湿热地区大学校园室外步行环境微气候评价研究*——以华南理工大学为例

林 燕，皇雪莲，黄 骏，李 琼

引言

步行出行是校园中最节能与环保的交通方式[1]，微气候是衡量步行适宜性的重要因素[2，3]。步行也是华南理工大学校园主要的出行方式，在高温高湿的天气里，环境微气候对步行者的出行意愿有较大影响。随着环境问题被重视的同时，微气候也开始凸显出其重要性。微气候构成因素主要包括温度、湿度、风速、日照等，这些要素之间相互影响，并共同作用于人们步行时的生理感受[4]。湿热地区大学校园影响步行适宜性的微气候问题主要包括风舒适性以及热舒适性两个方面。根据环境微气候主要构成要素的性质和影响人体舒适度的形式，我们可以从风环境与热环境两个方面研究微气候与步行舒适度的关联[5]。

有研究指出“在诸多因素中生物气候对步行环境影响最大”[6]。影响大学校园步行环境微气候的主要因素有：建筑遮荫、树木遮荫、周边水体距离及大小、铺地类型，地形起伏，小汽车产热等。微气候舒适度评价的经验模型指标是以人的主观感受或生理反应作为评价依据，依靠人体感受的统计分析来构建的评价指标，按照气候环境，又可分为冷环境指标与热环境指标。主要的热环境指标有湿球黑球温度（WBGT）[7]、酷热指数（HI）与体感温度（AT）[8]等。

本研究中主要观测的垂直范围是1～2m，是与人的行为活动最为密切的范围，测量的主要指标包括温度、相对湿度、风速、酷热指数等。酷热指数(Heat Index）是一种综合空气温度和相对湿度的热指标，酷热指数和风寒指数被合称为一个名词“体感温度”，即人体真实感受到的热度[9]。

1 校园主要步行道路调研

1.1 功能分区与主要步行路径的确定

经过对华南理工大学校园的实地调研，可以看出校园的教学设施主要集中在东湖和西湖轴向延伸展开，学生宿舍位于东湖和西湖的东西两端边缘地带，故我们的研究着重于校园此核心区部分。问卷调查显示，65.75%的人选择步行作为校内主要的交通方式，其次为电动车和自行车出行。除了道路基础设施建设水平以外，32.88%的人认为气候湿热多雨也是影响人们出行方式重要的因素。设置林荫道是人们认为提升校园步行环境最具有吸引力的方式，比例高达83.56%。根据学生的出行规律和特点，以主要的教学功能区与学生宿舍区之间的步行路径作为我们的主要研究对象。

1.2 道路周边环境条件调研

华南理工大学核心区主要步行路径道路基础条件如图所示。只有少数路段没有设计人行道，双侧人行道占比过少（图1），只有湖边有休憩设施（图2），道路基础条件有待改善。湿热地区的大学校园重视校园绿化，可以看出主要步行路径的遮阴情况良好，只有少数路段没有遮阴（图3）。随着一天太阳的轨迹，同一路段的遮阴情况有所差异，在测量数据里体现的是所有因素综合作用的结果。

图1 华南理工大学核心区主要路径人行道分析图

图2 华南理工大学核心区主要路径休憩设施分析图

图3 华南理工大学核心区主要路径遮阴情况分析图

1.3 道路横断面调研及测量点选取

经过对西区和东区初步的测量后我们结合道路基础调研，将测量点进行分类，同时绘制道路断面图（表1）。把树木遮阴、建筑遮阴、水体这3 个因素作为重要分类依据，第①类测点有建筑遮阴，树木遮阴，临湖；第②类测点树木遮阴，临湖；第③类有建筑遮阴和树木遮阴；第④类测点有树木遮阴，树木遮阴分为不同的情况，全天有遮阴和只有局部时段有遮阴；第⑤类测点有建筑遮阴，建筑遮阴分为不同的情况，建筑布局不同导致遮阴时段有区别；第⑥类测点临湖，种植棕榈树不能提供树木遮阴；第⑦类测点全天无建筑和树木遮阴，周边无水体，设置为参照组。

表1 测量点分类表

2 测量方法

2.1 小气候因子测试方法及数据分析方法

2.1.1 小气候因子测试方法

本次微气候观测时间为2022 年7 月16 日、20 日以及2023 年2 月21 日、22 日和23 日（表2）。分夏春两个阶段进行观测。根据学生的出行活动规律选取上下课间典型时段进行测量，每个测量时段为30min，每30min 进行一次全点测量。每日具体观测时间为7:30-8:00，9:30-10:00，11:30-12:00，14:00-14:30，16:00-16:30，18:00-18:30。每天对观测点进行6 次测量。测试仪器为Kestrel 5000 气象站/风速仪，对各个测点的风速、空气温度、相对湿度以及酷热指数进行定点走动观测记录，使测量高度为1.5m，数据采集频率均为每分钟1 次，放置仪器后记录数据。仪器的测量范围及精度见表3。

表2 测试日天气状况表

表3 测试仪器主要参数表

2.1.2 数据分析方法

对气温，相对湿度、酷热指数和风速4 个指标进行分析，将测得的每个测量点测量时段的均值分别与所有测点对应时段的均值做差即为气温差值、相对湿度差值、酷热指数差值和风速差值(以下简称温差、湿差、热差和风差)，所得气温差值越小则意味着该类测点的降温效果越好，所得相对湿度差值越大则意味着增湿效果越好，所得酷热指数差值越大则意味着改善热环境效果越好，所得风速差值越大则意味着改善风环境效果越好，计算公式如下：

式中，DT（℃）为温差，T 为特定测点的气温均值，T 为所有测点的气温均值；DH（%）为湿差，H 为特定测点的相对湿度均值，Ha 为所有测点的相对湿度均值；DI（%）为热差，I 为特定测点的酷热指数均值，Ia 为所有测点的酷热指数均值；DW（℃）为风差，W 为特定测点的风速均值，Wa 为所有测点的风速均值。

根据测点环境的差异，将测量点进行分类，将各类测点的温差、湿差、热差和风差进行统计，主要描述内容有平均值、最大值、最小值、标准差和极差等，进行相关分析。

2.2 测点的选择与分布

基于校内主要学生群体的分布和活动情况，根据周围环境的差异，不同类型的步行环境共计18个测量点（图4）。东区和西区各9 个测点，各测点分类及具体信息见表1。

图4 各测点分布图

2.3 测量结果

基于以上分类结果，根据各指标差值进行各类型之间的描述性统计分析和指标差异性分析。

2.3.1 夏季测量结果分析

通过分析夏季风环境（图5），风速差值越大证明风环境越好，风差均值为正值的测点E3、W5、E4 和W6 都在①②⑥类中，三者的环境因素中都有水体，说明水体的存在可以改善风环境。E4 的风差均值最大，为0.92m/s，E9 作为参照组⑦类的测点之一，风差均值最大，为-1.48m/s（表4）。

表4 夏季各测点日渐风速差值（DT）描述性统计表

图5 夏季各测点风速差异性分析图

通过热环境分析可知（图6），酷热指数差值越大证明热环境越差，作为参照组的⑦类所有测点E9、E7 和W9 热差均值均为正值，W9 热差最大值为5.27℃，热差均值为2.08℃；同时环境要素仅有水体的⑥类测点E1、W6 和W3 热差均值为正值，W3 热差最大值为6.31℃,热差均值为2.13℃，可以证明水体对改善夏季热环境的作用较小；有遮阴的①②③④类测点的热差均值除了W8均为负值，而W8 测点的遮阴环境时长较短，属于非典型的遮阴环境测点，W5 热差最小值为-3.53℃，热差均值为-1.66℃，由此可知建筑遮阴和树木遮阴对改善热环境都有明显的作用（表5）。酷热指数是通过空气气温和相对湿度复杂的公式计算得来的，由图表可知，夏季时，温度和酷热指数呈明显的正相关性（表6、图7），相对湿度对热环境有一定的影响，但是没有明显的相关性（表7、图8）。

表5 夏季各测点日渐酷热指数差值（DI）描述性统计表

表6 夏季各测点日渐温度差值（DT）描述性统计表

表7 夏季各测点日渐相对湿度差值（DH）描述性统计表

图6 夏季各测点酷热指数差异性分析图

图7 夏季各测点温度差异性分析图

图8 夏季各测点相对湿度差异性分析图

2.3.2 春季测量结果分析

通过分析风环境（图9），风差均值大于0.1m/s 的测点E3、E4、W7 和E1 都在①②⑥类中，三者的环境因素中都有水体，说明水体的存在可以改善风环境。E4 的风差均值最大，为0.32m/s，W2 作为参照组的测点之一风差均值最小，为-O.28m/s（表8）。

表8 春季各测点日渐风速差值（DT）描述性统计表

图9 春季各测点风速差异性分析图

通过热环境分析可知（图10），作为参照组的⑦类所有测点热差均值均为正值，G2 的热差均值最大，为0.74℃，热差最大值为2.56℃；同时环境要素仅有水体的W3 测点和E1 测点呈现出相差较大的测量结果，W3测点热差均值最高，是1.13℃，而风差均值是负值，E1测点的热差均值为-0.08℃，风差均值是正值，在春季，W3 测点的热环境较参照组⑦类差，而E1 测点的热环境和风环境都优于参照组⑦类，说明春季时水体改善环境微气候的作用因周围建筑遮挡情况的不同会呈现不一样的效果。而有遮阴的①②③④类测点的热差均值除了E6均为负值，其中E3 的热差均值最小，为-0.78℃，热差最小值为-1.8，由此可知在春季建筑遮阴和树木遮阴对改善热环境有明显的作用（表9）。春季时，温度和酷热指数有相关性（表10、图11），相对湿度是热环境的影响因素之一，没有明显的相关性（表11、图12）。

表9 春季各测点日渐酷热指数差值（DW）描述性统计表

表10 春季各测点日渐温度差值（DH）描述性统计表

表11 春季各测点日渐相对湿度差值（DI）描述性统计表

图10 春季各测点酷热指数差异性

图11 春季各测点温度差异性分析图

图12 春季各测点性对湿度差异性分析图

夏季的风速区间为0-2.7m/s（图13），春季的风速区间为0-2m/s（图14），可知夏季测量日的风环境指标优于春季测量日的风环境指标。夏季的酷热指数区间为37℃-51℃（图15），温度区间为29℃-37℃（图16），相对湿度区间为52%-83%（图17），而春季的酷热指数区间为15℃-25℃（图18），温度区间为16℃-26℃（图19），相对湿度区间为43%-76%（图20），可知夏季的热环境指标高于春季的热环境指标。

图13 夏季各测点风速折线图

图14 春季各测点风速折线图

图15 夏季各测点酷热指数折线图

图16 夏季各测点温度折线图

图17 夏季各测点相对湿度折线图

图18 春季各测点酷热指数折线图

图19 春季各测点温度折线图

图20 春季各测点相对湿度折线图

3 主要步行路径微气候环境的评价

3.1 校园步行环境微气候分析评价

通过对各测点不同时段酷热指数、温度、相对湿度、风速与所有测点平均值差异性分析，来评价各测点综合因素的降温增湿和改善风环境的作用。分别对风环境和热环境进行评价，风速大小是风环境优劣的体现，因此风差评分高低代表测点的风环境优劣，同理酷热指数是热环境优劣的体现，热差评分高低代表测点的热环境优劣；酷热指数同时受环境相对湿度和空气温度影响，不同测点的温差和湿差评分高低分别表示该环境的降温作用和增湿作用大小。

计分标准：根据各测点指标差异性分析确定计分区间，风环境指标，风差：x ≥0.5 计2 分,0＜x＜0.5 计1分，-0.5 ≤x ≤0 计-1 分，x＜-0.5 计-2 分；热环境指标，温差：x ≥0.5 计-2 分,0＜x＜0.5 计-1，-0.5 ≤x ≤0计1 分，x＜-0.5 计2；湿差：x ≥1 计2 分,0＜x＜1 计1分，-1 ≤x ≤0 计-1 分，x＜-0.5 计-2；热差：x ≥1计-2 分,0＜x＜1 计-1，-1 ≤x ≤0 计1 分，x＜-1 计2；表中分类代表不同测点的重要影响因素组合，①：建筑遮阴+树木遮阴+水体；②：树木遮阴+水体；③：树木遮阴+建筑遮阴；④：树木遮阴；⑤：建筑遮阴；⑥：水体；⑦：无。

评价得分表显示（表12、13），无论夏季还是春季时，①类测点的风环境和热环境都要优于其他类测点，周围环境因素的降温增湿和改善风环境的作用都很明显；作为对照组的⑦类测点热环境明显较其他类测点差；夏季时只有单因素作用的④⑥类中，有树木遮阴的④类测点的热环境明显优于周边仅有水体的⑥类测点，⑥类测点的风环境优于④类测点，由此可知夏季水体对改善风环境有明显作用，而对改善热环境没有明显作用，树木遮阴对热环境有明显的改善作用，主要降温增湿调解环境微气候；春季时单因素作用的④⑤⑥类中，有建筑遮阴的⑤类测点，无论风环境和热环境的得分都高于⑦类测点，说明建筑遮阴在改善风环境和热环境方面都有一定作用。可见水体改善热环境的作用较小，可以明显改善风环境，建筑遮阴和树木遮阴可以明显改善热环境。

表12 夏季各类测点得分表

表13 夏季各类测点得分表

由于周围有水体对改善风环境有明显作用，夏季风环境对于微气候环境有一定的影响，改善风环境的同时需改善热环境，才能最大程度地改善步行环境微气候。

一定范围内的风速可以改善人体的热舒适情况，风环境的优劣受季节变化的影响较小，风速除了与当天的定力风向相关，还受水面开阔度和测量点所在方位的影响。当风速低于5m/s 时，人的感觉是舒适的，并且不会对人的行动产生影响[11]。春夏两季的风速低于3m/s，在人的感觉舒适范围以内（图21）。

图21 夏春两季风速均值对比图

图22 夏春两季酷热指数均值对比图

研究表明，人体对热的上限温度为32℃，夏季时除了7:30-8:00 时段的温度均值低于32℃，其他5 个时段的温度均值都大于32℃；春季时温度均值都小于32℃（图23）。作为对照组，可以看出春夏季节的热环境区别明显，春季热环境较为舒适，因此夏季时改善热环境是改善环境微气候的关键。

图23 夏春两季温度均值对比图

图24 夏春两季相对湿度均值对比图

从测量数值可知，春夏两季上午时段风速均值无明显差别，下午时段春季的风速均值低于夏季，春季的风速均值随着时间推移呈下降趋势（图21）。通过热环境对比，夏季所有测点温度均值，酷热指数均值和相对湿度均值都高于春季，春季和夏季的温度以及酷热指数峰值在14:00-14:30；春季和夏季的相对湿度在14:00-14:30 前呈下降趋势，16:00-16:30 后相对湿度呈上升趋势（图22～24）。

由于夏季与春季的气候有区别，夏季时，高温高湿，日照充足太阳辐射强度大，春季气候温和，意味着降雨、湿度等趋于下降或减少，太阳辐射强度减弱。夏季高温天气通过降温改善热环境是最重要的。在小尺度空间内的绿地冠层格局具有一定的温、湿度调控效应，其中温度调控能力主要来自绿地植物的遮阴作用[10]。创造全天遮阴环境对改善热环境最有效。建筑遮阴和树木遮阴主要通过降温和增湿作用影响热环境，进一步改善微气候环境，周边水体主要通过增湿和改善风环境来改善环境微气候，从热环境来看，由于夏季的酷热指数、温度和相对湿度都高于春季，因此在夏季改善热环境是改善微气候环境的关键，建筑遮阴只能作用于一天的特定时段，树木遮阴是通过遮挡步行道环境的顶面来创造遮阴环境，因此树木遮阴的作用时段较长，二者需结合才能实现全天遮阴环境。

3.2 校园步行环境优化建议

湿热地区夏季的时长远大于其他季节，湿热地区大学校园步行环境应该优先考虑最大程度改善夏季的环境微气候，所以尽可能设计全天遮阴的步行环境和周边水体。经过各类测点的微气候情况对比可知，同时有三因素的①类测点，夏季的热环境和风环境都明显优于其他类型的测点，由此可得出步行环境微气候条件最好的局部模型；夏季时两种因素组合的②③类测点与单因素的④⑥类测点中，只有水体的⑥类测点热环境最差，风环境优于其他测点，其他类的测点热环境根据全天遮阴情况有所不同；无论夏季还是春季，树木遮阴和建筑遮阴可以明显改善热环境，水体主要影响风环境来改善步行环境微气候。由此得出4 种步行环境微气候条件良好的局部模型，以适应不同的设计条件（表14）。

表14 步行环境类型表

夏季时，树木遮阴、建筑遮阴和周边水体三种因素结合可以创造出良好的步行环境微气候。大学校园核心区具有体现校园氛围、塑造校园特色景观的重要作用[12]，进行校园规划设计时，在条件允许的情况下，湿热地区尽可能设计水体以优化核心区步行环境。部分类型水体可提高局部风速，大面积水体为环境提供一个开敞面，利于空气对流形成风[13]。其次，步行环境与其周边的建筑有着直接且紧密的关联，建筑的围合形式、形态、密度等要素直接影响着步行微气候环境[14]，因此同时也需要考虑建筑布局对步行环境遮阴情况的改善作用，在满足建筑基本功能需求的情况下也需要考虑建筑对室外步行环境的影响。例如可以在庭院里布置遮阴的构架或者凉棚，小面积的天井也会布置遮阳构架，或者将遮阳构架与爬藤植物结合，植物遮阴和建筑遮阴二者相结合；湿热地区经常使用底层架空和连廊，令建筑获得更多的自然通风，有效降低建筑空间的温度和湿度[15]。设计建筑周边步行道时，为了最大程度优化步行环境微气候，应该将步行道设置在较长时间段可以被建筑遮阴覆盖的区域。例如将步行道设置于建筑北面优于建筑南面，由此对主要步行区域的设置也有一定的指导意义。

小结

文章研究的是华南理工大学校园室外步行环境的周边水体、树木遮阴和建筑遮阴三种因素对步行环境微气候的影响，研究不同因素的组合与风环境指标和热环境指标差值的相关性，并根据各个测点的环境特征将校园内多个步行环境测点划分7 个组合类型，从而比较校园内各因素组合类型间的风环境和热环境差异。选取夏季和春季具有代表性的不同因素组合测点和单日测量数据，研究华南理工大学步行环境微气候春夏两季的日间风环境指标和热环境指标变化特征。

结果表明：（1）步行环境的风环境指标（风速）受季节变化影响较小，而热环境指标（温度&相对湿度&酷热指数）受季节变化影响较大，夏季的酷热指数，温度和相对湿度都远高于春季，因此夏季时改善热环境是改善步行环境微气候的关键。（2）不同因素组合中，三种因素的组合对于改善步行环境微气候的作用要优于两种因素组合，因为三种因素组合同时可以改善风环境和热环境。（3）对照组没有三种因素的影响，步行环境的风环境和热环境指标最差，其他组的风环境指标和热环境指标都优于对照组，说明单因素对步行环境微气候的改善也有一定的作用。（4）周边水体主要通过影响风环境改善步行环境微气候，树木遮阴和建筑遮阴主要通过影响热环境改善步行环境微气候，因此步行环境要素为单因素时，水体对于改善步行环境微气候的作用不如建筑遮阴或树木遮阴的作用。（5）春季时酷热指数与温度没有明显的区别，夏季时酷热指数远高于温度，夏季相对湿度高于春季相对温度，相对湿度和温度共同影响了酷热指数，夏季人在步行环境中能感受到的温度远高于实际温度。（6）在实际工程应用中，不应该单纯考虑通过单一因素来改善步行环境微气候，在湿热地区首要目标是改善热环境，通过建筑遮阴和树木遮阴二者相结合创造全天遮阴的环境，当规划布局和建筑设计条件有所限制时，再考虑仅以景观设计的角度创造尽可能多的树木遮阴改善热环境，同时设计与步行环境相结合的水体提供开敞的空间，以此改善风环境。

图、表来源

文中所有图、表来源均由作者绘制。