乔木覆盖率及形态特征对公园夏季微气候舒适性的调节作用——以郑州市绿荫公园为例

王 琨

王竞娴

田朝阳

薛思寒*

“公园城市”理念和城市发展新范式的提出，将“城市的核心是人”作为价值取向，致力于营造宜居、舒适、绿树成荫的城市环境，明确了构建绿色发展的城市空间新要求[1]。绿色空间能有效缓解城市的热岛效应，发挥重要生态功能的同时能大幅改善城市空间环境，为市民创造微气候适宜、节能低碳的绿色城市街区。相关研究表明城市绿化可使夏季热感觉从热转为暖，生理等效温度PET降低超过8℃[2]。而植物的降温效应主要是通过遮阴、蒸散作用和影响空气流动实现，是减轻城市热岛效应的有效途径[3]。其中，乔木由于林冠的遮阴作用，产生的降温效果总体上比草坪的蒸散冷却更为显著，改善热舒适的能力最好[4-5]，而乔木覆盖率越大，其降温增湿效应也越明显[6]。夏季，林荫空间因其显著的降温作用，往往成为人们高频率活动的场所。研究表明，宽大的树冠能使树下气温降幅增大[7]，是乔木发挥微气候效应的主要组成部分[8]。冠幅和叶面积指数大小，主要决定植物冠层对太阳辐射的遮蔽范围和阻挡能力，能直接影响达到地面的太阳辐射量[9]，与人体热舒适之间存在较强的正相关关系[10]；而树干高度则决定了林荫空间的开敞度，在一定程度上影响着风环境，宽树冠高树干结合可形成最佳的热舒适条件[7]。可见，除了植被覆盖程度外，不同形态特征的乔木树种对微气候环境的影响亦有所差异。

目前，关于植物与公园微气候舒适度的模拟研究多侧重于植物空间配置的单因素量变模拟[11-12]，忽略了实际中各因素的互相配合和共同作用。因此，引入正交试验法设计试验方案，借助ENVI-met模拟软件，以提升城市公园环境舒适性为目标，探究乔木覆盖率及树干高、叶面积指数、冠幅3个乔木形态特征参数对公园微气候的共同影响，量化各因素及交互作用对改善公园热舒适的贡献程度，提出城市公园乔木优化配置建议，为城市公园绿量控制及树种选配提供参考依据。

1 研究对象

郑州市虽属寒冷地区，但处在寒冷地区与夏热冬冷地区的交界处，夏季极端高温可达39℃，时常酷暑难当，影响居民出行活动，城市公园成为居民避暑纳凉的聚集场所。研究对象绿荫公园是郑州市绿广管理处下辖的四大公园之一，建成于1999年，位于郑州市人口密度最大的金水区，周围遍布居住区。园内共划分为8个活动区，种植乔灌观赏植物80多种，7 000余株，多以遮阴效果好的树木为主，也因此而得名。居民日常使用频率较高，公园地块较为规整，南北长、东西短，面积约6.77hm2，绿地占比约83%，是以绿化为主的社区公园，园中植被种类丰富，尤以乔木居多。

2 研究方法

2.1 模拟软件校验

ENVI-met是德国Bruse教授及其团队于1994年开发的一款基于计算流体力学、热力学及城市生态学相关原理的三维城市微气候环境模拟软件，可综合考虑建筑、植被、下垫面及大气环境之间的相互作用过程，对中小尺度城市微气候环境的影响因子进行全面整体的数值模拟。该软件已被广泛应用于构建植被模型、探究树木形态及叶片的蒸腾蒸散作用等相关研究中[13]，是评估绿地植被对城市微气候影响的常用软件。为保证本次研究的准确性，在模拟试验前，需针对寒冷地区小尺度公园的适用性进行软件校验，综合考虑人群活动及景观特征差异，在园内布置4个测点，进行夏季微气候环境定点观测，测试日晴朗无风，采用Onset HOBO温湿度自记仪，测量距地高1.5m处的空气温湿度，连续记录11h(7：00—18：00)。为增强模型的准确性和稳定性，设置比公园实际面积更大范围的网格面积350m×500m，模型分辨率5m。以高清卫星影像图为依据，建立公园现状模型(图1)，模拟参数设置见表1。将空气温湿度实测值与模拟值进行比较，用均方根差(root-mean-square error，RMSE)和一致性指数(index of agreement，d值)定量评价数值模拟的绝对误差和相对误差，得到模拟预测空气温湿度的RMSE分别约2.3℃、6.7%，d值分别约0.86、0.91，模拟与实测吻合度较好，校验偏差在可接受范围内[14]，表明模拟结果能较好地反映绿荫公园近地面微气候特征，适用于本研究。

表1 ENVI-met模拟参数设置

图1 绿荫公园卫星影像(1-1，由高德卫星影像截取)及公园现状模型(1-2)

2.2 模拟方案设计

2.2.1 明确试验目标

正交试验是一种安排多因素试验的数理统计方法，可获得各因素的重要性及对试验指标的影响程度，快速获取试验的最优组合。借助正交试验法设计模拟方案进行多因素量变模拟，量化研究绿化参数对公园微气候环境的具体影响。

目前，关于室外热环境的评价主要有生理等效温度PET、预测平均热感觉指数PMV、通用热气候指数UTCI等。其中，PET是Mayer H团队基于MEMI(Munich Energy Balance Modelfor Individuals)模型提出的热指标，其优势在于不仅综合考虑空气温度、湿度等各项气象参数，同时也关注到人的个体参数，已被证实是更适宜评估人类热感觉的指标[15]。此外，该团队建立的PET与热感觉标尺的对应关系，也在微气候舒适性评价中被广泛应用[16]，故研究选用PET作为试验指标，并参考其建立的PET与热感觉标尺的对应关系评价方案间的微气候舒适性差异。

2.2.2 确定因素水平

研究表明，乔木覆盖率对园林热环境的改善作用最为显著[6]，树冠下形成的林荫空间能极大地提高行人的舒适度，而叶面积指数能够有效地反映冠层遮蔽度，直接影响林荫空间的阴凉效果[9]。故选择乔木覆盖率及树干高、叶面积指数、冠幅3种反应乔木形态特征的绿化参数作为试验的量变因素。

通过遥感影像统计郑州市内124个城市公园的乔木覆盖率，接近75%的公园乔木覆盖率为60%～90%，将其分段取平均值得到65%、75%、85%作为试验中乔木覆盖率的3个水平。另经实地调查，绿荫公园以悬铃木、棕榈、女贞等阔叶乔木类型居多，结合现场测量及文献研究[17]，分别获得乔木树干高、叶面积指数和冠幅的各3个常见水平值。据此设置试验水平(表2)。

2.2.3 制定试验方案

综合考虑乔木覆盖率、3个乔木形态特征参数自身及其交互作用对微气候的影响，选用正交表L27(313)编制研究试验方案共27组(表3)，并依此建立公园工况模型，进行微气候模拟。

表3 绿荫公园模型试验方案表

2.3 模拟参数设置

根据表2 中乔木形态特征参数值，利用ENVI-met插件Albero建立9种不同的乔木形态(图2)，并在此基础上调节树干高度。叶片反射率、根深、根面积密度等植被参数均为默认值，以排除干扰，其余设置同表1。

表2 正交试验方案因素水平表

图2 Albero数据库自定义3D乔木

3 结果与分析

夏季昼长夜短，居民大多于日间6：00—20：00在公园进行活动，选取期间使用频率较高的早上时段6：00—8：00，晚上时段18：00—20：00及微气候较恶劣的中午时段12：00—14：00，进行公园微气候模拟结果分析。通过对比试验工况热湿环境和风环境的差异，初步探讨不同乔木覆盖率及形态特征下公园的微气候差异；借助极差分析和方差分析，进一步量化各因素对公园微气候的主次影响及贡献率；并以改善公园微气候环境舒适性为目标，进行方案寻优，提出有效的优化设计建议。

3.1 不同乔木覆盖率及形态特征下的公园微气候差异

通过纵向对比试验工况早中晚3个时段空气温湿度及风速的差异(图3)，整体分析公园微气候时间变化规律。在热湿环境方面，各工况空气温度变化规律基本一致，均呈先升后降的趋势。由于郑州市夏季日落时间多为19：30—20：00，日间持续被加热增温的地面在傍晚时段刚开始损失热量，近地面空气依旧受地面的长波辐射及与地表的对流换热作用被加热，故傍晚时段空气温度仍高于早上时段。而各工况相对湿度皆于早上时段达到峰值，均超过85%；中午和傍晚时段差异不大，均在63%～75%范围内。其中，树干高度最低(2m)、叶面积指数最小(2.1)、乔木冠幅最小(5m)且乔木覆盖率最低(65%)的工况1，在中午和傍晚两时段空气温度均高于其他工况，且中午时段相对湿度为所有工况的最低值。同时，该工况早晚温差(6.2℃)及湿度差(26.6%)均为工况间最大值，热湿环境于工况中相对波动较大。叶面积指数(3.9)、乔木冠幅(9m)、乔木覆盖率(85%)均为最大值，但树干高度为中档水平(3m)的工况18，中午时段空气温度持续为最低值，相对湿度最高。同时，该工况早晚温差(5.1℃)及湿度差(22.8%)均为工况间最小，热湿环境于工况中相对较为稳定。在风环境方面，各工况风速无明显时间变化规律，早中晚时段基本保持稳定，差值均小于0.1m/s。

图3 早、中、晚时段各工况空气温湿度及风速变化

进一步统计各时段工况间气象参数差值及变化幅度(表4)，横向对比调整绿化参数带来的公园热湿环境和风环境的变化。其中，温湿度及风速差值均为某一时刻各工况中气象参数最大值与最小值之差，而变化幅度则是该差值与各工况中最大值的比值，用来反映工况间微气候环境的绝对变化与相对变化。整体比较各类气象参数变化幅度可知，工况间热湿环境相对差异较小，风环境相对差异较大。分时段对比可知，工况间空气温湿度差异呈现先增后降的时间变化规律。最大温差达1.2℃，气温变化幅度最大为3.5%，相对湿度差值最大为5.2%，湿度变化幅度最大为7.6%，均出现在中午14：00。而工况间风速差异各时段基本维持同一水平，差值约0.6m/s，变化幅度37%～39%。

表4 早中晚时段工况间空气温湿度及风速差值变化

总体来看，乔木覆盖率与热湿环境关联度较大，乔木覆盖率为85%的工况日间平均温度普遍偏低，基本维持在30℃以内，日间平均相对湿度普遍偏高，均超过75%，且热湿环境日间变化相对较小。树干高度与风环境关联度较大，树干高为4m的工况19～27风速相对较大，树干高3m的工况10～18次之，树干高2m的工况1～9风速相对较低。

3.2 乔木覆盖率及形态特征对公园微气候的影响作用

3.2.1 各因素的主次影响排序及优水平

整体对比早中晚时段公园各工况微气候环境对应的人体热感觉状态(图4)，早上8：00前和傍晚时段各工况公园微气候环境均能使人热感觉保持一致，其余时段工况间差异相对明显。相较其他工况，工况1和10微气候环境舒适性相对较差，中午有1～2h持续非常炎热；而工况3、11、18、21、24和26微气候环境舒适性相对较好，中午时段炎热感的出现时间有一定延迟且持续较短，其中工况18、24和26在早上8：00仍能保持稍暖的感觉。

图4 早、中、晚时段各工况PET及对应热感觉

通过对比绿化参数的平均极差(图5)，得到各因素对PET的主次影响及优水平。总体来看，因素水平变化对公园微气候的调节作用具有时段性差异，中午时段调节效果最佳，工况间PET差值约1.8℃；早晚时段相对较弱，工况间PET差值仅约0.6℃。进一步对比各因素不同水平工况所对应的早中晚时段及平均PET可知，乔木覆盖率变化对日间公园微气候的调节作用较其他因素更为明显，PET极差平均值超过1.7℃；冠幅次之，PET极差平均值约1.0℃；叶面积指数和树干高度的调节作用相对较弱，PET极差平均值约0.6～0.7℃。

图5 不同因素水平对公园PET的影响变化

此外，乔木覆盖率及形态参数与PET均呈负相关。其中，树干高度与PET呈线性关系，树干高度增加能在一定程度上促进空气流动，减少热量在树冠下的聚集，树干高度每增加1m，PET日间平均值下降约0.3℃。由变化斜率可知，其他3个绿化参数与PET呈非线性关系。乔木覆盖率超过75%后，PET变化斜率增大，降温效果更好。而冠幅和叶面积指数并非越大越好，当冠幅增至7m、叶面积指数增至3时，PET降幅略大，乔木反而能更高效地发挥遮阳降温作用。可见，虽二者升高，可增大遮阳面积，减少近地面得热，且使蒸腾作用越强，带走更多热量，但冠幅过大、叶片过密，均会阻碍通风，抑制调节作用的发挥。

3.2.2 各因素对改善公园微气候的贡献率

进一步采用方差分析法，量化各因素对公园微气候的影响程度及显著性分析(表5)。结果显示，早中晚3个时段乔木树干高，叶面积指数、冠幅及乔木覆盖率的Sig值均小于0.05，对公园PET影响显著。而3个乔木形态特征参数，两两间交互作用的Sig值均大于0.05，对公园PET影响并不显著。根据F值可知，早上时段，各因素影响显著度排序为：乔木覆盖率＞冠幅＞树干高＞叶面积指数；中午、傍晚时段各因素影响显著度排序一致，均为乔木覆盖率＞冠幅＞叶面积指数＞树干高。

表5 各时段公园绿化参数影响的方差分析结果

在正交试验结果及方差分析的基础上，计算各因素的列偏差平方和占总偏差平方和的百分比，作为各因素贡献率(ρj/%)[18]，量化各因素对微气候舒适性的具体影响程度。其计算公式为：

式中，Sj为列偏差平方和；S为总偏差平方和；a为试验次数；b为水平数；j为试验号。

由图6可知，各因素在不同时段发挥的作用有所差异。总体来看，乔木覆盖率各时段的贡献率均大于其他3个植被形态特征参数的贡献率之和，其贡献率随时间变化呈先减后增趋势，傍晚时段贡献率最大，接近70%。3个植被形态特征参数中，乔木冠幅的贡献率相对较大，其变化趋势与乔木覆盖率恰好相反，随时间变化呈先增后减趋势，中午时段贡献率高达22.5%；树干高早上时段贡献率相对较高，为11.2%，其他时段作用相近，贡献率不足5%；叶面积指数贡献率在不同时段差异较小，中午时段贡献率略高，约9.5%。

图6 各绿化参数对公园微气候的贡献率

3.3 基于微气候环境改善的城市公园乔木优化配置

3.3.1 公园方案寻优

因乔木覆盖率及形态特征参数对公园微气候的作用呈现时间性差异，故需将使用者的活动频率、活动时段等因素综合考虑，进行多目标寻优。由于该公园为社区公园，多服务于周边居民在非工作时间开展健身、散步、锻炼等活动，结合公园使用的高频时段，设定早中晚权重分别为40%、20%、40%，采用加权平均法将早中晚3个时段的PET转化为具有代表性的综合值(图7)参与方案寻优。最佳方案为乔木覆盖率85%、树干高度4m、叶面积指数3.9、冠幅7m的工况26，PET加权平均值为27.9℃。

图7 早、中、晚时段各工况PET及加权平均值

由于夏季偏暖的室外热环境亦能被人体接受，故以PET≤29.0℃(热感觉为稍暖)[15]为判定依据，筛选出满足微气候舒适性要求的公园优化方案共13个。其乔木覆盖率均为75%或85%，故针对这2种乔木覆盖率分别得到郑州城市公园乔木优化配置组合方案。由表6可知，乔木覆盖率越高，满足舒适性要求的方案可选择性亦越多。乔木覆盖率为85%的9个方案均能满足要求，且多数优先级水平较高；乔木覆盖率为75%时，需选择7m以上冠幅的乔木，方可通过调节其他两参数共同实现公园热舒适度，满足要求的方案共4组，但无三星级方案。另外，当乔木覆盖率为同一水平时，冠幅越大，优先级水平越高；而当冠幅为同一水平时，树干越高，优先级水平越高。

表6 公园乔木优化配置组合方案

3.3.2 优化设计建议

上述分析证实，通过调控乔木覆盖率及形态特征参数，能实现公园乔木优化配置，有助于营造更舒适的公园微气候环境。基于此，以提升绿荫公园微气候舒适性为目标，提出乔木优化配置建议。同时，考虑到乔木生长过程中形态特征会发生较大变化，在涉及树种选择时，均参考相对稳定的乔木成熟龄阶段形态特征提出优化建议。

1)适当增大乔木覆盖率，增强乔木配置灵活度。有利于提供更多遮阴面积，有效降低夏季园内气温，给使用者创造更多可停留和活动的空间。建议尽量使公园乔木覆盖率达到85%，并优先选用成熟龄阶段冠幅9m左右的乔木，以达到夏季公园微气候舒适度最佳的效果。

2)合理选择乔木树种，发挥乔木形态特征优势。由于冠幅大小直接影响地表太阳辐射得热，而适当的树干高度和叶面积指数能缓解树冠对于树下空间空气流动的阻碍。故当乔木覆盖率一定时，建议优先选择在成熟龄阶段冠幅大、树干高、叶面积指数适中的乔木，如悬铃木、香樟等，兼顾遮阳与通风，更有效地调节公园微气候。

3)结合场地使用时段，提升景观与功能的时空匹配度。早上和傍晚是夏季居民在广场空间开展如操舞、健身器械等中高强度行为活动的高频时段，建议选择成熟龄阶段冠幅大、树干低、叶面积指数高的乔木(如石楠、大叶女贞等)布置于广场四周，有效遮蔽低角度太阳辐射，为广场营造相对稳定的风环境(图8)。中午时段宜结合公园步道进行漫步或静坐小憩等低强度行为的树下活动，建议优先选择85%的乔木覆盖率，配合如悬铃木、银杏等在成熟龄阶段冠幅7m以上、树干高3m以上且叶面积指数3以上的大乔木，有效阻挡高角度太阳辐射，营造相对舒适的树下活动空间环境(图9)。

图8 早上和傍晚时刻广场四周布置示意图

图9 中午时刻步道四周布置示意图

4 结语

本研究验证了ENVI-met模拟软件对寒冷地区小尺度公园微气候模拟的适用性，以正交试验与数值模拟相结合，量化分析了乔木覆盖率及形态特征对公园夏季微气候舒适性的调节作用。公园微气候环境受到多种因素影响，但目前研究受正交表限制，探讨的影响因素类别及水平均相对有限，后续可完善乔木种植方式、植物配置比例等相关因素的研究，同时综合考虑乔木生长过程中不同阶段植物形态差异给微气候舒适性带来的影响，并在模拟研究的基础上进行实证研究，提升研究结论的全面性及严谨性。

乔木是城市公园绿化的重要组成部分，应在保证乔木覆盖面积的基础上，根据空间功能的时段性需求，综合考虑乔木冠幅、树干高、叶面积指数等形态特征参数，合理选择乔木树种，尽量兼顾遮阳隔热和通风散热，通过乔木的优化配置有效改善城市公园的夏季微气候环境，为居民营造舒适健康的活动场所，提升全民健身热情和参与度，提高居民户外活动频率。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。