校園不同景觀空間小氣候舒適度研究
——以福建農(nóng)林大學(xué)為例

陳凱旋，葉沐涵，蔣文斌，寧春嬌，曾靜雯，黃 河

(1.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院，福建 福州 350002)

小氣候(micro-climate)泛指在相同大氣特點(diǎn)范圍內(nèi)由地表、人類(lèi)和生物活動(dòng)而形成的較小范圍內(nèi)的特殊氣候狀況[1]。小氣候?qū)χ苓叚h(huán)境及人體舒適性均具有重要影響，研究其影響機(jī)理對(duì)提升人居環(huán)境質(zhì)量有著重要意義。從風(fēng)景園林角度研究小氣候，主要通過(guò)研究景觀要素中的植物、水體、建筑、鋪裝及其所依附的空間來(lái)揭示小氣候變化的內(nèi)部規(guī)律，有利于塑造舒適的環(huán)境。

目前，有關(guān)于小氣候與人體舒適度及溫濕指數(shù)的研究大多集中在商業(yè)街區(qū)[2]、居住區(qū)[3]、公園等公共場(chǎng)所[4]，對(duì)人群活動(dòng)較為集中且與師生身心發(fā)展關(guān)系密切的校園活動(dòng)空間的小氣候舒適度研究較少[5]。校園是師生學(xué)習(xí)交流、休閑活動(dòng)的主要場(chǎng)所，且該場(chǎng)地具有人口密度高、使用率高的特點(diǎn)，對(duì)校園環(huán)境小氣候研究顯得更具意義，舒適的校園環(huán)境能為師生戶(hù)外活動(dòng)、交流、學(xué)習(xí)提供輕松愜意的氛圍[6]，有促進(jìn)身心發(fā)展和減輕精神疲勞的效果。[7]

本文對(duì)福建農(nóng)林大學(xué)活動(dòng)空間小氣候進(jìn)行研究，利用NK 5500 LINK風(fēng)速氣象儀對(duì)校園人群活動(dòng)空間小氣候進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì)比分析不同校園活動(dòng)空間設(shè)計(jì)要素對(duì)校園環(huán)境小氣候的影響，結(jié)合溫濕指數(shù)和人體舒適度評(píng)價(jià)，探求各景觀要素與小氣候之間的關(guān)系，為建設(shè)更加舒適的校園人群活動(dòng)空間提供啟發(fā)和參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省福州市福建農(nóng)林大學(xué)，夏季均溫為26～34℃，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長(zhǎng)冬短，夏季以晴熱高溫天氣為主[8]。

1.2 實(shí)測(cè)內(nèi)容與研究方法

針對(duì)不同類(lèi)型空間進(jìn)行小氣候數(shù)據(jù)測(cè)量，通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)，分析、比較不同校園人群活動(dòng)空間的小氣候效應(yīng)狀況。實(shí)驗(yàn)測(cè)定選取晴朗少云的天氣，測(cè)定時(shí)間為2018年7月13日上午7∶00至2018年7月13日晚上 19∶00，總計(jì)12 h。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，在校園中選擇A、B、C、D 4種空間類(lèi)型點(diǎn)位(表1)。

表1 各類(lèi)型空間及周邊環(huán)境

利用美國(guó)產(chǎn)的NK 5500 LINK風(fēng)速氣象儀，對(duì)選定場(chǎng)地進(jìn)行連續(xù)12 h定點(diǎn)測(cè)量。按照相關(guān)測(cè)定規(guī)范，采用定點(diǎn)定位觀察法，氣象儀測(cè)量的氣象指標(biāo)包括：溫度、濕度、風(fēng)速等。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的典型性和可操作性，本研究分別在臨水型空間的茶人碼頭、建筑圍合型的田間實(shí)驗(yàn)樓、林蔭型的將樂(lè)路、空曠廣場(chǎng)型的中華園4個(gè)區(qū)域布置測(cè)點(diǎn)，累計(jì)使用儀器3臺(tái)，每1 h讀取數(shù)據(jù)一次，測(cè)量高度距地面約1.5 m。因發(fā)現(xiàn)當(dāng)陽(yáng)光直射溫度感應(yīng)器時(shí)，氣溫指標(biāo)會(huì)異常升高，故在儀器使用過(guò)程中，避免陽(yáng)光對(duì)溫度傳感器直射，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 人體舒適度指數(shù)

人體舒適度是依據(jù)人體與周?chē)h(huán)境之間熱量平衡原理，從氣象環(huán)境角度來(lái)評(píng)價(jià)人體在不同外在環(huán)境下舒適程度的生物氣象指標(biāo)。[9]從氣候條件分析,以溫度、風(fēng)速、濕度3因素對(duì)人體的生理和心理影響最為敏感。[10-13]本研究人體舒適度指標(biāo)采用陸鼎煌環(huán)境衛(wèi)生學(xué)方法的綜合舒適度指標(biāo)[14-15],全面考慮氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述(表2),綜合舒適度指標(biāo)計(jì)算公式如下：

S=0.6(|T-24|)+0.07(│RH-70│)+0.5(│V-2│)

式中：S為綜合舒適度指標(biāo); T為空氣溫度(℃); RH為空氣相對(duì)濕度(%);V為風(fēng)速(m/s)。設(shè)定：S≤4.55為舒適;4.559.00為極不舒適。

表2 人體舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度變化趨勢(shì)與差異性分析

當(dāng)天天氣預(yù)報(bào)最高氣溫為37℃，最低氣溫為27℃，根據(jù)本研究所測(cè)量出的A、B、C、D 4個(gè)點(diǎn)位的溫度來(lái)看，波動(dòng)均在合理范圍內(nèi)(圖1)。

圖1 各類(lèi)型空間溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

將連續(xù)12個(gè)小時(shí)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)4個(gè)不同類(lèi)型空間的溫度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)A>B>D>C的情況，其中B、D點(diǎn)變化趨勢(shì)近乎相同，C點(diǎn)的降溫功能遠(yuǎn)勝于A、B、D點(diǎn)，就算在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的12∶00-15∶00間，溫度也仍處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間。由此可見(jiàn)，喬灌草群落構(gòu)成的林蔭型空間有著很好的溫度調(diào)控功能。

從圖1可知，A、B、C、D 4種空間點(diǎn)的溫度隨著時(shí)間段推移，變化趨勢(shì)大體相同——在 7∶00—12∶00 處于上升趨勢(shì)；在 15∶00—18∶00 處于下降趨勢(shì)。在 12∶00—15∶00 時(shí)間段因?yàn)榇蟛糠痔?yáng)輻射被云層所遮蔽，導(dǎo)致A點(diǎn)出現(xiàn)溫度驟降和驟升的現(xiàn)象。圖中還能看出，C點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)整體較為平緩，且平均溫度均低于A、B、D點(diǎn)；而A、B、D點(diǎn)在 8∶00—15∶00 的整體溫度變化波動(dòng)較為明顯。其中A、B點(diǎn)的最高最低溫差分別為6℃和5℃，變化趨勢(shì)較大；C、D點(diǎn)的最高最低溫差分別為3.9和4.8，變化趨勢(shì)較小。

從圖1可知，屬于臨水型空間的A點(diǎn)整體溫度高于其他3個(gè)點(diǎn)，原因是A點(diǎn)雖臨近水體，但周?chē)葲](méi)有樹(shù)木枝葉或灌木截留太陽(yáng)輻射，也沒(méi)有建筑物遮擋陽(yáng)光，整個(gè)空間基本處于太陽(yáng)直射狀態(tài)，因此，該點(diǎn)在12∶00時(shí)的溫度比另外3個(gè)點(diǎn)高?？梢?jiàn)，在沒(méi)有遮擋物和植物的環(huán)境下，只靠水體蒸騰的降溫效果并不顯著。而在14∶00時(shí)溫度驟降，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)出現(xiàn)了大片云層，太陽(yáng)輻射效果減弱，周?chē)w蒸發(fā)吸收熱量并蒸發(fā)水汽使得空氣溫度得以下降，且當(dāng)時(shí)的風(fēng)速達(dá)到了0.9 m/s，是該點(diǎn)當(dāng)天風(fēng)速的最大值，空氣流動(dòng)的加快讓水體的降溫效果更加明顯。

B點(diǎn)屬于建筑圍合型空間，盡管該空間植物稀少，但周邊建筑起到了一定的吸收、遮蔽太陽(yáng)輻射的作用，使得B點(diǎn)避免了全天處于太陽(yáng)輻射直射的狀態(tài)。因?yàn)樵擖c(diǎn)處于建筑物間，可活動(dòng)空間在4個(gè)測(cè)點(diǎn)當(dāng)中最小，空氣的流動(dòng)速率也是4個(gè)空間中最快的，再加上混凝土的比熱容較小，放熱與吸熱的速率快，這使得8∶00—15∶00時(shí)，在云層和建筑物的遮蔽、吸收、反射的作用下，溫度出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，盡管如此，該點(diǎn)整體溫度仍低于陽(yáng)光直射時(shí)間較長(zhǎng)且只有一個(gè)溫度變化因素的A點(diǎn)。

屬于林蔭型空間的C點(diǎn)整體溫度低于其他3個(gè)點(diǎn),最高溫也僅有32.6℃。經(jīng)調(diào)查，C點(diǎn)位于林蔭樹(shù)下，高大的樹(shù)形和茂密的樹(shù)冠形成頂面覆蓋空間，除此之外，周?chē)€有大量的灌木草本覆蓋，喬灌草的立體結(jié)構(gòu)有效地減少了地表對(duì)熱輻射的吸收，起到極佳的降溫效果。

D點(diǎn)屬于空曠型空間，因周邊無(wú)遮陽(yáng)和植物水體，溫度比A、B、C點(diǎn)高，數(shù)值的變化也更為頻繁。其中，溫度在9∶00和11∶00—12∶00時(shí)有所下降，是由于在9∶00時(shí)風(fēng)速達(dá)到了1.2 m/s，相比8∶00和10∶00升高了0.8 m/s；10∶00—13∶00時(shí)風(fēng)速達(dá)到了1.25 m/s，當(dāng)時(shí)在云層的遮擋和空氣快速流動(dòng)的情況下，溫度的上升趨勢(shì)得到了減緩。

2.2 相對(duì)濕度變化趨勢(shì)與差異性分析

相對(duì)濕度總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)C>A>B>D的結(jié)果，這與溫度變化的趨勢(shì)一致(圖2)。

圖2 各類(lèi)型空間濕度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

A點(diǎn)位于求知路中心茶人碼頭，三面環(huán)湖，周?chē)鷽](méi)有遮蔽物和蒸騰作用的植被，全天處于陽(yáng)光直射狀態(tài)，所以水汽是影響空氣相對(duì)濕度的主要因素，由圖2可知，A點(diǎn)濕度僅次于C點(diǎn)，表明水體對(duì)濕度的調(diào)控效果較強(qiáng)，在14∶00時(shí)，該點(diǎn)的相對(duì)濕度出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，是因?yàn)?3∶00—14∶00 時(shí)段溫度升高，水體蒸騰作用加大，導(dǎo)致出現(xiàn)了相對(duì)濕度突然升高的現(xiàn)象。

B點(diǎn)下墊面由混凝土構(gòu)成，周?chē)鷰缀鯖](méi)有植物、水體及其他影響相對(duì)濕度的因素，因此相比起其他 有著影響因素的測(cè)量點(diǎn)，在空氣本就干燥的情況下，該空間的相對(duì)濕度并沒(méi)有因?yàn)闇囟鹊臅簳r(shí)降低而出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。B點(diǎn)比D點(diǎn)濕度稍高，盡管兩處都沒(méi)有調(diào)控濕度的景觀要素，但因B點(diǎn)處于遮陰狀況下，空氣中的相對(duì)濕度保持較好。

C被喬灌木圍繞，從圖2可知，C點(diǎn)濕度最高，原因是因?yàn)樵摰赜兄筛叽罅质a樹(shù)構(gòu)成的頂面覆蓋空間，在 12∶00 和 14∶00 之間濕度明顯升高，原因是中午日曬強(qiáng)溫度升高，植物構(gòu)成的空間因葉面積大導(dǎo)致蒸騰作用較大，空氣中的濕度上升較快，再加上周?chē)鷨坦嗖萑郝浣Y(jié)構(gòu)吸收并反射太陽(yáng)輻射，搭配植物特有的蒸騰作用，起到了顯著的增濕降溫效果，植物圍合空間使得蒸騰的水分不像其他開(kāi)闊空間能夠快速擴(kuò)散，這也導(dǎo)致了該空間的空氣濕度遠(yuǎn)高于其他空間，從而使該空間的相對(duì)濕度高于A、B、D點(diǎn)。

D點(diǎn)下墊面為大理石鋪磚，比熱容較高，與B點(diǎn)一樣沒(méi)有植物和水體調(diào)控濕度，兩者濕度變化趨勢(shì)相似，但因D點(diǎn)全天無(wú)遮蓋，濕度總體上比B點(diǎn)低。

2.3 各空間類(lèi)型人體舒適度情況

根據(jù)人體舒適度公式量化人體舒適度，并根據(jù)人體舒適度指標(biāo)作出評(píng)價(jià)，如表3、表4、表5、表6所示。

表3 A點(diǎn)空間各時(shí)間段舒適度及評(píng)價(jià)

表4 B點(diǎn)空間各時(shí)間段舒適度及評(píng)價(jià)

從表3、表4、表5、表6可知，C點(diǎn)在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的人體舒適度始終維持在舒適和較舒適的穩(wěn)定區(qū)間，而A、B、D點(diǎn)的人體舒適度指數(shù)在大部分時(shí)間段臨近不舒適指標(biāo)，甚至出現(xiàn)了不舒適的情況。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：相比A點(diǎn)的臨水型空間，C點(diǎn)的林蔭型空間改善環(huán)境功能更強(qiáng)，達(dá)到了13.38%；相比B點(diǎn)，C點(diǎn)可改善環(huán)境舒適度14.9%，A、B點(diǎn)雖都有遮蔽物，但從圖表數(shù)據(jù)可以看出由植物群落所構(gòu)成的覆蓋空間更能改善、調(diào)節(jié)空間小氣候；相比D點(diǎn)，C點(diǎn)可改善環(huán)境舒適度15.6%，D點(diǎn)的少量植物與C點(diǎn)的植物群落相比所起到改善人體舒適度的作用微乎其微。這也說(shuō)明在A、B、C、D 4類(lèi)空間中，喬灌草群落豐富的C點(diǎn)更適合校內(nèi)人群活動(dòng)。

表5 C點(diǎn)空間各時(shí)間段舒適度及評(píng)價(jià)

表6 D點(diǎn)空間各時(shí)間段舒適度及評(píng)價(jià)

4種空間人體舒適度變化為C>A>B>D的順序，其中A、B點(diǎn)變化趨勢(shì)近乎相同(圖3)。

圖3 各類(lèi)型人體舒適度指數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，校園不同人群活動(dòng)空間夏季小氣候變化情況與其空間類(lèi)型、遮陰狀況(周?chē)h(huán)境)密切相關(guān)。在同一天氣下，影響人體舒適度的主要因素是溫度及相對(duì)濕度。

本研究同步測(cè)量了福州市福建農(nóng)林大學(xué)內(nèi)4種不同類(lèi)型空間的小氣候因子，從人體舒適度角度評(píng)價(jià)：A點(diǎn)作為臨水開(kāi)敞型校園人群活動(dòng)空間，小氣候要素值變化的幅度較小，小氣候環(huán)境較為穩(wěn)定，但在中午高溫環(huán)境下的整體舒適度不高；B點(diǎn)和D點(diǎn)作為圍合型校園人群活動(dòng)空間和半開(kāi)敞活動(dòng)空間，小氣候要素值變化幅度較大，小氣候環(huán)境不穩(wěn)定，整體舒適度較低；C點(diǎn)作為行列式校園人群活動(dòng)空間給人體感受較為舒適的時(shí)間最長(zhǎng)，小氣候要素值的變化幅度較小，小氣候環(huán)境較為穩(wěn)定，相對(duì)于其他3個(gè)點(diǎn)，在高溫環(huán)境下依舊能保持舒適。分析C點(diǎn)的空間構(gòu)成有：建筑物——遮陰、提高風(fēng)速；高大樹(shù)形、茂密樹(shù)冠的行道樹(shù)，可形成頂面覆蓋空間——遮陰、蒸騰作用增加空氣濕度；地面鋪磚選擇防腐木類(lèi)的透氣性木棧道——提高土壤與空氣中水分的互動(dòng)性，增加空氣濕度；林下大量的覆地植被——減少了地表熱量的吸收,降溫效果顯著；周?chē)拷础菡舭l(fā)增加空氣濕度，在同一高溫天氣條件下，能夠降低濕度指數(shù)，人體舒適度得以提升。