植被结构对严寒地区城市居住区冬夏微气候的影响研究

金虹 吕环宇 林玉洁

绿地在影响城市生态环境、改善城市微气候方面发挥重要作用[1]。研究发现：不同空间布局的绿地在降温效果上表现出显著差异，绿地面积越大，空间分布越均匀，其对室外的降温效果越显著[2-3]；在乔木间隙栽植灌木可以增强防风效果[4]；增加乔木数量和乔木叶面积密度对降低城市热岛及改善人体热舒适效果显著[5]；绿化量和绿化布局对温湿度的调节有较大作用[6]，其效果随着气候的干热程度的增加而变得更加显著[7]。通过数值模拟预测可知，校园绿化面积减少3%将引起空气温度升高1℃[8]；大型公园的降温效果可以拓展至几百米甚至1.4km处，有时甚至可能造成微弱的空气流动[9-10]。目前，有关严寒地区城市微气候的研究已逐渐受到学术界的重视[11]，随着严寒地区城市的快速发展与扩张，忽视微气候的环境设计对居住区甚至城市环境产生的负面影响正逐渐暴露出来[12]。

上述研究结果表明了绿地对于调节城市微气候的重要作用，以及进一步深入研究绿地调节微气候性能的必要性。针对居住区绿化设计，已有学者对植被种类、绿化平面形式、孔隙率、绿化色彩设计等进行了相关研究[13-15]，其中已对植被种类对防风、降温增湿、固碳释氧等作用的差异性进行了充分的研究[16-21]，常见研究方法为数值模拟和理论研究，但缺乏对植被结构影响室外物理环境的实测研究。本研究以严寒地区典型城市哈尔滨为研究区域，对不同植被结构的典型居住区空间进行冬夏两季微气候环境的现场实测，得出植被结构与城市居住区微气候的关联性，而指导严寒地区城市居住区的景观设计，以提高居住区物理环境品质，提升居民户外活动舒适性。

1 研究方法

1.1 研究对象

哈尔滨地处中国高纬度地区，四季分明，冬季严寒漫长且多为寒风冰雪天气，夏季凉爽短促；冬季最冷月平均温度–16.9℃，夏季最高月均气温23.8℃[22]。据统计，哈尔滨面积不超过1hm2的中小型绿地面积占总绿地面积的43.7%[23]，绿地斑块数量多且分布广，多分布于居住区、道路两侧，主要呈现块状、带状和点状，这些绿地直接影响着居民日常活动的室外空间微气候环境。

根据群落形态的不同，绿地的植被结构可分为乔木、灌木、草地、乔木—灌木、乔木—草地、灌木—草地和乔木—灌木—草地7种形式，不同的绿化配置及组合方式不仅能够丰富绿化空间层次，而且可以不同程度地改善微气候环境[24]。根据实际调研情况，本文选取哈尔滨城市居住区常见的植被结构（草地、灌木+草地、乔木+灌木+草地）作为研究对象，对比研究不同植被结构对微气候的影响差异。

1.2 测点布置

选取2个规模相近、布局形式相同、建筑高度相近（多层住宅小区，层数均为7层）、位置毗邻、但植被结构不同的居住小区（锦江绿色家园以及河政花园）进行对比测试研究，如图1。河政花园宅间绿地和中心绿地的植被结构均为乔灌草的组合，锦江绿色家园的宅间绿地绿化面积较小且以灌木+草地为主，中心绿地为草地。在两居住区的对应位置各布置3个测点，形成3组对比，其中R4、R9为中心绿地的对照点，R4为乔灌草的组合，R9为草地；R1、R6与R3、R8为宅间绿地对照点（R1、R3为乔灌草组合，R6、R8为灌草组合），如表1。

由于哈尔滨地处气候条件较为恶劣，居住区绿化植物种类的选择受到气候特征的限制，可供选择的绿化植物种类有限，常用乔木有红松（Pinus koraiensis）、榆树（Ulmus pumila）、旱柳（Salix matsudana）、白桦（Betula platyphylla）等，常用灌木有小叶丁香（Syringa microphylla）、连翘（Forsythia suspensa）、茶条槭（Acer ginnale）等，草地为草花地被[25]。在本研究中，为控制测点植被种类变量，在选取测点时同一对照组内各测点的草地植物种类相同，灌木均为以小叶黄杨（Buxus sinicavar.parvifolia）、丁香为主的灌木群，各测点的乔木种类均为旱柳，且均为哈尔滨居住区常见植被种类。数据处理时，取R1、R3及R6、R8的平均值进行对比。

表1 测点植被结构特征表Tab. 1 Characteristics of vegetation structure measurement points

表 2 测试日期和天气情况Tab. 2 Measurement dates and weather conditions

1 测点分布示意图Field measurement points distribution

1.3 测试仪器及方法

测试日期和天气情况如表2所示。本研究重点关注的是人行高度处的微气候状况，故测试内容为各个测点1.5m高度处的空气温度、相对湿度和风速。测试选用BES-01温度采集记录器、BES-02温湿度采集记录器和Kestrel 5500小型气象站记录上述气象参数。为减小误差，测试前对仪器进行对比与校准，并将温湿度采集记录器置于铝箔防辐射罩内，以防止太阳辐射与周边环境的长波辐射对测试结果产生影响。将仪器固定在三角支架上并布置在各个测点，如图2所示。后期将采集的数据处理为30min平均值，以便更加直观地对比各测点数据变化情况。

2 测试结果分析

2.1 不同植被结构对空气温度的影响分析

图3为不同植被结构在冬、夏两季的全天空气温度变化图。对比3组对照测点的实测数据发现，冬季各测点的温度走势较为接近，对照组的逐时温度差值变化范围为0.01～3.79℃，全天温度平均值差值分别为1.03℃、0.04℃（表3），其中第一组对照组的测试结果说明复杂植被结构温度低于简单绿化结构，第二组两测点的温度数值十分接近（图3，表3）。夏季，两组对照点的温差较为明显，逐时温度差值变化范围为0.02～1.84℃，全天温度平均值差值分别为1.11℃、0.30℃（表4），夏季各组对照均体现出植被结构复杂的测点温度较低的特征，其中第一组对照（草地、乔木+灌木+草地）的温度平均差值最大，最大降温幅度1.84℃（出现在14：00）。

2.2 不同植被结构对相对湿度的影响分析

图4为不同植被结构在冬、夏两季的全天空气湿度变化图。对比两组对照测点的实测数据发现，冬季各测点的逐时相对湿度差值变化范围差异较大，为0.06%～10.01%，全天相对湿度平均值差值分别为1.46%、0.02%（表4）。各组对照测点的相对湿度平均值大小关系分别为草地＞乔木+灌木+草地，灌木+草地＜乔木+灌木+草地；第二组结果显示复杂植被结构相对湿度高于简单绿化结构，第一组简单植被结构相对湿度略大于复杂植被结构温度，这是由于冬季草地积雪较多，对相对湿度数值产生了较大影响；夏季，两组对照点的逐时相对湿度差值变化区间为0.03%～5.57%，全天相对湿度平均值差值分别为3.95%、3.54%（表4），均体现出植被结构复杂的测点湿度较高的特征，且绿化结构越复杂增湿效果越明显。

2.3 不同植被结构对风环境的影响分析

图5为不同植被结构各测点在冬夏两季的逐时风速变化图。分析对照组测点实测数据发现，由于植被结构差异带来的风速差异较为显著。冬季逐时风速差值变化范围为0～1.29m/s，全天风速平均值差值分别为0.47m/s、0.98 m/s（表3），均能体现出复杂植被结构对风速的降低作用；夏季，4组对照测点逐时风速差值变化区间为0.03～1.00m/s，全天风速平均值差值分别为0.31m/s、0.19m/s（表4）；与冬季相比，夏季植被结构的复杂性对风速的影响相对较小，但各组对照测点仍然能体现出复杂植被结构对风速的降低作用。结果显示，虽然植物的生长状况在冬季和夏季有着明显的差异，但不论冬季还是夏季，不同植被结构对住区风速的影响都十分显著，植被结构越复杂对风速的降低作用越明显；根据风速曲线可知，绿化良好的区域，风速的波动区间明显减小。由此可见，复杂的植被结构可以使居住区内空气流动更加平缓，有效抵御冬季疾风，增加居住区环境的舒适度。

3 结论

本文选取哈尔滨植被结构不同的居住区进行冬季和夏季的现场实测，比较研究不同植被结构条件下的室外空间微气候。

研究发现，在夏季（表4），植被结构的不同对居住区的微气候环境有着较为明显的影响作用。不同植被结构的两组对照点平均温度差值分别为1.11℃、0.30℃，其中对照组1（乔木+灌木+草地、草地）中复杂结构植被降温效果最明显，最大降温幅度1.84℃（出现在14：00）；对照点平均湿度差值分别为3.95%、3.54%，其中对照组1（乔木+灌地+草地、草地）中复杂结构植被增湿效果最明显，相对湿度最大差值为5.57%（出现在14：00）；两组对照点的平均风速差值分别为0.31m/s、0.19m/s，其中对照组1（乔木+灌地+草地、草地）中复杂结构植被降低风速的效果最明显，风速最大差值为1.0m/s（出现在13：30）。

2 测试仪器及设备Measurement instruments and equipment

表3 冬季不同植被结构测点的空气温度、相对湿度、风速平均值Tab. 3 Average temperature, relative humidity and wind speed at different vegetation structure measurement points in winter

表4 夏季不同植被结构测点的空气温度、相对湿度、风速平均值Tab. 4 Average temperature, relative humidity and wind speed at different vegetation structure measurement points in summer

在冬季（表3），由于枝干对太阳辐射的遮挡作用，植被仍有一定的降温作用，但降温作用并不明显。不同植被结构的两组对照点冬季平均温度差值分别为1.03℃和0.04℃，其中对照组1（乔木+灌地+草地、草地）中复杂结构植被降温效果最明显；两组对照点的平均湿度差值分别为1.46%、0.02%，其中对照组1（乔木+灌地+草地、草地）中复杂结构植被增湿效果最明显；两组对照点的平均风速差值分别为0.47m/s、0.98 m/s，其中对照组2（乔木+灌地+草地、灌木+草地）中复杂结构植被降低风速的效果最明显，风速最大差值为1.29m/s（出现在13：30）。

比较测试结果可知，冬夏两季植被都有一定减缓风速和降温增湿的作用。值得注意的是，在严寒地区冬季空气温度极低的情况下，街道行人对于空气温度和相对湿度的个体感觉并不十分敏感，但对于风速变化的敏感程度相对来讲较为明显[26]。因此，虽然在冬季复杂植被结构有一定的降温作用，但对人体热舒适的影响很小，相比较而言，复杂植被结构对风速的降低作用，对提高人体热舒适有着积极的作用，因此对严寒地区而言，植被结构复杂的绿地在冬季仍是有利的。在本文的两组对比中，乔木在改善室外微气候方面有着不可忽视的作用，其树冠的遮荫和自身蒸腾作用对温湿度的调节作用显著，且树干、叶片导致下垫面粗糙度的改变对空气流动带来的阻碍作用远大于灌木和草地，有利于严寒地区冬季防风。因此，绿地在冬夏两季均能有效改善严寒地区居住区居民室外活动空间的微气候环境，植被结构越复杂对室外空间微气候的调节作用越显著。

3 不同植被结构测点的空气温度逐时变化Hourly variation of air temperature at various vegetation structure measurement points

4 不同植被结构测点相对湿度逐时变化Hourly variation of relative humidity at different vegetation structure measurement points

5 不同植被结构测点风速逐时变化Hourly variation of wind speed at different vegetation structure measurement points

注释：

表2数据来源于中国气象数据网；文中其他图片、表格均为作者绘制。