半干旱區(qū)城市廣場過渡季空間特征對微氣候的調控效應研究

郭亞男

王愛霞*

城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展對環(huán)境產生了極大影響，人造空間取代了自然植被，出現了多種城市公共空間，形成了獨特的微氣候環(huán)境[1]。公共空間對城市微氣候環(huán)境的影響在早期研究中就得到了驗證[2]。城市廣場分布廣、占比大，是市民活動的重要場所，其內部微氣候受季節(jié)、周邊環(huán)境、綠化面積和下墊面形式等多種因素的影響[3]，舒適的微氣候促使公眾更愿意使用公共空間[4]，從而有效提高了空間的活力。因此，探討微氣候的影響因素對改善人體室外舒適度具有重要意義。目前，國外關于公共空間微氣候的研究集中于植被[5-6]、水體[7]、空間形態(tài)[8]及替代材料[9]等對城市微氣候的潛在影響，以及熱環(huán)境的改善[10]、舒適度的提升[11]等方面。國內對城市廣場微氣候的研究多集中在嚴寒地區(qū)的冬季[12]和炎熱地區(qū)的夏季，研究以極端季節(jié)微氣候的實測及改善策略[13]、人體舒適度分析[14]等內容為主。其中，人體舒適度分析采用標準人體舒適度、生理等效溫度等指標，此類指標可被應用于室外環(huán)境評價[15-16]。現有文獻較少討論不同圍合條件下廣場內各種下墊面配比對微氣候的影響。本研究以地處半干旱區(qū)的內蒙古包頭市為研究區(qū)域，其夏季短暫(約2個月)，氣溫平穩(wěn)、涼爽，市民戶外活動較多；春、秋過渡季持續(xù)時間長(約6個月)，太陽輻射強度適中，氣候干燥、風速大、溫濕度變化劇烈，對廣場活力影響較大，因此選擇在過渡季對4種下墊面的微氣候參數進行實測，并進行ENVI-met模擬及人體舒適度分析，評估過渡季廣場圍合條件及下墊面配比對微氣候的調控效應，得出最佳微氣候調控配置模型，為提升半干旱地區(qū)城市廣場活力提供設計理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

包頭市地處蒙古高原南端(E109°15′～110°20′，N40°15′～42°43′)，位于半干旱區(qū)，屬中溫帶大陸性季風氣候，平均年降水量235～350mm。銀河廣場位于包頭市青山區(qū)中心，南臨鋼鐵大街，西靠民族東路，總面積約10hm2。廣場東北角有高層建筑圍合，其余三面均開敞(圖1)。

圖1 銀河廣場測點分布

1.2 實測內容與方法

采用儀器Tsto625溫濕度計(精度±0.5℃、±2.5%RH；量程10～60℃、0～100%RH)、Tsto405-v1風速儀(精度±0.1m/s、量程0～10m/s)測定空氣溫度(℃)、相對濕度(%)和風速(m/s)。實測選擇在春(3—5月)、秋(8—10月)季進行，每月在氣流平穩(wěn)、晴朗的天氣條件下，對4種下墊面的微氣候進行為期2周的測定。實測廣場現狀綠地-硬質比為13:7，綠地中疏林、密林、草地比為2:2:1，每種下墊面選擇4個不同的測點，共計16個測點，測點情況如表1所示。測試時間為8：30—17：30，每小時測量5次并記錄，結果取平均值。

表1 測點概況

1.3 模擬內容與方法

模型模擬的地塊大小、氣象參數、周圍環(huán)境、植被狀況和時間等初始參數設置與實測廣場保持一致。根據《中華人民共和國城鄉(xiāng)規(guī)劃法》《城市廣場設計導則》及前人的研究成果可知[17]：廣場中綠地應占廣場總面積的35%～75%，硬質鋪裝應占廣場總面積的25%～65%，同時廣場綠地中密林、疏林、草地的最適比為2:2:1，廣場寬度與建筑高度的最適比為D/H=1.1～1.6，視距與建筑高度的最適比為L/H=1.5～2.5，封閉式廣場建筑高度不宜超過廣場寬度的1/2。基于上述要求，利用ENVI-met軟件建立三維模型，模型尺寸為50m×50m×40m，網格單元大小為dx=2，dy=2，dz=3；模型中建筑高度為50m；硬質鋪裝(鋪磚)面積占廣場總面積的比例設定為65%、55%、45%、35%和25%，即綠地與硬質鋪裝的比例分別為Ⅰ-7:13、Ⅱ-9:11、Ⅲ-11:9、Ⅳ-13:7、Ⅴ-15:5；圍合度為開敞式(A)、半開敞式[一面圍合(B)、兩面圍合(C)、三面圍合(D)]和封閉式(E)。

1.4 數據處理

1)采用SPSS 13.0、SigmaPlot 14.0等軟件計算均方根誤差RMSE(Root Mean Square Error)、平均絕對誤差MAE(Mean Absolute Error)和平均絕對百分比誤差MAPE(Mean Absolute Percentage Error)來衡量觀測值與模擬值之間的偏差，評價模型的精度[16](公式1～3)；量化分析圍合度、綠地-硬質比與微氣候及人體舒適度改善指數的相關性。

2)針對包頭市氣候條件，選用空氣溫度、相對濕度和風速3個要素為主要評價指標，計算受圍合條件及綠地-硬質比影響下的人體舒適度改善指數[18](公式4)。舒適度指數評價采用中國氣象局公布的9級標準劃分法，其中半干旱區(qū)過渡季人體舒適度的應用范圍為3～6級。

3)通過增溫指數、增濕指數、降風指數和舒適度改善指數的變化來反映圍合條件和綠地-硬質比對廣場微氣候調控效應的強弱[15](公式5～8)(表2)。

表2 公式計算表

2 結果與分析

2.1 廣場不同下墊面各微氣候因子實測結果分析

選取廣場中硬質鋪裝、草地、疏林和密林4種下墊面為研究對象，統(tǒng)計春、秋季每天各測試時段內溫度、濕度和風速的平均值，分析日變化趨勢(圖2)。

圖2 測點各下墊面過渡季微氣候要素日變化趨勢

1)溫度。春季各測點溫度整體呈上升趨勢。硬質鋪裝溫度起伏較大，升、降溫速度均最快，變化范圍為12.13～26.49℃，變化幅度最大，為69.16%；與硬質鋪裝相比，草地、疏林和密林均有一定的保溫效果，溫度平均值依次為21.24、19.84和21.26℃，其中密林的保溫效果最好，平均溫度最高，起伏較小。秋季各測點溫度變化趨勢大體一致，硬質鋪裝溫度變化幅度最大，為68.87%；與其相比，疏林平均溫度最高，為15.07℃，且變化幅度最小，為44.59%，變化范圍為10.80～17.52℃；其次為草地、密林，平均溫度分別為14.96、14.75℃，變化幅度分別為53.48%、63.18%。

2)濕度。春季各測點濕度總體呈下降趨勢，秋季變化趨勢則為先降后升。與硬質鋪裝(春、秋季濕度范圍分別為7.32%～20.09%、16.92%～39.00%，平均濕度分別為13.85%、24.72%)相比，各綠地均有一定增濕功能，其中密林增濕效果最好，春、秋季濕度范圍分別為11.14%～27.46%、24.00%～47.00%，平均濕度分別為18.98%、29.75%；疏林居中，春、秋季濕度范圍為10.08%～23.50%、24.00%～45.00%，平均濕度分別為16.78%、29.50%；草地最弱，春、秋季平均濕度分別為15.20%、28.50%。

3)風速。春秋季各測點風速呈波動變化。硬質鋪裝平均風速最大(春季風速范圍為0.43～1.75m/s，平均風速1.10m/s；秋季風速范圍為1.25～2.00m/s，平均風速1.55m/s)。與其相比，疏林、草地、密林均有一定的降風作用，且以密林降風效果最好，平均風速最小(春、秋季風速范圍分別為0.13～0.84m/s、0.48～1.25m/s，平均風速為0.46、0.88m/s)；疏林居中，春、秋季平均風速分別為0.53、1.10m/s；草地最弱。

2.2 廣場圍合條件、下墊面配比對微氣候及舒適度的影響分析

2.2.1 廣場模擬值與實測值誤差對比分析

通過對比分析銀河廣場春、秋季各微氣候要素的平均實測值和模擬值(圖3)可知，模擬和實測結果波動趨勢一致且擬合度較高；日均模擬溫度和實測溫度誤差為0.14～1.58℃；日均模擬濕度和實測濕度誤差≤2%；日均模擬風速和實測風速誤差＜0.5m/s。研究區(qū)域過渡季溫度、濕度、風速模擬值與實測值之間的RMSE值分別為0.98℃、0.94℃，1.04%、0.86%，0.15m/s、0.06m/s；MAE值分別為0.86℃、0.83℃，0.85%、0.69%，0.11m/s、0.05m/s；MAPE值分別為4.29%、5.73%、3.12%、4.52%、8.90%和9.90%。模型的合理誤差范圍是RMSE：0～1.5；MAE：0～1.5；MAPE≤10%，說明該模型精確度高，實驗有效。

圖3 測點過渡季微氣候要素模擬值與實測值擬合圖

2.2.2 廣場圍合條件、下墊面配比對微氣候及舒適度指數的影響分析

1)增溫指數。比較計算春、秋兩季增溫指數平均值(表3)發(fā)現，相同圍合條件下，不同下墊面配比對溫度的調控效應不同，隨著綠地占比的增加，增溫指數呈先升后降的趨勢。比較各下墊面配比的平均值可知，綠地-硬質比為11:9時保溫效果最好，平均增溫指數變化不大，而采用其他綠地-硬質比時溫度均有所降低。分析綠地-硬質比與增溫指數的相關性發(fā)現(圖4a)，空間三面圍合時，增溫指數與綠地-硬質比呈顯著負相關，在其他圍合條件下，則相關性不顯著。分析圍合度與增溫指數的相關性發(fā)現(圖5a)，除綠地-硬質比為13:7外，圍合度與增溫指數相關性不強。綜合比較可知，平均增溫效益最高的是B2(南向一面圍合)、綠地-硬質比為11:9的空間，其增溫指數為0.28%；其次為B1(北向一面圍合)、綠地-硬質比為15:5，以及D2(東南北圍合)、綠地-硬質比為11:9的空間，增溫指數均為0.06%。

表3 受圍合條件及綠地-硬質比影響下的廣場增溫指數變化

圖4 綠地-硬質比與廣場微氣候及人體舒適度指數相關性分析

圖5 圍合度與廣場微氣候及人體舒適度指數相關性分析

2)增濕指數。半干旱區(qū)過渡季降水少、氣候干燥，廣場主要以增濕效益為主。由表4可知，相同圍合條件下，不同硬質-綠地比均有增濕效應，且綠地比率越大，相對濕度越高，綠地-硬質比為7:13、9:11、11:9、13:7、15:5時，平均增濕率為0.15%、0.18%、0.22%、0.25%、0.29%，增濕率依次升高。如圖4b、5b所示，圍合度及綠地-硬質比與增濕指數均呈正相關，除完全封閉外，其他圍合條件下，綠地-硬質比與增濕指數的相關性均達到了顯著狀態(tài)。不同圍合條件對濕度的調控效應表現各異，增濕效應最高的是A(完全開敞)與D3(東西北圍合)且綠地-硬質比為15:5的空間，增濕率分別為0.62%、0.60%；其次為B2、綠地-硬質比為11:9、13:7、15:5的空間，增濕率分別為0.44%、0.41%、0.41%。

表4 受圍合條件及綠地-硬質比影響下的廣場增濕指數變化

3)降風指數。由表5可知，相同圍合條件下，不同下墊面配比對風速的調控作用不同，觀察降風指數值發(fā)現，綠地-硬質比為7:13時，廣場降風效果最好，平均降風指數為0.11%。如圖4c所示，綠地-硬質比與降風指數呈負相關，除四面圍合外，均具顯著相關性；如圖5c所示，圍合度與降風指數呈顯著負相關，相關性最強的為綠地-硬質比為9:11的空間，相關系數為-0.848。圍合度、圍合方向及下墊面配比對風速均有影響，其中以D4(東西南圍合)、綠地-硬質比為7:13的空間降風效果最好，為0.49%，其余依次為D4、綠地-硬質比為9:11(0.38%)，D1(西南北圍合)、綠地-硬質比為7:13(0.34%)，D4、綠地-硬質比為11:9(0.33%)，B1、綠地-硬質比為9:11(0.28%)的空間。

表5 受圍合條件及綠地-硬質比影響下的廣場降風指數變化

4)舒適度改善指數。計算受圍合條件及綠地-硬質比影響下的廣場舒適度改善指數值可知(表6)，圍合度、圍合方向及下墊面配比對人體舒適度均有一定程度的改善。相同圍合條件下，不同下墊面配比對舒適度指數的提升效果不同，完全開敞時綠地-硬質比與舒適度改善指數無明顯相關性，其余圍合條件下，綠地-硬質比與舒適度改善指數呈負相關(圖4d)。比較綠地-硬質比的平均舒適度改善指數發(fā)現，綠地-硬質比為15:5時，舒適度提升指數平均值最大，為0.06%；綠地-硬質比為11:9時，舒適度提升指數平均值最小，為0.03%。相同綠地-硬質比條件下，不同圍合度和圍合方向對人體舒適度指數改善能力不同，綠地-硬質比為15:5時，圍合度與舒適度改善指數呈顯著負相關，其余為正相關(圖5d)。改善指數最大的是C1(西北圍合)、綠地-硬質比為13:7的空間，為0.12%，其次分別是B2、C3(東北圍合)、綠地-硬質比為13:7，以及B2、綠地-硬質比為15:5的空間，改善指數均為0.11%。

表6 受圍合條件及綠地-硬質比影響下的廣場舒適度改善指數變化

3 討論

3.1 廣場下墊面各微氣候因子的指數變化

如圖2所示，過渡季4種下墊面中微氣候變化最劇烈的是硬質鋪裝，其具有吸、散熱快，濕度低，風速大的特點，其他綠地均有一定的保溫、增濕、降風效應。春季以密林、秋季以疏林保溫效果最好，過渡季均以疏林的保濕效果及密林的降風效果最佳。因春季密林新葉初長，遮陰作用小，光照足，其降風、保溫效果較好；秋季疏林葉未落，透光度高，故保溫效果較好。相關研究表明，相同環(huán)境下景觀下墊面對微氣候的影響與其吸熱能力有關[19]。樹木冠層通過削減太陽輻射等對城市微氣候進行調節(jié)，且植物群落結構、冠幅、蒸騰作用等均會影響溫、濕度[20]。綠地的降風和通風效果與綠地結構、種植間距、疏密程度和溫差變化等均相關[21-22]，種植較疏，則氣流方向性強，利于通風。

3.2 廣場圍合條件及下墊面配比對微氣候的調控效應

1)增溫指數。測點地處半干旱區(qū)的內蒙古，過渡季氣溫變化劇烈，且溫度較低，因此廣場設計首先需要考慮保溫、升溫效果，升溫指數可反映各實驗模塊的溫度變化能力。實測廣場為東向一面圍合，綠地-硬質比為13:7，經實驗得出綠地內各下墊面均具有保溫效應，實測結果與模擬結果一致。如表3，圖4a、5a所示，廣場圍合度、圍合方向及綠地-硬質比對增溫指數均有影響，相同圍合條件下，各綠地-硬質比均有一定的溫度調節(jié)能力，其中以綠地-硬質比為11:9時溫度變化較小，保溫效果最佳[23]。廣場不同圍合條件下對增溫指數的影響不同，圍合度、圍合方向均會影響廣場內部環(huán)境。若廣場完全開敞、無任何遮擋物、溫度較高，可通過提高廣場圍合度增加建(構)筑的投影面積，改變光照、風速等微氣候環(huán)境，從而影響下墊面配比對廣場的溫濕調控效應。綠地-硬質比為13:7時，圍合度與增溫指數呈顯著正相關，其余比例相關性較弱，可能是圍合度、綠地面積和下墊面類型等因素綜合作用的結果。有研究表明，城市不同區(qū)域氣溫變化與下墊面的結構、性質差異等直接相關[24]，周圍植被覆蓋率、植被類型等也會影響綠地對熱能的調控[25]。

2)增濕指數。如表4，圖4b、5b所示，相同圍合條件下，不同硬質-綠地比均具有一定的增濕效應。相同圍合條件下，綠地-硬質比越大，增濕效應越強，綠地-硬質比為15:5時，增濕指數最大，增濕率為0.29%。綠地比例越大，植物蒸騰作用越強，濕度越大[15，20]。實測結果顯示，廣場綠地較硬質鋪裝有明顯增濕作用，與模擬結果一致。廣場圍合度與增濕指數具有顯著相關性，綠地-硬質比為15:5時，相關性減弱，可能與植物蒸騰速率降低、樹木遮陰面積增加等因素有關[23-24]；此外，建(構)筑物遮擋面積和圍合度對空氣流通的調控等也會影響濕度變化[26]。

3)降風指數。如表5，圖4c、5c所示，相同圍合條件下，不同綠地-硬質比均有一定的降風效應，綠地-硬質比為7:13時降風效應較強，相關研究也表明植被對改善風環(huán)境具有積極影響[27]。綠地-硬質比相同時，廣場三面圍合的降風效果較強，可能與三面建筑可遮擋來自西北方向的季風有關。前人研究指出，建筑、綠地和植物等可通過通風作用促使風場形成良性循環(huán)，對風速產生影響，既會形成風道，發(fā)揮通風作用，又會形成風障，發(fā)揮阻礙作用[28-29]。隨著建筑圍合度的增加，對風的遮擋作用隨之增強，從而使空氣流通性減弱，風速降低[30]。

4)人體舒適度改善指數。由表6可知，人體舒適度主要受溫度、濕度、風速的共同影響[31]。除完全開敞的空間外，其余圍合空間綠地-硬質比與舒適度改善指數呈顯著負相關(圖4d)，綠地-硬質比為15:5時，舒適度改善指數最大。高綠地比可有效調控各微氣候因子，改善人體舒適度[32]。過渡季節(jié)，除綠地-硬質比為15:5外，圍合度與其余綠地-硬質比的舒適度改善指數均呈正相關(圖5d)，可能是因為綠地面積增加，內部空氣流通性減弱，通透性降低，導致舒適度下降[33]，因此對舒適度的改善效果有限。其中，C1、綠地-硬質比為13:7的空間平均舒適度改善指數值最高，原因是西北兩面圍合可阻擋氣流，減少綠地蒸騰作用，從而改善人體舒適度。相關研究也表明，建筑布局、通風通道的設置和比例等也對人體舒適度有明顯影響[34]。

4 結論

研究區(qū)域內各下墊面均有一定的微氣候調控能力，其中疏林保溫效果較好，密林增濕、降風作用較強。不同的圍合條件及綠地-硬質比可有效調節(jié)城市廣場局部的微氣候環(huán)境，保溫、降風的適宜綠地-硬質比為11:9、9:11，增濕效果與人體舒適度改善指數較好的綠地-硬質比則為15:5。建筑圍合度和圍合方向對微氣候的調控效應及人體舒適度的改善能力具有明顯差異，因此在進行廣場規(guī)劃設計時，應根據廣場空間圍合特征，通過科學計算選擇合適的綠地-硬質比，以改善局地環(huán)境，提升人體舒適度。

注：文中圖片均由作者繪制。