半干旱区下沉式公园微气候特征与下垫面优化配置研究

鲁凯莉，王爱霞，郭亚男，吕杨超

（1.内蒙古工业大学 建筑学院，内蒙古自治区绿色建筑重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010050；2.内蒙古自治区呼和浩特生态环境监测站，内蒙古 呼和浩特 010030）

城市化的快速发展改变了城市环境，地表特征及下垫面性质的变化导致局部能量和微气候环境复杂化，从而加剧了环境恶化[1]，甚至引发了健康风险[2]。营造舒适的室外环境可增加人们在户外活动的时间，减少建筑内部能源消耗，引导人们形成低碳的生活方式。公园地形和下垫面形式对环境微气候和人体舒适度均有一定的影响。近年来，国内外对微气候领域的研究主要集中于城市住区[3-5]、城市热岛[6-7]、城市交通[8]、城市下垫面[9-11]、植物群落[12-14]等对气象因子及周边环境的影响，对人体舒适度的研究主要关注人体对公园气象物理因素感知的量化指标分析、感受主体的主观、客观表现等[15-17]；采用的研究方法主要借助ENVI-MET 进行微气候模拟分析[18]、现场实测数据分析[19-20]，在监测点附近进行问卷调查等[21]，制定优化公园微气候环境策略。

有学者指出，人体舒适度与室外微气候环境密切相关，且这种相关性在不同气候区表现各异[22-23]。CASTILLO等[24]发现树木能缓解温室效应，且温度—湿度指数与当地气候有直接联系；WU 等[25]认为建筑和树木的布置都会影响微气候；刘滨谊等[26]对湿热区开敞空间小气候与开敞空间布局间的关联研究中提出适合该地区的微气候改善对策；李宏宇、买买提江•买提尼亚孜[23,27]等揭示了干旱地区下垫面对城市微气候的调节作用。这些研究结果表明，气候区不同，微气候的调控机制和人体舒适度表现各有差异。本研究对半干旱区下沉式公园的微气候及人体舒适度变化规律进行了探索，以期得出公园最佳下沉深度范围和适宜的下垫面配比，为该地区下沉式公园的设计决策提供依据，从而改善下沉式公园环境，为游人提供健康舒适的活动空间环境。

1 实验方法及内容

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区（39°10′～39°58′ N，109°08′～110°23′ E），处于沉降构造盆地的中部，地表侵蚀强烈，水土流失严重，局部地区基岩裸露，是典型的丘陵沟壑区。该区属于温带半干旱大陆性气候，日照强、降水量少且蒸发量大，年均气温为6.2℃，年均降水量为348.3 mm，冬季干冷，夏季凉爽，春秋温度偏低且大风。试验点铁西公园位于该区中心，占地面积为23.87 hm2，是因城市建设采挖砂石、泥土等产生的坑体，经人工修复后建成公园，下沉深度约为5 m，从公园四周向中心由坡道、平台和台阶相互衔接渐进式下沉，公园最深处坡角（公园下沉坡面与水平面的夹角）约为40°，绿地、硬质、水体的比例为6∶3∶1，是一处无围合的大型综合性开放式下沉公园（图1）。

图1 铁西公园区位及样地分布图Figure 1 Location of Tiexi Park and distribution of sample plots

1.2 实验方法

1.2.1 测试方法 2019 年，选取春（4 月）、夏（7 月）、秋（9 月）、冬（12 月）四个季节中晴朗、少风的天气各1 周。将目标公园空间分为绿地、硬质、水体3 种，每种选取4 个点（见图1）。日测量时间为8:00—18:00，每小时测试一次，测量仪器设置高度为距地面1.5 m，每次读取20 个数据，求取平均值。使用Testo-405-v1 风速仪［精度±（0.1+5%）m·s-1），量程0～10 m·s-1］、Testo625 温湿度仪（精度±0.5℃、±2.5℃RH，量程－10℃～60℃、0～100℃RH）测量风速、温度和湿度。

1.2.2 模拟内容 以铁西公园为参照物，采用实测季节气象数据与气象站气象数据建立场地数据库，利用ENVI-MET 软件建立模型，模型设置地理位置、总面积、坡度、周围环境、风向、日期等参数与实测公园相同。季节气象参数温度、湿度、风向、风速分别为：春，4～15℃、15%～35%、西北风、1.5 m·s-1；夏，15～35℃、25%～35%、北风、1.5 m·s-1；秋，5～15℃、40%～60%、北风、1 m·s-1；冬，－10～5℃、15%～35%、西北风、1 m·s-1。下沉深度参数分别为0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m，下垫面配比（绿地、硬质和水体）依据公园设计规范（GB51192—2016）中用地比例要求配置，分别选取A（6∶3∶1）、B（6∶2∶2）、C（6∶1∶3）、D（7∶3∶0）、E（7∶2∶1）、F（7∶1∶2）、G（8∶2∶0）、H（8∶1∶1）共8 种方案。模型尺寸为50 m×25 m×30 m（长×宽×高），网格尺寸为dx=6 m（长）、dy=6 m（宽）、dz=2 m（高）。

1.3 数据处理

采用Microsoft E xcel 2010、Origin 2019b、SPSS S tatistics 等软件进行数据处理、绘图和分析。本文采用3个指标评价模型精度：方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、平均绝对百分比误差（MAPE）来衡量观测值同模拟值之间的偏差，评价模型的精度和适用性，其计算公式见表1 中公式（1）（2）（3）。选用空气温度、相对湿度和风速3 种气象要素和人体舒适度为主要评价指标，舒适度指数、降温率、增湿率、降风率和舒适度改善率计算公式见表1 中公式（4）（5）（6）（7）和（8）[17]。

表1 各评价指标计算公式Table 1 Formulas for calculation of different indicators

2 结果与分析

2.1 公园微气候实测值与ENVI-MET 模拟值拟合度分析

如图2所示，以春季气象因子的模拟与实测值为例进行模拟验证，温度的RMSE、MAE、MAPE分别为0.52℃、0.45℃、3.79%，湿度的RMSE、MAE、MAPE分别为0.69%、0.58%、2.74%，风速的RMSE、MAE、MAPE分别为0.05 m·s-1、0.04 m·s-1、9.55%。ENVI-MET 模型的误差范围分别为：RMSE介于0～1.0、MAE介于0～1.0、MAPE≤10%，说明模拟与实测数据的拟合度较好，可反映所测地块的真实情况，模型构建合理，适用于本研究。

图2 公园气象因子实测值与ENVI-MET 模拟值拟合图Figure 2 Fitting curve of determined meteorological factors and simulated ones of ENVI-MET

2.2 公园不同下沉深度与微气候参数相关性分析

由图3 可知，公园不同下沉深度的气象因子与人体舒适度平均改善率之间差异显著（P<0.05）。四季方案的平均降温率较低，仅春、秋过渡季节在下沉深度＞15 m 时有降温效应，在冬、夏极端季节，下沉深度的降温作用均不明显；下沉深度≥5 m 时，在夏、秋季有增湿作用，春季，仅下沉深度为40 m 时有微弱的增湿效应；除0 m 参照点外，不同下沉深度的降风率较强，下沉深度为5～20 m 时，四季的降风率呈先下降后上升的趋势，下沉深度为25～50 m 时，随着下沉深度的增加降风率不断上升；秋季，不同下沉深度的舒适度均无改善，下沉深度为5～35 m 时，春、夏、冬季的舒适度改善率随着下沉深度的增加逐渐下降，下沉深度＞35 m 时，四个季节均无舒适度改善效应。

图3 四季不同下沉深度各方案平均微气候及舒适度改善率Figure 3 Improvement rate of average microclimate and comfort of different treatments with different sinking depth in different seasons

由图4 表明，不同下沉深度的四季平均降温率随着下沉深度的增加而波动式上升，且二者呈显著正相关性，R2=0.83；四季平均增湿率随着下沉深度的增加而逐渐上升，二者呈显著正相关性（R2=0.79）；四季的平均降风率与下沉深度呈正相关（R2=0.61）；四季平均舒适度改善率随着下沉深度的增加波动式下降，二者呈显著负相关（R2=0.84）。

图4 下沉深度与微气候及舒适度改善率相关性分析Figure 4 Correlation analysis on subsidence depth with microclimate and comfort improvement rate

2.3 不同下沉深度各下垫面微气候比较分析

2.3.1 不同下沉深度对各下垫面的降温效应 由图5 可知，春、秋季不同下沉深度对各下垫面均有降温效应。春季，下沉深度在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m 时的最佳降温方案分别为方案A（0.92%±0.02%）、B（0.92%±0.05%）、D（3.08%±0.06%）、A（1.48%±0.10%）、F（4.36%±0.21%）、F（3.48%±0.05%）、G（4.60%±0.13%）、C（4.36%±0.01%）、F（5.48%±0.21%）、B（6.51%±0.23%）。秋季，下沉深度为0 m 时，各方案均无降温作用；下沉深度为5 m 时，最佳降温方案为方案G（1.64%±0.02%）；下沉深度为10 m 时，最佳降温方案为方案E（3.19%±0.07%）；下沉深度为15 m 时，最佳降温方案为方案G（2.34%±0.14%）；下沉深度为20 m 时，最佳降温方案为方案A（3.35%±0.07%）和C（3.58%±0.12%）；下沉深度为25 m 时，最佳降温方案为方案H（2.88%±0.13%）；下沉深度为30 m 时，最佳降温方案为方案G（4.13%±0.07%）；下沉深度为35 m 和40 m 时，最佳降温方案为方案H（5.22%±0.16%）。夏季，仅在下沉深度为50 m 时有轻度降温效应（0～1.03%）。冬季，增温效果较好，且以近地面的效果显著。

图5 四季不同下沉深度各方案气候和舒适度改善率Figure 5 The climate and comfort improvement rate of each treatment with different subsidence depths in different seasons

2.3.2 不同下沉深度对各下垫面的增湿效应 春季，下沉深度为0～30 m 时，各方案均无增湿作用；下沉深度为35 m 时，方案E 和F 有增湿效应；下沉深度为40 m 时，方案C 和F 的增湿率较大，分别为5.26%±0.11%和5.12%±0.15%；下沉深度为50 m 时，方案F 的增湿率最大，为5.72%±0.10%。夏、秋季，除下沉深度为0 m时增湿率有负值外，其他各下沉深度的8 种方案均有增湿作用。夏季，下沉深度为15 m 时，最佳增湿方案为方案C（5.75%±0.15%）；下沉深度为30 m 时，最佳增湿方案为方案F（4.52%±0.21%）和G（3.61%±0.15%）；下沉深度为35 m 时，最佳增湿方案为方案C（4.08%±0.23%），方案B（4.00%±0.15%）次之；下沉深度为40 m 时，最佳增湿方案为方案C（4.55%±0.21%）；下沉深度为50 m 时，最佳增湿方案为方案E（8.11%±0.21%）。秋季，下沉深度为5 m 时，最佳增湿方案为方案G（2.57%±0.15%），方案H（2.19%±0.14%）次之；下沉深度为10 m 时，最佳增湿方案为方案C（2.24%±0.09%）；下沉深度为15 m 时，最佳增湿方案为方案H（3.62%±0.14%）和G（3.44%±0.13%）；下沉深度为20 m 时，最佳增湿方案为方案C（3.26%±0.23%）；下沉深度为25 m 时，最佳增湿方案为方案H（2.86%±0.15%）；下沉深度为30 m 时，最佳增湿方案为方案G（3.62%±0.12%）；下沉深度为35 m 时，最佳增湿方案为方案C（3.34%±0.23%）；下沉深度为40 m 时，最佳增湿方案为方案F（4.30%±0.12%）；下沉深度为50 m 时，各方案的增湿率均在4.0%～5.0%之间。冬季，下沉深度为0～40 m 时，增湿率随下沉深度的增加呈增加趋势，但均为负值，无增湿效应；下沉深度为50 m 时，仅方案C（0.63%±0.10%）和F（0.11%±0.13%）有微弱的增湿效应。

2.3.3 不同下沉深度对各下垫面的降风效应 同一深度，不同下垫面配比方案的降风能力不同，春、夏、秋、冬四季仅在下沉深度为0 m 时各方案的降风率出现负值。春季，下沉深度为0 m 时，方案E、F、G 的降风率均为负值，其他各方案以方案A、B 的降风效果最佳（2.74%±0.09%）；下沉深度为5～40 m 时，最佳降风方案分别为方案A 和E（50.18%±0.25%）、B 和G（33.58%±0.27%）、A（33.58%±0.11%）、G（40.70%±0.21%）、H（28.83%±0.21%）、D（30.02%±0.25%）、B（31.21%±0.11%)、D（62.05%±0.16%）；下沉深度为50 m 时，各方案的降风率均大于60%，且方案F 的降风率最大，为71.53%±0.24%。夏季，下沉深度为0 m 时，方案D 的降风率最大，为0.23%±0.09%。下沉深度为0～50 m 时，降风率最优方案的数值在36.41%～87.94%之间变化。秋季，下沉深度为0 m 时，各方案均无降风效应；下沉深度为5 m 时，方案D（49.10%±0.27%）的降风率最大；下沉深度为10 m 时，方案H（26.28%±0.11%）的降风率最大；下沉深度为15 m 时，方案A（80.69%±0.27%）的降风率最大；下沉深度为20 m 时，方案D（84.20%±0.25%）和G（84.20%±0.21%）的降风率最大；下沉深度为25 m 时，方案B（73.67%±0.11%）和C（73.67%±0.21%）的降风率最大；下沉深度为30 m 时，方案E（91.22%±0.25%）的降风率最大；下沉深度为40 m 时，方案G（85.96%±0.18%）的降风率最佳；下沉深度为50 m 时，在方案F 处取得降风率最大值（98.24%±0.21%），方案H 处次之（96.49%±0.30%），其他各方案的降风率均在60%～70%之间。冬季，下沉深度为0 m 时，各方案均无降风作用；下沉深度为5 m 时，方案A（41.52%±0.27%）的降风率最大；下沉深度为10 m 时，方案G（23.97%±0.29%）的降风率最大；下沉深度为15 m 时，方案A（37.62%±0.21%）的降风率最大；下沉深度为20 m 时，方案B（29.82%±0.17%）和C（29.82%±0.16%）的降风率最大；下沉深度为25 m 时，方案B（16.18%±0.25%）和C（16.18%±0.21%）的降风率最大；下沉深度为30 m 时，方案C（12.28%±0.29%）和D（12.28%±0.18%）的降风率最大；下沉深度为35 m时，方案G（25.92%±0.27%）的降风率最大；下沉深度为40 和50 m 时，各下垫面的降风率在50%～70%之间，且分别以方案G 和F 为最佳。

2.3.4 不同下沉深度对各下垫面的舒适度改善效应 春季，下沉深度为0 m 时，各方案的舒适度改善率整体状况良好，方案F 最优，为18.02%±0.20%，方案D、G 次之，分别为13.39%±0.15%和14.60%±0.17%；下沉深度为5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、50 m 时，分别是方案G（9.02%±0.14%）、A（8.69%±0.07%）、D（23.97%±0.16%）、D（6.25%±0.15%）、A（7.53%±0.14%）、D（7.49%±0.17%）、A（7.09%±0.15%）、A（3.99%±0.14%）、A（2.23%±0.06%）的舒适度改善率为最优。夏季，下沉深度为0～15 m 时，各方案的舒适度均有改善，下沉深度为0 m 时，方案F（10.10%±0.15%）的舒适度改善率最大；下沉深度为5 m 时，方案F（4.68%±0.16%)的舒适度改善率最大；下沉深度为10 m 时，方案A（1.86%±0.12%）的舒适度改善率最大；下沉深度为15 m 时，方案A（1.31%±0.07%）和F（1.31%±0.07%）的舒适度改善率最大；下沉深度为20 m、25 m、30 m 时，仅方案G 和B、H、E 的舒适度改善效果较好；下沉深度为35～50 m 时，各方案的舒适度改善率均较低或为负值。秋季，下沉深度为0 m 时，方案H 的舒适度改善率最大，为11.30%±0.21%；下沉深度为5～50 m 时，各方案的舒适度改善率均为负值，舒适感相对越差。冬季，下沉深度为0～35 m 时，各方案均能改善公园的人体舒适度，下沉深度为40～50 m 时，各方案的整体舒适度改善率均为负值。综合四季不同下沉深度较佳下垫面配置方案，得出下沉深度为0 m、25 m 时，绿地占比为67%～89%，硬质铺装占比为11%～33%；下沉深度为5 m、10 m、20 m 时，绿地占比为67%～80%，硬质铺装占比为20%～33%；下沉深度低于30 m 时，水域面积占比为0～25%的舒适度改善率最佳；下沉深度为30～35 m时，绿地占比为67%～70%，硬质铺装占比为30%～33%，水域面积占比为0～11%的舒适度改善率最适宜。

3 讨论与结论

3.1 讨论

地形下沉会改变公园内部的光照条件、风速、增加阴影面积，且树种特性会影响蒸发作用，使得局部微气候改变，从而引起人体舒适度感知的变化[28-29]。而体感舒适度受环境因子的综合影响[30]。研究发现铁西公园四季的平均降温率、增湿率随着下沉深度的增加而呈上升趋势，夏、冬季，各下垫面的降温率、增湿率基本上为负值，降温增湿作用不明显；春、秋季，下沉深度大于20 m 时，各方案均具有降温作用。

春、秋气温较低，树叶的蒸腾作用受到一定的影响[31]。研究发现四季不同下沉深度各方案的降温增湿作用差异显著（P<0.05），春、秋降温作用明显，夏季无降温作用，冬季则有增温效果；春季增湿作用只体现在下沉深度为40～50 m 时，秋季增湿效果较强，下沉深度为0～20 m 时，增湿效应较强方案相对应的绿地占比表现各异，下沉深度为25～50 m 时，增湿率基本保持在70%～80%之间。微气候环境不仅受到公园树木类型及配置方式、绿地的蒸腾和遮阴的影响，还与空间光照、阴影面积等有关[32-33]。夏季气温高，下沉地形空气流动小，增湿作用明显，下沉深度为0～50 m 时，各方案最佳增湿率的绿地占比呈升-降-升的趋势；冬季，树木落叶，光照足，有增温效应但增湿作用不明显。绿地的降风作用明显[34]。研究表明不同下沉深度的公园降风率均大于下沉深度为0 m 的参照点，最佳降风方案对应的绿地和水体占比波动较大，无明显规律可循，是因为下沉式空间四周高中间低，阻挡了风的进入，因此，本文并不能证明下沉式公园内绿地占比对降风率的影响，但可表明下沉式公园有一定的降风作用，而下沉式空间不利于风的扩散，下沉深度较大时也不利于环境质量的改善。

下垫面对微气候的调节作用明显，公园林地及水体可改善微气候环境及舒适度，且公园绿地的调节作用较强[33]。本文研究发现，下沉深度为0～35 m 时，四季较佳方案绿地面积在67%～89%范围内，此时绿地降温增湿以及舒适度改善效果得以体现，与Doick 等[35]的研究结果一致；相对应的水体面积占比均不超过25%，下沉深度大于30 m 时，水体面积增加才能起到保湿作用，但大面积水体不利于改善舒适度，雅各布斯（Cor J）[36]认为小水体对环境影响不显著，这与本文的研究结果有差异，表明下沉式公园下垫面对环境的影响区别于地表下垫面对环境的影响；不同材质的铺装对环境舒适感的影响具有差异性[37]，文中较佳方案硬质铺装占比随着下沉深度的增加呈先上升再下降后上升的趋势，具体占比在满足公园设计规范基础上，应与绿地和水域面积相互联系。本文针对性地研究公园下沉深度及下垫面配置对微气候的影响，由于目前下沉式公园不同面积对微气候环境影响的研究有限，未来可进一步探索。开发矿产资源以及城市建设等原因导致的矿坑，经过修复建设成服务于人民群众的下沉式公园，在促进经济与生态环境和谐发展，推动形成矿地和谐、人与自然和谐发展等方面发挥着积极作用，但同时下沉式公园的具体规划设计要符合公园设计规范，特别是公园下沉坡度的大小、下沉方式等均应在规范要求的标准下进行，保障设计合理性及游人的安全性。

3.2 结论

（1）公园下沉深度与降温率、增湿率和降风率呈显著正相关，与舒适度改善率成显著负相关。

（2）公园舒适度改善率随着下沉深度的增加而降低，且下沉深度＞35 m 时，舒适度较低。

（3）不同下沉深度的绿地具有一定的降温、保湿、降风作用；下沉深度为0 m、25 m 时，绿地占比为67%～89%，硬质铺装占比为11%～33%的舒适度改善率最适佳，下沉深度为5 m、10 m、20 m 时，绿地占比为67%～80%，硬质铺装占比为20%～33%的舒适度改善率最适佳，下沉深度低于30 m 时，水域面积占比为0～25%的舒适度改善率最佳；下沉深度为30 m～35 m 时，绿地占比为67%～70%，硬质铺装占比为30%～33%，水域面积占比为0～11%的舒适度改善率最适宜。

（4）公园下沉深度会影响四季微气候的变化，且不同下沉深度各下垫面对微气候的调控效应各异，最优下垫面配比选择与深度直接相关，水体大小影响增湿效果，保证一定的绿地占比对风速和舒适度改善率有正向作用。公园的微气候环境和舒适性是由各种气象因子综合作用影响的，因此，在进行下沉式公园规划设计时，应该综合考虑各种气候因子、下沉深度、下垫面配比、植被种类、配置区域等各种因素，建议在此类公园设计中下沉深度不超过35 m，结合下沉深度合理配置下垫面。