校園綠色空間布局對微氣候的效應(yīng)研究

梁 濤， 何瑞珍， 陳珂珂， 田國行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

校園綠色空間布局對微氣候的效應(yīng)研究

梁 濤， 何瑞珍， 陳珂珂， 田國行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002)

本研究以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園為例選取了3個(gè)具有不同綠色空間布局形式的測量樣點(diǎn)，在人行高度上進(jìn)行了9 d的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、熱輻射的數(shù)據(jù)采集。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)分析，秋季靜風(fēng)天天氣下，半圍合式綠色空間布局的風(fēng)速、風(fēng)向變化小于開敞空間和行列式綠色空間布局；相比于其他布局形式，半圍合式布局降溫1.41 ℃、增濕4.08%、降低輻射119.25 W·m-2，對微氣候的改善有明顯效果。

微氣候;綠色空間布局;校園環(huán)境

快速的城市化進(jìn)程改變了氣候下墊面的粗糙度，影響了城市局部綠色空間的微氣候。通過規(guī)劃控制城市規(guī)模和城市冠層的幾何特征成為亟須研究的問題。氣象學(xué)中通常會(huì)根據(jù)空間尺度的不同將氣候分為大氣候、中氣候、局地氣候和微氣候[1]。微氣候是指在小尺度范圍內(nèi)的氣候狀況，包括風(fēng)環(huán)境、溫度、相對濕度和太陽輻射等氣候因子，這些氣候因子通常會(huì)受到大氣與下墊面之間的熱過程變化的影響[2-5]。綠色空間布局形式的不同會(huì)引起粗糙度的改變進(jìn)而影響居住區(qū)內(nèi)的風(fēng)環(huán)境的改變[6]。綠色空間中的植物群落在改變小區(qū)域的地表熱平衡狀況[7-8]、增濕降溫效應(yīng)[9]和緩解熱島效應(yīng)[10]方面有顯著的作用。校園是師生工作、學(xué)習(xí)和生活的場所，其綠色空間布局及微氣候受到眾多學(xué)者關(guān)注。宋培豪[11]在對比校園集中式和分散式兩種不同的綠地布局形式中發(fā)現(xiàn)，集中式綠地布局形式的降溫效果要優(yōu)于分散式，同時(shí)驗(yàn)證了ENVI-met模擬的準(zhǔn)確性；陳墅香[12]在研究校園不同形態(tài)大小濕地斑塊的微氣候效應(yīng)時(shí)得出，大斑塊的微氣候效應(yīng)要優(yōu)于小斑塊和廊道斑塊的微氣候效應(yīng)，同時(shí)用PHOENICS軟件作模擬驗(yàn)證；GAO[13]在對英國雷丁大學(xué)校園微氣候進(jìn)行長達(dá)1年的觀測后，通過主成份分析的方法得出，綠地率和建筑布局形式是影響校園微氣候環(huán)境的主成份。前人的研究多數(shù)是在數(shù)值模擬狀態(tài)下進(jìn)行的，本研究通過對河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園里具有不同綠色空間布局特點(diǎn)的測量樣點(diǎn)進(jìn)行人行高度的微氣候?qū)崪y，分析河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園不同的綠色空間布局對微氣候的影響。采集了長時(shí)間不間斷的微氣候數(shù)據(jù),分析不同綠色空間布局形式下的微氣候效應(yīng)，對試驗(yàn)采集得到的不同綠色空間布局的風(fēng)環(huán)境、空氣溫度、相對濕度和輻射進(jìn)行分析，較大程度地保證了微氣候測量的客觀性。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1研究區(qū)概況

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)文化路校區(qū)位于鄭州市金水區(qū)文化路與農(nóng)業(yè)路交匯處，處于鄭州市的中心城區(qū)。鄭州市位于(東經(jīng)112°42′～114°13′，北緯34°16′～34°58′)，氣候類型為北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季盛行風(fēng)向是東南風(fēng)，年平均氣溫為14.0～14.3 ℃,年平均降雨量約為640.9 mm，主要的氣候特點(diǎn)為春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雪。選取測量樣點(diǎn)主要考慮：建筑布局形式具有典型性；建筑功能的單一性；綠色空間中的植物群落對微氣候的影響；校園總體的外部氣象條件較一致，減少其他變量的影響。在校園中分別選取了機(jī)電工程學(xué)院花園、3號教學(xué)樓西側(cè)櫻花走廊、牧醫(yī)工程學(xué)院樓前綠地3個(gè)地點(diǎn)布設(shè)測量點(diǎn)(圖1)，其中機(jī)電工程學(xué)院花園的布局形式為半圍合式的綠色空間布局，3號教學(xué)樓西側(cè)櫻花走廊布局形式為行列式的綠色空間布局，牧醫(yī)工程學(xué)院樓前綠地為喬灌草植物群落開敞空間布局。

1.2研究方法

測量儀器采用北京雨根科技有限公司生產(chǎn)的RR-9150五要素環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)(表1)

對3個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行了9 d(2016-09-29—2016-10-07)的監(jiān)測，監(jiān)測站每小時(shí)收集1次測量點(diǎn)人行高度1.8 m處(數(shù)據(jù)收集過程中，監(jiān)測站高度一直保持不變)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度，濕度，熱輻射的瞬時(shí)數(shù)值。各測量點(diǎn)的綠色空間布局特點(diǎn)如表2所示。

圖1 校園中測量樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Layout of the measurement site

測試參數(shù)Testparameter測試儀器Testinstrument儀器精度Instrumentaccuracy采樣方式Samplingmethod采樣間隔/minSamplinginterval空氣溫濕度AirtemperatureandhumidityAV-10TH空氣溫濕度傳感器空氣溫度±0．6℃相對濕度±0．01%自動(dòng)10風(fēng)速WindspeedAV-30WS風(fēng)速傳感器±(0．1%讀數(shù)+0．05%量程)自動(dòng)10風(fēng)向WinddirectionAV-30WD風(fēng)向傳感器-自動(dòng)10太陽輻射強(qiáng)度SolarradiationintensityAV-20P太陽輻射傳感器(0～1000W·m-2±1．5%)自動(dòng)10

表2 各樣點(diǎn)綠色空間布局比較Table 2 Comparison of the green space layout

在數(shù)據(jù)處理過程中采用比較各個(gè)微氣候要素的日平均值和極值的分析方法。通過比較瞬時(shí)風(fēng)速的平均值和每日風(fēng)速最大值來反映風(fēng)速變化情況，不同綠色空間布局的風(fēng)向變化情況由測量點(diǎn)的風(fēng)玫瑰圖表示，同時(shí)對風(fēng)速的測量結(jié)果做差異顯著性分析；比較不同綠色空間布局的樣點(diǎn)每天的溫度從最小值升至最大值所用時(shí)間的長短，定義為溫度變化率K

(1)

式中：K為溫度變化速率；ΔT為當(dāng)日溫度的最低值與最高值的差值；Δt為當(dāng)日溫度由最低值升至最高值所用的時(shí)間。

對溫度的測量結(jié)果做主體間效應(yīng)的分析；分析濕度和輻射變化情況同樣采取比較日平均值和極值的方法，并對濕度和輻射的測試結(jié)果分別做主體間效應(yīng)的分析和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同綠色空間布局的風(fēng)速、風(fēng)向

對2016-09-29—2016-10-07的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各個(gè)樣點(diǎn)的風(fēng)速日均值和最大值，各樣點(diǎn)在此期間的風(fēng)向變化規(guī)律，如圖2所示。

從圖2、表3對各樣點(diǎn)的風(fēng)速分析中可知，不同綠色空間布局的樣點(diǎn)間的風(fēng)速日均值、風(fēng)速最大值都存在顯著性差異。行列式綠色空間布局形式的3號教學(xué)樓樣點(diǎn)，由于它的建筑布局形式是行列式,與西側(cè)的圖書館形成“街道峽谷”，所以風(fēng)速最大值較多地出現(xiàn)在3號教學(xué)樓樣點(diǎn)；半圍合式綠色空間布局形式的機(jī)電工程學(xué)院花園樣點(diǎn)的建筑布局形式是半圍合式，所以無論是風(fēng)速的最大值還是風(fēng)速日均值都是三者中最小的；開敞空間布局的牧醫(yī)工程學(xué)院樓前綠地樣點(diǎn)影響風(fēng)速的主要因素是綠地中的喬灌草的植物群落，風(fēng)速變化程度較為平緩，風(fēng)速最大值和日均值都處于居中的位置。

從2016-09-29—2016-10-07各樣點(diǎn)風(fēng)向變化規(guī)律分析結(jié)果可知：建筑布局形式為半圍合式的樣點(diǎn)的風(fēng)向變化最不明顯，樣點(diǎn)處的風(fēng)速較小，風(fēng)速變化也最為平穩(wěn)；綠色空間布局形式為開敞空間的，由于缺乏建筑物遮擋，風(fēng)向變化最為劇烈，風(fēng)向常常在一天中產(chǎn)生較大波動(dòng)；行列式綠色空間布局樣點(diǎn)的風(fēng)向變化起伏程度低于開敞空間樣點(diǎn)，高于半圍合式樣點(diǎn)，處于居中位置。通過比較不同綠色空間布局樣點(diǎn)的風(fēng)速均值，風(fēng)速最大的開場空間的風(fēng)速要比風(fēng)速最小的半圍合式布局的大0.31 m·s-1；風(fēng)速的極大值出現(xiàn)在行列式布局中為1.41 m·s-1，極小值出現(xiàn)在半圍合式布局為0 m·s-1。

圖2 風(fēng)環(huán)境實(shí)測結(jié)果Fig.2 Field studies of wind environments

指標(biāo)Index風(fēng)速日均值/(m·s-1)Averagewindspeedperday風(fēng)速最大值/(m·s-1)Maxwindspeedperday齊性檢驗(yàn)Leven統(tǒng)計(jì)量3．6222．391Homogeneitytest顯著性0．0420．113方差分析F檢驗(yàn)3．8254．149Varianceanalysis顯著性0．036?0．028?

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)。同下。

Note:At 0.05 level on the significant positive correlation.The same as below.

2.2不同綠色空間布局的空氣溫度

對2016-09-29—2016-10-07的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同綠色空間布局的樣點(diǎn)每天的溫度從最小值升至最大值所用時(shí)間的長短(圖3)，分析其溫度變化速率和各樣點(diǎn)綠色空間布局之間的相互關(guān)系。

通過公式(1)計(jì)算可得(表4)，半圍合式綠色空間布局的K圍=0.618 1；行列式綠色空間布局的K行=1.032 1；喬灌草植物群落開敞空間布局的K植=1.205。從圖3中可以看出：最低溫度一般都出現(xiàn)在凌晨0:00-7:00，最高溫度出現(xiàn)在下午13:00-15:00。半圍合式綠色空間布局的樣點(diǎn)相較于其他樣點(diǎn)從最低溫度升至最高溫度需要更長時(shí)間，這與建筑阻擋，使平流影響減少，局地小氣候特征充分展現(xiàn)有關(guān)；行列式綠色空間布局形式的樣點(diǎn)，溫度從最低升至最高用時(shí)最短，這與平流不被阻擋，局地小氣候被掩蓋掉有關(guān)；開敞空間的綠地植物群落為配置豐富的喬灌草組合，綠化程度高、效果好，是3種布局形式中溫度波動(dòng)最平緩的。通過比較不同綠色空間布局樣點(diǎn)的溫度均值，溫度最大的開場空間的溫度要比溫度最小的半圍合式布局的大1.41 ℃；溫度的極大值32.39 ℃出現(xiàn)在開敞空間中，極小值13.55 ℃出現(xiàn)在半圍合式布局中。

圖3 不同綠色空間布局的溫度變化速率Fig.3 Change rate of temperature in different green space layout

對溫度變化的情況與綠色空間布局形式之間做主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)分析(表5)可知，不同綠色布局的溫度變化情況具有顯著性差異，尤其是在溫度變化率的對比中體現(xiàn)得最為明顯。

表4 溫度變化速率計(jì)算結(jié)果Table 4 Change rate of temperature

表5 溫度主體間效益的檢驗(yàn)分析結(jié)果Table 5 Test of inter subjective effect in temperature

2.3不同綠色空間布局的相對濕度、輻射

對2016-09-29—2016-10-07的濕度、輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，分別將各個(gè)樣點(diǎn)每一天的濕度、輻射的最大值、最小值、日均值進(jìn)行比較(圖4)，分析不同綠色空間布局形式下的濕度、輻射指標(biāo)之間的差異。

從圖4可以看出，對于濕度而言，無論是濕度的最大值、日均值還是最小值,半圍合式綠色空間布局樣點(diǎn)都是三者中最大的，這與其豐富的植物群落和半圍合式的建筑布局有關(guān)。通過比較不同綠色空間布局的濕度均值，濕度最大的半圍合式布局的濕度比濕度最小行列式布局的濕度大4.08%；對于輻射而言，開敞空間布局的輻射最大值、日均值和最小值是三者中最大的，牧醫(yī)工程學(xué)院樓前開敞空間綠地因?yàn)橹挥袉坦嗖莸闹参锶郝?，沒有建筑物遮擋，因此樣點(diǎn)處能充分接受到來自太陽光的輻射，而處于半圍合式建筑布局中的機(jī)電工程學(xué)院花園樣點(diǎn)的輻射水平則是明顯低于牧醫(yī)樓前綠地樣點(diǎn)。3號教學(xué)樓與西側(cè)樣點(diǎn)建筑布局形式為行列式，行列式綠色空間布局的中間種植有許多櫻花、月季等，植物群落配置形式為喬灌結(jié)合，因此樣點(diǎn)處的濕度和輻射水平處于三者中的中間位置。通過比較不同綠色空間布局的輻射均值，輻射值最大的開場空間要比輻射值最小的半圍合式布局的大119.25 W·m-2。

圖4 不同綠色空間布局濕度、輻射比較

對濕度、輻射的變化情況與綠色空間布局形式之間做差異顯著性分析(表6、表7)。

表6 濕度主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)分析結(jié)果Table 6 Test of inter subjective effect in humidity

表7 輻射差異顯著性分析結(jié)果Table 7 Significance analysis of radiation

從表6可以看出，不同綠色空間布局間濕度的最大值、最小值均具有顯著性差異；從表7可以看出，不同綠色空間布局間的輻射日均值、最大值和最小值均具有顯著性差異。

3 討論與結(jié)論

本研究針對具有一定代表性的高校校園綠色空間布局的微氣候進(jìn)行了相關(guān)實(shí)測，得出不同綠色空間布局對微氣候具有不同效應(yīng)的結(jié)論。在今后的研究中，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)的省時(shí)省力和易操作的角度出發(fā)，擬考慮采用ENVI-met微氣候數(shù)值模擬軟件對不同綠色空間布局的微氣候進(jìn)行模擬研究。通過對比數(shù)值模擬的研究結(jié)果和實(shí)測試驗(yàn)的研究結(jié)果，驗(yàn)證ENVI-met微氣候數(shù)值模擬軟件在研究校園綠色空間布局微氣候效應(yīng)的可行性和可操作性，為進(jìn)一步優(yōu)化和改善校園綠色空間布局的微氣候效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)前文的試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

1)氣象臺(tái)預(yù)報(bào)為晴朗靜風(fēng)天氣狀態(tài)下，建筑布局形式在改變測量樣點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向上有顯著作用；植物群落的配置形式對測量樣點(diǎn)的溫度、濕度和輻射水平有顯著作用。

2)通過比較不同綠色空間布局樣點(diǎn)的風(fēng)速均值，風(fēng)速最大的開場空間的風(fēng)速要比風(fēng)速最小的半圍合式布局的大0.31 m·s-1；風(fēng)速的極大值出現(xiàn)在行列式布局中為1.41 m·s-1，極小值出現(xiàn)在半圍合式布局為“0”m·s-1。

3)通過比較不同綠色空間布局的溫度均值、濕度均值、輻射均值，半圍合式布局的降溫1.41 ℃、增濕4.08%、降低輻射119.25 W·m-2，對微氣候有明顯的改善效果。

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(責(zé)任編輯：李瑩)

Fieldstudiesontheeffectofcampusgreenspacelayoutformonmicroclimate

LIANG Tao, HE Ruizhen, CHEN Keke, TIAN Guohang

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The experiment selected three measuring points with different green space layout forms in Henan Agricultural University, and carried on the 9×24 hours of wind speed and direction, temperature, humidity, thermal radiation data acquisition in pedestrian height.By analyzing the measured data, under the condition of autumn static wind, the change of wind speed and direction in semi-closure green space layout was less than in open space layout and determinant architecture green space layout; Compared with other forms of layout, the semi-closure green space layout temperature reduced by 1.41 ℃, increased by 4.08% in RHhumidify, and reduced by 119.25 W·m-2in radiation, which has obvious effect on the improvement of the microclimate.

microclimate; green space layout form; campus environment

TU986

：A

2016-12-24

國家自然科學(xué)基金(31470029)；河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目(142107000101)；河南省交通廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015J02)

梁 濤(1988-)，男，河南信陽人，碩士研究生，從事風(fēng)景園林方面的研究。

田國行(1964-)，男，河南新鄉(xiāng)人，教授，博士研究生導(dǎo)師。

1000-2340(2017)03-0414-07