基于微气候的校园道路热舒适性影响研究★

宁乙浩，郭思雨，张洪霖，白立帅，王 梓

（河南科技大学园艺与植物保护学院，河南 洛阳 471000）

1 概述

城市热环境随着经济的发展日益恶化，已经严重阻碍了环境品质的提升，是亟待解决的现实问题。微气候泛指工作场所的气候条件，包括空气的温度、湿度、风速等因素。微气候不仅影响着生产、生活和健康的方方面面，并且在很大程度上决定了人们生活质量的优劣［1－2］。校园道路作为学生室外主要活动空间，活动时其感觉的舒适度显得尤为重要，而行道树可以通过蒸腾作用把水分散失到周围环境中，水分在气化过程中从周围吸收热量，同时通过遮蔽长短波辐射，降低空气温度增加空气湿度，改善各种气候因子［3－4］。

热舒适是人对周围热环境所做的主观满意度评价。目前，对热舒适开展研究的区域涉及湿热地区、热带地区以及寒冷地区；评价方法有问卷调查［5］、环境卫生学方法的综合舒适度指标［6］以及人体舒适度指标［7－11］针对心理方面、物理方面利用仪器测量数据做相关分析等多种方法。本研究以河南科技大学校园行道树为研究对象，通过对不同行道树树荫下和全光照的气象参数的测量，分析不同行道树种的室外热环境和对行人热舒适的差异，旨在为基于室外热舒适评价下为洛阳地区道路绿化建设提供优化建议及参考数据。

2 试验设计

2．1 研究区域概况

研究选择河南科技大学校园（34°60'N，112°42'E） 为实测场地。该校区占地4 600 hm2，地处暖温带地带，气候具备春季多风、气候干旱，夏季酷热、雨水集中，秋季晴和日照充足，冬季干冷、雨雪稀少的显著特点。选取的7条道路分别位于学校出入口、图书馆、教学楼以及宿舍楼周边的道路，涵盖教学、学习、生活住宿等需求，可以针对不同的使用人群来得出每条路的舒适度。对7 条路进行实测（见图1） ，其中明德路、主干道、日新路、自强路为南北走向（N － S） 、笃行路、博学路、鲲鹏路为东西方向（E－W） 。7 条道路为校园内具有代表性的主要道路，道路上人流密集，同时其树木的生长良好，所测得数据更具有代表性。

图1 道路位置及周围环境特征

2．2 研究方法

2．2．1行道树状况

校园内行道树长势基本良好，调查行道树的种类、覆盖率、树高、冠幅、胸径、株距、树冠形状、树干及分支点高度，观察行道树的长势以及病虫害，评估行道树的景观配置效果。

2．2．2微气候测定

微气候的显性指标主要表现在对环境舒适度影响上，主要包括温度、湿度、风速［12－13］。选取在天气晴好无风、一天中较热且人们活动较为频繁的时间段，分别监测每条道路上行道树树荫下和全光照的空气温度（T） 、相对湿度（H） 、风速（V） 和太阳辐射强度（G） ，通过这些路段的测量，获得大量测点数以用于相关性及回归分析。

2．2．3热舒适度指数

热环境参数测定： 分别监测每条行道树树荫下和全光照的空气温度（T） 、相对湿度（H） 、风速（V） 和太阳辐射强度（G） 。空气温度、相对湿度和风速数据采用NK3000 手持式气象仪（美国Kestrel 3000） 进行测量，太阳辐射强度数据采用照度仪进行测量。测量过程中尽量减少外界干扰，保证数据的准确性。具体仪器如表1 所示。

表1 气象参数测量实验主要仪器参数

为了确保数据的真实性、科学性和准确性，对于每条路各种气候因子的测量，采用求平均值法。在春、夏、秋、冬选择最能代表此季节的连续的3 d，春季测量日期：2021．3．11 ～3．13，夏季测量日期：2020．9．15 ～9．17，秋季测量日期：2020．11．1 ～11．3，冬季测量日期：2021．1．6 ～1．8。每天于8： 00 ～10： 00，10： 00 ～12： 00，12： 00 ～14：00，14：00 ～16：00 四个人流密集的时间段，分别测量校园道路的各种气候因子的数值。在需要测量道路上随机取3 个点，保证数据具有本条路段的代表性。并将每个时间段的3 d 所测的9 个数据进行整理，求取该路段在本时间段的平均值作为该时段气候条件的数值，最后求出四季各个时间段的代表数据，利用经验公式［14］计算人体舒适度指数：

采用人体舒适度指数（y） 来表征气候适宜指数，把人体可直接感受到的气温（T） 、相对湿度（H） 和风速（V）等3 个气象要素作为人体舒适度指标［15－16］（见表2） 。

表2 人体舒适度指标等级

2．2．4问卷调查

采用ASHRAE 的9 度热感觉评价标尺（－4 非常冷、－3 冷、－2 凉、－1 稍凉、0 中性、+1 稍暖、+2 暖、+3热、+4 非常热） 采集热环境水平下的热感觉。采用通用的4 度热舒适标尺（0 舒适、+1 稍微不舒适、+2 不舒适、+3 非常不舒适） 和4 度接受度标尺（+1 完全接受、+0．01 刚刚接受、－0．01 刚刚不接受、－1 完全不接受）来采集行人的热舒适评价和接受度评价。

对舒适度认识最直观的即人体的感受，在春、夏、秋、冬选择最能代表此季节的连续3 d，每天于8：00 ～10：00，10：00 ～12：00，12：00 ～14：00，14：00 ～16：00 四个人流密集的时间段，在7 条道路上且每个时间段分别对30 位行人，总计样本数量840，对他们的热感觉评价、热舒适度和接受度进行问卷调查样式见图2。

图2 对室外行人热舒适性的研究问卷调查

3 结果分析

3．1 校园道路基本概况

3．1．1道路概况

根据调查将校园内的道路按照横断面的不同分为二板三带式和一板二带式（见图3） 。其中笃行路、明德路、博学路、主干道、日新路属于二板三带式，二板三带式道路上所种的行道树有英桐、美桐、香樟，生长状况都较好，且株距较长、冠幅较大。其中鲲鹏路和自强路属于一板二带式，一板二带式所种的行道树有美桐和雪松。

图3 实测示意图

3．1．2行道树概况

在所选的7 条路中，英桐（Platanus acerifolia） 和美桐（Platanus OrientalisL） 应用比较多，其次为香樟（Cinnamomum camphora（L．） Presl．） 和 雪 松（Cedrus deodara（Roxb．） G．Don） （见表3） 。

表3 校园内行道树

3．2 热环境变化

在春、夏、秋、冬四季选择最能代表此季节的连续的3 d，对每条路相关气候因子进行测量，采用求平均值法得到数据，如图4 所示，由图4 可知：

图4 四季气候因子实测图

1）7 条路在四季中夏季树荫下和全光照的温度差距及太阳辐射差距最大，其次春季较小，最后是冬季和秋季，所以行道树在夏季的生长状态对周围热环境的影响最大。

2） 在种植相同树种的道路上，行道树的生长状况很大程度上决定着降低温度和太阳辐射的能力。

3） 与全光照相比，树荫下的温度（T） 和太阳辐射（G）均有不同程度的降低，其中美桐对温度（T） 降低能力最明显（ΔT= －1．0 ℃） ，其次是英桐（ΔT= －0．9 ℃） 、雪松（ΔT= －0．8 ℃） 和香樟（ΔT= －0．6 ℃） ；香樟对太阳辐射（G） 降低最明显（ΔG= － 360 lux） ，其次是美桐（ΔG= －263 lux） 、英桐（ΔG= －255 lux） 、雪松（ΔG=－248 lux） 。这表明了行道树的种类和生长状态能够不同程度的影响周围热环境气候因子。这点与许敏对校园行道树对夏季室外行人热舒适的影响研究结果一致［17］。

3．3 热感觉

3．3．1热舒适指数

从表2 可知，人体舒适度为59 ～70（5 级） 给人的感受最为舒适，71 ～75（6 级） 给人的感受是偏热，大部分人舒适。根据公式，在夏季，温度越高舒适度数值越高，则越远离70，给人感觉闷热，越不舒适，在春秋冬季，温度越高舒适度数值越高，则越接近59，给人感觉最为舒适。

通过经验公式所得四季舒适度等级图（如图5 所示）可知，春季行道树将人体舒适指数从53 ～58 降低到50 ～57；夏季行道树将人体舒适指数从71 ～77 降到70 ～76；秋季行道树将人体舒适指数从54 ～62 降低到54 ～61；冬季行道树将人体舒适指数从48 ～64 降低到48 ～62。通过四季舒适度等级表对7 条路上树荫下及全光照舒适度的对比，可以看出，夏季行道树改善周围热环境的作用最明显。夏季在遮阴和全光照的环境下，8：00 ～10：00 时间段博学路上舒适度为70 ～71 给人感觉偏热，大部分人舒适，其次为笃行路、明德路、主干道、日新路、鲲鹏路、自强路，10：00 ～12：00 时间段笃行路上舒适指数为69 ～70 给人感觉最为舒适，其次为博学路、明德路、主干道、鲲鹏路、日新路、自强路； 而在阳光下，日新路、主干道给人感觉偏热，大部分人舒适，笃行路给人感觉闷热，大部分人舒适，其余道路次之。

图5 经验公式所得舒适度等级图

综合来看，笃行路最为舒适，其次是博学路，再之主干道、明德路、日新路、鲲鹏路、自强路。

3．3．2调查问卷

通过对四季舒适度等级分析可知，夏季行道树改善周围热环境的作用最明显。在夏季晴朗无风的一天，对7 条道路的行人进行了主观的热舒适度调查。从调查问卷统计情况可知，如图6 所示，在各个时间段内最舒适的道路是笃行路，其次是博学路、自强路和鲲鹏路，主干道的舒适度最低。在一天中最炎热的10： 00 ～12： 00 和12：00 ～14：00 两个时间段内，对主干道的舒适度相较于其他道路的舒适度差距最明显。

图6 舒适度问卷调查反馈情况

主要原因为：1） 主干道的道路过宽；2） 作为行道树的香樟冠幅较小、分支点低，没有起到很好的遮阴效果。导致该路接受的太阳辐射较多，行人的偏热投票较多。自强路的舒适度并没有随着时间的变化有大幅度的起伏，舒适度一直处于中等状态，日新路在8：00 ～10：00 的舒适度较低，其他时间段舒适度良好。

对比经验公式所得的客观舒适度和问卷调查所得的主观舒适度，发现在夏季经验公式和问卷调查所得舒适度最高的都是笃行路和博学路，经验公式所得舒适度相对较差的道路是日新路、鲲鹏路、自强路，问卷调查所得舒适度最低的是自强路、鲲鹏路、主干道； 可见主观舒适度和客观舒适度所得结论重合率高。

3．3．3舒适度指数与太阳辐射的相关性分析

根据人体舒适度指数和树荫下太阳辐射的相关性及回归分析（见图7） ，四个时间段的R2取平均值，即由取平均值，即0．729。

图7 舒适度指数与太阳辐射的相关性分析

4 结果与讨论

在种植英桐株距相似的两条路上，博学路在调查问卷和经验公式所得的舒适度都比日新路强，是因为博学路附近有居民区，建筑物覆盖率较高，且有琴湖的存在，这不仅降低了太阳辐射和周围热环境温度而且提高了湿度，故人体舒适度较高。而在博学路上，绿化带植物种类丰富有红叶李（Prunus ceracifera‘Atropurpurea’） 、樱花（Prunus serrulata） 等，植被覆盖率也比较高。

自强路在炎热时间段8：00 ～14：00 的舒适度都处于7 条路的最低水平，雪松作为此路段选择的行道树并没有起到改善热环境的效果，其种植的密度大没有发挥很大的价值，自强路的路较窄，种植密度大反而会导致四周不通风，不能给人很好的体验感，这条路总体给人的感觉十分闷热。

笃行路在炎热时间段10：00 ～12：00 的舒适度是最高的，笃行路上的美桐冠幅适中、株距把握得很恰当，起到四面通风的效果；周围建筑物较多，很大程度上降低了太阳辐射强度；有大面积的琴湖，湿度也有很大幅度的提升；绿化带上种植的种类也比较丰富如：南天竹（Nandina domestica） ，紫叶李（Prunus ceraiferacv‘Pissardii．’） 等，提高了植被的覆盖率，这条路选择美桐作为行道树具有科学性。

鲲鹏路上给人舒适感较低，其道路旁种植美桐，虽株距小，但叶子较为稀疏，长势较差，而且道路较宽，除南部不远处有致远楼建筑外，北侧无任何遮挡。明德路与主干道同属于南北方向校园道路，热舒适度所差无几，处于中间程度。

明德路上为英桐，主干道为香樟，树木生长状态良好，但由于明德路相比主干道树木种植株距较小，同时法桐冠幅较大，而主干道路面较宽，太阳辐射面积大，周围热环境更高，其舒适感较好。

根据对舒适度的调研结果和对气候因子的实测分析结果统计，得出了以下结论：

1） 不同行道树对于影响微气候变化的指标如温度、风速、太阳辐射等的改善情况存在差异，美桐、英桐对于室外气候因子改善作用较强，香樟、雪松改善作用较弱，同种行道树给人热舒适度感觉受周围环境影响如水体、建筑物、道路宽度等而产生差异。

2） 对四个季节行道树周围小气候因子日变化规律进行了定量的分析和比较，可知在春、夏、秋、冬四季中，夏季行道树改善空间行人热舒适作用明显。通过四季舒适度等级表对7 条路上树荫下及全光照舒适度的对比，可以看出，夏季行道树改善周围热环境的作用最明显。

3） 通过对比发现，客观舒适度指数和人体体感变化对于夏季道路舒适度的评价有较高的吻合度。经验公式和问卷调查所得舒适度最高的都是笃行路和博学路，经验公式所得舒适度相对较差的道路依次是日新路、鲲鹏路、自强路，问卷调查所得舒适度最低的依次是自强路、鲲鹏路、主干道。

4） 人体舒适度指数和太阳辐射相关性强，相关系数达到0．729，行道树越能降低太阳辐射，道路空间行人热舒适度越高。今后的研究应该建立在改善行道树周围热环境更加舒适的角度，去系统地、科学地指导校园内行道树树种的选择，以此来改善校园内以至于洛阳地区的微气候，为洛阳地区道路绿化建设提供优化建议及参考数据。