喬木覆蓋率及形態特征對公園夏季微氣候舒適性的調節作用
——以鄭州市綠蔭公園為例

王 琨

王競嫻

田朝陽

薛思寒*

“公園城市”理念和城市發展新范式的提出，將“城市的核心是人”作為價值取向，致力于營造宜居、舒適、綠樹成蔭的城市環境，明確了構建綠色發展的城市空間新要求[1]。綠色空間能有效緩解城市的熱島效應，發揮重要生態功能的同時能大幅改善城市空間環境，為市民創造微氣候適宜、節能低碳的綠色城市街區。相關研究表明城市綠化可使夏季熱感覺從熱轉為暖，生理等效溫度PET降低超過8℃[2]。而植物的降溫效應主要是通過遮陰、蒸散作用和影響空氣流動實現，是減輕城市熱島效應的有效途徑[3]。其中，喬木由于林冠的遮陰作用，產生的降溫效果總體上比草坪的蒸散冷卻更為顯著，改善熱舒適的能力最好[4-5]，而喬木覆蓋率越大，其降溫增濕效應也越明顯[6]。夏季，林蔭空間因其顯著的降溫作用，往往成為人們高頻率活動的場所。研究表明，寬大的樹冠能使樹下氣溫降幅增大[7]，是喬木發揮微氣候效應的主要組成部分[8]。冠幅和葉面積指數大小，主要決定植物冠層對太陽輻射的遮蔽范圍和阻擋能力，能直接影響達到地面的太陽輻射量[9]，與人體熱舒適之間存在較強的正相關關系[10]；而樹干高度則決定了林蔭空間的開敞度，在一定程度上影響著風環境，寬樹冠高樹干結合可形成最佳的熱舒適條件[7]。可見，除了植被覆蓋程度外，不同形態特征的喬木樹種對微氣候環境的影響亦有所差異。

目前，關于植物與公園微氣候舒適度的模擬研究多側重于植物空間配置的單因素量變模擬[11-12]，忽略了實際中各因素的互相配合和共同作用。因此，引入正交試驗法設計試驗方案，借助ENVI-met模擬軟件，以提升城市公園環境舒適性為目標，探究喬木覆蓋率及樹干高、葉面積指數、冠幅3個喬木形態特征參數對公園微氣候的共同影響，量化各因素及交互作用對改善公園熱舒適的貢獻程度，提出城市公園喬木優化配置建議，為城市公園綠量控制及樹種選配提供參考依據。

1 研究對象

鄭州市雖屬寒冷地區，但處在寒冷地區與夏熱冬冷地區的交界處，夏季極端高溫可達39℃，時常酷暑難當，影響居民出行活動，城市公園成為居民避暑納涼的聚集場所。研究對象綠蔭公園是鄭州市綠廣管理處下轄的四大公園之一，建成于1999年，位于鄭州市人口密度最大的金水區，周圍遍布居住區。園內共劃分為8個活動區，種植喬灌觀賞植物80多種，7 000余株，多以遮陰效果好的樹木為主，也因此而得名。居民日常使用頻率較高，公園地塊較為規整，南北長、東西短，面積約6.77hm2，綠地占比約83%，是以綠化為主的社區公園，園中植被種類豐富，尤以喬木居多。

2 研究方法

2.1 模擬軟件校驗

ENVI-met是德國Bruse教授及其團隊于1994年開發的一款基于計算流體力學、熱力學及城市生態學相關原理的三維城市微氣候環境模擬軟件，可綜合考慮建筑、植被、下墊面及大氣環境之間的相互作用過程，對中小尺度城市微氣候環境的影響因子進行全面整體的數值模擬。該軟件已被廣泛應用于構建植被模型、探究樹木形態及葉片的蒸騰蒸散作用等相關研究中[13]，是評估綠地植被對城市微氣候影響的常用軟件。為保證本次研究的準確性，在模擬試驗前，需針對寒冷地區小尺度公園的適用性進行軟件校驗，綜合考慮人群活動及景觀特征差異，在園內布置4個測點，進行夏季微氣候環境定點觀測，測試日晴朗無風，采用Onset HOBO溫濕度自記儀，測量距地高1.5m處的空氣溫濕度，連續記錄11h(7：00—18：00)。為增強模型的準確性和穩定性，設置比公園實際面積更大范圍的網格面積350m×500m，模型分辨率5m。以高清衛星影像圖為依據，建立公園現狀模型(圖1)，模擬參數設置見表1。將空氣溫濕度實測值與模擬值進行比較，用均方根差(root-mean-square error，RMSE)和一致性指數(index of agreement，d值)定量評價數值模擬的絕對誤差和相對誤差，得到模擬預測空氣溫濕度的RMSE分別約2.3℃、6.7%，d值分別約0.86、0.91，模擬與實測吻合度較好，校驗偏差在可接受范圍內[14]，表明模擬結果能較好地反映綠蔭公園近地面微氣候特征，適用于本研究。

表1 ENVI-met模擬參數設置

圖1 綠蔭公園衛星影像(1-1，由高德衛星影像截取)及公園現狀模型(1-2)

2.2 模擬方案設計

2.2.1 明確試驗目標

正交試驗是一種安排多因素試驗的數理統計方法，可獲得各因素的重要性及對試驗指標的影響程度，快速獲取試驗的最優組合。借助正交試驗法設計模擬方案進行多因素量變模擬，量化研究綠化參數對公園微氣候環境的具體影響。

目前，關于室外熱環境的評價主要有生理等效溫度PET、預測平均熱感覺指數PMV、通用熱氣候指數UTCI等。其中，PET是Mayer H團隊基于MEMI(Munich Energy Balance Modelfor Individuals)模型提出的熱指標，其優勢在于不僅綜合考慮空氣溫度、濕度等各項氣象參數，同時也關注到人的個體參數，已被證實是更適宜評估人類熱感覺的指標[15]。此外，該團隊建立的PET與熱感覺標尺的對應關系，也在微氣候舒適性評價中被廣泛應用[16]，故研究選用PET作為試驗指標，并參考其建立的PET與熱感覺標尺的對應關系評價方案間的微氣候舒適性差異。

2.2.2 確定因素水平

研究表明，喬木覆蓋率對園林熱環境的改善作用最為顯著[6]，樹冠下形成的林蔭空間能極大地提高行人的舒適度，而葉面積指數能夠有效地反映冠層遮蔽度，直接影響林蔭空間的陰涼效果[9]。故選擇喬木覆蓋率及樹干高、葉面積指數、冠幅3種反應喬木形態特征的綠化參數作為試驗的量變因素。

通過遙感影像統計鄭州市內124個城市公園的喬木覆蓋率，接近75%的公園喬木覆蓋率為60%～90%，將其分段取平均值得到65%、75%、85%作為試驗中喬木覆蓋率的3個水平。另經實地調查，綠蔭公園以懸鈴木、棕櫚、女貞等闊葉喬木類型居多，結合現場測量及文獻研究[17]，分別獲得喬木樹干高、葉面積指數和冠幅的各3個常見水平值。據此設置試驗水平(表2)。

2.2.3 制定試驗方案

綜合考慮喬木覆蓋率、3個喬木形態特征參數自身及其交互作用對微氣候的影響，選用正交表L27(313)編制研究試驗方案共27組(表3)，并依此建立公園工況模型，進行微氣候模擬。

表3 綠蔭公園模型試驗方案表

2.3 模擬參數設置

根據表2 中喬木形態特征參數值，利用ENVI-met插件Albero建立9種不同的喬木形態(圖2)，并在此基礎上調節樹干高度。葉片反射率、根深、根面積密度等植被參數均為默認值，以排除干擾，其余設置同表1。

表2 正交試驗方案因素水平表

圖2 Albero數據庫自定義3D喬木

3 結果與分析

夏季晝長夜短，居民大多于日間6：00—20：00在公園進行活動，選取期間使用頻率較高的早上時段6：00—8：00，晚上時段18：00—20：00及微氣候較惡劣的中午時段12：00—14：00，進行公園微氣候模擬結果分析。通過對比試驗工況熱濕環境和風環境的差異，初步探討不同喬木覆蓋率及形態特征下公園的微氣候差異；借助極差分析和方差分析，進一步量化各因素對公園微氣候的主次影響及貢獻率；并以改善公園微氣候環境舒適性為目標，進行方案尋優，提出有效的優化設計建議。

3.1 不同喬木覆蓋率及形態特征下的公園微氣候差異

通過縱向對比試驗工況早中晚3個時段空氣溫濕度及風速的差異(圖3)，整體分析公園微氣候時間變化規律。在熱濕環境方面，各工況空氣溫度變化規律基本一致，均呈先升后降的趨勢。由于鄭州市夏季日落時間多為19：30—20：00，日間持續被加熱增溫的地面在傍晚時段剛開始損失熱量，近地面空氣依舊受地面的長波輻射及與地表的對流換熱作用被加熱，故傍晚時段空氣溫度仍高于早上時段。而各工況相對濕度皆于早上時段達到峰值，均超過85%；中午和傍晚時段差異不大，均在63%～75%范圍內。其中，樹干高度最低(2m)、葉面積指數最小(2.1)、喬木冠幅最小(5m)且喬木覆蓋率最低(65%)的工況1，在中午和傍晚兩時段空氣溫度均高于其他工況，且中午時段相對濕度為所有工況的最低值。同時，該工況早晚溫差(6.2℃)及濕度差(26.6%)均為工況間最大值，熱濕環境于工況中相對波動較大。葉面積指數(3.9)、喬木冠幅(9m)、喬木覆蓋率(85%)均為最大值，但樹干高度為中檔水平(3m)的工況18，中午時段空氣溫度持續為最低值，相對濕度最高。同時，該工況早晚溫差(5.1℃)及濕度差(22.8%)均為工況間最小，熱濕環境于工況中相對較為穩定。在風環境方面，各工況風速無明顯時間變化規律，早中晚時段基本保持穩定，差值均小于0.1m/s。

圖3 早、中、晚時段各工況空氣溫濕度及風速變化

進一步統計各時段工況間氣象參數差值及變化幅度(表4)，橫向對比調整綠化參數帶來的公園熱濕環境和風環境的變化。其中，溫濕度及風速差值均為某一時刻各工況中氣象參數最大值與最小值之差，而變化幅度則是該差值與各工況中最大值的比值，用來反映工況間微氣候環境的絕對變化與相對變化。整體比較各類氣象參數變化幅度可知，工況間熱濕環境相對差異較小，風環境相對差異較大。分時段對比可知，工況間空氣溫濕度差異呈現先增后降的時間變化規律。最大溫差達1.2℃，氣溫變化幅度最大為3.5%，相對濕度差值最大為5.2%，濕度變化幅度最大為7.6%，均出現在中午14：00。而工況間風速差異各時段基本維持同一水平，差值約0.6m/s，變化幅度37%～39%。

表4 早中晚時段工況間空氣溫濕度及風速差值變化

總體來看，喬木覆蓋率與熱濕環境關聯度較大，喬木覆蓋率為85%的工況日間平均溫度普遍偏低，基本維持在30℃以內，日間平均相對濕度普遍偏高，均超過75%，且熱濕環境日間變化相對較小。樹干高度與風環境關聯度較大，樹干高為4m的工況19～27風速相對較大，樹干高3m的工況10～18次之，樹干高2m的工況1～9風速相對較低。

3.2 喬木覆蓋率及形態特征對公園微氣候的影響作用

3.2.1 各因素的主次影響排序及優水平

整體對比早中晚時段公園各工況微氣候環境對應的人體熱感覺狀態(圖4)，早上8：00前和傍晚時段各工況公園微氣候環境均能使人熱感覺保持一致，其余時段工況間差異相對明顯。相較其他工況，工況1和10微氣候環境舒適性相對較差，中午有1～2h持續非常炎熱；而工況3、11、18、21、24和26微氣候環境舒適性相對較好，中午時段炎熱感的出現時間有一定延遲且持續較短，其中工況18、24和26在早上8：00仍能保持稍暖的感覺。

圖4 早、中、晚時段各工況PET及對應熱感覺

通過對比綠化參數的平均極差(圖5)，得到各因素對PET的主次影響及優水平?？傮w來看，因素水平變化對公園微氣候的調節作用具有時段性差異，中午時段調節效果最佳，工況間PET差值約1.8℃；早晚時段相對較弱，工況間PET差值僅約0.6℃。進一步對比各因素不同水平工況所對應的早中晚時段及平均PET可知，喬木覆蓋率變化對日間公園微氣候的調節作用較其他因素更為明顯，PET極差平均值超過1.7℃；冠幅次之，PET極差平均值約1.0℃；葉面積指數和樹干高度的調節作用相對較弱，PET極差平均值約0.6～0.7℃。

圖5 不同因素水平對公園PET的影響變化

此外，喬木覆蓋率及形態參數與PET均呈負相關。其中，樹干高度與PET呈線性關系，樹干高度增加能在一定程度上促進空氣流動，減少熱量在樹冠下的聚集，樹干高度每增加1m，PET日間平均值下降約0.3℃。由變化斜率可知，其他3個綠化參數與PET呈非線性關系。喬木覆蓋率超過75%后，PET變化斜率增大，降溫效果更好。而冠幅和葉面積指數并非越大越好，當冠幅增至7m、葉面積指數增至3時，PET降幅略大，喬木反而能更高效地發揮遮陽降溫作用?？梢?，雖二者升高，可增大遮陽面積，減少近地面得熱，且使蒸騰作用越強，帶走更多熱量，但冠幅過大、葉片過密，均會阻礙通風，抑制調節作用的發揮。

3.2.2 各因素對改善公園微氣候的貢獻率

進一步采用方差分析法，量化各因素對公園微氣候的影響程度及顯著性分析(表5)。結果顯示，早中晚3個時段喬木樹干高，葉面積指數、冠幅及喬木覆蓋率的Sig值均小于0.05，對公園PET影響顯著。而3個喬木形態特征參數，兩兩間交互作用的Sig值均大于0.05，對公園PET影響并不顯著。根據F值可知，早上時段，各因素影響顯著度排序為：喬木覆蓋率＞冠幅＞樹干高＞葉面積指數；中午、傍晚時段各因素影響顯著度排序一致，均為喬木覆蓋率＞冠幅＞葉面積指數＞樹干高。

表5 各時段公園綠化參數影響的方差分析結果

在正交試驗結果及方差分析的基礎上，計算各因素的列偏差平方和占總偏差平方和的百分比，作為各因素貢獻率(ρj/%)[18]，量化各因素對微氣候舒適性的具體影響程度。其計算公式為：

式中，Sj為列偏差平方和；S為總偏差平方和；a為試驗次數；b為水平數；j為試驗號。

由圖6可知，各因素在不同時段發揮的作用有所差異?？傮w來看，喬木覆蓋率各時段的貢獻率均大于其他3個植被形態特征參數的貢獻率之和，其貢獻率隨時間變化呈先減后增趨勢，傍晚時段貢獻率最大，接近70%。3個植被形態特征參數中，喬木冠幅的貢獻率相對較大，其變化趨勢與喬木覆蓋率恰好相反，隨時間變化呈先增后減趨勢，中午時段貢獻率高達22.5%；樹干高早上時段貢獻率相對較高，為11.2%，其他時段作用相近，貢獻率不足5%；葉面積指數貢獻率在不同時段差異較小，中午時段貢獻率略高，約9.5%。

圖6 各綠化參數對公園微氣候的貢獻率

3.3 基于微氣候環境改善的城市公園喬木優化配置

3.3.1 公園方案尋優

因喬木覆蓋率及形態特征參數對公園微氣候的作用呈現時間性差異，故需將使用者的活動頻率、活動時段等因素綜合考慮，進行多目標尋優。由于該公園為社區公園，多服務于周邊居民在非工作時間開展健身、散步、鍛煉等活動，結合公園使用的高頻時段，設定早中晚權重分別為40%、20%、40%，采用加權平均法將早中晚3個時段的PET轉化為具有代表性的綜合值(圖7)參與方案尋優。最佳方案為喬木覆蓋率85%、樹干高度4m、葉面積指數3.9、冠幅7m的工況26，PET加權平均值為27.9℃。

圖7 早、中、晚時段各工況PET及加權平均值

由于夏季偏暖的室外熱環境亦能被人體接受，故以PET≤29.0℃(熱感覺為稍暖)[15]為判定依據，篩選出滿足微氣候舒適性要求的公園優化方案共13個。其喬木覆蓋率均為75%或85%，故針對這2種喬木覆蓋率分別得到鄭州城市公園喬木優化配置組合方案。由表6可知，喬木覆蓋率越高，滿足舒適性要求的方案可選擇性亦越多。喬木覆蓋率為85%的9個方案均能滿足要求，且多數優先級水平較高；喬木覆蓋率為75%時，需選擇7m以上冠幅的喬木，方可通過調節其他兩參數共同實現公園熱舒適度，滿足要求的方案共4組，但無三星級方案。另外，當喬木覆蓋率為同一水平時，冠幅越大，優先級水平越高；而當冠幅為同一水平時，樹干越高，優先級水平越高。

表6 公園喬木優化配置組合方案

3.3.2 優化設計建議

上述分析證實，通過調控喬木覆蓋率及形態特征參數，能實現公園喬木優化配置，有助于營造更舒適的公園微氣候環境?；诖?，以提升綠蔭公園微氣候舒適性為目標，提出喬木優化配置建議。同時，考慮到喬木生長過程中形態特征會發生較大變化，在涉及樹種選擇時，均參考相對穩定的喬木成熟齡階段形態特征提出優化建議。

1)適當增大喬木覆蓋率，增強喬木配置靈活度。有利于提供更多遮陰面積，有效降低夏季園內氣溫，給使用者創造更多可停留和活動的空間。建議盡量使公園喬木覆蓋率達到85%，并優先選用成熟齡階段冠幅9m左右的喬木，以達到夏季公園微氣候舒適度最佳的效果。

2)合理選擇喬木樹種，發揮喬木形態特征優勢。由于冠幅大小直接影響地表太陽輻射得熱，而適當的樹干高度和葉面積指數能緩解樹冠對于樹下空間空氣流動的阻礙。故當喬木覆蓋率一定時，建議優先選擇在成熟齡階段冠幅大、樹干高、葉面積指數適中的喬木，如懸鈴木、香樟等，兼顧遮陽與通風，更有效地調節公園微氣候。

3)結合場地使用時段，提升景觀與功能的時空匹配度。早上和傍晚是夏季居民在廣場空間開展如操舞、健身器械等中高強度行為活動的高頻時段，建議選擇成熟齡階段冠幅大、樹干低、葉面積指數高的喬木(如石楠、大葉女貞等)布置于廣場四周，有效遮蔽低角度太陽輻射，為廣場營造相對穩定的風環境(圖8)。中午時段宜結合公園步道進行漫步或靜坐小憩等低強度行為的樹下活動，建議優先選擇85%的喬木覆蓋率，配合如懸鈴木、銀杏等在成熟齡階段冠幅7m以上、樹干高3m以上且葉面積指數3以上的大喬木，有效阻擋高角度太陽輻射，營造相對舒適的樹下活動空間環境(圖9)。

圖8 早上和傍晚時刻廣場四周布置示意圖

圖9 中午時刻步道四周布置示意圖

4 結語

本研究驗證了ENVI-met模擬軟件對寒冷地區小尺度公園微氣候模擬的適用性，以正交試驗與數值模擬相結合，量化分析了喬木覆蓋率及形態特征對公園夏季微氣候舒適性的調節作用。公園微氣候環境受到多種因素影響，但目前研究受正交表限制，探討的影響因素類別及水平均相對有限，后續可完善喬木種植方式、植物配置比例等相關因素的研究，同時綜合考慮喬木生長過程中不同階段植物形態差異給微氣候舒適性帶來的影響，并在模擬研究的基礎上進行實證研究，提升研究結論的全面性及嚴謹性。

喬木是城市公園綠化的重要組成部分，應在保證喬木覆蓋面積的基礎上，根據空間功能的時段性需求，綜合考慮喬木冠幅、樹干高、葉面積指數等形態特征參數，合理選擇喬木樹種，盡量兼顧遮陽隔熱和通風散熱，通過喬木的優化配置有效改善城市公園的夏季微氣候環境，為居民營造舒適健康的活動場所，提升全民健身熱情和參與度，提高居民戶外活動頻率。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。