桂北地區(qū)夏秋過渡季校園景觀對局地微氣候的影響

鄭文亨，李倍宇，康家勝，姜春宏，韋芳芳

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，桂林 541004)

校園微氣候指的是在校園空間尺度范圍內，由于下墊面類型、地形方位、園林景觀以及建筑布局等各種環(huán)境因素綜合作用下在局部地區(qū)空間內形成的獨特氣候狀況[1-4]。校園景觀作為校園生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其設計直接影響到校園微氣候的舒適性和安全性[5]。近年來，隨著各地高校的校園面積不斷擴大，校園設施配置也日趨完善齊全，因此人們對校園景觀布局及微氣候的關注度日益提高。目前對校園微氣候的研究方法主要包括氣象站監(jiān)測法[6]、現(xiàn)場定點監(jiān)測法[7]、移動取樣測試法[8]、計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬和遙感監(jiān)測法[9]。學者們采用現(xiàn)場定點監(jiān)測法對寒冷地區(qū)校園微氣候的研究中發(fā)現(xiàn)，綠地植物對校園微氣候的影響最為顯著，提出增加植地覆蓋率有利于改善校園微氣候[10-12]；針對影響熱環(huán)境的建筑群落的研究發(fā)現(xiàn)，在夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)通過控制建筑因子(如建筑形態(tài)、建筑高度和架空層高度等)對營造區(qū)域微氣候的熱環(huán)境、風環(huán)境具有較好的促進作用[13-15]；同時，在夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)開展的校園人群活動空間舒適性的研究中發(fā)現(xiàn)，校園樹蔭廊道在夏季有較好的增濕降溫作用，并建立了適用于當?shù)氐氖彝鉄岘h(huán)境評價指標[16-17]。校園是廣大師生學習、生活的主要活動空間，校園景觀中的植物、水體、道路等對改變校園人群活動空間的溫度場、濕度場、氣流場有著顯著作用。此外，校園空間的人群活動時間區(qū)別于其他非校園空間，一年中的最冷月與最熱月分別屬于校園的寒暑假期。現(xiàn)有研究中對于校園微氣候的關注時間較多集中在夏冬兩季，而對于校園空間人群活動時間較為集中的冬春過渡季和夏秋過渡季的研究偏少。考慮到桂北地區(qū)的氣候特征，冬春過渡季期間多屬于雨季，校園人群活動空間多集中在室內；夏秋過渡季氣候干爽宜人，人群在校園戶外活動空間使用的時間最為集中。然而，針對桂林地區(qū)夏秋過渡季校園景觀布局對其微氣候的影響并未得到深入研究。

現(xiàn)以桂林電子科技大學花江校區(qū)為研究對象，通過實地定點監(jiān)測的方法獲得校園微氣候環(huán)境參數(shù)(空氣溫度、相對濕度、空氣流速等)的日動態(tài)變化，探究不同環(huán)境參數(shù)對校園微氣候的影響程度。旨在為校園景觀設計提供指導建議，以期營造舒適的綠色生態(tài)校園。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

桂林電子科技大學花江校區(qū)(25°18′N，110°25′E)位于桂北地區(qū)，地處夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)交界地帶，氣候環(huán)境獨特，夏季炎熱潮濕，冬季溫暖濕潤，四季分明。校區(qū)占地面積約4 000畝(1畝=666.67 m2)，四面環(huán)山，丘陵縱橫勾勒，系典型喀斯特地貌，校區(qū)內建筑群落分散其中，園林景觀類型多樣，林地、湖泊相互映襯。選取校園內具有典型代表的區(qū)域為測試對象(圖 1)，以下墊面類型分測試區(qū)域主要包括教學樓、林地、草地、湖泊和大理石校道等。

圖 1 桂林電子科技大學花江校區(qū)測試區(qū)域Fig.1 Guilin University of Electronic Technology Huajiang campus test area

1.2 研究方法和評價指標

1.2.1 測試時間、內容及方法

測試選擇在晴朗、無云的天氣下進行。測試時間為2019年9月11日—12日共計2d，每天 8:00—19:00 連續(xù)監(jiān)測。測試地點包括湖岸地帶(草地)、教學樓架空層底部(其中，#17教教學樓的架空層為南北朝向的半敞開式架空層(教學樓一層北面無外墻，南面有開窗外墻，共計46個2100mm×1800mm的外窗沿一層北外墻均勻分布，東西面有外墻)；#16教教學樓的架空層為南北朝向的敞開式架空層，東西面有外墻)、林地和大理石路面。測試內容包括空氣溫度、相對濕度、空氣流速、太陽輻射、黑球溫度、下墊面溫度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)。此外，對測試地點的場地尺寸也進行了測量記錄。

溫濕度儀采用自動記錄模式連續(xù)監(jiān)測記錄，儀器固定安置在距地面1.5 m高度處，每15 min記錄一次該段時間內環(huán)境溫濕度的平均值；太陽輻射強度、黑球溫度、空氣流速、CO2濃度以及下墊面溫度為人工測試記錄，儀器均固定在專用支架距地面1.5 m高度處，每小時測試記錄一次，每個測點的測試時間為5 min，相應數(shù)據(jù)取測試時間內連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。儀器型號和參數(shù)如表 1所示。

表 1 儀器參數(shù)

1.2.2 評價指標

(1)偏相關系數(shù)。同一個微氣候區(qū)域內不同類型的景觀還會營造出局部微氣候，這是由于不同類型的景觀組成肌理不同，因此其對環(huán)境氣象因子的適應能力和調節(jié)能力也會存在一定差異。考慮到環(huán)境氣象因子之間對不同景觀局部微氣候的影響不是簡單疊加或獨立作用的，而是相互滲透、彼此關聯(lián)的復雜關系。因此，利用SPSS軟件將不同景觀類型與氣象因子做偏相關分析(也稱凈相關分析)[18]，以探究環(huán)境氣象因子對不同類型景觀的影響。

(2)人體舒適度評價指標(comfort index of human body，CIHB)。采用近年來中國學者普遍認可的人體舒適度指標CIHB[19]作為評價校園人群活動空間的舒適狀況指標，該評價指標共分為9個等級(表 2)。CIHB是衡量人體對所處戶外環(huán)境舒服程度的指標，是評價人居環(huán)境、戶外人群活動空間舒適度的重要指標之一。該指標通過環(huán)境中的空氣溫度Ta(℃)、相對濕度RH(%)和空氣流速v(m/s)來計算人體舒適度指數(shù)，其計算公式為

(1)

(3)綜合舒適度指標(comprehensive comfort index，CCI)。由于炎熱和寒冷都會對環(huán)境的舒適度產生顯著影響，所以為了更方便、準確地分析和評價人們在戶外活動空間的舒適感，中國學者提出了以溫濕指數(shù)XTHI、風效指數(shù)XWEI和著衣指數(shù)XICL為基礎，通過采集研究區(qū)域的空氣溫度Ta(℃)、相對濕度RH(%)和空氣流速v(m/s)等環(huán)境參數(shù)，同時結合人體活動狀態(tài)和服裝熱阻，建立了氣候舒適性綜合評價模型(CCI)[20]，共分為4個舒適度等級(表 2)，其指標計算公式為

表 2 綜合舒適度指標

CCI=0.6XTHI+0.3XWEI+0.1XICL

(2)

XTHI=(1.8Ta+32)-0.55×(1-RH)(1.8Ta-26)

(3)

(4)

(5)

式中：XTHI、XWEI和XICL分別為溫濕指數(shù)、風效指數(shù)和著衣指數(shù)的分級賦值[20]，0.6、0.3和0.1分別為其對應的權重系數(shù)；S為日照時數(shù)，根據(jù)實測數(shù)據(jù)取9h/d；H為人體代謝率的75%，取62.25 W/m2；A為人體對太陽輻射的吸收情況，取0.06；R為下墊面接收到的垂直陽光的太陽輻射，采用實測數(shù)據(jù)計算；α為太陽高度角，取88′。

2 結果與分析

2.1 熱環(huán)境評價

校園內的林地、湖泊等不同類型的園林景觀以一定的面積分散其中，在空間上形成了不同的下墊面屬性，而不同性質的下墊面是形成局地微氣候的重要因素。表 3為綜合考慮9月11—12日這兩天測試區(qū)域內各測點環(huán)境氣象參數(shù)的實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)。圖 2 為測試期間按上午(8:00—11:00)、中午(12:00—15:00)和下午(16:00—19:00)統(tǒng)計的環(huán)境參數(shù)累積值(每個區(qū)間內按每小時平均值累加)。表 3數(shù)據(jù)顯示，測試區(qū)域內熱濕環(huán)境變化較大(其中，溫度變化波幅為18.59 ℃，相對濕度變化波幅為52.19%)，空氣流速適中，太陽輻射強度較低。

圖 2 不同景觀下墊面局部微氣候環(huán)境參數(shù)累積值Fig.2 Cumulative values of local microclimate environmental parameters of the underlying surface of different landscapes

圖 3 不同下墊面地表溫度與氣象因子的關系Fig.3 The relationship between surface temperature of different underlying surfaces and meteorological factors

圖 4 CIHB與CCIFig.4 CIHB and CCI

表 3 測試區(qū)域氣象參數(shù)

表 4 不同下墊面地表溫度與氣象因子的偏相關系數(shù)

2.2 不同下墊面地表溫度與局部微氣候的相關關系

地表溫度除了受到下墊面性質的影響外，還會受到環(huán)境氣象因子的綜合作用。為分析不同氣象因子與不同下墊面地表溫度之間的相關性，將不同下墊面的地表溫度分別和各氣象因子進行偏相關分析，結果如表4所示。其中，太陽輻射和黑球溫度對下墊面地表溫度影響的顯著性較高，其對下墊面為湖泊、林地及大理石校道的地表溫度正相關[圖3(a)]；對下墊面為草地的地表溫度呈負相關關系[圖3(b)]。表 4的數(shù)據(jù)顯示：太陽輻射強度對下墊面地表溫度的相關性依次為中心花園(林地)>迎賓大道(大理石校道)>湖泊(水域)；黑球溫度對下墊面地表溫度的相關性依次為湖泊>中心花園>迎賓大道；從下墊面的綜合蓄熱性來看：水域>大理石校道>林地；從下墊面的綜合熱輻射反射率來看：水域>林地>大理石校道。說明下墊面的蓄熱性和熱輻射反射率是影響局部微氣候的重要因素。

此外，太陽輻射與架空層地表溫度負相關，而黑球溫度與架空層地表溫度正相關。這是由于架空層的遮陽作用阻擋了陽光直射進入到架空層的地面，對太陽輻射起到抑制作用，一定程度上降低架空層內部空間的溫升；黑球溫度側面反映了空間內的熱輻射強度，黑球溫度越高說明空間內的物體對外發(fā)射的熱輻射越強，低溫物體吸收到輻射熱后溫度升高。

而近地面處(H=1.5 m)的空氣溫度、相對濕度以及空氣流速對下墊面地表溫度影響的顯著性較低。這是由于近地面空間內直接與下墊面接觸的空氣，其熱濕傳遞除受到外部大空間環(huán)境的影響外，促使該空間內部環(huán)境參數(shù)發(fā)生不同改變的主要因素是與其直接接觸的下墊面類型。空氣與下墊面進行熱濕交換發(fā)生焓變的同時，空氣也會和下墊面進行物質(濕交換)和能量(熱量、動量)交換[圖3(c)]。說明下墊面溫度與空氣溫度、相對濕度以及空氣流速之間的統(tǒng)一性較高，故彼此之間的偏相關性較低。

表 5 不同景觀布局模擬方案

2.3 熱舒適評價

圖4為根據(jù)式(1)～式(5)計算得到的測試期間各測點人體舒適度指標(CIHB)與綜合舒適度指標(CCI)結果。中位數(shù)也稱中值，是一組有序數(shù)組中位于中間位置的數(shù)。圖 4(a)顯示，各測點中人體舒適度指標(CIHB)為一級(人體感覺偏暖，較為舒適)的占比由高到低分別為中心花園>#16教架空層>湖岸>#17教架空層>迎賓大道，其對應的平均綜合舒適度指標值(CCI)分別為3.18、3.16、3.25、3.58和3.50，均屬于“較不舒適”等級；圖 4(b)顯示，各測點中綜合舒適度指標為“較不舒適”等級的占比由高到低分別為#17教架空層>迎賓大道>#16教架空層>中心花園>湖岸，其對應的平均體舒適度指標值分別為75.15%、74.98%、73.74%、73.52%和74.20%，除#17教架空層屬于二級指標外(人體感覺偏熱，不舒服，需要適當降溫)，其他測點均屬于一級指標(人體感覺偏暖，較為舒適)。

圖 5 場地模型及景觀構件模型Fig.5 Site model and landscape component model

由此可以看出，不能單一地通過人體舒適度指標或綜合舒適度指標去評價環(huán)境的舒適性程度。因此，將人體舒適度指標與綜合舒適度指標值分別進行多元線性回歸分析和偏相關分析。圖4(c)顯示，多元線性回歸分析結果顯示：人體舒適度指標與綜合舒適度指標的擬合系數(shù)R2=0.40，偏相關系數(shù)為0.113，說明人體舒適度指標與綜合舒適度指標之間存在一定相關性，但顯著性不高。此外，由于綜合舒適度指標與溫濕指數(shù)XTHI、風效指數(shù)XWEI和著衣指數(shù)XICL直接相關，分別對其進行多元線性回歸分析，結果顯示：擬合系數(shù)R2分別為0.64、0.03和0.07，人體舒適度指標與溫濕指數(shù)XTHI之間存在較高的線性關系，且顯著性很強。說明環(huán)境的溫濕度是影響人體的舒適性的顯著性原因，人員著裝和空氣流速對其的影響程度分別次之。

3 數(shù)值模擬

3.1 模擬方案設置

CFD數(shù)值模擬計算工具選用PHOENICS(2014版)軟件進行仿真求解。圖 5為根據(jù)實際場地及其景觀構件測量的空間尺寸建立的場地及景觀構件模型。為保證計算區(qū)域內的流場充分發(fā)展，莊智等[21]提出可根據(jù)場地垂直方向上最高的構件尺寸H為基準，進出口邊界尺寸不小于6H，頂部邊界尺寸不小于3H。因此，考慮建筑高度及周邊景觀尺寸后，模擬區(qū)域尺寸設為320 m×280 m×80 m(長×寬×高，區(qū)域內最高建筑高度H為21 m)。在此基礎上，表 5為根據(jù)實際場地的景觀布局設置的5種模擬方案，目的在于通過改變場地中的景觀布局，用數(shù)值模擬的方法探究不同景觀布局對校園局地微氣候的影響和差異。

圖 6 模擬結果驗證及不同景觀布置方案模擬結果Fig.6 Verification of simulation results and simulation results of different landscape layout schemes

3.2 模擬結果分析

為驗證模擬結果的準確度，將實際場地的數(shù)值模擬結果與實測數(shù)據(jù)進行對比。圖 6數(shù)據(jù)顯示：各測點的實測數(shù)據(jù)與方案1模擬結果相比，溫度場、濕度場和氣流場的平均誤差分別為-0.58%、-0.70%和-7.52%，最大誤差分別為6.73%、-3.48%和9.70%。可以發(fā)現(xiàn)模擬結果的溫濕度數(shù)值與實測結果較為接近，均在儀器的測量誤差范圍內，流速場模擬結果的誤差稍大，分析其中原因是：①用于模擬的場地模型與實際場地存在一定差異，對于實際場地的很多情況無法完全還原，導致模擬結果與實測結果必然存在一定誤差；②測量誤差的存在。將實測數(shù)據(jù)與方案1的模擬結果進行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)其溫度場、濕度場和氣流場的相關系數(shù)R2分別為0.769、0.854和0.683，模擬結果與實測結果存在較高相關性。因此從總體來看，模擬結果在一定程度上能反映出實際場地的環(huán)境狀況，具有一定參考價值。

以方案1的模擬結果代表實測結果，圖 6的數(shù)據(jù)顯示：方案2(減少林地增加草地)、方案3(減少林地增加水域)分別與方案1對比，區(qū)域內的溫度場和氣流場均為下降趨勢，濕度場均為上升趨勢；方案4與方案1對比(減少水域增加草地)，區(qū)域內的溫度場和氣流場均為上升趨勢，濕度場均為下降趨勢；方案5與方案1對比(減少水域增加林地)，區(qū)域內的溫度場、氣流場和濕度場均為下降趨勢。在此基礎上，結合圖 7的模擬結果圖，可以發(fā)現(xiàn)林地、草地和水域對于局地微氣候均能起到降溫增濕的作用，從降溫效果來看，水域>草地>林地，從增濕效果來看水域>林地>草地。從流速場的模擬結果來看，草地對流速場起到促進作用，而水域和林地則對流速場起到抑制作用，且林地對流速場的抑制作用大于水域。分析其中原因，水域受到太陽輻射后，液體表面發(fā)生蒸發(fā)作用，產生上升的熱濕氣流，對于來流空氣起到了一定的阻擋作用；而林地的蒸發(fā)作用雖沒有水域強，但林地對來流空氣的阻力系數(shù)遠大于水域，因此林地對來流空氣也具有一定的阻擋效果。

圖 7 不同景觀布局方案模擬結果Fig.7 Simulation results of different landscape layout schemes

從人體熱舒適度評價指標(CIHB)來看，不同景觀布局的整體舒適度水平由高到低依次為方案4>方案5>方案2>方案3>方案1，且各方案的整體舒適度指標均為“舒適”等級。由此說明不同景觀布局不但對校園微氣候的營造產生一定影響，而且不同景觀布局對于人群活動空間的舒適度也有一定的調節(jié)作用，其中草地對于校園營造良好的微氣候環(huán)境和提高人們的舒適感的方面效果最為明顯，該結論與文獻[5，18]的部分結論吻合。

4 結論

園林景觀對于校園營造良好的微氣候和舒適的校園人群活動空間均具有重要作用。通過實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果的分析和討論，可得出以下主要結論。

(1)相對其他景觀類型的空間來說，架空樓層能營造一個相對低溫濕潤、舒適穩(wěn)定的局部環(huán)境。相比其他景觀空間，架空樓層底部的平均溫降為3.23 ℃，平均相對濕度升高8.08%。

(2)不同類型景觀的下墊面形成機理不同，因此對同一氣象環(huán)境的響應也存在較大差異。太陽輻射和黑球溫度是影響不同類型景觀下墊面地表溫度的主要因素，環(huán)境溫濕度是影響校園戶外微氣候環(huán)境人體舒適性的根本原因。

(3)林地、草地和水域對于校園局地微氣候能起到降溫增濕的作用，草地對空間流速場起到促進作用，而水域和林地則對流速場起到抑制作用。相比之下，草地景觀對于營造校園微氣候環(huán)境和提高環(huán)境舒適度的方面效果最為明顯。