热带城市典型棕榈类与阔叶类乔木热舒适效应对比*

徐 冉 何荣晓,2 陈 俊 司艳萍 阙静菲

1 海南大学林学院 海口 570228

2 热带特色林木花卉遗传与种质创新教育部重点实验室 海口 570228

全球城市化进程中,地表覆盖和建筑材质的改变以及人为的热排放导致城市地区温度高于郊区,形成热岛效应[1]。热岛效应会加剧全球变暖,损害人体健康,威胁人类生命[2-3]。城市绿化中的树木可通过植被覆盖结合自身的蒸腾作用,降低太阳辐射和地表空气温度,改善局部气候环境,从而使人体舒适感增加[4-5]。扩大城市绿化覆盖率,增设城市绿色基础设施可为市民提供更多缓解精神疲劳和压力的游憩场所,调节在密集城市环境生活和工作带来的心理负面影响[6-8]。因此,通过调节微气候改善热环境、保障城市居民健康的城市绿地规划已得到广泛认可[9]。

城市绿地的植物群落结构、树种选择、下垫面材料与周边建筑布局等都是调节城市微气候的关键要素[10-12],其中树木对微气候的改善作用高于建筑布局和下垫面材料等其他要素[13]。城市种植树木对热环境的改善程度受植被覆盖度与种植密度的影响,在新加坡、巴西热带城市地区的案例研究中均有所体现[14-15]。不同植物群落结构中,乔灌草群落对降温增湿效果最佳,草本群落最差[16]。对比灌木和裸露草地,乔木蒸发量更少,能够提供更有效的遮阳作用[17-18]。植物群落的种植郁闭度、高度及周围环境等因素均会影响其降温效果[19],其中郁闭度是影响植物群落微气候效应的关键指标,复合结构下郁闭度大于0.6时整体微气候调节效果最好,而单层结构的裸露草地在增加空气湿度上表现突出[20]。对于植物单体,树木的形状和高度等是遮荫质量和热舒适调节的主要因素[21]。在新加坡的研究中,棕榈类树种可达到0.50℃的冷却效果；
成熟的阔叶类树种为1.10℃,表现出更好的冷却降温效果[22]。这些研究普遍反映出绿量是调节城市气候主导因子之一,是提升城市热环境质量的关键。而绿量大小和植物物种选择对热带城市绿地微气候调节和人体热舒适性的影响仍需要进一步验证。

本研究选择热带城市建成区典型绿地开展微气候监测,模拟分析对比热带典型乔木及绿量对热舒适性改善的影响程度,探讨基于热带气候适应性的城市景观植物配置策略。

海口市位于中国海南省北部,是唯一热带全覆盖的滨海城市,依据气候与景观物候特征为基准的柯本气候分类法,海口市为赤道潮湿性气候区,热带季风气候,全年炎热,近30年累年月平均气温为24.40℃,平均极端气温达35.60℃,空气相对湿度83.1%,风速1.98 m·s-1。干季(每年11月至次年4月)温和潮湿,湿季(每年5月至10月)炎热多雨,干湿季气象差异显著[23-24]。

研究场地(110°19′17.33″E,20°02′11.01″N)位于海口市建成区,长425 m,宽230 m,占地9.78 hm2,北至滨海新村住宅建筑,南至政府公共建筑与住宅区,西至龙昆北路城市一级道路,东沿水域至政府宿舍住宅建筑区。场地内主体为滨河公共绿地,河段全长1.7 km,河段南侧为滨水绿地和公共建筑附属绿地。

2.1 监测场地及指标

以功能空间类型、下垫面材质与植被情况(表1)的差异性为布点原则,在研究区内布设5个点位。采用Kestrel5500气象仪在监测点进行气象数据采集,测量指标与精度分别为:空气温度误差±0.5℃,精度0.1℃；
相对湿度误差±2%,精度0.1%；
风速误差±3%,精度0.1 m·s-1。采集时间为2020年干季期2个典型晴朗气候日,监测时间为人群活动较频繁的9∶00-17∶00,测量间隔为1 min。测量时间日平均气温为20.20℃,平均相对湿度为79.02%,平均风速(10 m处)2.78 m·s-1。结合Delta-T HemiView数字植物冠层分析系统记录监测点植被现状(表1),郁闭度计算结果为0.50～0.62。

表1 监测点空间与植被特征

2.2 微气候模拟

本研究采用气候实测与模型模拟相结合的方法,通过ENVI-met构建研究区域模型,对气温、空气相对湿度及风速微气候因子进行数值模拟；
计算生理等效温度(PET),即室外常用热舒适度指标值,参照亚洲热带区域热感觉投票对监测点PET值进行热感觉分级[25-26]。近年来,更新的气候模拟系统在城市绿地优化建设方面不断展现优势,ENVI-met作为室外绿地微气候模拟系统,其精确性在不同气候环境条件下得到实测验证[27-28]。

现状场景BASE基于Google卫星图像与实地调研场地基本结构、下垫面材料、建筑高度、植物种类等基本信息建立。模拟区域拟合为540 m×376 m网格,网格分辨率为dx＝4.0,dy＝4.0,dz＝2.0。提前6 h进行预热模拟以获得更精确的模拟结果。初始气象信息来自当地气象局与国家气象中心提供的“中国地面气候资料日值数据集”海口站点(59 758)数据。初始时间为测量日1月23日9∶00,气温为15.90℃,空气相对湿度为98.00%,10 m处风速2.30 m·s-1,风向252 °。

为探究研究区域植被配置对绿地热舒适的影响程度,通过ENVI-met对滨水区域的乔木配置集中进行绿量增减模拟,模拟树形参照海口市典型棕榈类与阔叶类乔木形态,分析城市绿地热舒适性提高所需达到的绿量要求,以此作为当地热舒适改善的植物种类筛选依据。模拟场景设置如下:

场景一(SC1):构建无乔木场景,剔除滨水绿带和政府前附属绿地区域中以乔木为主的覆盖植被,仅留下25～50 cm高的草本。

场景二(SC2):增加滨水绿带和政府前附属绿地区域内的乔木,于滨水绿带增加BASE场景100%数量的棕榈类乔木(Palm trees,高15 m,medium LAD),考虑到实际种植空间与空气流通,种植间隔设为4 m,每列网格间隔种植。

场景三(SC3):增加滨水绿带和政府前附属绿地区域内的乔木,于滨水绿带增加BASE场景100%的常绿阔叶乔木(Sphere shaped trees,高15 m,high LAD),与SC2增加的乔木数量与种植位置相同。

2.3 数据处理

利用Exce2016与SPSS20.0进行数据处理与分析,使用SigmaPlot12.5进行图表绘制。SPSS20.0中使用相关性分析,计算Pearson相关系数,检验现状模拟结果中5个监测点模拟气温、空气相对湿度与风速数值的精确度。模拟生理等效温度PET值在ENVI-met内置模块BIO-met中进行计算,初始数据采用默认数据。

3.1 ENVI-met模拟系统精度验证

监测与模拟数据对比如图1所示。经相关性检验,气温、空气相对湿度与风速的模拟结果与实测数据均呈显著性相关,Pearson相关系数分别为0.527、0.326和0.372,均在0.05水平(双侧)上显著性相关。ENVI-met模型在本研究区域还原场景的数据结果精确性得到验证。

图1 模拟与监测气象数据对比

3.2 场景模拟结果对比

以现状BASE场景的初始信息作为基本输入条件,选取最高气温时刻15∶00的气温、相对湿度、风速与生理等效温度PET进行3个设计场景的模拟,结果如图2所示。集中于模拟增加绿化量的滨水绿带区域,15∶00场景间气温SC3(22.20～23.52℃)＜SC2(23.14～23.66℃)＜BASE(23.17～24.22℃)≈SC1(23.18～24.24℃)。与BASE场景相比,保留草本植物的SC1场景仅在P1测点北侧河段的温度平均升高0.10℃,最高温差为0.23℃；
SC2场景河段的气温平均降低0.09℃,最高温差达0.30℃；
SC3场景河段的气温平均降低0.33℃,最高温差达0.66℃。滨水的P2、P3和P4监测点降温效果更明显,沿河段向南北至建筑方向气温逐渐升高。

图2 设计场景模拟结果

所有模拟场景中,P1、P3与P4所在的水体区域空气相对湿度均高于其南北侧建筑区域,增加范围为1.52%～11.25%,表明水体提升了场地的空气相对湿度。滨河区域内部空气相对湿度范围为BASE(68.00%～72.00%)、SC1(66.61%～69.90%)、SC2(65.42%～71.21%)、SC3(67.77%～69.78%)。在其他地物要素不做改变的情况下,乔木植物量的增加对于空气相对湿度的提高几乎无影响。各场景风速的模拟结果无较明显差异,SC2场景和SC3场景中,由于受到气流影响,风速在P5建筑区域骤然升高,对比现状风速提高0.40 m·s-1。

模拟场景测点PET值与热感觉分级如图3所示。集中于模拟增加绿化量的滨水绿带区域,15∶00整体PET值SC3(22.68～34.20℃)＜SC2(24.66～38.96℃)≈BASE(23.46～40.62℃)＜SC1(35.20～40.96℃),SC3场景在热舒适性的调节程度最佳,使整个滨水空间由热状态转为凉爽或适中状态。BASE场景中PET大部分时间处于温暖与稍温阶段,14∶00-15∶00处于高温热阶段,仅在9∶00与15∶00之后基本处于适中或凉爽阶段,现状场景下的植被并未对热舒适的改善中发挥明显优势。增加乔木种植的SC2场景与SC3场景热状态出现频率明显降低,适中与凉爽阶段出现频率明显增加。

图3 模拟场景PET值与热感觉

4.1 热带典型乔木对降温增湿的影响

增加植被数量,提高覆盖率和绿量能够降低城市绿地气温。对比现状多种类与层次的植物群落,单一种植棕榈类植物在降低气温方面并不显著,气温在P1附近降低0.52℃。而SC3场景中,阔叶乔木树种树形特性导致绿量大幅增加,对比现状植物,其降温增湿幅度更大。

增加乔木种植量在增湿效应上并不突出,对应了实测气象因子中场地内不同群落结构下湿度变化差异不显著的结果,可能的解释是种植群落结构的不合理性。乔灌草植物群落结合的降温增湿效应比单一密集种植的乔木更为突出,这在以往对植物群落结构的气候调节研究结果中均得到验证[29]。

4.2 热带典型乔木对热舒适的影响

提高阔叶乔木数量能够更为显著地调节热舒适。对比无乔木场景,现状场景热舒适仅在9∶00-11∶00的含绿地测点内得到改善,热感觉由稍温转为适中或微凉状态。增加植被数量使PET降低,将现状下测点10∶00-15∶00高温阶段温暖与热感状态普遍调整为适中与微凉状态,行人热舒适度得到有效改善,其中提高阔叶乔木数量调节效果更为显著,棕榈类植物调节效果较弱这与新加坡等热带地区研究结果相同[17,20]。

为了维持干季期的热舒适,仍然需要高绿量的阔叶类乔木达到足够的遮阳效果,但随着温度持续下降,维持热舒适更需要适当降低植被遮荫性,加大采光面积。研究表明,在冬季使PET值降低超过15℃的树木可能会带来热不适[22],冬末春初的干季期,落叶阔叶树反而是用于热舒适调控更好的选择。

4.3 热带气候适应性的城市植物配置建议

在海口市的绿地中,虽然具有热带特色的棕榈类乔木是典型的优势树种[30],但是基于调节热舒适性方面的考量,应优先选择绿量较高的大乔木,如海口市的优势树种小叶榕(Ficus microcarpa)、高山榕(Ficus altissima)、印度紫檀(Pterocarpus indicus)、小 叶 榄 仁(Terminaliaboivinii)、黄葛榕(Ficus virens)、苦楝(Melia azedarach)、榄仁树(Terminalia catappa)、垂叶榕(Ficus benjamina)等[30-31],而其中的印度紫檀、苦楝以及榄仁树等乡土季相树种在温度较低的干季期是游憩场地获得充足光照的更好选择。在保留场地原有植物群落的基础上,补充高绿量树种以提升绿地整体绿量,对于提高已建成绿色空间内的热舒适性是切实可行的途径。此外,复层结构植物群落能够有效改善局地气候环境,提升热舒适水平已在多个研究中被证实[32-36],因此,在绿地中补植灌木和小乔木同样可以对热带城市的微气候调节产生积极作用。

本文以海口市建成区内公共绿地为例,结合实地测量与ENVI-met模拟,并通过计算热舒适指标PET对现状绿地分布格局热舒适性进行评价,同时通过增种棕榈类与阔叶类乔木预测两种典型热带乔木对公共绿地的热舒适性影响,结论如下:热带城市绿地中,通过增加植被数量以提高植物覆盖率与绿量的做法能够调节微气候的降温增湿效应,将居民热感觉调整到舒适的范围；
两类典型乔木提高相同种植数量,阔叶类的高绿量乔木比棕榈类乔木更能显著地调节气候、改善热舒适性；
适应本地气候与种植偏好,提高复层植物群落结构、增加高绿量的阔叶乔木种植比例是改善热环境更好的选择。