不同遮荫环境的温湿效应及其对人体舒适度的影响

陈家硕，荣立苹，高玉福，钱东霞，马艾冰，黄昭翰，吴冰晨

(延边大学 农学院，吉林 延吉 33002)

随着城市化进程的快速推进，城市景观格局发生显著改变[1]，景观格局的变化使能量交换的过程发生改变，致使城市升温，形成热岛效应[2-3]，进而影响生态环境与人体健康[4]，导致夏季疾病高发，死亡人数增加[5]。城市绿地具有显著的降温增湿作用[6]，可以调节小气候[7]、缓解热岛效应[8]、改善人体舒适度[9]。城市绿地的降温增湿作用受多种因素影响[10]，从绿地结构类型出发，有学者研究发现城市绿地中乔-灌-草相结合的绿地结构降温增湿能力与其提高人体舒适度的效果均最佳[11]。从绿地面积和形态出发，研究表明城市绿地的降温增湿强度与绿地面积呈正相关[12]；不同形状的绿地对气候的调节能力有差异[13]，绿地形状复杂性越高其降温效应越明显[14]；带状绿地的绿地宽度为34 m时，其降温增湿效果可以明显发挥，当宽度大于40 m时，降温增湿效果则会趋于稳定[15]。从植被特征及郁闭度出发，研究发现绿地的降温增湿作用与树木冠层参数有显著相关性，冠层结构越紧密，其降温增湿作用越明显[16]；郁闭度和叶面积指数均显著影响人体舒适度[17]；当绿地面积相同时，其降温增湿能力与郁闭度呈正相关[18-19]；增加绿地面积与提高绿地郁闭度都可以使局地环境热舒适性有所改善，其中提高郁闭度效果更为明显[20]。

现有研究大多集中于绿地类型、结构、面积等特征的降温增湿效应及其对人体舒适度的影响，关于绿地所形成的空间环境温湿效应涉及较少。而在炎热的夏季，游人更倾向于在遮荫的环境中活动。在所有景观覆盖类型中，树木在减少太阳直接辐射，降低人体的不适感方面有着重要作用[21]。近年来，有学者以郁闭度为出发点研究植物遮荫对环境温湿效应的影响[22-23]；V.D.A.H.Loydeetal[24]在午后时间观测了12个不同树种群落，发现树木所形成的树荫环境可显著提高人体的热舒适性。但随着城市的建设，建筑等构筑物所形成的遮荫环境也越来越多[25]，这种遮荫环境与植物所形成的遮荫环境有何区别尚不明确。L.Shashua-baretal[26]比较了树荫下和网布遮荫下的人体热舒适性，发现网布遮荫下有轻微的热效应。为了定量比较植物遮荫环境与建筑遮荫环境对人体舒适性的影响，以及对比不同遮荫度下环境的温湿效应，选取6处不同遮荫环境的样地，其中4处为植物遮荫环境，2处为建筑遮荫环境，通过实地监测获取样地的热环境数据，探寻不同遮荫环境、遮荫度、下垫面类型及植被类型对局地热环境及人体舒适度的影响。

1 研究区概况

研究区位于吉林省延边朝鲜族自治州延吉市(42°50′-43°23′N，129°01′-129°48′E)，属于中温带半湿润气候区，海拔约175 m。为了尽可能减少由于样地时空位置不同所带来的差异，排除样地周边环境对测量结果的影响，所有样地均选择延吉市中西部的延边大学校园内。延边大学占地面积约296 hm2，校园内绿地类型与植物种类丰富，为试验的开展提供了理想场所。

2 材料与方法

2.1 样地选择及遮荫度测定

在延边大学校园内选取6处样地，分别为稀树草地、疏林草地、针叶林、阔叶林及建筑遮荫环境等，样地面积约为400 m2，基本特征见表1，遮荫度是指场地被遮荫面积占场地总面积的比值，即：遮荫度=遮荫面积/总面积。因植物遮荫所呈现出割裂不规则的树荫无法精准测量，故在测量时采用样点法[27]，即在场地中平均布点，此次试验在每个样地上每隔50 cm布置1个样点，均匀地布满整个样地，之后观测记录每个样点是否被阴影所覆盖，通过计算被阴影遮盖的样点数与总样点数的比值表示该场地的遮荫度。

表1 不同样地的基本特征Table 1 Basic characteristics of different plots

经实地测量，发现一天中同一场地遮荫度呈现出从大变小、又从小变大的过程，遮荫度高的场地变化幅度小，遮荫度低的场地则相反。为了消除不同场地遮荫度变化幅度差异对试验结果的影响，在8:00、12:00、16:00时分别测量每个样地的遮荫度，最后将3次测量结果平均，平均值作为该样地的遮荫度。

2.2 试验方法

试验时间为2019年7月下旬至8月上旬，此时是一年中最为炎热的季节，由于人们户外活动时间主要集中在白天，因此试验时段选择8:00-18:00。试验需在晴朗无风的天气下进行(平均风速小于1 m·s-1)[28]，每天8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00对6处样地同步测量热环境数据，测量使用德国德图便携式温湿度测量仪(Testo605-H1，温度精度0.1 ℃，量程-20～50 ℃；相对湿度精度1.0%，量程5%～95%)。在每个样地中央5×6(30个样点)平均布置样点，每2个样点之间相距2 m，按顺序依次测量30个样点。在每个样点距离地面1.5 m处测量东南西北4个方向的温湿度数据，各样地同步进行，每次测量平行进行3次，连续测量7 d。最终挑选3 d符合试验要求的数据进行分析，所有测量数据保留1位小数[29]。

2.3 人体舒适度评价标准

人体舒适度是从气象角度来评价人在不同条件下的舒适感，文中选择温湿指数(thermal humidity index，THI，公式中用THI表示)作为人体舒适度的计算标准[30]。THI是美国国家气象局用于夏季舒适度预报所制定的指标，应用十分广泛，THI与人体舒适度的划分标准见表2。温湿指数计算公式为

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

(1)

式中：T为空气温度(℃)；RH为相对湿度(%)。

表2 THI与人体舒适度Table 2 Thermal humidity index and human comfort

2.4 数据处理

试验共采集样地空气温度数据38 880个，相对湿度数据38 880个，采用Excel 2019和SPSS 23对所采集数据进行统计分析。将一天中同一样地同一时刻的空气温度数据(360个数据)求平均值，即代表该样地这一时刻的空气温度；将3 d同一样地同一时刻的空气温度数据(1 080个数据)平均，即为该样地这一时刻的平均空气温度；将3 d同一样地中所有测量的空气温度数据(6 480个数据)平均，即为该样地的日间平均空气温度。相对湿度的处理同上。将同一样地平均空气温度达到的最高值减去8:00的平均空气温度，即为该样地的升温幅度；将18:00的平均空气温度减去最高值时的平均空气温度，即为该样地的降温幅度；相对湿度的减湿、增湿幅度同理，样地的升温、降温、减湿、增湿统称为温湿度日振幅。使用SPSS对数据进行单因素ANOVA检验，当P<0.05时，认为样本间存在显著性差异；并运用皮尔逊相关系数(pearson correlation coefficient)对数据进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1 平均温度比较

将3 d同一样地同一时刻的空气温度数据平均，得到各样地平均空气温度(图1)，各样地均呈现单峰变化趋势，最高值均出现于14:00。在建筑遮荫环境中，铺装场地与草坪除在12:00存在极显著性差异外(P<0.01)，其余时刻均不存在显著性差异。这说明在相同遮荫环境与相同遮荫度下，不同下垫面类型对样地空气温度的影响不是很明显，只有在太阳辐射最强的正午，这种差异才会显现出来。在植物遮荫环境中，针叶林与阔叶林的空气温度高度相似，在8:00-16:00，2处样地均不存在显著差异。8:00太阳辐射较弱，遮荫度较为接近的稀树草地与疏林草地之间不存在显著差异，随着太阳辐射的增强，稀树草地迅速升温，而遮荫度较高的疏林草地等样地升温较慢，14:00后，稀树草地随着太阳辐射的减弱温度迅速下降，故在10:00-18:00，稀树草地与其余5处样地均存在极显著差异(P<0.01)。

3.2 平均相对湿度比较

图2为各样地的平均相对湿度，各样地均为单峰变化趋势，最低值均出现于14:00，这与平均空气温度的变化趋势相一致。但铺装场地与草坪、针叶林与阔叶林的相对湿度在10:00-14:00均存在极显著差异(P<0.01)。这说明相对湿度易受环境影响，在遮荫度相同时，下垫面类型或植物种类的差异就会使相对湿度产生较大变化。在8:00-16:00，建筑遮荫环境中的铺装场地与草坪，相对湿度显著低于其他植物遮荫环境的样地。铺装场地与草坪的遮荫度比稀树草地高28%，而在10:00、16:00稀树草地与铺装场地、草坪之间不存在显著性差异，这表明建筑遮荫环境与植物遮荫环境在遮荫度相差不超过28%，其相对湿度较为接近。在10:00-18:00，稀树草地与疏林草地、针叶林、阔叶林之间均有极显著差异(P<0.01)。

3.3 日间平均温湿度分析

日间平均空气温度由高到低为：稀树草地(29.7±0.14 ℃)、疏林草地(29.3±0.11 ℃)、铺装场地(29.1±0.10 ℃)、草坪(28.8±0.09 ℃)、针叶林(27.5±0.08 ℃)、阔叶林(27.4±0.08 ℃)(图3)。日间平均相对湿度由低到高为：铺装场地(51.7%±0.38%)、草坪(53.2%±0.36%)、稀树草地(54.1%±0.34%)、疏林草地(57.1%±0.34%)、针叶林(59.3%±0.36%)、阔叶林(60.7%±0.35%)。二者排序并不一致，即空气温度高的样地其相对湿度未必低，二者均受多方面因素影响。除针叶林与阔叶林、铺装场地与草坪外，任意2处样地的空气温度均存在极显著差异(P<0.01)。除稀树草地与铺装场地、草坪外，任意2处样地的相对湿度均存在极显著差异(P<0.01)。

3.4 日振幅分析

日振幅为在测量时间内平均空气温湿度的升温、降温、增湿、减湿幅度。由图4可以看出，6处样地的空气温度升温幅度均高于降温幅度，相对湿度的减湿幅度均高于增湿幅度。升温幅度由高到低为:铺装场地、草坪、稀树草地、疏林草地、针叶林、阔叶林，在植物遮荫环境中随着样地遮荫度的升高，其升温幅度逐渐减小，但建筑遮荫环境的升温幅度明显高于植物遮荫环境；降温幅度由高到低为:稀树草地、疏林草地、铺装场地、草坪、针叶林、阔叶林，可以看出随着样地遮荫度的升高，其降温幅度逐渐减小。在相对湿度日振幅中，减湿幅度由高到低为：针叶林、阔叶林、铺装场地、草坪、疏林草地、稀树草地，可见随着遮荫度的升高，其样地减湿幅度也随之升高，但遮荫度高的样地相对湿度要高于遮荫度低的样地。这说明相对湿度的日振幅主要受样地自身影响，而样地内的植物是影响相对湿度高低的一个重要因素。

3.5 人体舒适度比较

由图5可以看出，各样地THI值均为单峰变化趋势，除稀树草地外其余样地最高值均出现于14:00(THI值越低，人体越舒适)。针叶林与阔叶林在8:00-18:00均无显著性差异，铺装场地与草坪仅在12:00存在极显著差异(P<0.01)。稀树草地与疏林草地在10:00-18:00有极显著差异(P<0.01)，稀树草地与疏林草地在10:00-16:00与其余样地间均有极显著差异(P<0.01)。日间平均THI值(图6)由高到低为：稀树草地(26.1±0.09)、疏林草地(25.8±0.07)、铺装场地(25.2±0.06)、草坪(25.1±0.06)、阔叶林(24.6±0.05)、针叶林(24.5±0.05)。除铺装场地与草坪、针叶林与阔叶林外，其余样地间均存在极显著差异(P<0.01)。

3.6 相关性分析

通过上述分析，可以发现不同遮荫环境、遮荫度、下垫面类型及植被类型对样地热环境及人体舒适度均造成了一定的影响，其中不同遮荫度对样地内的空气温度、相对湿度及THI均造成了明显影响，下垫面类型及植被类型的差异对THI影响较小，而不同遮荫环境对其影响大小尚不可知。对6处样地的遮荫度、空气温度、相对湿度、THI进行皮尔逊相关系数运算(将6处样地平均后的空气温湿度与THI值代入，共324个数据)，以验证遮荫度与其他三者的关系(表3)。

表3 遮荫度与空气温度、相对湿度、THI的皮尔逊相关系数Table 3 Correlation coefficient of shade degree with air temperature,relative humidity and THI

由表3可知，遮荫度与THI、空气温度之间均具有极强负相关性(-1.0

表4 遮荫度与空气温度、THI的回归方程Table 4 Regression equation of shading degree with air temperature and THI

4 结论与讨论

4.1 结论

在测量时间内，空气温度、相对湿度、THI均呈现出单峰变化趋势，其最高或最低值主要出现在14:00。日间平均空气温度由高到低为：稀树草地、疏林草地、铺装场地、草坪、针叶林、阔叶林；日间平均相对湿度由低到高为：铺装场地、草坪、稀树草地、疏林草地、针叶林、阔叶林；日间平均THI由高到低为：稀树草地、疏林草地、铺装场地、草坪、阔叶林、针叶林。不同遮荫环境对空气温度与THI未造成明显影响；遮荫度的改变对空气温度、相对湿度、THI均会产生明显影响；下垫面类型或植物种类的差异会使相对湿度产生较大变化，但对THI没有明显影响。遮荫度与空气温度、THI之间具有极强负相关性，当遮荫度每提高10%，空气温度约下降0.5 ℃，THI下降0.35。提高遮荫度可以显著降低空气温度与THI，显著改善人体舒适度。

4.2 讨论

综合上述结果分析，发现在相似遮荫度下，建筑遮荫相比于植物遮荫，其空气温度较为接近，而相对湿度相差较大。建筑遮荫环境的相对湿度显著低于植物遮荫环境，这是由于相对湿度主要受样地植被情况所影响[31]，建筑遮荫环境内植被较少且植物种类单一，而植物遮荫环境植被丰富，植被丰富度越高其增湿效果越显著[32]。随着遮荫度的提高，植物遮荫环境样地内的空气温度明显下降、相对湿度明显提高，这是因为当遮荫度上升时，样地中植物对太阳辐射的阻挡与吸收能力会同步提升，植物可以阻挡太阳辐射到达地面并吸收大量太阳辐射用于自身的蒸腾作用[16]，这将显著降低样地内的空气温度并显著增加相对湿度[17]。人体舒适度受空气温度与相对湿度双重影响[33]，建筑遮荫与植物遮荫相比，不同的遮荫环境对人体舒适度影响有限；而遮荫度的增加可以显著改善人体舒适度，这与K.R.Colteretal[25]的研究结果相一致。

在遮荫度相同时，下垫面类型或植物种类的差异就会使相对湿度产生较大变化，这表明相对湿度易受环境影响[34]。在相同遮荫环境与相同遮荫度下，不同下垫面类型对空气温度影响有限，而对相对湿度影响较大。草坪场地相比于铺装场地，其具有明显的增湿作用，这与陈家硕等[35]的研究结果相一致。在植物遮荫环境中，植被类型的差异对相对湿度影响较大，对空气温度影响不明显[36]。在人体舒适度方面，不同下垫面类型或不同植物种类对改善人体舒适度影响较小。在遮荫度相同时，阔叶林的空气温度低于针叶林，但阔叶林的THI高于针叶林，这是因为人体舒适度受空气温度与相对湿度的双重影响，阔叶树种相比于针叶树种的蒸腾作用更旺盛[37]，林内相对湿度更高，相对湿度过高反而会降低人体舒适度[38]。

铺装场地的升温幅度明显高于其他样地，这是因为铺装场地的下垫面为花岗岩，花岗岩铺装的吸热能力强、比热容小，会快速吸收太阳辐射使其升温[39]，而其余样地的下垫面均为植物，其吸热能力相对较弱[40]，且会阻挡太阳辐射对场地的加热效应，故铺装场地升温迅速、升温幅度最大。稀树草地的降温幅度最大，针叶林与阔叶林降温幅度最小。这是由于稀树草地的遮荫度较低，场地开阔，在太阳辐射减弱后便于热量消散，而针叶林与阔叶林的遮荫度高，树木密集不利于热量散失。这表明下垫面类型与遮荫度是影响样地温度变化的重要因素之一[41]。