微气候对严寒地区城市广场冬季活力的影响研究*

刘文彬，金 虹

引言

城市空间的无形效益在人与空间的互动中产生，空间活力取决人与空间的实际接触，在人与空间接触的过程中，不同的空间环境会对人的感官刺激造成影响，这些影响经过一定积累会通过行为变化表现出来，因此，学者们常通过对空间人群行为活动的观察去评价空间活力[1，2]。空间环境对人群活动行为的影响表现在活动场地的选择、体力活动水平等方面。人在空间中的行为包括个体行为和群体行为，个体行为一般是指个人在特定环境下的态度或表现，一般受个体行为习惯主导，环境对其影响作用较小[3]。群体行为是指群体在环境影响下的态度或表现，具有明显的规律性[4]。因此，在城市环境对人的行为的研究中，研究对象往往关注的是群体行为，而非个体行为[5，6]。

营造良好的微气候环境，可以更好地激发居民的活动意愿、增强体力活动水平，从而提高公共空间活力。在严寒地区，由于冬季恶劣的气候条件的影响，人们冬季90%的时间都在室内度过[7]，很难进行日常的户外活动，气候条件极大的限制着空间活力。城市特征，如建筑形式与布局、街道形态、树木、植被、水元素和路面材料等，塑造了开放空间的微气候，影响人的热舒适和人对这些空间的使用[8]。很多研究表明城市微气候环境具有很强的改造潜力，在冬季，更加复杂植被结构可以降低风速，风速最大差值为1.29m/s[9]；不同反射率的地面材料会对平均辐射温度和空气温度造成影响，黑色路面的空气温度高于白色路面，白色路面可以将平均辐射温度提高2.9℃，但使空气温度降低1.3℃[10]；对于建筑密度较低的区域，随着绿化覆盖率提高到40%，风速可以从0.26m/s降至0.13m/s[11]。这些研究表明，从改造微气候环境入手可以提高公共空间冬季舒适度，进而提升空间活力。

在当前的研究中，已有部分针对室外公共空间中人群行为的相关研究成果，主要包含两个方面的内容，一方面是空间景观环境和组织形式对人群活动的影响作用，有学者采用空间句法理论总结出了空间组织特征对晨练运动行为的影响[12]，使用者在活动场地的选择上受可达性、场地空间开敞性、场地设施和光照情况的影响[13]；另一方面则是微气候环境对人群行为影响。有研究证明，温度、湿度和日照等微气候条件会影响游客的行为[14]；冬季广场参与人数的主要因素为平均辐射温度，其次为温度与衣着量[15]；在住区公共空间中，相同强度休闲体力活动随微气候变化具有迁移性、聚集性[16]。针对严寒地区，有研究者发现空间使用者对于不利的空间环境会表现出一定的自适应行为[17]。然而这些研究大多都以城市公园、住区公共空间、街道为研究主体，很少有人以冬季活力更低的广场空间作为研究对象，而且在这些现有研究中，对空间活力水平的评价多以活动人次为主，对活动类型、空间分布等问题有待进一步探讨。因此，本文针对严寒地区公共空间冬季活力低这一问题，以城市广场为研究对象，基于空间微气候环境，通过对人群行为的观察研究，得出有利于人群活动发生的微气候条件特征，以期达到提高城市公共空间冬季活力的目的，为寒地城市广场冬季活力改善提供相应思路。研究问题具体如下：

问题1：微气候环境对广场人群活动参与人次的影响关系如何？不同空间是否相同？

问题2：微气候环境对不同人群活动类型的影响。

问题3：微气候环境与广场人群分布的关联性。

1 研究过程与方法

1.1 研究区域概况

本研究以严寒地区典型城市哈尔滨为例，通过实地观察广场人群活动、活动主题等情况，结合广场面积、形态、设施条件等内容，对休闲广场进行调研，景观广场和商业广场不考虑在内。调研发现：哈尔滨市主要居民区（南岗、道里、道外和香坊区）中23个市民经常访问的城市广场面积均在0.4～1.8ha之间；广场形态以矩形为主，存在少量三角形和不规则形；围合形式以非围合和单边围合形式为主，也有少量的三边围合；空间布局有硬质铺装和软质绿化两种，两者各占一半，主要活动区域均较为平坦。基于调研和现场访谈，最终选取老城区居民密集区域具有典型性的3处不同活动主题的城市广场：革新广场、北秀广场、下沉广场为研究样本（表1）。三个广场均位于南岗区，主要服务于周边住区居民。广场面积分别为0.47 ha、0.82 ha和0.96 ha；形态都为矩形。革新广场和北秀广场均为非围合形式，四个方向均设有出入口；下沉广场为单边围合形式。广场主要活动区域面积较大（大于3000m2），且较为平坦。此外，三个广场周边人口密度相似，日常使用率高，活动人数较多，可为研究提供充足样本。

表1 样本广场基本特征

三个广场虽在规模和形态上相似，但空间植被、设施和活动主题不同。如表1所示，革新广场植被以灌木和乔木为主，场地内仅分布有少量座椅，广场活动主题以静坐、聊天等休闲社交活动为主；北秀广场植被由乔木、灌木和草坪构成，场地内除座椅外还有大量健身器械，广场活动主题以器械健身、广场舞等健身活动为主；下沉广场绿化较少，一侧紧邻马家沟河，内部除座椅外主要活动区域为中央的滑冰场，广场活动主题以滑冰、抽冰尕等体育活动为主。

综合空间形态、设施、广场不同区域活动类型差异以及人群活动发生频率，在实验前对样本空间进行划分[18]，各分区信息如表2。革新广场具体划分为北侧入口绿化区A1、北侧自由活动区A2、南侧使用频率较低的自由活动区A3以及东侧集会区A4；北秀广场划分为东侧器械健身区B1、中部两个使用频率不同的自由活动区B2、B3以及西侧绿化区B4；下沉广场划分为东侧自由活动区C1、沿河散步道C2、西侧使用频率较低的自由活动区C3、北侧休息区C4以及中央滑冰场C5，如图1所示。

表2 广场各分区特征

表3实测仪器特性参数[21]

图1 研究场地和测量设备分布图

1.2 数据采集

具体实验观测选取哈尔滨冬季典型气象日，在2021年12月25、26两天进行，观测日当天，天气晴朗，少云、无雨雪，两个观测日热环境参数平均值类似。

1.2.1 微气候数据收集

测试时在每个区域分别布置测试点（图1），进行全天（8：00～17：00）的微气候数据收集，测点布置均匀分布于测试广场[19]。测试时使用BES-01温度采集器记录黑球温度，黑球直径为0.08m；使用BES-02温湿度采集器记录空气温度和相对湿度。使用Kestrel 5500小型气象站记录风速及风向，仪器特性如表3所示。所有仪器在测试前均已进行校准检验，并根据ISO7726标准[20]对测试仪器进行现场设置（图2），将温湿度采集器置于铝箔防辐射罩内并保持良好通风，所有仪器均固定在三脚架上并置于距地面1.5m高度处，测试数据的记录间隔均为1min。

图2 测试仪器现场设置及访谈

1.2.2 人群行为观察

在具体人群行为的观察中，为了避免观察结果产生偏差，更好的定位人群空间位置以及广场整体活动情况，采用DJI Mini2无人机观察人群行为[22，23]（图3）。无人机飞行高度为100m，在这个高度，受试者通常不知道自己正在被观察，对人群行为无影响，结果更可靠[24]。无人机拍摄视频时间间隔为每30min一次[13]，每次视频拍摄持续5min，以确保随机行为的发生。在每个广场获取16组视频，同时，每30S拍摄一次照片，最后根据实验室回放视频结合拍摄照片，对广场人的行为进行归类与分析[25]。

图3 无人机拍摄视频截图

1.3 数据分析

1.3.1 微气候数据分析

由于严寒地区冬季相对干燥，且居民对于温度、风速和太阳辐射的变化感知要优于相对湿度，因此在实际分析中不考虑相对湿度的影响[26]。采用平均太阳辐射温度来反映光照条件。平均辐射温度（Mean Radiant Temperature，Tmrt）是评价人体室外热舒适度的关键因素，与太阳辐射直接相关，本研究根据ISO 7726标准中的强制对流情况下的计算公式（1）来计算平均太阳辐射温度。在本研究中，黑球的反射率为0.95，直径为0.08m；黑球温度代表人受到辐射热和对流热的综合作用时的感受温度，与空气温度变化趋势基本一致。

式中Tmrt——平均辐射温度（℃）；Tg——黑球温度（℃）；Ta——空气温度（℃）；Va——风速（m/s）；D——黑球直径（m），实测为0.08m；

在实际测试中测点布置无法完全覆盖整个研究区域，获取数据只是局部特征点的微气候数据，故在探讨微气候对人群空间分布的影响时，为了更好的反映样本空间微气候环境特征，在分析时，基于实测点的微气候数据，利用空间插值估计法，结合GIS平台可以生成反映样本空间1.5m高度处的微气候参数分布图[27，28]。此外，由于空间插值生成的预测值精度有限，存在一定误差，故在分析时不是直接将插值生成的微气候参数分布图与人群空间分布相叠加，而是以划定区域为界限，对插值生成的微气候参数求区域平均值，从而更加准确的反映广场各区域的微气候环境状况，最后结合样本空间人群分布进行分析。

1.3.2 人群行为数据分析

在进行实验之前，对研究广场进行了网格划分，以便以后进行测量和分析，每个网格为3mⅹ3m[29，30]。在人群行为数据提取时，每隔1min统计记录广场活动人群特征数据，包括参与人数、活动类型和空间位置数据，以此作为人群行为特征分析的基础数据。

在活动人次统计时，以视频拍摄时间，即每5min求得广场活动参与人数的平均数，代表广场该时段活动人次。在人群活动类型划分上，根据前期调研将广场主要发生行为划分为行走、静坐、站立、健身运动、冰雪运动五类。其中，静坐行为是指在测量区域范围内，静坐停留时间大于30s的行为；站立行为是指在测量区域范围内，站立停留时间大于10s的行为[31]，健身运动包括器械健身和广场舞活动等，冰雪运动主要为滑冰、抽冰尕两种。在人群空间分布上，使用标记好的人群空间位置数据，对应每个3mⅹ3m的网格，以每个网格所占人数的多少来计量人群数量。

表4微气候与参与人数相关性

2 结果和讨论

2.1 微气候与活动参与人次

对广场人群活动主要时段（10：00-16：00）广场活动参与人数进行统计发现，各广场整体活动参与人数基本相同，但活动人数随时间变化趋势具有明显差异，革新广场参与人数峰值出现在11：00，活动人次最高为63.2人；北秀广场活动参与人数变化较为平稳，峰值出现在13：30，最高为50.2人；下沉广场峰值出现在15：00，最高为53.4人（图4）。

图4 不同广场参与人次差异性

分别对三个广场活动人次与各微气候因子进行spearman相关性分析（表4），其中，广场微气候数据为各测点实测数据的平均值。分析发现，不同广场人群活动参与人次影响因素不同，革新广场活动参与人次与微气候影响较大，活动人次与空气温度、太阳辐射温度、风速均具有相关性，北秀广场活动参与人次与空气温度和太阳辐射具有显著相关性，下沉广场活动参与人次与各微气候因子均无相关性。

为了进一步探究微气候对活动人次的影响关系，根据相关性分析结果，将广场活动人次与对其有显著性的微气候影响因素进行回归拟合，如图4（与广场活动人次不具有显著相关性的微气候因子不参与分析）。

拟合结果发现，如图5a、c革新广场活动人次与空气温度负相关，风速呈正相关。结合广场具体人群活动发现，革新广场在9：00～12：00之间举办了活动，吸引了大量人群围观驻足，影响了曲线走势，故仅观察13：00～16：00时段，在此时段内，空气温度变化范围为17℃～18℃，风速在0.7～1.06m/s之间，两者变化不大，对活动人群影响较小；如图5b，在13：00～16：00之间，平均太阳辐射温度变化在10.3℃～18.4℃之间，两者呈显著正相关关系，平均太阳辐射温度每升高1℃，广场活动人次增加约2.9人。如图5a、b，北秀广场活动参与人次随空气温度和平均太阳辐射温度的升高逐渐变多，且对空气温度的变化更为敏感，空气温度每升高1℃，广场活动人次约增多4.5人；平均太阳辐射温度每升高1℃，广场活动人次约增多1.4人。

图5 广场活动参与人数与微气候因子拟合图

以上研究表明，不同活动主题的广场中，参与人次受微气候影响不同。革新广场是以低强度、短时间的聊天、赏景等活动为主的休闲社交活动主题广场，活动人次主要受平均太阳辐射温度影响，与平均太阳辐射温度呈正相关；北秀广场是以中强度、时间较长的器械健身、广场舞等活动为主的健身活动主题广场，广场活动的发生具有时段性、聚集性特点，活动人次受空气温度与平均太阳辐射温度影响，两者相比，受空气温度影响更大，广场活动人次随两者的增大而增大；下沉广场则是高强度、长时间的滑冰、抽冰尕等活动为主的体育活动主题广场，广场活动的自发性强，活动人次受微气候影响较小。

广场冬季活动人次的多少受制于广场微气候环境，在不同活动主题广场中，活动人次对寒冷的热环境表现出了不同的适应性变化规律。在冬季，体育活动主题广场活动人次对微气候环境的适应性优于健身活动主题广场和休闲社交主题广场。在实际设计中，可根据不同活动主题广场采取有针对性的设计措施。例如：休闲社交活动主题广场应尽量提高广场空间照射面积，健身主题广场可在提高广场阳光照射面积的同时利用低反射率的下垫面材质提高空气温度，体育活动主题广场活动人次受微气候影响较小，在冬季可增加此类广场数量。此外，举办活动可明显提高广场活动人次。

表6 下沉广场活动类型与微气候的相关性

图7 平均太阳辐射温度与行走人数拟合图

2.2 微气候与人群活动类型

人群观察发现，不同广场由于其特定的环境设置发生了特定的行为活动。为了探究微气候因子对不同活动类型的影响，结合对三个广场的人群行为观察记录，对冬季广场中各类活动参与人数分别与微气候因子进行spearman相关性分析，（由于革新广场在9：00～12：00间举办了活动，故为排除活动影响，此时段不参与分析）。其中，观察发现，冬季各广场基本没有静坐行为发生，故此类活动不参与分析。

先前的研究表明，年龄差异会影响热偏好[32]，根据随机问卷调查发现，在选取的三个研究地点中，革新广场与北秀广场活动人群年龄组成类似，大多以中老年活动人群为主，下沉广场活动人群大多以中青年为主，因此为规避年龄影响，在进行数据分析时分为两部分进行。此外，休闲主要发生在北秀广场，故对休闲运动的探讨主要在北秀广场。

相关性分析结果表明（表5、6），在革新广场和北秀广场中，广场站立和健身运动人数与空气温度具有显著性相关关系，随着温度的升高，活动参与人数逐渐变多；广场行走人数与平均太阳辐射温度具有显著性相关关系，随着太阳辐射的逐渐增强，广场行走人数逐渐变多；在下沉广场，站立人数与空气温度存在显著正相关关系，但行走和冰雪运动参与人数与微气候各因素都不具有显著性相关关系，这表明冬季冰雪运动主题广场活动人群不易受微气候因素的影响。

为了进一步探究微气候对不同类型活动人群的影响大小，在此基础上分别对革新广场和北秀广场中站立、休闲活动以及行走参与人数分别与对其有显著影响的微气候因子进行线性回归分析，分析结果如图6、7，回归方程如下：

图6 温度与站立、健身运动人数拟合图

站立行为：y=1.3302x+30.926（R2=0.5231）

休闲运动行为：y=3.2294x+65.3429（R2=0.4976） 行走行为：y=0.8186x+25.069（R2=0.5192）

拟合结果表明：在参与研究的两个广场中，站立行为和健身运动人数都随空气温度的升高而增多，与站立行为相比，健身运动人数随温度变化更明显，温度每升高1℃，健身运动参与人数约增加3.2人，站立行为参与人数约增加1.3人。这是因为，休闲健身行为主要包括广场舞和器械健身活动两类，其中器械健身活动人数较少，且其活动人数随时间变化波动不大，活动发生主要依赖于健身器械，温度对其影响并不明显；而广场舞活动属于有组织性的集体活动，在某一时段内，活动人数迅速增多，影响了曲线走势。行走行为参与人数随平均太阳辐射温度的增加而增加，平均太阳辐射温度每增加1℃行走参与人数约增加0.8人。

以上研究证明，不同类型活动人群，由于其活动特性的不同，对微气候各因子的敏感性具有差异。静坐行为受微气候影响最大，各广场冬季基本没有静坐行为发生。休闲运动与站立行为均受空气温度影响，活动人数随着空气温度的上升而增加。行走行为大多是发生于穿越广场和活动场地之间的转换时，为瞬时性行为，随机性较强，具有明显的向阳趋势。冰雪运动属于自发性质的活动，与微气候环境无显著性相关关系。

不同类型活动人群在对热环境自适应过程中表现出了明显差异。在具体设计中，可结合不同类型活动影响因素，合理分配不同功能活动场地，采取针对性的设计，以更好的改善活动空间微气候环境，提高广场冬季活力。例如：健身运动和站立行为活动区域应尽量布置在无风向阳的位置；器械健身行为受微气候影响较小，增加广场健身设施数量，可促进器械健身行为发生频率；广场主要交通空间避免种植高大乔木，增大阳光照射面积；增加广场冰雪运动活动设施，以促进受严寒气候影响较小的冰雪运动的发生。此外，人群观察发现，广场舞活动具有吸引行人驻足的作用，故设计时可将活动场地结合布置，在广场舞活动区域周围增加健身器械，广场舞围观人群可进行适当的健身活动，增加其停留意愿，进一步提高广场活力。

2.3 微气候与人群空间分布

将人群活动按时间划分为8：00～10：00、10：00～12：00、13：00～15：00、15：00～17：00四个时段。根据人群观察记录，8：00～10：00和15：00～17：00时段广场活动人数很少，活动人群呈随机状态分布，空间分布特征不明显，故选择10：00～12：00和13：00～15：00两个时段为研究区间。此外，不同活动状态主体在活动空间选择偏好上存在差异，因此将人群行为分为静态行为（静坐、站立）与动态行为（休闲运动、行走、冰雪运动）两种。

如1.1中所述，综合空间形态、设施、广场不同区域活动类型差异以及人群活动发生频率，在实验前将对样本空间划分为不同区域。基于各实测点的微气候数据，结合GIS平台计算得出反映样本空间1.5m高度处的微气候参数分布图，将计算所得数据进行网格化处理，求得每个划定区域微气候各参数的平均值，来代表广场各区域微气候环境情况，最后采用不同颜色标示。人群分布数据是根据人群观察记录，将广场各时段所观察到的所有轨迹点相叠加，以此来描述该时段广场空间使用状况，最后，在事先画好的网格区域内统计各网格内轨迹点的数量，采用不同颜色的方块代表活动人群数量的多少。

分别对静态、动态活动人群空间分布与各微气候因子相叠加（图8、9）。

图8 静态人群空间分布图

2.3.1 静态行为

如图8所示，静态行为的发生具有明显的聚集性，每个网格中统计的轨迹点数量由0～40不等。计算发现，同一时刻，广场各区域温度、风速差异并不明显，对人群分布影响很小，广场静态人群分布受太阳辐射影响较大，太阳辐射高的区域活动人群明显多于其他区域；观察不同时段活动人群分布发现，人群活动场地选择偏好具有明显的向阳趋势。具体来看，10：00～12：00时段，革新广场活动人群主要分布于A4区域，这是因为此时段A4区域举办了活动，吸引了大量行人驻足，其次为A1、A2区域，A3（-12.7℃）区域太阳辐射温度最低，基本没有人群驻足；北秀广场活动人群主要分布于太阳辐射温度高的B2（-6.9℃）、B3（-4.7℃）区域健身器械旁；下沉广场活动人群主要分布于C3、C4、C5区域。13：00～15：00时段受太阳东升西落的影响，此时段革新广场A1（-5.6℃）区域太阳辐射温度最高，活动人群密度最大；北秀广场太阳辐射高的B1（6.4℃）区域活动人群较10：00～12：00时段逐渐增多；下沉广场C3（-0.2℃）区域活动人群较10：00～12：00时段也逐渐转移至太阳辐射高的C1（6.6℃）、C2（9.3℃）区域。

2.3.2 动态行为

如图9所示，同一时刻，动态活动人数明显多于静态活动，但聚集性不如静态活动，每个网格中观察所记录的轨迹点数量0～20不等，动态活动人群分布较静态活动而言，影响因素更多，但就微气候环境而言，在空间分布上类似于静态活动，太阳辐射仍是主要影响因素。具体来看：10：00～12：00时段，革新广场A3（-12.7℃）区域太阳辐射温度最低，活动人群最少；北秀广场活动人群主要分布于太阳辐射温度较高的B2（-6.9℃）、B3（-4.7℃）区域；下沉广场活动人群主要分布于C3、C4和C5滑冰场区域。13：00～15：00时段革新广场太阳辐射温度最高的A1（-5.6℃）区域活动人群数量较10：00～12：00时段增长最多；北秀广场太阳辐射低的B4（-13.8℃）区域活动人群最少，太阳辐射温度较高的B1（6.4℃）、B2（-6.3℃）区域活动人群数量增长最大；下沉广场C3（-0.2℃）区域太阳辐射温度最低，活动人群数量最少。

图9 动态人群空间分布图

以上研究表明，在微气候层面，人群空间分布主要受平均太阳辐射温度主导，同一时刻，广场动态活动人数明显多于静态活动，但静态活动较动态活动而言聚集性更强，对太阳辐射也更为敏感。结合广场空间实际特征发现，广场周边、内部建筑或构筑物、内部植被构成对广场内部太阳辐射的影响较大。就周边建筑而言，革新广场一侧紧邻周边建筑，广场大部分区域很难接受到阳光照射，且场地中央的教堂也遮挡了大部分阳光，广场各区域平均太阳辐射温度明显低于其他两个广场；北秀广场较下沉广场而言虽周边没有建筑遮挡，但场地内部有大量的高大乔木，阻止了阳光照射，下沉广场没有高大植被，各区域太阳辐射温度均高于其他两个广场。故在广场选址时，广场周边建筑不宜过高，以避免影响场地日照；广场内部不宜设置高大建筑或构筑物，植被布置不宜采用冠层过高的高大乔木。

结论及建议

本研究基于微气候现场实测与人群行为监测数据，探究了微气候对严寒地区城市广场冬季活力的影响关系。研究发现：（1）不同活动主题广场中，微气候对活动参与人次的影响不同，更高强度的活动主题广场对微气候环境的适应性要优于低强度的活动主题广场。在休闲社交为主的广场中，空间活动参与人次主要受太阳辐射的影响；健身主题广场中，活动参与人次受空气温度和太阳辐射影响，但体育活动主题的广场中，活动参与人次基本不受微气候的影响。（2）不同类型活动主体的微气候偏好不同。静坐行为受微气候影响最大，冬季广场基本没有人静坐休憩；休闲健身和站立行为主要受空气温度影响；行走行为具有明显的向阳趋势；滑冰、抽冰尕等冰雪运动基本不受微气候影响。（3）微气候对于广场人群分布产生影响。人群活动场地的选择主要受场地日照主导，较动态活动而言静态活动聚集性更强，对太阳辐射也更为敏感，场地周边或内部建筑和植被为主要太阳辐射影响因素。可见，改善广场微气候、增大广场空间阳光照射面积比例、根据微气候对不同活动类型的影响机理合理划分广场功能空间是提高严寒城市广场冬季活力的关键。

依据研究结果，基于不同广场空间及人群特定行为特征，建议严寒地区城市广场应根据广场的功能特征采取相应的技术策略。对于以休闲社交活动及健身为主的广场，针对人群的行为特征及场地选择的向阳趋势，建议不宜大面积种植高大乔木，以提高广场阳光照射面积。同时广场下垫面宜采用低反射率材料，以提高局地空气温度，营造相对舒适的微气候。健身活动广场可增加健身器械数量，广场舞活动区域与器械健身区域宜结合布置，以提高广场活力。此外，冬季可在广场的适当位置增加冰雪游憩功能，以提高广场利用率；以冰雪运动为主的广场，其活动人次受微气候影响较小，因此可依据广场特点对广场功能进行季节性转换，在冬季增设冰雪运动设施或冰雕雪雕等景观，不仅可以提升严寒城市人群冬季室外活动的意愿，使全民健身计划在各个季节都能全面落实，而且可以提升严寒城市的冬季活力。

图、表来源

图1～9：均由作者拍摄或绘制；表2：作者根据参考文献[21]绘制；表1、3、4～6：由作者绘制。