南京市寒冷季节景观树种对人体热舒适度影响的数值模拟研究

曹林森，徐 欢，李 红

(江苏师范大学，江苏 徐州 221116)

城市局地微气候与城市下垫面的具体特征密切相关[1-2]，风景园林对于局地微气候有着直接的影响，多数学者认为地形、水体、植物群落和建筑布局等设计要素对热、湿、风环境等均具有调节功能[3-4]。景观空间的微气候要素对热舒适度有决定作用，也直接影响了人们的空间体验。植被作为主要景观要素，对改善景观空间微气候及热舒适度都有重要意义。现阶段的研究多关注植被在夏季的微气候调节效应，以期发挥植物的降温增湿作用改善场地夏季微气候舒适度[5-7]。相对而言，寒冷季节植被对热舒适度的影响较少有人关注[8-9]。有学者通过定点测量、问卷调研和行为标注等方式对植被群落的寒冷季节微气候效应进行定量分析[10-11]，但由于植被群落的复杂性，此类研究难以对具体树种的微气候及热舒适度效应作出判断。研究方法对于植物群落空间可行，但由于外界干扰因素较多，对于树种单体的热舒适度影响效应分析并不适宜。而掌握树种单体的热舒适度效应，对于理解植被对热舒适度的影响机理和指导景观空间植物配置都有现实意义。

城市中微观尺度，应用于研究城市微气候的软件使用较多的是Fluent、Phoenics以及ENVI-met模型。由于Fluent中没有预设的植物模型、Phoenics中植物不涉及植物与空气间的蒸腾、蒸发和热通量交换，而ENVI-met能够全面考虑空间布局、地表材质、太阳辐射、植被覆盖等多种因素，且具备三维植物构建模块[12]，因而ENVI-met是一款被证实能有效模拟植物微气候调节作用的模型。

本研究以南京市寒冷气候为背景，在验证ENVI-met软件模拟准确性的基础上，选取南京市6个不同规格常绿及落叶乔木、灌木典型绿化树种进行微气候效应模拟，获取太阳辐射、空气温度、湿度、风速等微气候要素数值，并利用Rayman平台计算监测范围内的热舒适度值。通过与空地对照组的数据对比分析不同树种对人体热舒适度的影响规律，并对影响较明显的树种类型从高度、叶面积密度和郁闭度等方面做进一步模拟研究。

1 材料与方法

1.1 ENVI-met模型验证

为验证ENVI-met模型的可靠性，选择江苏师范大学田家炳工学院南侧绿地为测试地点，进行冬季风速的验证试验。结果表明实测与模拟风速的相关性R2为0.719，存在较强相关性。同时采用Willmott et al[13]提出的均方根误差(root mean square error,RMSE)，系统均方根误差(RMSEs)、非系统均方根误差(RMSEu)以及一致性指标(d)验证模型的可靠性。实测与模拟风速RMSE为0.15 m·s-1，RMSEu与RMSE值接近，d值为0.79。整体显示ENVI-met模型在描述冬季绿地与微气候关系比较可靠，适用于冬季绿地对微气候调节效应的研究。

1.2 植物模型构建

以南京市为气候背景，在南京市典型常绿乔木、落叶乔木、常绿灌木、落叶灌木中分别选取不同大小规格的常见树种(表1)。由于所选灌木树种耐修剪、可塑性强，所以大小灌木未做树种区分。ENVI-met4.0 Albero模块植物建模需要的特征因子包括株高、冠幅、枝下高、树冠形状、根部特征、叶面积密度(leaf area density，LAD)、叶片反射率、固碳类型、叶片类型等。其中植物根部特征、叶片反射率等因子变化对微气候的影响较小[14-15]，植被树冠空间结构对微气候影响的研究已经较多[16-17]，本研究主要探讨植被类别和高度、LAD、郁闭度等因子对寒冷季节热舒适度的影响效应。ENVI-met主要通过LAD值区分植物的落叶及常绿属性，冬季(12月)植物的LAD为夏季(6、7、8月)的0.2倍。基于研究目标及植被调研结果，在Albero模块中设定植物模型特征因子见表1。其他特征因子统一设定为固碳类型C3，叶片发射率默认0.6，根部特征为系统默认。

表1 典型绿化树种及建模特征因子Table 1 Typical greening tree species and modeling characteristic factors

1.3 模拟及采样方法

根据植被不同尺度空间要求，Space模块中乔木模拟空间网格分辨率设置为dx=2 m、dy=2 m、dz=3 m，灌木设置为dx=1 m、dy=1 m、dz=3 m。模拟日期为2019年12月21日，参照南京市历年冬季气候平均参数，设置气候初始数据为风速3.60m·s-1，风向90°(垂直于植被)，空气温度8℃，湿度70%。模型下垫面材质为系统默认，场景粗糙度长度采用0.1。选取9:00-21:00为数据输出时间段，输出高度设置为人体感知较为明显的1.5 m。

经过前期预模拟总结发现，植被对微气候和热舒适度的影响(排除树木阴影范围)主要出现在正下风向位置，乔木的影响主要出现在树高的2倍范围处，而灌木的影响主要在6 m范围内。据此本研究乔木的微气候数据采样点为：植被正下风向，距离乔木(高度h)中心2h、2h-2 m、2h+2 m处3个测点；灌木的采样点为：植被正下风向，距离灌木中心2、4、6 m处3个测点(图1)。分别提取3个测点的空气温度、风速、湿度和太阳辐射等微气候参数以计算热舒适度值。

图1 微气候数据采样点位置示意图(左：乔木，右：灌木，高度：1.5 m)Fig.1 Location of microclimate data sampling points

1.4 热舒适度设置及分析方法

采用生理等效温度(physiological equivalent temperature，PET)作为热舒适度的评价指标，它表示在某一室外环境中，当人体处于热平衡时，体表温度和体内温度达到与典型室内环境同等的热状态所对应的气温。PET以通用的摄氏度(℃)为单位，更便于各行业学者理解。且相比标准有效温度(SET)、预测平均投票(PMV)等单一评价体系，PET指标在考虑主要微气候因子(太阳辐射、空气温度、风速、湿度)对热舒适影响的基础上，还考虑了衣服热阻、人体活动量及物理参数对热舒适度的影响，更适宜作为户外热舒适度的评价尺度[20]。计算公式为：

PET=(代谢能量+所获太阳辐射量+所获地球辐射量)-(蒸发热损耗+对流热损耗+地面辐射散射)

(1)

借助Rayman平台计算各测点PET值，地理参数参照南京市数值(31°14″W，118°22″E)，人体参数设定身高175 cm、体重70 kg、年龄35岁，衣服热阻为0.9，活动量为步行1.2 m·s-1。

分别模拟8种不同体量的常绿乔木、落叶乔木及常绿灌木、落叶灌木和空地对照组的冬季微气候效应，并计算各测点的PET值。通过独立样本T检验分析不同树种与空地对照组对热舒适度影响的差异性及显著水平，并选择其中差异显著的景观植物类型和时间段，对植株高度、LAD和郁闭度等特性因子的影响做进行进一步探索分析。

2 结果与分析

2.1 乔木类树种

4种乔木和空地对照组的热舒适度PET值对比结果显示(图2、表2)，乔木类树种PET变化趋势与对照组一致，整体与对照组的差异并不显著，白天整体的PET值差异>夜间。白天数据显示，常绿小乔木树种对热舒适度的影响最大，可提高PET值2.29℃，但结合独立样本T检验显示这种差异不显著(P=0.204)。常绿大乔木和落叶小乔木对热舒适度影响较弱，PET值提升幅度<1℃。落叶大乔木对热舒适度有略微降低作用，PET均值降低0.16℃。对比夜间各组数据，常绿小乔木仍然对热舒适度的影响最大，整体提升PET均值0.82℃，且通过T检验发现与对照组具有显著差异(P=0.002)。常绿大乔和落叶小乔对热舒适度的影响较弱，PET均值提升<0.5℃。落叶大乔木对热舒适度没有影响。4类乔木树种中，常绿小乔木对热舒适度的影响最为明显；落叶大灌木对热舒适度有较弱的降低作用或不存在影响；常绿大乔木和落叶小乔木虽对热舒适度都有一定提升作用，但作用幅度均<1℃。

图2 乔木类树种对PET的影响曲线Fig.2 Effect on PET value of arbor tree species

表2 乔木类树种与对照组PET值描述性分析及差异性检验结果Table 2 Descriptive analysis and difference test results of PET betweenarbor tree species and control group

2.2 灌木类树种

4种灌木树种和空地对照组的热舒适度PET值对比结果表明(图3、表3)，灌木类植被PET变化趋势与对照组保持一致，且对热舒适度的影响强于乔木，白天影响强于夜间。白天常绿大灌木对热舒适度的影响程度最明显，与对照组相比提高PET均值3.96℃，其次为常绿小灌木，提高PET均值2.36℃。落叶大灌木对热舒适度影响不明显，使PET均值提高0.78℃，落叶小灌木对热舒适度没有影响。将4种灌木的热舒适度结果与对照样本分别进行独立样本T检验，结果显示常绿大灌木与对照组有明显差异性(P=0.03)，说明常绿大灌木可以对白天的热舒适度值(6 m以内)产生显著影响。

图3 灌木类树种对PET的影响曲线Fig.3 Effect on PET value of shrub tree species

表3 灌木类树种与对照组PET值描述性分析及差异性检验结果Table 3 Descriptive analysis and difference test results of PET between shrubs tree species and control group

夜间影响与白天具有相似性，常绿大小灌木对PET均值都有较明显提升作用，分别提高1.44℃和0.82℃。落叶大灌木对PET均值提升作用较弱，落叶小灌木则不产生影响。同样将4种灌木的热舒适度结果与对照样本分别进行独立样本T检验，结果发现常绿大灌木、小灌木与对照组都存在明显差异性(P=0.00)，说明常绿灌木可以对夜间的热舒适度产生显著差异，但与白天相比，PET值升高幅度较小，人体感知较弱。

上述分析表明，常绿灌木树种对冬季热舒适度的影响较为明显。为进一步探究植被对热舒适度的影响效应和机理，并基于现实景观植被设计的需求，分别就植被高度、LAD和郁闭度3个因素对白天常绿灌木对热舒适度的影响效应进行探讨。

2.3 灌木高度影响效应

为探究常绿灌木的高度对人体热舒适度的影响效应，以石楠为参数标准，在ENVI-met Albero模块中分别设置5种高度(2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m)的灌木模型，设置植株LAD为2.2，其他模型参数保持一致。模拟空间及微气候设置参数如1.3所述，分别模拟5种不同高度灌木微气候效应。提取木3个测点的空气温度、湿度、风速和太阳辐射等微气候数值，并利用Rayman平台计算热舒适度PET值，结果见图4、表4。

图4曲线显示，不同高度的灌木与对照组相比，对热舒适度都有提升作用，且作用程度差异较小，PET值曲线重合度较高。由表4可见，2 m高灌木与对照组相比，提升PET值3.36℃，但是T检验结果显示差异不显著(P=0.061)。≥2.5 m高度灌木与对照组都存在显著差异(P<0.05)，且高度越高，对PET值得提升作用逐渐减弱，所以试验组中2.5 m高度灌木对热舒适度的提升作用最为明显。存在显著影响的灌木高度与ΔPET相关分析得到相关系数r=-0.995(P<0.01)，说明两者之间存在显著负相关关系(表5)，即灌木高度越高，其热舒适度提升作用越差。

图4 不同高度灌木对PET的影响Fig.4 Effect on PET of shrubs with different height

表4 不同特性灌木与对照组PET值描述性分析及差异性检验结果Table 4 Descriptive analysis and difference test results of PET value among shrubs with different indices and the control group

2.4 灌木LAD影响效应

由于树木LAD变化范围在0～4.17 m2·m-3[21]，为探究常绿灌木的叶面积密度对人体热舒适度的影响效应，在Albero模块中分别建立5种LAD(1.4、2.0、2.6、3.2、3.8)灌木模型，设置其他模型参数保持一致。模拟空间及微气候设置参数同1.3所述，与空地对照组进行对比模拟分析。提取各个测点的微气候数值并利用Rayman平台计算热舒适度PET值，结果见图5、表4。

图5 不同LAD灌木对PET的影响Fig.5 Effect on PET of shrubs with different LAD

由图5可知，不同LAD灌木植被与对照组相比，对热舒适度有不同程度提升作用。LAD值越大，对PET值提升程度越明显。由表4可见，当LAD为1.4时，灌木对热舒适度的改善作用与对照相比在均值上提升2.95℃，但是差异水平并不显著(P=0.091)。当LAD值>2时，灌木对PET值已经存在显著影响，且影响水平随着LAD值的增大而增强。灌木LAD值与ΔPET相关分析得到相关系数r=0.998(P<0.01)，说明两者之间存在显著正相关(表5)。

2.5 灌木郁闭度影响效应

为了进一步研究灌木栽植郁闭度对热舒适度的影响规律，根据图7栽植方式在Space模块中设置5种郁闭度(32.4%、45.7%、73.5%、89.2%、94.4%)的灌木模型，设置其他模型参数保持一致，以前述方式与空地对照组进行对比模拟分析。同理提取各个测点的微气候数值并输入Rayman平台计算热舒适度PET值，结果见图6、表4。

图7 郁闭度示意Fig.7 Diagram of crown density

由图6可见，随着栽植郁闭度的增加，灌木的热舒适度得到不同程度改善。由表4可知，当郁闭度为32.4%时，PET均值提高3.37℃；郁闭度达到94.6%时，PET均值提高6.28℃，可见郁闭度的增大对热舒适度的改善效果明显。T检验结果表明，当郁闭度为32.4%和45.7%时，植株的PET值与对照组没有显著差异(P=0.074，P=0.064)；当郁闭度>73.50%，各试验组与对照组均呈显著性差异；当郁闭度>89.2%(即两排栽植)时，热舒适度改善效果较郁闭度73.5%情境下增加了1.53℃。此后郁闭度的增加对热舒适度的影响程度减弱。具有显著差异的郁闭度值与ΔPET相关系数为0.098(P=0.044)，说明郁闭度与ΔPET有明显正相关，郁闭度越大，对热舒适度的改善越明显(表5)。

表5 植株特性与ΔPET的相关性及回归分析Table 5 Correlation and regression analysis of plant characteristics and ΔPET

图6 不同郁闭度灌木对PET的影响Fig.6 Effect on PET of shrubs with different crown density

3 结论与讨论

3.1 结论

对南京市寒冷季节景观植物对人体热舒适度的影响展开数值模拟分析，结果表明，乔木树种整体对冬季热舒适度的提升程度较弱，白天的影响强于夜晚，常绿小乔木的影响强于落叶乔木；灌木对冬季热舒适度提升程度强于乔木，同样白天影响强于夜间。其中大小常绿灌木的影响均较显著，落叶灌木的影响较弱；≥2.5 m高度常绿灌木对热舒适度值有显著影响；但随着高度增加，这种影响有减弱趋势；灌木对热舒适度的改善程度，随着LAD值的增大而加强，两者呈显著正相关。灌木郁闭度>73.5%，对热舒适度有显著提升作用。在一定范围内郁闭度越大，热舒适度改善程度越强。综合相关性分析结果，LAD和郁闭度变化对灌木的热舒适度影响效应最大，高度变化的影响相比较弱。

3.2 讨论

目前，寒冷季节植被对微气候及热舒适的影响研究开始得到重视，一般认为随着景观植物群落结构趋于复杂，微气候效应随之增强，主要体现在冬季挡风和夏季的降温增湿作用[21-22]。在冬季寒冷气候条件下，人们对空气温度和湿度的敏感性降低，对于风速的敏感程度加强[10]。因此，虽然冬季植被有一定的降温增湿作用，但是相比较而言，人体对其风速的降低作用感知更为明显。复杂植被结构对风速有降低作用，对提高人体热舒适度有着积极的作用。本研究同样发现，虽然寒冷季节常绿树种植被对温、湿度有一定负面影响，但是由于其对风速的有效阻挡作用，整体热舒适度提升效应较为明显。在南京市及类似气候条件下的景观空间营造过程中，应着重考虑在冬季主导风向的垂直方向栽植常绿大灌木类树种，为冬季景观空间提供良好的热舒适度环境。灌木树种栽植应多考虑选择石楠、海桐(Pittosporumtobira)、大叶黄杨(Buxusmegistophylla)等耐修剪、叶面积密度大、冠幅在2.5 m左右的大灌木。栽植方式可考虑两排栽植或其他密植方式为主，增加郁闭度。同时可配合常绿乔木，增加植物景观的层次性。

张明娟等[11]通过实测分析，发现冬季常绿乔木单层林通过显著降温作用恶化了场地热舒适度，其结论与本研究存在差异。本研究模拟发现，冬季常绿乔木对微气候的影响存在位置的显著差异，乔木阴影及其风向下游位置热舒适度较低，但是乔木下风向2倍植物高度位置因风速的降低，热舒适度有一定的提升效果。即观测位置的不同可能造成研究结果的差异。由于风速对寒冷季节热舒适度影响较大，由于风速的大小、方向变化较快，难以通过实测方法对植物单体的热舒适度影响机理进行分析，所以本研究选择使用可信度较高的软件进行模拟分析。

本研究对灌木的微气候采样点主要在6 m范围内，但不同特性的灌木对热舒适度影响范围也存在明显差异，而有效影响范围的确定对实际应用也存在较大价值。如灌木高度的变化对6 m内热舒适度的变化存在负相关，但其与影响范围的大小有明显的正相关作用，这在今后的研究中也可以做进一步探讨。同时发现微气候的采样点对研究结果存在显著影响，植被对微气候的影响在阴影处和其他位置有显著差异，对这种差异性进行更加精准的研究，并利用这种差异对植被的体量、位置等特性进行有效控制，对营造景观空间的微气候有重要意义。本研究只对南京市一种寒冷气候背景、6个典型绿化树种进行了模拟分析，不同地区的寒冷季节气候条件不同，不同绿化树种的规格及特性也存在差异，今后可对多种寒冷季节气候条件及其他绿化树种的热舒适度影响规律进行更全面的探索。