基于人体舒适度的北方公园绿地夏季小气候实测分析——以兰州市金城公园为例

苗如如，唐红

（甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

近年来全球变暖导致我国夏季高温事件频繁发生，加之城市化进程引起城市热岛效应使一些城市酷热程度增加，而户外环境过热严重威胁居民的身体健康。有学者对气候、城市关系、城市微气候改善等方面进行了研究，希望通过有效的环境设计策略，并利用现有气候条件来改善城市小气候环境。小尺度范围的环境气候直接影响了人体的舒适性[1-8]。植物群落直接影响着公园空间小气候，而公园是户外热舒适研究的重要空间类型之一[9-14]。本研究针对兰州市金城公园进行夏季小气候实测分析，探讨金城公园中植物群落间温度、湿度、风速等气候因子波动和舒适度感受。

1 材料与方法

1.1 研究场地

1.1.1 研究区概况。兰州金城公园位于兰州市西固区南山脚下，面积约为133 333 平方米，是兰州市内面积较大、功能较为健全的文化主题城市公园。

1.1.2 样地设置。样地群落全部选择在金城公园1 期植物种类较为丰富、过往游人相对较少的区域。同时为了减少水面对群落内微气候的影响，样地选址远离公园水体。在公园内根据群落特征选取5 个样方，每个样方为50 m×60 m，因为在此范围内每个植物群落都独立存在且囊括群落类型所需植物种类（图1）。样方A 为乔灌草植物群落，乔木主要为国槐，灌木主要为木槿，草本为结缕草。样方B 为乔灌植物群落，乔木主要为栾树，灌木主要为连翘。样方C 为乔草植物群落，乔木主要为圆柏，草本为结缕草。样方D 为灌草植物群落，灌木主要为榆叶梅，草本为结缕草。样方E 为裸露草地群落，草地植物主要为结缕草（表1）。

表1 各群落植物种类

图1 植物群落样方布置及现场照片

1.2 数据收集

按照气象学划分，兰州的夏季为6 月、7 月、8月，本文的研究于2021 年6 月15 日～8 月10 日这三个最热的月份，期间共计30 个晴朗天气日进行现场问卷调查和微气候数据实测。问卷发放时间段与小气候实测时间段相对应。

1.2.1 问卷调查。调研问卷设计为个人信息和舒适度打分两个板块（表2）。调研期间共获得有效问卷385份，6 月、7 月和8 月问卷数分别为129、131 和125 份。

表2 人体舒适度调查问卷

1.2.2 小气候实测。测试仪器采用中国希玛仪表生产的AR866A 热线式风速仪和AS847 分体式温湿度计。每个植物样方于植物群落内各设置4 个测点（图2），最终实测数据取其均值进行分析。每日从8：30 至17：00 时不间断测量，每5 分记录一次数据，最终取每日9：00 至15:30 之间的数据作为最终分析数据。

图2 植物群落样方及测点详情

1.3 兰州典型人体舒适度评价模型分析选取

本研究比较了WBGT（黑球温度）、HI（热强度指标）、UTCI（通用热气候指数）、DI（人体舒适度指数）以及THI（温湿指数）五种人体舒适度评价模型，发现DI（人体舒适度指数）结合温度、湿度以及风速三个小气候指标对人体舒适度进行评价，应用于人体舒适度指数预报[15-16]，比较适合兰州地区人体舒适度评价。该模型公式为：

式中，V 为平均风速；DI 为人体舒适度指数；T 为平均气温；RH 为相对湿度。中国气象局限定规定人体舒适度级别分为9 类[17]（表3），由表可知，夏季DI 值越低，人体舒适度越高，DI 值越高，人体舒适度越低。

表3 人体舒适度级别划分

1.4 数据处理

对实验日内五种植物群落实测数据进行整理，利用Origin 2019 b 数据处理软件图示各植物群落相对湿度和空气温度以及与当天实时气象数据二者差值，以此来反映对比不同植物群落对环境小气候的调节趋势。

另外，将微气候数据转化为DI 人体舒适度指数，以此来反映人体当下感知客观舒适度状况。利用问卷调查显示人体主观舒适状况，以此形成主客观人体舒适度数据，利用SPSS 软件探究场地人体舒适度与微气候因子的相关关系。

2 结果与分析

2.1 植物群落对环境气候的影响

空气温度与相对湿度可以反映一个区域的微气候特征。本研究以△T 和△RH 表示各样方的空气温度与相对湿度与气象站显示的实时温度与湿度之间的差值变化（图3）。对比植物群落实测样方可发现，△T 趋势先变小后变大，而△RH 趋势则先变大后变小。观察结果表明公园绿地对园林小气候环境起着显著调节作用，不同植物群落可以不同作用力于小气候环境，但整体调节趋势相对统一。另外，我们可以发现在样方A、样方B、样方D 三种植物群落的-△T 次数均大于△T次数，样方C 和样方E 反之，这表明乔灌草植物群落、乔灌群落以及灌草群落能更有效降低环境温度，提高夏季人体舒适感。其次，各群落的△RH 最大值均出现在11：00～12：30 时间段内，这表明当中午太阳辐射较大的时候，各植物群落能产生更为显著的保湿效应。

图3 不同植物群落的△T 和△RH

2.2 各植物群落人体舒适度分析

通过各植物群落人体舒适度指数（图4），可以看出乔灌草植物群落和灌草植物群落人体舒适度指数集中于60～90，说明在这两种群落中模型显示人体舒适度指数较高，裸露草地人体舒适度指数则更集中于90～105，说明在该群落中模型显示人体舒适度指数较低。通过主观舒适度投票显示（图5），游人在乔灌草植物群落和灌草植物群落投票结果显示舒适级别0 与1 占比更高，说明在这三类群落中游人心理感知较舒适，在裸露草地游人舒适度最低。对比说明夏季金城公园人体舒适心理感知与模型分型结果保持一致，以此表明人体舒适度指数DI 能够客观反映兰州市公园绿地人体舒适度。基于气候因子的实测，运用人体舒适度指数DI将微气候数据转化为人体舒适度。通过温度、湿度、风速等微气候因素计算出的DI 值来反映人体所处场地的舒适度情况。

图5 各植物群落主观舒适度投票

由图4 可以看出各植物群落DI 值均在50～105 的区间内，乔草植物群落与裸露草地DI 值均在14：00 前达到最大后下降。乔灌草植物群落、乔灌植物群落、灌草植物群落DI 值均在14：00 后达到最大后下降，但这三个测点的下降趋势较乔草植物群落与裸露草地相对平缓。即在14：00 之前，乔草植物群落与裸露草地的舒适度较高，14：00 之后样方乔灌草植物群落、乔灌植物群落、灌草植物群落舒适度较高。这是由于温度上升时，裸露草地与乔草群落升温较快，舒适度较低。当大气温度降低时其散热也快，对风的遮挡作用很小，造成了群落内舒适度上升。乔灌草植物群落、乔灌植物群落以及灌草植物群落由于植物类型较为复杂，在大气温度上升时群落内的空气温度上升较为缓慢，舒适度较高，当外界温度下降时群落内的散热较慢，造成群落内舒适度较差。

图4 各植物群落人体舒适度指数

将植物群落测试组的主观舒适度投票与微气候因子进行相关性分析（表4），发现夏季人体舒适度与温度显示为负相关，与相对湿度显示为正相关，与风速相关性极不显著。说明受访者处于植物群落空间对于温度感受较敏感，对湿度感受一般。温度与舒适度投票显示温度越高越不舒适；湿度与舒适度投票显示湿度越大越舒适。

表4 舒适度打分与各气候因子相关性分析

2.3 小气候因子实测分析

2.3.1 相对湿度。如各测点的相对湿度值（图6），各植物群落的湿度范围在17%～47%，且各测点空气湿度的整体变化都是呈先下降后上升的趋势。上午与下午空气湿度较大，中午考虑到太阳辐射，使得大气中的水汽蒸发显著，导致绿地水汽散失。具体来说，在9：00～12：30 时间段内湿度逐渐降低，在12：30～14：00时间段内湿度先小幅上升，至14：00 开始回落，在14：00～15：30 时间段内湿度逐渐回升。其中，在9：00～12：00时间段内，各测点湿度较高，最大值出现在乔灌草群落，为46.3%；在12：00～13：30 时间段内，各测点湿度较低，最小值出现在裸露草地，为18.1%，二者相差28.1%。由图可知，各植物群落相对湿度由大到小的排列顺序为乔灌草群落＞乔灌群落＞灌草群落＞乔草群落＞裸露草地。

图6 各植物群落相对湿度

2.3.2 空气温度。由各测点空气温度值可知（图7），各样方温度的整体变化基本都显现为先增加，至13：30 达到最大值，之后逐渐回落的趋势。其中，在12：00～14：30 时间段内各测点空气温度均较高，最大值出现在样方E，数值为40℃；在9：00～10：00 时间段内各测点空气温度均较低，最小值出现在样方D，数值为22.8℃，二者相差17.2℃。其中，样方C 在12：30 达到了最大温度，样方E 温度一直呈现相对上升趋势，这表明乔草群落的升温速度较快。其他测点温度变化均不明显，且最大值均出现在13：00 之后，这表明灌草群落、乔灌群落以及乔灌草群落升温较为缓慢，此三类植物群落都具有相同的群落特征，即植物配置种类较多，灌丛层次丰富紧凑，能有效抵挡太阳辐射。在一定程度上群落内植物叶面积指数较高，叶片滞留湿气效果显著，这表明在夏季，当大气温度上升，在植物群落内，丰富的植物配置对环境的降温保湿具有重要作用。

图7 各植物群落空气温度

2.3.3 风速。如各点风速值（图8），各个植物群落的测点风速变化较复杂。尤其是乔草植物群落、灌草植物群落以及裸露草地的风速变化波动较大，其中60%时间段风速均大于1 m/s。乔灌草植物群落与乔灌植物群落风速变化平缓，且一直维持在0.2～0.8 m/s。各测点风速最大值出现在裸露草地，表明夏季乔草植物群落、灌草植物群落以及裸露草地能更好地通风。

图8 各植物群落风速

3 结论与讨论

本研究对兰州金城公园进行微气候实测和大众心理问卷调查，得出以下结论：

（1）公园绿地对园林小气候环境起着显著调节作用，不同植物群落对小气候环境作用不一，但整体调节趋势相对统一；乔灌草植物群落、乔灌群落以及灌草群落能更有效降低环境温度，提高夏季人体舒适感。

（2）人体舒适度指数DI 能够客观反映兰州市公园绿地人体舒适度；夏季大气温度上升致使裸露草地与乔草群落升温显著，人体舒适度较差，大气温度降低时群落内散热速度加快，加之群落内植物对风速的遮挡作用较小，造成群落内舒适度上升；乔灌草植物群落、乔灌植物群落以及灌草植物群落植物类型较为复杂，在大气温度上升时，群落内的空气温度上升缓慢，尤其在中午太阳辐射较大时该现象更加突出，植物群落降温保湿作用明显，导致群落内舒适度增加。

（3）各植物群落的湿度范围在17%～47%，且各测点空气相对湿度的整体变化趋势都是呈先下降后上升的趋势；各测点的温度趋势变化相近，呈先上升后下降趋势，乔草群落的升温速度较快，灌草群落、乔灌群落以及乔灌草群落升温较为缓慢，表明在夏季大气温度上升明显时，丰富的植物配置对群落空间环境降温保湿具有重要作用；各个植物群落的测点风速变化较复杂，乔木+草本、灌木+草本的组合以及裸露草地能起到很好的通风作用。

通过对兰州金城公园小气候的实测研究发现，各植物群落对所在区域的小气候具有调节作用，因此设计合理的景观植物群落的布局形式可营造更加舒适宜人的公园小气候环境，所以在注重景观艺术性的同时对公园绿地的效益需求更广[18-19]，希望此研究可为城市营造更加适宜的公园绿地空间提供参考。