樹冠空間結構對微氣候影響的模擬

衛 笑， 郝日明，2， 張明娟，2， 沈昊天， 邱 易， 耿紅凱

（1.南京農業大學 園藝學院，江蘇 南京 210095；2.南京農業大學 農業部景觀設計重點實驗室，江蘇南京 210095）

植物群落具有顯著的溫濕效益，在熱島效益不斷加劇的城市中發揮著重要的微氣候調節作用［1-4］。植物群落的冠層結構，如郁閉度、葉面積指數、綠量、覆蓋率等會影響群落的降溫增濕效益［5-8］，但是針對不同樹冠形態和布局形式對群落微氣候環境影響的研究還較為欠缺。喬木樹冠反射和吸收了大量的太陽輻射，是喬木能為林下空間提供降溫增濕效應的主要原因，而不同的樹冠形態也會顯著影響其遮陽效果［9］。關于布局形式對微氣候影響的研究多集中在豎向結構上喬灌草的合理搭配［10-11］，對于橫向上樹種的平面布局形式卻較少提及。ENVI-met是一款微氣候模擬軟件。該軟件基于熱力學和流體力學原理，較為全面地考慮氣候因子及其相互作用，能夠動態模擬城市小尺度范圍內的表面、空氣和植被之間的相互作用［12］。 已有較多研究從街道［13］、 居住區［14］、 城市中心區［15］、 古典園林［16］、 森林［17］等多種尺度對 ENVI-met進行了校驗，證實ENVI-met在模擬上的可靠性和準確性。基于上述研究基礎，也有很多學者運用該軟件進行純模擬研究，如研究城市步行街空間形態對其微氣候的影響［18］，探討城市空間形態指標與熱環境的相關性［19］，模擬分析高層住宅小區建筑形態對微氣候的影響［20］，以及不同綠地布局模式下居住區的夏季微氣候特征［21］等。說明在條件有限且研究內容較繁雜的情況下，純模擬的研究方式也有很高的應用價值。南京市位于長江三角洲，夏季炎熱多雨，在中國夏季高溫高濕氣候特征的城市中具有一定代表性。為進一步探討樹冠形態和平面布局形式對夏季植物群落微氣候的影響，本研究以南京市的綠地為例，運用ENVI-met軟件，以純喬木林環境為研究對象，設計多種模擬工況，分析不同樹冠形態和布局形式下植物群落的溫濕效應及人體熱舒適度，為改善夏季微氣候環境，以科學的栽植設計來適應不同類型的人群行為活動需求，提供合理的參考依據。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

南京位于中國東部，地處長江下游，屬于北亞熱帶中部季風氣候區，四季分明，光照充足，無霜期長，熱量充裕。年平均降水量為1 106.5 mm，相對濕度為76.0%，平均氣溫為15.4℃。南京是典型的夏熱冬冷地區。冬季以東北風為主，1月平均最低氣溫為-1.6℃；夏季以東南風為主，7月平均最高氣溫為30.6℃。

1.2 研究方法

由于本研究只針對樹冠形態和平面布局形式對微氣候的影響，但在實際情況中很難排除其他環境因素的干擾，所以實際測量的方法對本研究不具實際可行性。因此，本研究選擇ENVI-met軟件，使用純模擬方法，將所有模擬工況周邊環境都設置為相同條件，以保證結果的相對可靠性。

1.2.1 建立研究模型 選取南京市理想情況下的純喬木林群落為研究對象。通過前期預模擬，在確保溫濕效果顯著和便于模擬的前提下，根據常見的植物群落面積，最終確定模型大小為160 m×160 m×50 m，網格數為80×80×25，單個網格的分辨率為2 m×2 m×2 m。模型中共布局36株同種喬木來模擬純林環境。

1.2.2 確定模擬工況 ①喬木樹冠形態。喬木的樹冠形態可分為規則形和不規則形，有學者［22］將常見的規則型樹冠按照遮擋太陽輻射量的關系簡化分成圓柱形、三角形、倒三角形、圓形和半圓形等5種基本樹冠形態。通過文獻資料分析，對南京地區園林中常用的100種喬木的樹冠形態進行分類，確定了5種包含植物種類較多的常見樹冠形態（表1），分別為圓柱形、圓球形、倒卵形、三角形和倒三角形［23-29］。在ENVI-met中建立這5種具有典型樹冠形態的喬木模型，模型剖面圖如圖1所示。為保證數據可比性，所建植物模型的高度一致，均為15 m，實際栽植參考時可進行等比例縮小。圓柱形、圓球形和三角形樹冠的喬木冠幅均為11 m，倒卵形樹冠的喬木冠幅為13 m，倒三角形樹冠的喬木冠幅為15 m。由于研究只針對樹冠形態，因此將5種喬木的葉片屬性、根系形態等都設置為相同指標。②平面布局形式。選擇3種園林中常見的喬木群落布局形式，規則散點式、集中塊狀式和自然集群式（圖2）。其中規則散點式為6×6的點陣式排列，相鄰喬木的中心點之間相距10個像素格，即20 m。集中塊狀式為4個3×3的規則散點式布局組合而成，相鄰喬木的中心點之間相距6個像素格，即12 m。自然集群式中各喬木以自然界常見的集群形式分散布局。通過不同樹冠形態和群落布局形式的排列組合，得出共計15種不同的模擬工況。

1.2.3 設置模擬參數 選擇的模擬日期為夏至日，為確保模擬的普適性，以中國氣象數據網上公布的南

表1 南京常見園林喬木及其樹冠形態分類Table 1 100 common arbors in Nanjing and the classification of their canopy shapes

圖1 喬木模型示意圖Figure 1 Diagram of arbor models

京站點氣象數據為參考，計算南京近10 a來夏至日的平均溫濕度和風速，確定模擬當天的初始氣象數

圖2 群落平面布局形式示意圖Figure 2 Diagram of layout forms of community

表2 模擬參數設置Table 2 Setup of simulation parameters

據，即整個模擬環境的初始溫濕度和風速數據。模擬時間從7：00到17：00，為保證模擬的準確性，去掉模擬最開始的1 h，以8：00至17：00，共計10 h作為重點分析時段，1 h輸出1次模擬結果。當天每小時的溫濕度值以ENVI-met的simple force模擬數據為準（表2）。

1.3 數據分析

從計算的模擬結果中導出各模擬工況的氣溫、相對濕度和PMV指數。將模擬得出的溫濕度數據進行整理，首先計算出整個場地的逐時溫濕度值，即80×80、共6 400個像素格的溫濕度平均值，并利用SPSS對各工況之間的逐時溫濕度進行成對樣本t檢驗。第2步篩選出所有喬木樹冠的垂直投影部分作為樹蔭下區域，其余為非樹蔭區域，分別計算出2個區域每小時的溫濕度平均值，以樹蔭和非樹蔭區域的溫濕度差值作為該工況喬木群落的降溫增濕強度，分別用Tp和Hp表示。Tp=Tfi-Ti。其中：Tfi是第i時刻的非樹蔭區域的平均氣溫（℃），Ti為第i時刻樹蔭區域的平均氣溫（℃）。Hp=Hi-Hfi。其中：Hi為第i時刻樹蔭區域的平均濕度（%），Hfi是第i時刻的非樹蔭區域的平均濕度（%）。PMV熱舒適模型是將環境變量（氣溫、濕度、風速和平均輻射溫度）和人為因素（新陳代謝率和服裝熱阻）綜合計算，得出用于表征人體熱反應（冷熱感）的評價指標，它將熱感覺分為從-3（冷）到3（熱）的7個等級，其中0為舒適值［30-31］。ENVI-met軟件在此基礎上，綜合考慮了氣溫、平均輻射溫度、水汽、風速、人體產生的能量、人體穿衣造成的皮膚溫度、人體表面皮膚與空氣的水汽交換、呼吸造成的能量交換等因素計算PMV指數［32］。IPMV=（0.028+0.303×e（-0.036m）+0.0275）×q。 其中：m為人體新陳代謝率；q為熱舒適系統的能量傳輸率， 計算需要的變量有氣溫、平均輻射溫度、水汽壓和風速、服裝熱阻、人體行走產生的能量等。

2 結果

2.1 整體區域的日均溫濕度

2.1.1 相同布局形式下不同樹冠形態的植物群落日均溫濕度模擬值 整體來看，樹冠形態對群落溫濕度

圖3 不同樹冠形態工況的日均溫濕度比較Figure 3 Comparison of daily average temperature and humidity of simulated condition with different canopy shapes

有顯著影響（圖3）。3種布局形式下都是三角形樹冠的群落日均氣溫最高［分別為（26.91±0.95），（26.93±0.96）， （26.95±0.97）℃］， 日均濕度最低（分別為 48.49%±3.38%， 48.46%±3.40%， 49.10%±3.70%）； 倒卵形或倒三角形日均氣溫最低［分別為（25.84±0.81）， （26.12±0.84）， （26.27±0.89） ℃］， 日均濕度最高（分別為 51.03%±3.11%， 50.13%±2.98%， 50.03%±3.52%）。

2.1.2 相同樹冠形態在不同布局形式下的植物群落日均溫濕度模擬值 布局形式對植物群落日均溫濕度也有一定影響（圖4）。日均氣溫方面，圓柱形、圓球形、三角形和倒三角形樹冠形態的喬木都是在自然集群式布局時日均氣度最高［分別為（26.90±0.96）， （26.89±0.96）， （26.95±0.97）， （26.44±0.91） ℃］， 規則散點式布局時最低［分別為（26.31±0.99）， （26.86±0.96）， （26.91±0.95）， （25.93±0.75） ℃］； 倒卵形樹冠形態的喬木在集中塊狀式布局時日均氣溫最高（26.45±0.91）℃，規則散點式時最低（25.84±0.81）℃。日均濕度方面，圓柱形、圓球形、倒卵形和倒三角形樹冠形態的喬木在規則散點式布局時日均濕度最高（分別為49.91%±3.49%，49.31%±3.70%，51.03%±3.11%，50.93%±2.77%），三角形樹冠的喬木在自然集群式布局時日均濕度最高（49.10%±3.70%）。圓球形、倒卵形和三角形在集中塊狀式布局時日均濕度最低（分別為48.47%±3.43%，49.09%±3.19%，48.46%±3.40%），圓柱形和倒三角形樹冠的喬木在自然集群式布局時日均濕度最低（分別為49.15%±3.67%，50.03%±3.52%）。

圖4 不同布局形式工況的日均溫濕度比較Figure 4 Comparison of daily average temperature and humidity of simulated condition with different layout forms

2.2 林冠下方區域的日均降溫增濕強度

2.2.1 相同布局形式下不同樹冠形態的植物群落日均降溫增濕強度 相同布局形式下，不同樹冠形態的群落降溫增濕強度之間有顯著性差異（P＜0.05）（圖5）。總體來看，在3種布局形式下，均是倒卵形或倒三角形樹冠的群落日均降溫增濕強度最大［分別為（0.84±0.15） ℃/（2.52%±0.54）%， （1.16±0.22） ℃/（2.25%

圖5 不同樹冠形態工況的日均降溫增濕強度比較Figure 5 Comparison of daily average cooling and humidification intensity of simulated condition with different canopy shapes

±0.78%）， （0.98±0.20） ℃/（1.92%±0.67%）］， 圓球形樹冠最小［分別為（0.61±0.12） ℃/（1.22%±0.42%），（0.88±0.15） ℃/（1.80%±0.56）%， （0.73±0.14） ℃/（1.48%±0.47%）］。

2.2.2 相同樹冠形態在不同布局形式下植物群落的日均降溫增濕強度 從圖6可以看出：布局形式對植物群落的日平均降溫增濕強度具有顯著的影響。總體來看，5種樹冠形態都在集中塊狀式布局時日均降溫增濕強度最大［分別為（0.96±0.18） ℃/（2.08%±0.69%）， （0.88±0.15） ℃/（1.80%±0.56%）， （1.16±0.22） ℃/（2.25%±0.78%），（0.97±0.18） ℃/（2.08%±0.65%），（0.92±0.15） ℃/（1.95%±0.57%）］。 除了倒三角形樹冠的喬木群落在自然集群式布局時日均降溫增濕強度最小以外［（0.82±0.14）℃/（1.74%±0.51%）］，其余4種樹冠形態的群落都是在規則散點式布局時日均降溫增濕強度最小［分別為（0.66±0.14）℃/（1.45%±0.52%），（0.61±0.12） ℃/（1.55%±0.42%），（0.77±0.15） ℃/（1.52%±2.54%），（0.68±0.14） ℃/（1.46%±0.49%）］。 說明集中塊狀式布局時群落的降溫增濕效應最好。

圖6 不同布局形式工況的日均降溫增濕強度比較Figure 6 Comparison of daily average cooling and humidification intensity of simulated condition with different layout forms

2.3 整體區域的PMV指數

各模擬工況的日均PMV指數如圖7所示。3種布局形式中，均是倒卵形或倒三角樹冠形態的群落PMV指數最小 （分別為2.36±0.24，2.36±0.25，2.26±0.24），圓球形樹冠的群落PMV指數最大（分別為2.66±0.27，2.68±0.27，2.36±0.27），說明 “上大下小”型（倒三角形和倒卵形）樹冠群落中，人體熱舒適感覺相對較好。相同的樹冠形態在不同的布局形式時，雖然PMV指數排序各有不同，但總體來看，集中塊狀式布局時PMV指數相對較高（最大值為2.68±0.27），而自然集群式種植時PMV指數較小（最小值為2.26±0.25）。說明自然集群式栽植時人體熱舒適體驗更好。

圖7不同布局形式及樹冠形態工況的日均PMV指數Figure 7 Comparison of PMV of simulated condition with different layout forms and canopy shapes

3 討論

3.1 樹冠形態對降溫增濕的影響

倒卵形和倒三角形這類 “上大下小”型樹冠的喬木群落對整體區域和林冠下方區域的降溫增濕效果都表現最好，主要原因是 “上大下小”型樹冠的喬木能為林下提供更好的遮陽空間。吳翼［9］對樹木遮陽效果的研究中提出，樹冠形態與遮陽位置（在平面和立面上）、陣幅寬窄、遮陽面大小有直接關系，且各類樹木由于其形態不同，表現差別很大；一般橫展性強的樹木在為行人減免日曬的作用上有顯著的優越性。吳力立等［33］的研究也表明：樹木在地面上影子的面積取決于樹木的冠長、冠幅及太陽高度角，而與樹木的高度關系不大，也就是與樹木的形態有關。在高度一致的情況下，相比較其他形態的樹冠，倒卵形和倒三角形樹冠的冠幅更長，能為林下空間提供更好的遮陽效果。因此，在進行植物選擇時，若想在夏季提供良好的降溫增濕效益，可以多考慮 “上大下小”型、樹冠橫展性強的喬木，如櫸樹、楓香、合歡、烏桕、七葉樹等作為主要樹種，而松柏類等三角形或圓球形樹冠的喬木可在群落中搭配種植，提高林冠線及景觀的豐富性。另外對喬木進行修剪時，也可考慮在尊重其原有樹冠形態、確保植株正常生長的基礎上，將植株適當修剪成 “上大下小”型，進一步提高群落的降溫增濕效果。

3.2 平面布局形式對降溫增濕效果的影響

不同的平面布局形式對群落的降溫增濕作用具有顯著影響。規則散點式布局對整體區域的降溫效果較好；集中塊狀式布局對整體區域的增濕效果及林下空間的降溫增濕效益表現都比較好。因此在布局設計時，要根據實際情況合理選擇植物布局形式。若要提高開闊的廣場中整體區域的降溫效果，緩解微尺度上城市熱島效應，可以選擇規則散點排列的樹陣式布局；在較為干旱的區域，可以通過集中塊狀布局，提高場地整體區域的濕度；如要加強林下區域的降溫增濕效果，可優先選擇集中塊狀式布局，提供大片連續的遮陰空間；若場地中有地形，不方便進行集中塊狀布局時，可以選擇相對自然的集群式分布，更具有變化性，同時也能提供一定的增濕效果。

3.3 樹冠形態和平面布局形式對人體熱舒適度的影響

南京地區夏季高溫高濕，雖然集中塊狀式布局時群落的降溫增濕強度最高，但其PMV指數也相對最高，說明其在夏季雖然起到了很好的降溫增濕效果，但在這種布局形式的群落中，人體的熱舒適體驗卻不是很理想，反而自然集群式布局時PMV指數最低，熱舒適體驗更好。在樹冠形態方面，倒卵形和倒三角形樹冠的群落PMV值明顯低于其他樹冠，這與降溫增濕效果的比較結果一致。所以考慮到人體熱舒適度時，不能單純以降溫增濕效果作為衡量指標，尤其是在中國亞熱帶地區，夏季高溫高濕，更應從人體舒適度角度，選擇合適冠形的植物，并合理布局。

結合實際人群行為活動分別考慮，規則散點式布局時，熱舒適度體驗較好的區域較為分散，單個面積較小，林下適合布置小型的休憩區域，比如單人健身、棋牌類等相對分散且單個參與人數較少的活動；集中塊狀式布局時，熱舒適度體驗較好的區域較為集中，整體連接起來的面積較大且規整，適合參與人數較多的活動；自然集群式布局時，熱舒適度體驗較好的區域也比較集中，整體面積較大但形狀自由、邊界松散，林下適合布置兒童游樂、素質拓展等隨機性大，鼓勵自由參與的活動設施。另外，熱舒適度不僅與溫濕度有關， 還與風速［34］、 太陽輻射［35］、人群行為活動［36］以及游人心理［37］等有關，這也將是未來微氣候環境設計及熱舒適度研究的重點方向。

本研究通過多種模擬工況比較得出喬木樹冠形態和群落布局形式確實對溫濕度有顯著影響，雖是純模擬研究，但部分結論也與其他學者的研究成果相契合，因此本研究對探討如何改變群落自身結構特點來提高其微氣候環境的降溫增濕效益具有很好的參考價值。后續研究將與實際規劃設計相結合，進一步修改周邊環境因素，深入探討群落自身結構與周邊環境因子對微氣候環境的雙重影響。