2.5，封闭式广场建筑高度不宜超过广场宽度的1/2。基于上述要求，利用ENVI-met软件建立三维模型，模型尺寸为50m×50m×40m，网格单元大小为dx=2，dy=2，dz=3；模型中建筑高度为50m；硬质铺装(铺砖)面积占广场总面积的比例设定为65%、55%、45%、35%和25%，即绿地与硬质铺装的比例分别为Ⅰ-7:13、Ⅱ-9:11、Ⅲ-11:9、Ⅳ-13:7、Ⅴ-15:5；围合度为开敞式(A)、半开敞式[一面围合(B)、两面围合(C)、三面围合(D)]和封闭式(E)。

1.4 数据处理

1)采用SPSS 13.0、SigmaPlot 14.0等软件计算均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)、平均绝对误差MAE(Mean Absolute Error)和平均绝对百分比误差MAPE(Mean Absolute Percentage Error)来衡量观测值与模拟值之间的偏差，评价模型的精度[16](公式1～3)；量化分析围合度、绿地-硬质比与微气候及人体舒适度改善指数的相关性。

2)针对包头市气候条件，选用空气温度、相对湿度和风速3个要素为主要评价指标，计算受围合条件及绿地-硬质比影响下的人体舒适度改善指数[18](公式4)。舒适度指数评价采用中国气象局公布的9级标准划分法，其中半干旱区过渡季人体舒适度的应用范围为3～6级。

3)通过增温指数、增湿指数、降风指数和舒适度改善指数的变化来反映围合条件和绿地-硬质比对广场微气候调控效应的强弱[15](公式5～8)(表2)。

表2 公式计算表

2 结果与分析

2.1 广场不同下垫面各微气候因子实测结果分析

选取广场中硬质铺装、草地、疏林和密林4种下垫面为研究对象，统计春、秋季每天各测试时段内温度、湿度和风速的平均值，分析日变化趋势(图2)。

图2 测点各下垫面过渡季微气候要素日变化趋势

1)温度。春季各测点温度整体呈上升趋势。硬质铺装温度起伏较大，升、降温速度均最快，变化范围为12.13～26.49℃，变化幅度最大，为69.16%；与硬质铺装相比，草地、疏林和密林均有一定的保温效果，温度平均值依次为21.24、19.84和21.26℃，其中密林的保温效果最好，平均温度最高，起伏较小。秋季各测点温度变化趋势大体一致，硬质铺装温度变化幅度最大，为68.87%；与其相比，疏林平均温度最高，为15.07℃，且变化幅度最小，为44.59%，变化范围为10.80～17.52℃；其次为草地、密林，平均温度分别为14.96、14.75℃，变化幅度分别为53.48%、63.18%。

2)湿度。春季各测点湿度总体呈下降趋势，秋季变化趋势则为先降后升。与硬质铺装(春、秋季湿度范围分别为7.32%～20.09%、16.92%～39.00%，平均湿度分别为13.85%、24.72%)相比，各绿地均有一定增湿功能，其中密林增湿效果最好，春、秋季湿度范围分别为11.14%～27.46%、24.00%～47.00%，平均湿度分别为18.98%、29.75%；疏林居中，春、秋季湿度范围为10.08%～23.50%、24.00%～45.00%，平均湿度分别为16.78%、29.50%；草地最弱，春、秋季平均湿度分别为15.20%、28.50%。

3)风速。春秋季各测点风速呈波动变化。硬质铺装平均风速最大(春季风速范围为0.43～1.75m/s，平均风速1.10m/s；秋季风速范围为1.25～2.00m/s，平均风速1.55m/s)。与其相比，疏林、草地、密林均有一定的降风作用，且以密林降风效果最好，平均风速最小(春、秋季风速范围分别为0.13～0.84m/s、0.48～1.25m/s，平均风速为0.46、0.88m/s)；疏林居中，春、秋季平均风速分别为0.53、1.10m/s；草地最弱。

2.2 广场围合条件、下垫面配比对微气候及舒适度的影响分析

2.2.1 广场模拟值与实测值误差对比分析

通过对比分析银河广场春、秋季各微气候要素的平均实测值和模拟值(图3)可知，模拟和实测结果波动趋势一致且拟合度较高；日均模拟温度和实测温度误差为0.14～1.58℃；日均模拟湿度和实测湿度误差≤2%；日均模拟风速和实测风速误差＜0.5m/s。研究区域过渡季温度、湿度、风速模拟值与实测值之间的RMSE值分别为0.98℃、0.94℃，1.04%、0.86%，0.15m/s、0.06m/s；MAE值分别为0.86℃、0.83℃，0.85%、0.69%，0.11m/s、0.05m/s；MAPE值分别为4.29%、5.73%、3.12%、4.52%、8.90%和9.90%。模型的合理误差范围是RMSE：0～1.5；MAE：0～1.5；MAPE≤10%，说明该模型精确度高，实验有效。

图3 测点过渡季微气候要素模拟值与实测值拟合图

2.2.2 广场围合条件、下垫面配比对微气候及舒适度指数的影响分析

1)增温指数。比较计算春、秋两季增温指数平均值(表3)发现，相同围合条件下，不同下垫面配比对温度的调控效应不同，随着绿地占比的增加，增温指数呈先升后降的趋势。比较各下垫面配比的平均值可知，绿地-硬质比为11:9时保温效果最好，平均增温指数变化不大，而采用其他绿地-硬质比时温度均有所降低。分析绿地-硬质比与增温指数的相关性发现(图4a)，空间三面围合时，增温指数与绿地-硬质比呈显著负相关，在其他围合条件下，则相关性不显著。分析围合度与增温指数的相关性发现(图5a)，除绿地-硬质比为13:7外，围合度与增温指数相关性不强。综合比较可知，平均增温效益最高的是B2(南向一面围合)、绿地-硬质比为11:9的空间，其增温指数为0.28%；其次为B1(北向一面围合)、绿地-硬质比为15:5，以及D2(东南北围合)、绿地-硬质比为11:9的空间，增温指数均为0.06%。

表3 受围合条件及绿地-硬质比影响下的广场增温指数变化

图4 绿地-硬质比与广场微气候及人体舒适度指数相关性分析

图5 围合度与广场微气候及人体舒适度指数相关性分析

2)增湿指数。半干旱区过渡季降水少、气候干燥，广场主要以增湿效益为主。由表4可知，相同围合条件下，不同硬质-绿地比均有增湿效应，且绿地比率越大，相对湿度越高，绿地-硬质比为7:13、9:11、11:9、13:7、15:5时，平均增湿率为0.15%、0.18%、0.22%、0.25%、0.29%，增湿率依次升高。如图4b、5b所示，围合度及绿地-硬质比与增湿指数均呈正相关，除完全封闭外，其他围合条件下，绿地-硬质比与增湿指数的相关性均达到了显著状态。不同围合条件对湿度的调控效应表现各异，增湿效应最高的是A(完全开敞)与D3(东西北围合)且绿地-硬质比为15:5的空间，增湿率分别为0.62%、0.60%；其次为B2、绿地-硬质比为11:9、13:7、15:5的空间，增湿率分别为0.44%、0.41%、0.41%。

表4 受围合条件及绿地-硬质比影响下的广场增湿指数变化

3)降风指数。由表5可知，相同围合条件下，不同下垫面配比对风速的调控作用不同，观察降风指数值发现，绿地-硬质比为7:13时，广场降风效果最好，平均降风指数为0.11%。如图4c所示，绿地-硬质比与降风指数呈负相关，除四面围合外，均具显著相关性；如图5c所示，围合度与降风指数呈显著负相关，相关性最强的为绿地-硬质比为9:11的空间，相关系数为-0.848。围合度、围合方向及下垫面配比对风速均有影响，其中以D4(东西南围合)、绿地-硬质比为7:13的空间降风效果最好，为0.49%，其余依次为D4、绿地-硬质比为9:11(0.38%)，D1(西南北围合)、绿地-硬质比为7:13(0.34%)，D4、绿地-硬质比为11:9(0.33%)，B1、绿地-硬质比为9:11(0.28%)的空间。

表5 受围合条件及绿地-硬质比影响下的广场降风指数变化

4)舒适度改善指数。计算受围合条件及绿地-硬质比影响下的广场舒适度改善指数值可知(表6)，围合度、围合方向及下垫面配比对人体舒适度均有一定程度的改善。相同围合条件下，不同下垫面配比对舒适度指数的提升效果不同，完全开敞时绿地-硬质比与舒适度改善指数无明显相关性，其余围合条件下，绿地-硬质比与舒适度改善指数呈负相关(图4d)。比较绿地-硬质比的平均舒适度改善指数发现，绿地-硬质比为15:5时，舒适度提升指数平均值最大，为0.06%；绿地-硬质比为11:9时，舒适度提升指数平均值最小，为0.03%。相同绿地-硬质比条件下，不同围合度和围合方向对人体舒适度指数改善能力不同，绿地-硬质比为15:5时，围合度与舒适度改善指数呈显著负相关，其余为正相关(图5d)。改善指数最大的是C1(西北围合)、绿地-硬质比为13:7的空间，为0.12%，其次分别是B2、C3(东北围合)、绿地-硬质比为13:7，以及B2、绿地-硬质比为15:5的空间，改善指数均为0.11%。

表6 受围合条件及绿地-硬质比影响下的广场舒适度改善指数变化

3 讨论

3.1 广场下垫面各微气候因子的指数变化

如图2所示，过渡季4种下垫面中微气候变化最剧烈的是硬质铺装，其具有吸、散热快，湿度低，风速大的特点，其他绿地均有一定的保温、增湿、降风效应。春季以密林、秋季以疏林保温效果最好，过渡季均以疏林的保湿效果及密林的降风效果最佳。因春季密林新叶初长，遮阴作用小，光照足，其降风、保温效果较好；秋季疏林叶未落，透光度高，故保温效果较好。相关研究表明，相同环境下景观下垫面对微气候的影响与其吸热能力有关[19]。树木冠层通过削减太阳辐射等对城市微气候进行调节，且植物群落结构、冠幅、蒸腾作用等均会影响温、湿度[20]。绿地的降风和通风效果与绿地结构、种植间距、疏密程度和温差变化等均相关[21-22]，种植较疏，则气流方向性强，利于通风。

3.2 广场围合条件及下垫面配比对微气候的调控效应

1)增温指数。测点地处半干旱区的内蒙古，过渡季气温变化剧烈，且温度较低，因此广场设计首先需要考虑保温、升温效果，升温指数可反映各实验模块的温度变化能力。实测广场为东向一面围合，绿地-硬质比为13:7，经实验得出绿地内各下垫面均具有保温效应，实测结果与模拟结果一致。如表3，图4a、5a所示，广场围合度、围合方向及绿地-硬质比对增温指数均有影响，相同围合条件下，各绿地-硬质比均有一定的温度调节能力，其中以绿地-硬质比为11:9时温度变化较小，保温效果最佳[23]。广场不同围合条件下对增温指数的影响不同，围合度、围合方向均会影响广场内部环境。若广场完全开敞、无任何遮挡物、温度较高，可通过提高广场围合度增加建(构)筑的投影面积，改变光照、风速等微气候环境，从而影响下垫面配比对广场的温湿调控效应。绿地-硬质比为13:7时，围合度与增温指数呈显著正相关，其余比例相关性较弱，可能是围合度、绿地面积和下垫面类型等因素综合作用的结果。有研究表明，城市不同区域气温变化与下垫面的结构、性质差异等直接相关[24]，周围植被覆盖率、植被类型等也会影响绿地对热能的调控[25]。

2)增湿指数。如表4，图4b、5b所示，相同围合条件下，不同硬质-绿地比均具有一定的增湿效应。相同围合条件下，绿地-硬质比越大，增湿效应越强，绿地-硬质比为15:5时，增湿指数最大，增湿率为0.29%。绿地比例越大，植物蒸腾作用越强，湿度越大[15，20]。实测结果显示，广场绿地较硬质铺装有明显增湿作用，与模拟结果一致。广场围合度与增湿指数具有显著相关性，绿地-硬质比为15:5时，相关性减弱，可能与植物蒸腾速率降低、树木遮阴面积增加等因素有关[23-24]；此外，建(构)筑物遮挡面积和围合度对空气流通的调控等也会影响湿度变化[26]。

3)降风指数。如表5，图4c、5c所示，相同围合条件下，不同绿地-硬质比均有一定的降风效应，绿地-硬质比为7:13时降风效应较强，相关研究也表明植被对改善风环境具有积极影响[27]。绿地-硬质比相同时，广场三面围合的降风效果较强，可能与三面建筑可遮挡来自西北方向的季风有关。前人研究指出，建筑、绿地和植物等可通过通风作用促使风场形成良性循环，对风速产生影响，既会形成风道，发挥通风作用，又会形成风障，发挥阻碍作用[28-29]。随着建筑围合度的增加，对风的遮挡作用随之增强，从而使空气流通性减弱，风速降低[30]。

4)人体舒适度改善指数。由表6可知，人体舒适度主要受温度、湿度、风速的共同影响[31]。除完全开敞的空间外，其余围合空间绿地-硬质比与舒适度改善指数呈显著负相关(图4d)，绿地-硬质比为15:5时，舒适度改善指数最大。高绿地比可有效调控各微气候因子，改善人体舒适度[32]。过渡季节，除绿地-硬质比为15:5外，围合度与其余绿地-硬质比的舒适度改善指数均呈正相关(图5d)，可能是因为绿地面积增加，内部空气流通性减弱，通透性降低，导致舒适度下降[33]，因此对舒适度的改善效果有限。其中，C1、绿地-硬质比为13:7的空间平均舒适度改善指数值最高，原因是西北两面围合可阻挡气流，减少绿地蒸腾作用，从而改善人体舒适度。相关研究也表明，建筑布局、通风通道的设置和比例等也对人体舒适度有明显影响[34]。

4 结论

研究区域内各下垫面均有一定的微气候调控能力，其中疏林保温效果较好，密林增湿、降风作用较强。不同的围合条件及绿地-硬质比可有效调节城市广场局部的微气候环境，保温、降风的适宜绿地-硬质比为11:9、9:11，增湿效果与人体舒适度改善指数较好的绿地-硬质比则为15:5。建筑围合度和围合方向对微气候的调控效应及人体舒适度的改善能力具有明显差异，因此在进行广场规划设计时，应根据广场空间围合特征，通过科学计算选择合适的绿地-硬质比，以改善局地环境，提升人体舒适度。

注：文中图片均由作者绘制。