北京奥林匹克森林公园绿地人体感热舒适度空间差异特征

潘剑彬 史川 黄田田 朱丹莉

全球范围的气候变化以及城市化进程加快背景下，城市区域极端热事件的强度、频率和持续时间显著加剧。城市建成区内大体量人工建、构筑物，大面积的道路场地等硬质铺装区域，以及人类生产、生活过程排放的温室效应气体、可吸入细颗粒物以及人工热源等的综合效应致使城市中心区域地表昼夜温度均显著高于近郊区域，形成“城市热岛”。该现象在城市空间区域的存在不仅会降低城市区域的人体感热舒适度（human thermal comfort, HTC，简称体感舒适度），也不利于城市可持续发展及人居环境质量的提高[1-3]。目前已有研究主要聚焦于在城市绿地、城市街区及城市区域尺度上描述城市热环境特征并分析相关影响因素。已有研究认为：基于自然解决方案的城市绿地构建、城市土地利用方式调整[3-5]，城市化区域、（较大面积的）自然水域及林地植物群落覆盖度[6-8]等因素优化能够有效改善城市地表温度[9-14]。城市尺度研究的数据获取方法主要是基于高清卫星影像数据的解译及反演[15-16]。有学者以中国183个重点城市1990—2016年夏季热环境因子为研究对象，阐释快速城市化进程中的城市热环境时空演变驱动机制[17]，包括城市中公园绿地群落结构和景观格局异质性特征[18-20]以及建筑（群）空间形态、容积率[21-22]。另有学者在新加坡以及中国南京和长春等地开展的相关研究也进一步验证了上述结论[23-26]。由上述研究可知，城市公园绿地主要构成要素（林地、草地等）及范围内的水体面积、形状指数是改善城市热环境的决定性因素[8,16]。城市绿地尺度研究较通用的数据获取方法是定点实测以及基于实测数据的空间插值和数值模拟技术[20-22,27]。

由此可知，城市尺度热环境的研究主要从定量化角度描述城市空间形态特征与城市热岛强度的空间相关性，从而服务于城市经济与社会发展及物质空间规划等[1-6,8-12]。而城市绿地尺度热环境的研究较多关注影响城市热岛强度的相关因素，例如在林地、水域、草坪及硬质铺装等景观空间格局因素影响下，城市公园绿地区域热环境存在某种空间分异特征，但目前基于这一视角以城市绿地空间内部景观异质性与体感舒适度相关关系角度开展的定量化研究相对不足。

体感舒适度是与建筑室内或城市开放空间热环境相关，以数字化方式定量描述人在风景园林客观环境中的主观感受，兼具主客观因素以及一系列复杂因素的评价指标。因评价对象、评价指标本身的复杂特征以及研究目的的差异性，相关研究中用到的体感舒适度评价方法有多种，目前有人体舒适度指数（comfort index of human body）[17]、湿球黑球温度（wet-bulb-globetemperature, WBGT）指标[19]、生理等效温度（physiological equivalent temperature, PET）指标[22]、预测平均投票数-预测不满意百分比（predicted mean vote -predicted percentage of dissatisfied, PMV-PPD）热舒适度指标[20-21,25]、不舒适指数（discomfort index, DI）[27]等。上述舒适度指标中，以DI、WBGT指标、PET指标建立的数学模型体系均全部或较大权重依赖客观环境数据，对体感舒适度重要组成部分的主观数据（环境舒适度满意度，例如因性别、过往经验或身体状况的差异造成的同一环境下的体感舒适度差异）关注不足甚至直接忽略。PMV-PPD热舒适度指标评价方法被提出并应用于主动进行环境舒适度调控的封闭、半封闭空间（空调列车厢、飞机机舱等）的舒适性分析。近年来，有学者尝试将该方法应用于评价北京、南京等城市建筑室外开放空间的体感舒适度研究中[20-21,25]。

本研究以北京奥林匹克森林公园绿地为研究对象，选定典型植物群落结构、群落类型及景观环境样点区域，基于PMV-PPD体感舒适度指标，阐释城市绿地区域体感舒适度水平的空间分异特征。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京奥林匹克森林公园（简称奥森公园），位于北京城市建成区。奥森公园总占地面积680 hm2，绿地范围南起北京奥林匹克公园及科荟路，横跨北五环路后北至清河，东至安立路，西至林萃路。2005—2022年，笔者研究团队对该公园绿地的关注自早期的规划设计阶段直至建成后使用阶段。研究内容不仅包括奥森公园绿地的规划设计，还持续关注其建成后风景园林微环境效益的有效性和高效性。

1.2 研究方法

1.2.1 绿地植物群落模式化划分

本研究依据奥森公园设计之初的植物景观空间设计理念，延续并进一步优化前期研究方法，将该公园绿地内植物群落结构、类型进行模式化区分。绿地植物群落按照结构划分为乔-灌-草型（tree - shrub - grass，简称TSG）、乔-灌型（tree - shrub，简称TS）、乔-草型（tree - grass，简称TG）、灌-草型（shrub - grass，简称SG）、草坪/地被型（grass/ground cover，简称G）5种；按照类型划分为常绿针叶型（coniferous，简称C）、针阔叶混交型（coniferous and broadleaved mixed，简称CB）、落叶阔叶型（deciduous broadleaf，简称DB）、灌丛型（shrub，简称S）、草坪/地被型（grass/ground cover，简称G）5种；按照典型景观环境划分为复层结构（multi-layer，简称ML，包括乔-灌-草型）、双层结构（double-layer，简称DL，包括乔-灌型、乔-草型、灌-草型）、单层结构（singlelayer，简称SL，包括草坪/地被型）、滨水广场（water square，简称WS）以及滨水（waterfront，简称W）5种；对比样点为CK[14]。

1.2.2 样点及对比样点设置

本研究利用棋盘式取样法在奥森公园绿地内选定17处实测试验样点（系2008年公园建成后定点，表1）。2处对比样点分别位于试验公园绿地南门向南约1 km和2 km处的铺装广场[27]。

表1 奥森公园绿地试验样点植物群落生物特征Tab.1 Biological characteristics of plant communities in the sample points of green space in BOFP

1.2.3 试验方法

试验仪器为6台SWEMA Y-Boat-R多功能在线环境检测系统（30通道），可同时并线采集及存储空气温度、辐射温度、风速、风向数据，并同步测定空气相对湿度、压强差、热通量等参考数据，每个指标数据设定3个重复；试验时间为2022年8月10—20日，试验期间天空云量不高于30%且静风（风速在4 m/s以内）。

定点实测中，试验仪器自动记录并存储测定人行高度（1.3～1.5 m）试验数据。在内业试验数据分析中，将试验期间08：00—18：00每隔10 min自动记录数据（合计76次）的算术平均值作为日均值；将试验期间08：50—09：10（08：50、08：55、09：00、09：05、09：10共5次取值，以下同）、13：20—13：40、17：20—17：40每隔5 min自动记录数据的算术平均值分别作为上午瞬时值、中午瞬时值和下午瞬时值。以对比样点08：00—18：00试验期间数据平均值作为本底体感舒适度数据。

1.2.4 数据分析方法

PMV-PPD体感舒适度指标相关说明及释义可见GB/T 18049—2017《热环境的人类工效学》[28]。PMV-PPD指标对应ASHRAE热感觉7级指标，从冷到热取值为[-3，3]，分别代表热感觉：冷感不舒适（PMV≤-3）、冷感舒适（-3＜PMV≤-2）、微凉（-2＜PMV＜-1）、适中（-1≤PMV≤1，其中0≤PMV≤1为暖感适中，-1≤PMV＜0为凉感适中）、微暖（1＜PMV＜2）、热感舒适（2≤PMV＜3）、热感不舒适（PMV≥3）。PMV和PPD计算式为：

其中

式中：PPMV为预计平均热感觉指数；M为热环境中从事一定活动类型（本研究为有氧运动，例如快走、慢跑、健身舞等）的人体代谢率，单位为W/m2；W为外部做功消耗的热量（参考已有研究，本参数可忽略不计），单位为W/m2；Icl为服装热阻，单位为m2· K/W（本研究背景服装设定为长裤、衬衣/T恤、鞋袜，系数取值为0.110 m2· K/W）；fcl为正常着装时人的体表面积（例如面部、头部等）与裸露时人的体表面积之比；ta为空气温度，单位为℃；tr为平均辐射温度，单位为℃；var为相对风速，单位为m/s；P为水蒸气分压，单位为Pa；hc为对流换热系数，单位为W/（m2· ℃）；tcl为服装表面温度，单位为℃。其中，hc和tcl可由公式迭代得出。PPMV可由代谢率、服装热阻、空气温度、平均辐射温度、风速等参数得出[28]。

由式（2）可知，当PPMV值为0时，PPPD值并不为零（5%），这是因为虽然客观环境已达最佳舒适状态，但体感舒适度实际受到生理、心理等主客观多重因素影响，所以仍有5%的人会感到不满意[25]。

2 结果与分析

2.1 不同公园绿地植物群落类型区域的体感舒适度差异

本研究对不同绿地植物群落类型区域体感舒适度瞬时值和均值进行比较（图1）。上午瞬时的所有群落类型区域均呈现较舒适的特征，其中灌丛型、草坪/地被型群落区域表现为“暖感适中”，而常绿针叶型、落叶阔叶型和针阔叶混交型群落区域表现为“凉感适中”。前者群落类型区域“暖感适中”产生的原因可能是其范围内的空气受太阳直接辐射升温，而后者由于冠层郁闭升温较慢所致，但其中常绿针叶型群落结构区域因树木规格尚小并没有显著的冠层覆盖，现场观察太阳直接辐射较强，但其区域环境仍呈现“凉感适中”，原因尚待进一步研究。中午瞬时和下午瞬时结果特征接近，中午瞬时至下午瞬时热感觉持续增加。中午瞬时尚有部分群落类型区域热感觉呈现为“微暖”，但下午瞬时所有群落类型区域均呈现为“暖感舒适”。日均值呈现的结果特征中，落叶阔叶型群落区域体感舒适度为“微暖”，而其他群落类型区域为“暖感舒适”。

1 绿地植物群落类型区域体感舒适度PMV of green space plant community type areas

2.2 不同公园绿地植物群落结构区域的体感舒适度差异

本研究对不同绿地植物群落结构区域体感舒适度瞬时值和均值进行比较（图2）。上午瞬时的乔-草型、乔-灌型、灌-草型、草坪/地被型群落结构区域体感舒适度水平均较高，有所不同的是乔-草型和乔-灌型群落结构区域表现为负值的“凉感适中”，而灌-草、草坪/地被型区域表现为“暖感适中”，出现这一现象可能是由于该时段灌-草型和草坪/地被型植物群落区域直接受太阳辐射，升温较快，而乔-灌型和乔-草型结构区域因为乔木冠层覆盖，阳光不易直接照射到林下，从而导致空气升温较慢。同时，对比样点也呈现出升温较快的特征，其区域表现为“暖感适中”。中午瞬时和下午瞬时所呈现的结果非常接近，主要表现为从中午瞬时至下午瞬时热感觉逐渐增加，试验时间结束前后表现为“热感不舒适”。日均值主要呈现2类结果特征：乔-草型、乔-灌型植物群落区域的体感舒适度基本处于“微暖”水平，而乔-灌-草型、灌-草型和草坪/地被型植物群落区域体感舒适度水平为“热感舒适”。前者可能是因为有乔木冠层遮挡，林内太阳直接辐射强度和空气相对湿度被控制在一定的范围内，林内植被层较少，有利于空气在水平及垂直方向流动，因而体感较舒适；而乔-灌-草型植物群落结构区域虽有乔木冠层覆盖，但林内空间有限，空气流动受限，从而导致空气湿度和热量较难散失，灌-草型和草坪/地被型植物群落区域虽通风条件较好，但强烈的太阳直接辐射是造成热感觉强烈的根本原因。

2 绿地植物群落结构区域体感舒适度PMV of green space plant community structure areas

2.3 不同公园绿地典型景观环境区域的体感舒适度差异

本研究对不同绿地典型景观环境区域体感舒适度瞬时值和均值进行比较（图3）。上午瞬时的所有群落类型区域均呈现较舒适的特征，其中复层结构、双层结构和滨水植物群落区域为“凉感适中”，而单层结构、滨水广场植物群落区域为“暖感适中”。因本节研究中的复层结构即乔-灌-草结构，所以该章节结果与2.2节数据分析结果相同。中午瞬时值和下午瞬时值呈现的结果非常接近，主要表现为典型景观环境区域热感觉均有所增加或浮动在“热感舒适”至“热感不舒适”的阈值范围（2≤|PMV|≤3）。日均值结果显示，多层结构、双层结构和滨水3种景观环境的体感舒适度为“热感舒适”，滨水区域呈现与双层结构区域近似的特征，原因可能是临近水体的开放环境更加有利于通风；单层结构和滨水广场2种景观环境的体感舒适度则为显著的“热感不舒适”，原因同样是太阳直接辐射强度较强所致。

3 绿地典型景观环境区域体感舒适度PMV of typical green space landscape environment areas

3 讨论

3.1 公园绿地植物群落类型区域的体感舒适度空间分异

落叶阔叶型植物群落区域的体感舒适度要高于其他类型植物群落，原因可能与落叶阔叶树较高的生化作用效率有关，但需进一步研究。北京地域位于两种植被类型（针阔叶混交型和落叶阔叶型群落）的交错地带，而北京市区所在的平原区植被类型以落叶阔叶型为主，是乡土植被类型。而在这一植被类型的树种构成中，杨、柳、榆、槐、椿、槭等乡土植物占据较大比重，有此类植物组成的试验样点的体感舒适度水平值得关注。位于奥森公园北园的P试验样点是由银杏和下层草本构成的乔-草双层结构植物群落，该样点的体感舒适度较差，这可能由于银杏不属于北京乡土树种，其生长势有限或不具备较大、郁闭度较高的冠层。

3.2 公园绿地植物群落结构区域的体感舒适度空间分异

根据已有研究，城市绿地植物群落区域三维绿量与温度、相对湿度及PMV指数之间具有一定相关关系[15,21]。本研究中的乔-灌-草复层植物群落结构相对其他结构类型具有较高三维绿量，这虽有利于降低热岛效应强度，但根据不同植物群落结构区域的体感舒适度差异分析结果，该区域的体感舒适度并不高，该结果与他人研究并不完全一致[21]。基于该结果，笔者认为，在风景园林规划设计实践中，城市环境中热岛效应强度较高的地区可以采用乔-灌-草复层植物群落结构形式，但若在其中或周边设计活动场地时则要控制上层乔木的冠层郁闭度和林间灌木的覆盖率，以增加该群落环境的通风、透光特征，充分发挥该植物群落结构的优点。

本研究中乔-灌和乔-草结构的双层植物群落区域相较于其他群落结构区域具有最高的体感舒适度，原因可能有3个方面：1）乔木冠层充当“缓冲带”的作用，能够拦截较高强度的太阳直射光进入林内，同时对林内温度有一定控制作用[20]；2）由于林木冠层叶片的蒸腾作用，林内空气相对湿度也能够控制在一定的范围内[16,18]；3）因为缺少林间植被层，林内及林下区域的空气水平及垂直流动也能对体感舒适度进行适当调控，但冠层郁闭度与体感舒适度之间的定量化关系仍需进一步研究。

3.3 公园绿地典型景观环境区域的体感舒适度空间分异

绿地典型景观环境与体感舒适度的相关关系研究实际上是对植物群落类型和结构的体感舒适度差异的多视角验证，得出了跟植物群落结构区域的体感舒适度差异研究相近的结果，即双层植物群落结构区域具有较高的体感舒适度。滨水植物群落区域的体感舒适度也较高，因为同时具备上层乔木遮阴及通风条件[20,26,29]。在风景园林实践中，较大体量的面状水体一直是缺水的北方城市的“稀缺景观资源”。奥森公园绿地内的景观水体属于人造水体，只有在绿地面积足够大、投资足够充裕的情况下方具备营建条件。所以本研究得出的滨水植物群落区域具有较高的体感舒适度这一结论实际上对于实践应用的意义有限，其价值则在于通风条件有益于改善体感舒适度，通风条件则源于“导风”甚至“造风”，但这一实践的相关科学依据仍有待于进一步完善。

4 结论

奥森公园是按照北京浅山、平原区自然植物群落组成原则建设的城市森林公园。奥森公园的规划、设计和建设过程，也是中国园林始终遵循的“师法自然”设计原则的实践过程。这个过程的结果是什么？需要科学的试验和分析来提供对这一过程的反馈和验证。自2005—2022年，奥森公园试验样点区域的植物群落结构、典型及生长过程都被笔者研究团队持续关注和详细记录，既包括植物群落三维绿量、冠层盖度及郁闭度等信息，也包括植物群落主要优势种的高度、直径、树冠高度等信息。最主要的是在开展这些基础性工作的同时，连续实测记录并分析了试验样点区域的一系列风景园林微环境指标。上述过程实际上是对“师法自然”的城市绿地微环境效益的检验过程。本研究基于在奥森公园绿地典型植物群落结构、类型区域的布点实测以及对比分析，结果如下：1）落叶阔叶型植物群落区域的体感舒适度水平高于常绿针叶型/针阔叶混交型、草坪/地被及灌丛群落类型区域；2）乔-灌型以及乔-草型植物型的双层植物群落结构区域体感舒适度水平高于其他群落结构（含草坪/地被型、灌-草型以及乔-灌-草型）区域；3）典型景观环境中，双层结构区域的体感舒适度水平显著高于复层结构、单层结构及滨水区域。本研究成果既是笔者所在研究团队城市绿地风景园林微气候相关研究的重要组成部分，也是后续深入研究开展的基础。另外，本成果为基于改善城市环境舒适度为目的的城市绿色空间规划设计及更新提供科学依据。

但本研究仍存在以下局限：1）因北京奥森公园绿地所处地域及城市的地理、气候特征，公园绿地的山水格局特征以及地域性绿地植被种类组成及数量、动态生长等因素影响，公园绿地的微环境效应具有显著的时空分异性特征，本研究结论仅适用于北京城市或地区，其普适性仍需进一步检验；2）使用PMV-PPD模型方法应用于具有开放性和复杂体系特征的城市绿地，虽得出的部分研究结论与其他研究较接近，但仍需进一步检验；以及本研究沿用笔者团队前期研究方法中的模式对北京奥森公园绿地植物群落空间结构、类型划分，可能对结果有重要影响的异质性信息缺少关注，因而结论具有一定的局限性，需要后续接受更多的评议与检验。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

文中所有图表均由作者绘制。