广州3种树冠覆盖度绿地的微气候与人体舒适度研究

郭浩轩 易慧琳 吴友炉 李银 谭广文

摘要城市绿地能有效调节局部微气候及缓解城市热岛。研究绿地的微气候与人体舒适度可为城市绿地规划提供参考。以广州市二沙岛为例，在夏季日间对岛上3种不同树冠覆盖度绿地的风速、空气温度和相对湿度等微气候因子进行连续3天的实测，并采用热舒适度预测不满意率（predictive dissatisfaction rate，PPD），将其作为人体舒适度评价指标。结果表明，树冠覆盖度越大，越舒適，其影响因素如下。（1）空气温度，高树冠覆盖度的绿地降温作用最明显，其日均温度比低树冠覆盖度的绿地低1.38℃，其中10：00-16：00高树冠覆盖度与低树冠覆盖度绿地的温度差异达显著水平，而低树冠覆盖度的绿地在18：00时温度在三者中最低;（2）相对湿度，高树冠覆盖度的绿地增湿和保湿作用最明显，其日均相对湿度比低树冠覆盖度的绿地高5.98%，3种类型绿地全天的相对湿度差异均不显著;（3）风速，树冠覆盖度越低的绿地风速越大，高树冠覆盖度的绿地与低、中树冠覆盖度的绿地风速差异达到显著水平;（4） PPD值，其与温度和风速均呈极显著正相关，与相对湿度呈负相关。调节城市微气候功能最佳的是高树冠覆盖度型绿地，且其人体舒适度最好，适宜人们在夏季高温天气进行户外活动。

关键词城市绿地;微气候;人体舒适度;树冠覆盖度

中图分类号 TU986 文献标识码 A  DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2021.12.019

Microclimate and Human Comfort of Three Green Spaces with Different Canopy Coverage in Guangzhou

GUO  Haoxuan1 ，2） YI  Huilin1） WU Youlu1 ，2） LI Yin1） TAN  Guangwen1）

（1 Pubang Landscape Architecture Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong 510630， China;

2 Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou， Guangdong 510220， China）

Abstract  Urban green space can effectively regulate local microclimate and mitigate the urban heat island effect， and the study of the microclimate and human comfort of green space can provide reference for urban green space planning. The wind speed， air temperature， and relative humidity in three green spaces with different canopy coverage on the Ersha island， Guangzhou were measured in day time for three consecutive days  in  summer，  and  thermal  comfort  was  adopted  to  evaluate  human  comfort  by  using  the  index  of predicted percentage of dissatisfied （PPD）. The results  showed that the greater the canopy coverage the green spaces on the Ersha island the more comfortable the people feel. The resultant factors include air temperature， relative humidity and PPD index. For air temperature， the green space with the high canopy coverage has the most obvious cooling effect; its daily average temperature is 1.38℃ lower than that of the green space with the low canopy coverage; the temperature difference between the green spaces with the high and low canopy coverage is significant from 10：00 am to 16：00 pm， and the green space with the low canopy coverage is the lowest in temperature among the three spaces at 18：00 pm. For relative humidity， thegreen  space with the high canopy coverage has the most obvious effect of humidification and moisture retention， and its daily average relative humidity is 5.98% higher than that of the green space with the low canopy coverage. The relative humidity throughout the day are not significantly different among the three green spaces. For wind speed the lower the canopy coverage， the greater the wind speed in the green space， and the difference in wind speed between the green space with high canopy coverage and the green spaces with low and moderate canopy coverage reached a significant level. For the PPD index the PPD value is highly significantly positively correlated with temperature and wind speed， and negatively correlated with the relative humidity. Green space with high canopy coverage works the best in regulating the function of the urban  microclimate， under which  human  comfort  is  optimal  and hence  suitable  for human  outdoor activities in hot summer weather.

Keywords  urban green space ; microclimate ; human comfort ; tree canopy coverage

近年来，随着全球气候变暖及城市化的快速发展，与城市热环境相关的问题日益突出[1]。19世纪初，英国气候学家路克·霍华德首次提出城市热岛（Urban Heat Island，简称 UHI，下同）和热岛效应（ Heat-island Effect）[2]，认为 UHI 对当地微气候、自然生态系统和人类生产生活产生极大影响[3]。微气候的改善能够提高一个城市的宜居性，直接影响到人对外界环境的舒适度体验，对改善城市人居环境具有重要意义[4]。

相关研究表明，城市结构、地表覆盖、城市肌理和城市代谢是 UHI效应的主要影响因素[5]。从地表覆盖的角度看，城市铺砌地、植被和裸地等覆盖类型会改变城市环境中的热交换[6]。而从城市肌理的角度看，城市各规划用地的总体比例影响 UHI 的强度和分布，缺乏足够的绿化会导致热量的积累[7]。其中，城市绿地（Urban Green Space，简称 UGS）这种类型的用地具有降温、增湿、遮阳等调节局部微气候的作用，能够有效缓解 UHI 效应[8]。而园林植物是城市绿地必要的配备，大量研究表明，植物群落对微气候的调节有重要作用，能够有效改善局部热环境[9]。当城市微气候发生变化时，对人的生理健康产生较大影响。一般而言，温度和湿度微气候因子对人的感受影响最大[10]。近年来越来越多的学者强调以人为主体，把人体舒适度作为绿地的一个评价标准，并对植物群落微气候与人体舒适度的相关性做了相关研究，证明二者之间有显著的相关性[11]。

林木树冠覆盖度（ Tree Canopy Coverage，简称 TCC，下同）近年来受到社会各界的高度关注，TCC作为森林城市功能与结构中一个重要的评价指标，利于森林城市建设的长效性和可持续性[12]。较多研究证明，树冠对微气候调节方面有显著影响[9，13]，但目前缺少从 TCC 的差异性上研究树冠对微气候和人体舒适度的影响[12，14]。本研究选取二沙岛东部公园绿地上3种不同 TCC 的样地为研究对象，在夏季对3个样地的风速、空气温度和相对湿度3个微气候因子进行观测，并以热舒适预测不满意率（ PPD）作为人体舒适度的评价指标，量化分析出利于人们夏季在户外活动的绿地类型，提出公园绿地的植物配置及养护的有效措施，为城市绿地规划提供参考。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1研究区概况及气候特征

测试区域为广州市越秀区二沙岛（图1），经纬度坐标为23°10′N， 113°31′E，坐落于越秀区中心珠江河段上，与珠江新城中央商务区毗邻，占地面积约126 hm2，整体呈狭长型，属于亚热带季风气候，雨热同期，全年太阳辐射强，夏季高温多雨，冬季低温少雨[15]。根据相关气象数据，近年来广州市7—9月的高温日数逐渐增多，极端高温气温介于38～39℃，年平均雨量为1682.4～2698.5 mm，全年日照时数1462.4～1832.5 h [16]。

1.1.2样地选择及概况

依据遥感数据，实验在二沙岛东部的公园绿地上选取3种树冠覆盖度（表1）的样地（长×宽=100 m×100 m，面积为1 hm2）。 A，TCC=84.44%;B， TCC=55.30%; C， TCC=29.93%（下文统称为 A、B、C），样地 A、B、C分别代表高、中与低树冠覆盖度的3个级别。3个样地的 TCC 呈较理想的阶梯下降，为研究提供良好的差异植被群落样本，同时在群落水平结构上具有较大差异性，能够涵盖二沙岛并代表广州市区常见的绿地类型。3个样地的立地条件相似，且在地理上具有相对独立性，减少了外界因素对实验的影响。如图2所示，A、 B、C 的位置关系为：A位于 B 的东北侧，C位于 A 的东北侧。3样地实景图见图3。

1.2方法

1.2.1微气候测定

采用网格布点法[17]，在每个样地内部设9个测点，在距地面1.5 m处，每个样地安排2名测试人员，用台湾产便携式温湿度风速仪 TES-1341记录风速、空气温度、相对湿度数据（每测点取3个数值加以平均），每次采集时间控制在10 min 内。于2019年7月25—27日（天气晴朗，风速<2 m/s）每日08：00—18：00进行测试，每隔2 h 测试一次，分别在6个时间点采集数据。

1.2.2人体舒适度计算

实验采用热舒适度预测不满意率（ PPD）为人体舒适度的评价指标。PPD值越高，代表人对冷热环境的满意度越低，人体感觉越不舒适[18]。测试时间和微气候测试同步，于 2019年7月25—27日，测量每日08：00—18：00实际数据，测点定于每个样地的中央，安排一名测试人员用意大利产 HD32.3热指数仪每小时采集4次数据（间隔15 min）。

1.2.3数据分析

利用 Microsoft Excel 和 SPSS 21.0分析軟件对数据进行处理和分析。

2结果与分析

2.1微气候实测定量分析

2.1.1风速效应分析

样地 A、B 和 C 各时间段平均风速的差异性见图4。6个时间段的平均风速值排序均为 C>B>A，而 C 与 A、B 的风速值差异均达到了显著水平（p<0.05）。其中，3个样地 A、B、C 的平均峰值均出现在12：00，分别为0.55、0.60、1.60 m/s;谷值均出现在18：00，分别为0.13、0.14、0.36 m/s。由此得知，TCC越高的样地风速越低，反之，则风速越高。可见 TCC对风速的调节能力十分明显。

2.1.2空气温度效应分析

样地 A、B、C各时间段平均温度的差异性见图5。8：00—16：00五个时间段平均温度值排序为 C >B>A，18：00时平均温度值排序为 B>A>C。A和 B 的平均温度峰值出现在14：00，分别为33.55和33.98℃;而 C 的平均温度峰值出现在12：00，为34.95℃。A、C 的平均温度谷值均出现在18：00，分别为28.72和28.22℃;而 B 的平均温度谷值出现在8：00，为29.11。在测试的6个时间段中，10：00和12：00时，C 与 A、B 的温度差异均达显著水平（p<0.05）;14：00和16：00时，A 和 C温度差异性显著（p<0.05），而此刻 B 与 A、C 差异均不显著。

在3种样地类型中，温度值由低至高综合排序为 A2.1.3相对湿度效应分析

样地 A、B、C 3 d 的平均相对湿度差异性见图6。6个时间段 A、B、C平均相对湿度的排序为： A >B>C。A较 B 的全天平均相对湿度高3.32%，A较 C高5.98%，B较 C高2.65%。A 的平均相对湿度峰值出现在8：00，为55.10%，谷值出现在14：00，为30.17%;B 的平均相对湿度峰值出现在8：00，为44.82%，谷值出现在16：00，为26.27%;C 的平均相对湿度峰值出现在8：00，为47.38%，谷值出现在16：00，为23.55%。在本实验测试的6个时间段中，3个样地各时段平均相对湿度差异不显著， TCC最高的样地 A 的增湿保湿作用较强。

2.2人体舒适度评价

2.2.1热舒适度预测不满意率（PPD ）分析

样地 A、B、C 3 d 的平均 PPD值的变化趋势如图7所示。前5个时间段 PPD排序为 A

以往较多学者普遍认为，温湿度是影响人体舒适度最显著的气候因子[28-31]，但本研究实测结果表明，二沙岛夏季极显著的气候因子是温度和风速，其次是相对湿度。原因是研究地分布于我国华南地区大型水体的周围，本身相对湿度较高[32]，同时绿地上的植物发挥了其蒸腾作用，增湿作用明显[33]。从实测的数据结果看来，3个样地的相对湿度差异较小，全天的相对湿度差也相对较小，因此其对人体舒适度的影响不如温度和风速。另外，从实测结果看，风速与温度成显著正相关。一般来说，自然风能够发挥空气中气流的冷却作用，从而降低空气温度[34]，但是从微气候因子与 PPD的相关性分析看，PPD与风速为极显著正相关，证明了在广州夏季室外偏热环境下，虽然自然通风能够提供足够的通风量，但温度过高的自然风会使户外热环境变得更恶劣[35-36]。研究地周围被珠江水环绕，白天因陆地与江面受热不均匀而产生气压差，由此而形成了江风[37]，而正午时温度越高水陆之间的空气流动越大，风速更强，正午的热风会使环境热舒适度更差。

因此，对于未来城市公园绿地的建设，应当充分考虑到人们的舒适度体验，在保证其有足够的户外活动空间的前提下，考虑多种植叶面积指数较高的乔木，以加强夏季的遮阴和增湿功能。此外，还应当加强对绿地的养护和管理，在保证遮阴充足的前提下，优化绿地内部的通风，提高风舒适度。

3.2结论

研究结果表明，树冠覆盖度越高，风速、温度越低，相对湿度越高。其次，风速与温度成显著正相关，风速、温度与 PPD呈正相关，显著影响 PPD值。最后，白天树冠覆盖度高的绿地舒适度最好，而接近傍晚时刻，低树冠覆盖度的绿地散热较快。综上，对于广州相同的气候区而言，公园绿地的树冠覆盖度越高，在夏季中更利于创造舒适的林下微气候环境，对人的生理健康更有利。

本研究探讨了二沙岛的公园绿地在不同覆盖度下对微气候及人体舒适度的影響，为城市绿地的建设提供了参考依据。在广州城市建设高速发展、人口持续激增加剧热岛效应的背景下，未来必将引起一系列的城市生态环境效应，从而影响城市局部的气候和大气环境，最终会威胁到城市居民的身体健康[38]。今后可通过大面积组建公园绿地，提高城市的树冠覆盖度，由表及里地优化绿地的局部微环境，在精细尺度上改善城市生态环境及舒适度，从而提高城市的宜居性。

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（编辑排版：林海妹）