广州地区典型绿化乔木降温增湿效应研究

李江波 翟志宏 李海燕 邓燕 陈思豪 王忆娴 丁云飞

1 广州大学土木工程学院，广州 510006

2 广州市气候与农业气象中心，广州 511430

1 引言

2022 年城市人口数量约为42 亿，约占世界总人口的52.5%。据联合国预测2030 年世界人口总数将达到85 亿人，其中城市人口占比达到60%（Dorling,2021;Li et al.,2021）。城市规模的扩张使城区近地面的物质和能量平衡产生了极大的改变，形成了城市特有的气候（Tam et al.,2015）。在全球温度升高和快速城市化双核驱动的背景下城市热岛效应愈发明显，城市热环境已成为主导城市生态环境的要素之一（Jiang et al.,2021;汪军能等,2022）。2022 年7 月广州市经历了71 年来最长高温过程（https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_19130743.[2023-06-09] ），类似高温天气在未来可能更加频繁出现（司鹏等,2021），做好城市设计与城市气候变化之间的协同效应，对于缓解城市热岛和改善居民的热环境意义重大（Akbari,2002;Strohbach et al.,2013）。

现有城市地区的措施主要有使用高反照率路面，透水路面和增加绿地，其中城市绿地的规划设计对缓解热岛现象非常明显，因为植被可以同时降低显热并增加进入大气的潜热通量（崔凤娇等,2020;卞韬等,2023）。在城市路边、公园、居住小区种植绿化树可有效降低绿地及周边温度（赵晓龙等,2016;许敏等,2020;钟秀惠等,2022），Cohen et al.（2012）探讨了以色列特拉维夫在不同植被覆盖的各种城市公园的气候条件，结果表明，在夏季树冠茂密的城市公园最大可降温3.8°C，冬季最大可降温2°C。Ca et al.（1998）通过实地测量日本东京城区公园内和周边地区多个地点的气温、相对湿度和其他气象要素，结果发现公园内气温比周边商业区低2.0°C。

在城市地区进行绿化时，由于城市绿化空间有限，如何优化植被的空间布局以提高降温效果是城市规划者要着重考虑的。何介南等（2011）实地观测长沙市4 种典型绿地类型的样地及其相邻裸地的温湿度，结果表明乔木林、乔灌草、灌丛和草地的温度变化指数依次降低，降低城市热岛强度的能力不一样。Rahman et al.（2015）测试了英国曼彻斯特8 条街道的树木生长特性及降温效果，发现生长较快的树种叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）较高，能产生更多冷却作用，豆梨（Pyruscalleryana）和山楂（Crataeguslaevigata）的降温能力是腊梅（Prunusumineko）和山梨（Sorbusarnoldiana）的3～4 倍。Morakinyo et al.（2013）实测了建筑周围遮阳树对建筑室内外的气温影响，结果表明，无遮阳建筑的室内外温差峰值为5.4°C，而有遮阳树的建筑则不超过2.4°C。秦仲等（2016）实测了北京园林5 种植物群落夏季的降温增湿作用，结果表明5 种植物群落的温湿度在24 h 中均呈现出“单峰型”的变化规律，不同植物群落对其内部日均降温3.0～4.3°C，日均增湿10.2%～12.8%。宋丽华等（2011）实测了银川市5 种城市绿化树树冠下、空旷地的空气温度和湿度，并比较了不同绿化树的降温和增湿能力。于雅鑫等（2013）实测了12 种木兰科乔木的光合速率、蒸腾速率和叶面积指数，量化分析各树种单位土地面积的固碳释氧和降温增湿能力，结果发现落叶乔木的固碳释氧和降温增湿能力比常绿乔木好。以往研究大多从实验手段去分析，这限制了诸如树木几何形态，树种等参数的多样化，且实验在不同地点展开局限了结论的适用性。

ENVI-met 基于流体动力学和热力学的基本定律，可以模拟空气、土壤温湿度、风速和风向、辐射通量等主要气候变量的日变化，具有从0.5～5 m的典型水平分辨率和1～5 s 的时间步长（Bruse and Fleer,1998）。陈卓伦（2010）对绿地面积和植被布局对微环境的影响进行了模拟研究，结果表明，绿地面积增加10%，表面温度可降低2.0°C。Zhang et al.（2018）通过模拟研究武汉市植被对住宅热环境的影响发现植被对热环境的影响与树的排列、叶面积指数、冠幅和树高有关。Tsoka et al.（2021）以叶面积密度（Leaf Area Density,LAD）为基准，建立了接近实际树形的模型，评估了希腊塞萨洛尼基城市密集区的城市绿化对降低环境空气温度的潜力，结果表明行道树的高度对降温潜力影响很大。刘之欣等（2018b）建立了广州地区常见的绿化乔木植物模型，通过比较实验数据和模拟数据，验证了湿热气候下乔木的生理指标和热表现。利用模拟工具可以计算出不同树种对微气候的影响，这减少了大量的实验工作量，且可进行更多参数的研究，而以往的研究大多关注的是绿化量的多少对环境气温和湿度的影响，或者植被采用的是一种单一的代表性植被进行绿化量计算，没有考虑树种多样性对植物群落降温增湿的影响，而分析不同树种的实体形态和群落叠加效果对微环境的影响具有重要意义。

针对以上不足，本文对树木的几何形态和生理参数进行建模，分析不同树木的降温增湿作用，量化单株乔木单位土地面积的降温增湿能力，依靠仿真模拟的方法分析植被在微气候中的调节作用。以广州某校园公寓小区微气候为分析对象，建立广州地区6 种常见绿化乔木模型，分析单株乔木的降温效益以及植被群落对环境的降温增湿作用，分析不同植物群落的降温增湿效果，解析乔木降温增湿能力的主要决定因素及微气候的分布特征，以期为绿地规划设计提供参考依据。

2 研究方法

本文对广州市典型绿化乔木的热环境影响进行评估，通过合理的树种搭配和空间配置来缓解微气候热岛效应，研究方法主要由3 部分组成：第一步，现场测量和ENVI-met 校准，利用现场测量的温度和相对湿度数据对模型建立及参数设置进行调整和优化，确定精度较高的数值模拟方法。第二步，根据广州市典型绿化植被的生理参数建立植物模型，分析不同树种对热环境及下垫面热通量的影响。第三步，采用经过验证的模拟方法对典型小区进行树种空间配置的室外热环境模拟，研究缓解微气候热岛现象的植被参数及配置方式。

2.1 研究区概况

实验在广州市番禺区进行。广州市位于（23°07′N，113°15′E），是我国湿热地区典型城市，夏季高温高湿，7 月平均气温28.9°C，相对湿度79%。测试地点（如图1）为广州某大学校园（240 m×180 m），测试时间为2022 年7 月14日07:00（北京时间，下同）至18:00。实验测量区域包含建筑及多种下垫面类型，可以很好地体现ENVI-met 对各种复杂下垫面的微气候模拟，各测点布置如图1 所示。每隔1 分钟记录各测点位置的空气温度、相对湿度、太阳辐射及风速，所用仪器及参数见表1 所示。

图1 实验现场及测点布置图Fig.1 Experimental site and measurement point layout

表1 参数测量仪器Table 1 Parameter measurement instruments

2.2 数值模拟

根据现场的实际配置用ENVI-met 进行建模，模型如图2 所示。模型输入信息参考文献（Yang et al.,2013），具体参数见表2 所示，气象参数以实测区域10 m 高度处结果进行设置，时间从7 月13 日20:00 开始，模型共运行28 h 取24 h 的数据结果用于和实验测试结果进行比较分析。

图2 试验区域仿真三维模型Fig.2 Simulated 3D model of the test area

表2 模型输入信息Table 2 Model input information

为了衡量模拟值与实测值之间的偏差，本研究选取均方根误差（Root-Mean-Square Error,RMSE）作为评价指标（Wang and Lu,2018;耿红凯等,2020）。RMSE 又称作标准误差，是统计学中常用的分析指标之一，其计算如下：

其中，N为所有模拟值的数量，yai为软件模拟值，yti为与之对应的实测值。RMSE 较小，意味着模拟值接近实测值，表明所建立的模型精度较好。

表3 是10 个位置的实验数据和模拟结果，对现场测量数据和模拟值进行比较分析，可以发现，其中温度的线性拟合优度R²为0.79～0.98，相对湿度的R²为0.67～0.86。相对湿度实测值和模拟值的RMSE 小于5.65%，模拟误差在10% 以内。对比52 项研究（Tsoka et al.,2018）中温度的RMSE的中位数为1.51°C，R²的中位数为0.92，相对湿度RMSE 的范围在2.04%～10.20% 之间。通过以上不同测点的结果分析可以看出，本研究中建立的微气候模型关于室外温湿度的模拟结果和实测结果吻合，室外微气候建模方法具有较高的精度，可进一步用于模拟和探索不同植被参数及空间配置工况下的室外微气候。

表3 室外温湿度观测值和ENVI-met 仿真结果比较Table 3 Comparison of outdoor temperature and humidity and ENVI-met simulation results

2.3 植物模型建立

在研究建筑群内景观设计对区域微气候的影响时很难实现不同工况的现场实测实验，数值模拟建立不同植被模型可解决这一问题。研究不同植被的微气候影响效应时植被的建模至关重要，ENVI-met是研究植被对热环境影响广泛使用的模型之一。本文也用ENVI-met 对广州地区植被进行建模。刘之欣等（2018a,2018b）通过实验测量验证了多种广州地区常用的乔木植被，本文建立的植被模型用他们的数据进行验证。植被模型建立分两步进行，第一步，根据Lalic and Mihailovic（2004）方法计算获得建模所需要的模型树不同高度处的LAD 值（Lalic and Mihailovic,2004）；第二步，在Albero中植被建模需要输入树冠形态、叶片属性和根系3类参数，根据计算的LAD 结果设置植物的树冠形态，叶片属性、根系保持默认设置（Simon et al.,2020）。LAI 和LAD 的计算公式如下：

其中，h为树的高度（单位：m）；Lm为最大叶面积密度（单位：m2/m3）；zm是LAD 最大时树冠的高度（单位：m），z是LAD 值时树的高度（单位：m），n为根据多个实测数据得到的最优修正系数。根据上述植被建模方法选取6 个代表树种——芒果Mangiferaindica、白千层Melaleuca leucadendron、腊肠树Cassiafistula、小叶榄仁Terminaliamantaly、蒲桃Syzygiumjambos、细叶榕Ficusmacrocarpa。表4 列出了各乔木的建模参数（刘之欣等,2018a,2018b）。

2.4 分析案例

现场实测难以全面刻画植被种类及空间配置等参数对建筑群热环境的影响，为了研究不同树种的实体形态及群落的空间配置对热环境的影响，本文采用ENVI-met 进行仿真研究。以广州市现场测量附近的校园学生公寓小区为例，进行不同工况的模拟研究。该模型区域为420 m × 350 m，网格设置为210 × 175，分辨率为2 m，住宅建筑高度范围为20～25 m，垂直网格2 m 以下设置5 个网格，25 m 以上设置10%的弹性网格，高度方向共设置34 个网格。模型模拟气象参数利用2022 年7 月14 日实测数据，其他设置和验证模型保持一致。

本研究中不同树种选择时研究区域的住宅区面积均为30%，在所有案例情况下建筑材料均和现场测量区域建筑建模参数一致，因此研究可以只关注基于区域中树种几何形态及空间配置对热环境的影响。建立6 种乔木模型，根据现场绿化情况依次替换6 种乔木，探究乔木的实体形态对热环境的影响（C-XX），加上基准的案例（无植被，C-BC），共7 个案例，信息汇总见图3。

图3 研究区域（a）卫星图、（b）建筑模型和（c）绿化模型Fig.3 (a) Satellite map,(b) building model,and (c) greenery model of the study area

3 结果与分析

3.1 单株乔木对周边区域的热影响

植物对周边区域的热环境调节作用根据其植物生理属性及几何形态有所差异，本文对建立的6 种广州地区常见绿化植被对其周边环境的降温效益进行模拟研究，研究区域无其他建筑和植被影响，在空旷自然土壤种植单株建立的绿化树，分析每株植被对其周边100 m2（10 m×10 m）的热环境影响。

图4 为12:00 乔木下方地面释放的显热通量，植被正下方因乔木冠层密度和冠幅的差异，地面吸收的辐射得热差异较大。在植被遮挡较少的区域地面均有60～100 W/m2的显热散热来加热附近的空气，且在植被的迎风方向下垫面的显热散热效果更加强烈。细叶榕（FM）的影响范围最大，植被正下方下垫面的显热通量最大接近210 W/m2，降温效果最明显，白千层（ML）和腊肠树（CF）的影响范围接近，但白千层（ML）的降温能力更强，植被正下方下垫面显热通量最大接近200 W/m2，而腊肠树（CF）的最大值约170 W/m2，芒果（MI）和蒲桃（SJ）的植被正下方的降温能力接近，但蒲桃（SJ）的影响范围稍大一点，小叶榄仁（TM）的降温能力和影响范围最小。

图4 广州市某校园2022 年7 月21 日12:00（a）芒果Mangifera india（MI）、（b）白千层Melaleuca Leucadendron（ML）、（c）腊肠树Cassia fistula（CF）、（d）小叶榄仁Terminalia mantaly（TM）、（e）蒲桃Syzygium jambos（SJ）、（f）细叶榕Ficus macrocarpa（FM）下方地面释放的显热通量Fig.4 Sensible heat fluxes released from the ground beneath vegetation (a) Mangifera indica (MI),(b) Melaleuca Leucadendron (ML),(c) Cassia fistula (CF),(d) Terminalia mantaly (TM),(e) Syzygium jambos (SJ),and (f) Terminalia mantaly (FM) at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

图5a 为6 种植被下方和无植被情况下地面温度在06:00 至19:00 时间段的变化曲线，可以看到7 种情况下地面温度全天均在14:00 至16:00 左右呈“单峰型”变化，无植被情况下地面温度从06:00（22°C）逐渐增加，且增幅越来越大，15:00（46°C）达到最大后逐渐降低。有植被时在09:00至12:00 会减缓地面温度升温，且不同植被减缓温度上身时间相差很大，细叶榕（FM）在14:00 后地面才开始快速升温，小叶榄仁（TM）下方地面升温时间最早，不同植被下方地面最高温度相差较大，细叶榕下方地面温度最低，芒果（MI）和蒲桃（SJ）下方温度其次，小叶榄仁（TM）下方地面温度最高。

图5 广州市某校园2022 年7 月21 日12:00 植物群落及无植被区域（a）地面温度、（b）地面湿度、（c）显热通量、（d）潜热通量比较Fig.5 Comparisons of (a) surface temperature,(b) surface humidity,(c) sensible heat fluxes,and (d) latent heat fluxes of six plant clusters and unvegetated areas at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

图5b 为植被下方和无植被时地面湿度的变化曲线，地面含湿量在上午持续增大，在12:00 左右达到最大值，06:00 至09:00 地面含湿量增加较快，植被的存在对含湿量增加影响较小，09:00 至12:00 植被存在会减缓地面含湿量的增加，在12:00 后地面温度快速升高增加了地面的蒸发，地面湿度在13:00 至15:00 含湿量到达峰值，含湿量受温度影响，不同植被下方含湿量的大小和地面温度规律接近。

图5c 为地面的显热通量比较，在无植被（C-BC）情况下地面吸收大量太阳辐射量升温，进而对环境产生较大的显热散热，而植被的存在则减弱了太阳辐射对地面温度的影响，地面的显热通量也随之降低。植被下方地面显热通量在中午有较大变化，因为太阳高度角的变化植被下方地面被遮挡发生改变，当植被冠幅无法遮挡下方地面时地面温度升高较快，地面的显热通量增幅较大。细叶榕（FM）有较大的冠幅，其下方阴影较大，地面显热通量最小且持续低显热通量时间最久，芒果（MI）和蒲桃（SJ）的叶面积指数较大，太阳透过率较低，其下方地面也相对较低，显热通量和细叶榕（FM）较接近但其持续低显热通量时间要少，小叶榄仁（TM）因为较低的叶面积指数和冠幅，其下方地面显热通量全时间段均相对较大，对于植被周边的温度调节能力较弱。

图5d 为地面潜热通量的比较，潜热通量的变化规律和地面湿度的趋势一致，在06:00 至12:00潜热通量逐渐增大，地面温度增加导致水分蒸发加强，而在09:00 至12:00 植被的存在减缓了地面温度的增加，潜热通量出现降低现象，在地面温度快速上升后，潜热通量也随之快速增加。无植被存在时地面潜热通量全天变化是简单的抛物线型，而植被的存在会影响植被下方地面湿度的分布，潜热通量峰值比无植被时更高，最大值会迟滞2 h 左右。

3.2 不同植物群落内部降温作用比较

图6 为12:00 6 种植被在研究区域种植时相比无植被时的温度降低云图，太阳辐射对室外环境的热影响逐渐增强，在12:00 6 种植被布局案例已经有较大差异。建筑区域周边因为没有植被和建筑的遮挡，空气温度较高，而在建筑群内部因为建筑和植被对太阳辐射的减弱以及植被的蒸腾散热，建筑群内部空气温度从东南侧进风方向温度逐渐降低，尤其在北侧建筑外围的植被区域，人行高度处温度相比进风温度降幅较大。从云图分布结果可以看出植被在正午时分可以降低人行高度处温度最大约1.5°C，白千层的降温效果最好，研究区域大部分区域温度降低超1°C。细叶榕和腊肠树的降温效果次之，芒果、蒲桃、小叶榄仁的降温效果较差，小叶榄仁的冠幅较小，种植较密集，但其叶面积指数较低，对太阳辐射的遮挡和蒸散作用均偏低，群落的降温效果最差。从树种几何形态看，树高对植被降温影响很大，植被在10 m 以上时在白天有较好的降温效果，而低矮植被的冠幅较低会阻碍空气流通，建筑内热空气阻滞进而在内部恶化，形成局部高温现象。

图6 广州市某校园2022 年7 月21 日12:00（a）MI、（b）ML、（c）CF、（d）TM、（e）SJ、（f）FM 相比无植被时降温分布云图Fig.6 Cloud map of cooling distribution within (a) MI,(b) ML,(c) CF,(d) TM,(e) SJ,and (f) FM at 1200 on 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

图7 所示为7 种案例正午时分研究区域的温度比较，种植芒果、蒲桃、小叶榄仁时研究区域人行高度处的温度和无植被时相差不大，平均温度分别为32.7°C、32.7°C、32.8°C，种植小叶榄仁的平均温度最高，细叶榕和腊肠树的降温效果接近，在全区域上细叶榕（FM）的降温效果更好，主要是因为细叶榕的冠幅更大可以形成更大的阴影，植物群落的综合叠加降温效应更好，种植白千层的平均温度最低为32.1°C，树高越高其降温能力越强，最低温度相比无植被时低约1°C。

图7 广州市某校园2022 年7 月21 日12:00 植物群落及无植被区域（C-BC）温度Fig.7 Temperature of six plant clusters and unvegetated area (C-BC)at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

图8 比较了研究区域12 个位置在不同植被布局时的降温大小，在建筑间的树下A 和C 区域温度降低较大，下风区域（A）的降温效果更好。树种的实体形态差异导致6 种植物群落的降温效应差异，植被高度10 m 以上时降温效果增加明显，而低矮植被反而会在群落内部造成局部温升现象，白千层的降温强度相比低矮乔木高出约1°C，植被的冠幅和树高的综合影响决定了植被的降温能力大小。

图8 广州市某校园2022 年7 月21 日12:0012 个监测点在不同植被布局时的降温作用Fig.8 Cooling effect of the 12 monitoring point under different plant clusters at 1200 LST 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

3.3 不同植物群落内部增湿作用比较

图9 为6 种植被在研究区域种植时相比无植被时的相对湿度变化云图，植被在中午均有一定的增湿能力，芒果、蒲桃、小叶榄仁、细叶榕几种植被群落的增湿能力接近，在植被下方平均增湿2%左右。植被群落通过叶片的光合作用在白天蒸散出的水汽进一步增大树下的相对湿度，且冠幅越大叶面积越大，一方面产生更多的蒸散水汽，另一方面树下水汽越不易扩散，所以树高较高的白千层和腊肠树的增湿能力最强。在研究区域下风方向的楼间树下人行高度处均有明显的湿度增加，此区域空气流通较差，受上风方向的空气湿度影响较小，且种植了密集的植被，植被及土壤的蒸散水汽得以较好地对空气增湿。

图9 广州市某校园2022 年7 月21 日12:00 植物群落内部（a）芒果、（b）白千层、（c）腊肠树、（d）小叶榄仁、（e）蒲桃、（f）细叶榕增湿分布云图Fig.9 Cloud maps of the humidification distribution within the plant clusters (a) Mangifera indica,(b) Melaleuca leucadendron,(c) Cassia fistula,(d) Terminalia mantaly,(e) Syzygium jambos,(f) and Terminalia mantaly at 1200 21 Jul 2022 at a campus in Guangzhou area

图10 为研究区域不同植被群落时的相对湿度比较，种植芒果、蒲桃、小叶榄仁、细叶榕、腊肠树、白千层植被群落时研究区域平均相对湿度为63.2%、63.4%、63%、64.7%、64.7%和68%，与无植被（63.1%）相比分别增加0.1%、0.3%、-0.1%、1.6%、1.6%、4.9%，植被的增湿能力随着其高度的增加而增加，白千层的增湿效果最好，在局部区域相对湿度增加约10%，相比低矮乔木增湿强度高出约5%。图11 显示了在研究区域12 个监测点的增湿差异较大，在建筑间植被下方（A 区和C 区）增湿比建筑围合（B 区）高，下风方向（A-1、C-1）的增湿效果比迎风方向（A-4、C-4）要高约7%，表明植被对进入研究区域的空气有一个增湿效果。

图10 同图7，但为相对湿度Fig.10 Same as Fig.7,but for relative humidity

图11 同图8，但为增湿作用Fig.11 Same as Fig.8,but for humidification effect

4 结论与讨论

树木的遮荫可以通过树叶和树枝的反射和拦截来去除大量入射的太阳辐射，这可以同时降低空气温度和地面温度（Shashua-Bar et al.,2010;De Abreu-Harbich et al.,2012）。本研究中建立的6 种树木在白天时间段单株树木下方及周边小范围的空气温度和地面温度也反映了树木的几何形态及叶面积指数对微气候的调节作用，本研究中白千层的在局部区域的降温效果达到1.2°C，和秦仲等（2016）中的结果较接近。树木的遮挡会缓解地面温度的升温，在树木遮挡效果较好的时候地面温度上升很缓慢，而在午后随着太阳高度角的变化，遮挡面积逐渐减小，地面温度开始快速上升，乔木单株对周围环境的影响相差较大，植被下方与无植被的裸露下垫面相比地面温度最大相差约10°C，12:00 后地表热通量迅速增加由负转正，造成空气温度升高，植被的存在可降低地表显热通量，改善区域热环境及舒适性。

植物群落的降温增湿作用受树高影响较大，10 m以上的乔木的降温增湿作用相比低矮乔木，降温强度高出约1°C，增湿强度高约5%。乔木下方平均增湿2%左右，植物群落的增湿能力随着乔木高度的增加而增加，白千层群落的增湿效果最好，在住宅区增湿效果与风向有关，下风方向的增湿效果比迎风方向要高约7%。本研究中植物群落的排列方式根据现场实际情况建模，树木种植设计是影响热效应的另一个重要因素，绿化率接近但种植排列方式不同，由于风速、风向和遮阳效果的差异会产生截然不同的微气候，在对植物建模和固定种植模式的基础上可以探索不同植被多种组合配置时的降温增湿研究。

由于树木的巨大影响，越来越多的景观设计师希望正确的方式种植树木（树种选择、种植安排）以获得更好的室外热环境，满足人们对居住室外环境的舒适性要求。未来可以在不同植被配置案例中根据模拟计算的温度、湿度、风速数据计算人体热舒适度评价指标，如通用热舒适度指数、预测平均投票、生理等效温度、标准有效温度等。

本文建立的植被模型单株及群落在住宅小区中的环境调节作用给城市规划者提供了新的参考，如要求达到一定降温效果时植被种类的选择，可根据模拟的单株植被下方地面的显热通量确定合适的植被实体形态，选择接近要求的植被进行规划设计，更科学的进行绿化植被类型、数量和空间布局的参数选择和设计。