城市绿地是人们基于城市环境的具体特征(诸如太阳辐射、温度和湿度、降水及人类影响等)创造近自然条件, 并依据功能性和景观性需求, 运用适宜的乔灌草和草本地被等景观植物建设的绿化地面或区域, 具有释放氧气固碳^[1]、降温增湿^[2]、降低噪音、减少颗粒物、吸收有毒有害气体以及调节微气候等功能^[3], 公园绿地是城市绿地的重要组成部分, 是城市森林的有机组成^[4]。据研究, 城市公园^[5]、社区公园^[6]、街道公园^[7]及屋顶花园^[8]等公园绿地中的植物可以通过吸收和反射太阳辐射, 增加蒸发面积, 来调节城市的整体气候^[9]。最近几年, 国内外学者对城市绿地景观环境做了大量研究, 关于人体舒适度的分析可以分为以下几个方面; 研究绿地结构, 主要集中在不同下垫面^[10]、植被类型^[11]、树种和群落结构^[4], 而在绿地景观设置及结构方面研究较少; 研究区域类型, 主要以森林公园^[12]和游憩林为主^[13], 对于城市居民日常最重要的活动场所——城市公园绿地研究不多; 地域角度, 多集中在南方和东北的森林^[10], 针对华北地区的研究较少; 测定时间, 以08:00—18:00较多^[14], 而城市居民大多工作节奏快, 晨练时间提前, 夜晚散步时间推后, 故有必要进行连续长时间的测定; 测定季节, 以夏季为主^[15], 但典型天气及连续测定多日数据的研究较少; 研究目的, 多是分析小气候状况对人体舒适度的影响^[16], 对合理游憩时间和适宜游憩地点等方面的研究鲜见报道。为此, 以北京海淀公园为研究对象, 研究夏季典型天气不同景观结构植物群落内06:00—21:00微气候变化差异及效应, 采用人体舒适度评价指数分析不同天气、不同景观结构下舒适度差异, 旨在为游客提供合理的游园时间和游憩路线建议, 为今后城市公园绿地资源规划设计提供参考依据。

1 研究方法 1.1 研究区概况

海淀公园位于北京市海淀区西北四环万泉河立交桥的西北角, 北纬39°59′, 东经116°17′, 是典型的乔灌草镶嵌结构的城市公园绿地, 整体成方形, 海拔40 m, 占地41 hm², 是北京市民极其喜爱的城市公园之一^[17]。为了定量、科学系统评价城市公园绿地在降温增湿、提高人体舒适度方面的生态效益, 选择海淀公园进行相关数据测定。该地属于温带大陆性气候区, 冬季干燥寒冷, 夏季湿润高温, 年平均气温12.5 ℃, 年平均降水量571.9 mm^[18]。园内乔木林面积为18 hm²左右, 乔木林下多为草地覆盖, 绿化覆盖率达90%, 其中旱柳树(Salix matsudana)占25%左右, 毛白杨(Populus tomentosa)占15%左右, 国槐(Sophora japonica)和刺槐(Robinia pseudoacacia)共占15%左右, 洋白蜡(Fraxinus pennsy)、油松(Pinus tabulaeformis)和圆柏(Sabina chinensis)各占10%左右, 其他占15%左右; 灌木林面积约为5 hm², 其中沙地柏(Sabina vulgaris)约占40%, 北京丁香(Syringa pekinensis)约占15%, 贴梗海棠(Chaenomeles speciosa)、碧桃(Amygdalus persica)和大叶黄杨(Euonymus japonicus)各占10%左右, 其余约占15%;草地面积约为7 hm², 主要为草地早熟禾(Poa pratensis)和高羊茅(Festuca elata), 林下主要有狗尾草(Setaria viridis)、艾蒿(Artemisia argyi)和龙葵(Solanum nigrum)。

1.2 观测点选择

研究区内的树木主要集中在园区东南侧, 草坪位于东侧和中部, 为了去除环境因素及其他人为因素干扰, 样地群落选择在相近的区域内, 选择公园内5个典型的游憩植物群落(游憩地)为研究对象, 及远离林地的园内草坪和硬质铺装地——园内活动广场作为观测点, 并将园外入口广场作为对照观测点, 为提高数据准确性, 每个游憩地面积均大于0.03 hm², 且每个游憩地中心距边缘大于35 m, 距离道路大于15 m, 各观测点均选择群落中心, 观测点概况如表 1所示。

1.3 观测方法 1.3.1 气候因子测定

按照相关测定规范, 采用定点定位观测方法, 利用Kestre l4500手持自动气象站监测气温、湿度和风速等各项气象因子。温度测定范围为-30~70 ℃, 分辨率为0.1 ℃; 相对湿度测定范围为5%~95%, 分辨率为0.1%;风速测定范围为0.2~40 m·s^-1, 风向范围为0°~360°。选取2014年8月26—27日(晴天2 d)、8月28—29日(多云2 d)、9月1日(雨后多云1 d, 9月1日03:53—04:21为降雨时段)3种典型天气进行连续观察, 于06:00—21：00, 每个小时对8处游憩地进行同步测定, 全天16次, 每次测定均在正点前后10 min内完成, 每测定点进行3次重复, 测定高度为人体呼吸高度1.5 m处。

1.3.2 人体舒适度研究方法

人体舒适度指数是从气象角度评价不同气候条件下的人体舒适感, 根据人类机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标^[19]。国内外多数研究表明, 在所有的气象因子中温度、湿度和风速的变化对人体舒适度的影响最大。所以笔者采用美国国家气象局夏季舒适度及工作时预报的温湿度指数(thermal humidity index, THI, I_TH)作为人体综合舒适度指数^[20], 计算公式为

${I_{{\rm{TH}}}} = T - 0.55 \times (1 - {H_{\rm{R}}}) \times \left( {T - 14.5} \right)。$

(1)

式(1) 中, T为实测气温, ℃; H_R为相对湿度, %。借鉴人体气候舒适度评价标准^[10], 将其作为依据分析不同游憩点的游览舒适度及其评价等级(表 2)。

对空气温度、相对湿度和风速等数据进行标准化处理^[4], 以便将研究区内不同游憩点在不同天气和不同时刻的小气候数值以及人体舒适度进行有效分析和比较。

${T_{\rm{N}}} = ({T_{\rm{o}}} - {T_{\rm{n}}})/{T_{\rm{o}}} \times 100 ％,$

(2)

${H_{{\rm{R, N}}}} = ({H_{{\rm{R, n}}}} - {H_{{\rm{R, o}}}})/{H_{{\rm{R, n}}}} \times 100 ％,$

(3)

${V_{\rm{N}}} = ({V_{\rm{o}}} - {V_{\rm{n}}})/{V_{\rm{o}}} \times 100 ％,$

(4)

${D_{\rm{N}}} = ({D_{\rm{o}}} - {D_{\rm{n}}})/{D_{\rm{o}}} \times 100 ％。$

(5)

式(2)~(5) 中, T_N为降温率, %; T_o为对照点温度, ℃; T_n为游憩样点温度, ℃; H_{R, N}为增湿率, %; H_{R, o}为对照点湿度, %; H_{R, n}为游憩样点湿度, %; V_N为减风率, %; V_o为对照点风速, m·s^-1; V_n为游憩样点风速, m·s^-1; D_N为降低不舒适率, %; D_o为对照点不舒适指数, %; D_n为游憩样点不舒适指数, %。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 19.0和Excel 2007软件进行数据处理、统计及图表制作。

2 结果与分析 2.1 夏季3种典型天气下不同游憩地小气候变化动态分析 2.1.1 不同游憩地温度日变化特征

不同游憩地气温日变化特征见图 1。

由图 1可以看出, 3种天气条件下各游憩地温度日变化特征基本一致, 呈先上升后下降的倒“V”型单峰值变化, 最高温出现在14:00左右。晴天和多云时对照点温度明显高于其他观测点, S4和S3观测点的最高温出现时间略有推迟; 雨后温差不如晴天和多云天气明显, 可能是由于降雨促使温度迅速下降, 而雨后湿度明显增加, 使得大气扩散缓慢, 升温作用降低, 雨后S1、S2、S3和S4的最高温出现时间均有一定程度推迟; 晴天和多云时, 公园内各观测点温度变化幅度较对照点平缓, 对照点温度越高时各观测点的降温作用越大, 降温效果越明显。

根据表 3~5可知, 园内S4观测点即旱柳-槐树林在晴天、多云和雨后日均温均为最低, 对照点日均温均为最高。这是由于入口处无树林遮挡, 辐射多升温较快, 而林间或是有地被遮盖区域遮挡较多升温较慢。3种天气下旱柳-槐树林降温效果最好, 降温达2.0~2.7 ℃, 效果最差的是园内草坪, 降温0.5~0.7 ℃。这主要是由于旱柳-槐树林内树冠覆盖率高, 林木密集, 蒸腾作用明显, 且树冠本身也有很强的吸热和反射功能, 所以降温幅度较大。而园内草坪远离树木, 无任何遮挡, 调节温度的能力较弱, 草坪温度变化幅度达5.6~10.5 ℃, 明显高于有林地观测点, 这是由于郁闭度低导致失热速度较快。3种天气时各观测点降温率表现出很大差异, 园内观测点日降温率排序如下:晴天, S4＞S1=S2＞S3＞S5＞S6＞S7;多云, S4＞S2＞S1＞S3＞S5＞S6＞S7;雨后, S4＞S2＞S1=S3=S5＞S6=S7。对不同观测点的气候数据进行多重比较(Turkey HSD多重比较法, P＜0.01)，结果表明, 晴天时, 除S7外, 园内其他6处观测点与对照点日均温差异均达显著水平; 多云时, 园内7处观测点均与对照点差异显著; 雨后S1、S2、S3、S4、S5与对照点差异显著。园内各观测点之间比较而言, 在晴天和多云时, S4降温效果明显优于大多数观测点; 雨后园内7处观测点之间降温效果差异不明显。

2.1.2 不同游憩地湿度日变化特征

不同游憩地湿度日变化特征见图 2。

图 2显示, 3种典型天气下不同观测点相对湿度变化规律基本与对照点一致, 与温度变化相反, 呈现先下降后上升的“V”型连续变化, 最低点出现在14:00—15:00。晴天与多云时湿度变化随气温升高逐渐下降, 午后气温下降后湿度又逐渐上升, 但上升幅度较慢; 雨后所有观测点之间湿度差异不大, 均随气温升高迅速下降后再缓慢上升。3种天气的湿度最大值均出现在S4观测点, 这是由于林内郁闭度大, 空气流动和交换能力降低, 且混交林中蒸腾作用强, 冠层上形成一个隔离层, 能够阻止水汽扩散和与外界交换^[13], 所以湿度增大。S6观测点即园内广场与对照点的湿度值相差不大, 在06:00—07:00基本与对照相同, 园内广场虽然温度低于园外广场, 但水泥硬质的下垫面使得空气对流加快且蒸发量增加, 故湿度明显低于园内其他观测点。雨后晴天时, 各观测点湿度相近, 这是因为雨后太阳辐射减弱, 空气内水汽增加, 空气湿度整体上升。

从表 3~5可知, 园内S4观测点在晴天、多云和雨后日均湿度均为最高, 对照点日均湿度最低。说明公园绿地有明显增湿效果, 但不同观测点在不同天气条件下的增湿率不同, 晴天和多云时增湿率明显要高于雨后, 雨后整体湿度明显高于其他2种天气, 降雨后空气中水汽增加, 从而造成各观测点增湿率均有所下降, 但雨后各观测点湿度日变化幅度提高到41%~43%, 远远高于晴天和多云时的日变化幅度。这是由于雨停后的数小时内空气中水汽迅速增加, 温度上升缓慢, 云慢慢散去后太阳辐射增强, 所以湿度明显下降。3种天气条件下, 园内的7个观测点比较而言, S4增湿率最大, 为6.1%~18.0%, 其余依次为S1、S7、S2、S3、S5和S6。园内草坪增湿率较高, 是因为草坪叶片附着水汽, 且空气对流相对缓慢。不同观测点间多重比较(Turkey HSD法, P＜0.01) 结果显示, 晴天和多云时, 除S6外, 其他观测点与对照点日均湿度差异达显著水平; 雨后, 各观测点与对照点间差异均不显著。园内不同观测点之间, 晴天时, S4与S3、S5、S6之间增湿效果差异显著; 多云时, S4与S5、S6之间增湿效果差异显著; 雨后, S4与S6增湿效果差异较大。

2.1.3 不同游憩地风速日变化特征

从图 3可以看出, 3种天气下对照点风速变化最大, 其次是S7和S6观测点, 即园内草坪和园内广场, 其他5处观测点均为有林地, 风速变化相对平缓。林地由于有树木和树冠遮挡能降低风速, 而空旷地和无遮挡的草坪湍流频繁, 风速大且波动大。

从表 3~5可知, 3种天气风速日均值和瞬间风速最大值均出现在对照点, S4和S3观测点较低, 说明郁闭度越大平均风速越低; 其他观测点平均风速均低于对照点, 说明园内各观测点均有一定降低风速的作用, 但雨后各观测点减风率差别不大。不同观测点平均风速的多重比较(Turkey HSD多重比较法, P＜0.01) 显示, 晴天和多云时, S1、S2、S3、S4、S5与对照点差异显著, 而上述观测点之间差异不显著; 雨后, S1、S2、S3、S4、S5、S6与对照点差异显著。由于有林地是复层结构, 空间较为密闭, 且大多是乔灌草结构相结合的形式, 能有效降低风速; 草坪或广场较为开阔, 降低风速的作用较低。

2.2 夏季典型天气下不同游憩地人体舒适度评价 2.2.1 不同天气下人体舒适度日动态

人体综合舒适度指数(I_TH)能直接反映居民在游园时的舒适状况, 同时也是环境状况变化的评价指标。不同游憩地人体舒适度指数变化见图 4。

从图 4可以看出, 晴天和多云时各观测点人体舒适指数变化基本呈倒“V”型连续变化, 在14:00—15:00达到最高值, 这与最高温时段和最低湿度值时段基本吻合; 雨后虽然也呈现先上升后下降的变化趋势, 但上升和下降幅度都较为平缓。晴天时，对照点06:00—09:00间I_TH达到2级, 体感较舒适, 09:00—21:00间I_TH＞23.8, 体感较不舒适, 其中12:00—17:00间I_TH达到4级, 体感很不舒适, 不适合游人游憩。园内观测点中, S7基本与对照点变化一致, 14:00时I_TH达到5级, 体感极不舒适, 其余6处观测点I_TH达到3级, 体感较不舒适的时间相比对照延后1~2 h; 多云时, 各观测点I_TH变化基本与晴天一致, 与对照相比, S3、S4和S5观测点I_TH达到3级的时间延后2 h; 雨后, 07:00—17:00对照点I_TH持续保持在3级, 体感不舒适, 从18:00开始人体感觉较为舒适, 这主要与雨后湿度增加且温度降低有关, 而S6和S7在08:00—16:00体感不舒适, S1、S2、S3、S4和S5从11:00左右开始体感不舒适, 到16:00左右变为较舒适。雨后园内各观测点都能在一定程度上缓解人体不舒适的感觉; 而晴天和多云时, 除园内草坪外, 其他各观测点均能较为有效地缓解人体不舒适的感觉。3种天气中各观测点的体感舒适时长有很大区别, 晴天和多云时对照点和S4舒适时间只有3 h; S4舒适时间最长, 达7 h; 其次是S5, 达6 h; S3达5~6 h; S1和S2达5 h; S6达4 h。与晴天和多云时相比, 雨后园内各观测点体感舒适时间增加5~7 h, S4高达11 h, S1、S2、S3和S5也达到9 h左右, S6和S7体感舒适时间为7 h, 而对照点体感舒适时间为5 h, 但不舒适时间开始和结束都明显提前。

2.2.2 不同天气下各游憩地人体舒适度比较

表 6显示, 3种天气下人体舒适度日均值最低即相对最舒适的观测点是S4, 而相对最不舒适的是对照点。雨后舒适度整体要高于晴天和多云天气。不同观测点间人体舒适度日均值多重比较(Turkey HSD法, P＜0.01) 结果显示, 晴天和多云时, 只有S4与对照点、S6、S7差异显著, 而其他观测点之间差异不显著; 雨后, S4和S1分别与对照点、S6、S7差异显著, 但与其他对照点之间差异不显著。这说明园内旱柳-槐树林能有效降低人体不舒适感, 而园内草坪和园内广场对人体不舒适感的减缓作用不明显。3种天气条件下, S4降低人体不舒适率最高, 达5.0%~5.4%, S7最低, 仅有0.4%~1.5%;雨后整体降低不舒适率较晴天和多云时再提升0.4~1.1百分点。对3种天气下不同观测点降低人体不舒适率进行多重比较(Turkey HSD多重比较法, P＜0.01)，结果表明, 晴天和多云时S4与其他观测点差异显著, 雨后S4仅与S1差异不显著, 与其他观测点均差异显著; 3种天气条件下, S1、S2、S3和S5之间两两差异不明显, 但与S6和S7差异显著, 且晴天和多云时S6与S7之间差异也达显著水平。

3 结论与讨论

夏季不同天气条件对人体舒适度的影响显著。06:00—21:00, 城市公园绿地人体综合舒适度指数平均值表现为雨后最低, 晴天最高。晴天和多云时公园绿地人体舒适时间达4~7 h; 雨后公园绿地人体舒适时间明显提升, 达5~11 h, 比对照点延长1~7 h。3种天气条件下, 人体舒适度提升最明显的观测点是旱柳-槐树林, 降低不舒适率为5.0%~5.4%, 而草坪的人体舒适度提升效果最弱, 降低不舒适率仅有0.4%~1.5%, 雨后整体人体舒适率比晴天和多云天气时提升0.4%~1.1%。

在相同天气条件下, 不同游憩地对人体不舒适感的减缓效果差异明显。3种天气平均降温率比较:旱柳-槐树＞旱柳＞旱柳-毛白杨＞油松-柏树＞油松＞园内广场＞园内草坪, 平均增湿率比较:旱柳-槐树＞园内草坪＞旱柳＞旱柳-毛白杨＞油松-柏树＞油松＞园内广场, 平均减风率比较:旱柳-槐树等5种有林游憩地明显优于无遮挡的园内草坪和园内广场。

在炎热的夏季, 北京地区城市公园绿地能较为明显地降低人体不舒适感, 在典型天气下06:00—09:00适合晨练的居民进行游园锻炼等户外活动; 晴天和多云时, 10:00后无论在园内草坪还是各类游憩林均会感到不舒适, 特别是14:00左右应尽量减少在草坪及无遮挡的广场活动, 防止中暑, 20:00起旱柳-槐树林适合晚间活动的居民游憩; 雨后, 居民可在17:00以后到园内各游憩地进行户外活动。

研究发现, 城市公园绿地不同游憩地的植物配置和树种等能影响局地微气候及人体舒适度变化, 但人体舒适度也受植物的冠层结构、郁闭度和种植密度等因子影响。今后可针对冠层结构差异做进一步比较和分析。在观测过程中还发现, 颗粒物浓度和景观美景度也是反映人体舒适度的重要指标, 所以今后可以考虑颗粒物浓度变化与人体综合舒适度指数间的关系, 从而探索通过合理配置植物, 为城市公园绿地设计提供依据, 为居民合理安排游憩锻炼路线提供参考。