不同遮蔭環(huán)境的溫濕效應(yīng)及其對人體舒適度的影響

陳家碩，榮立蘋，高玉福，錢東霞，馬艾冰，黃昭翰，吳冰晨

(延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 33002)

隨著城市化進程的快速推進，城市景觀格局發(fā)生顯著改變[1]，景觀格局的變化使能量交換的過程發(fā)生改變，致使城市升溫，形成熱島效應(yīng)[2-3]，進而影響生態(tài)環(huán)境與人體健康[4]，導(dǎo)致夏季疾病高發(fā)，死亡人數(shù)增加[5]。城市綠地具有顯著的降溫增濕作用[6]，可以調(diào)節(jié)小氣候[7]、緩解熱島效應(yīng)[8]、改善人體舒適度[9]。城市綠地的降溫增濕作用受多種因素影響[10]，從綠地結(jié)構(gòu)類型出發(fā)，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)城市綠地中喬-灌-草相結(jié)合的綠地結(jié)構(gòu)降溫增濕能力與其提高人體舒適度的效果均最佳[11]。從綠地面積和形態(tài)出發(fā)，研究表明城市綠地的降溫增濕強度與綠地面積呈正相關(guān)[12]；不同形狀的綠地對氣候的調(diào)節(jié)能力有差異[13]，綠地形狀復(fù)雜性越高其降溫效應(yīng)越明顯[14]；帶狀綠地的綠地寬度為34 m時，其降溫增濕效果可以明顯發(fā)揮，當(dāng)寬度大于40 m時，降溫增濕效果則會趨于穩(wěn)定[15]。從植被特征及郁閉度出發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)綠地的降溫增濕作用與樹木冠層參數(shù)有顯著相關(guān)性，冠層結(jié)構(gòu)越緊密，其降溫增濕作用越明顯[16]；郁閉度和葉面積指數(shù)均顯著影響人體舒適度[17]；當(dāng)綠地面積相同時，其降溫增濕能力與郁閉度呈正相關(guān)[18-19]；增加綠地面積與提高綠地郁閉度都可以使局地環(huán)境熱舒適性有所改善，其中提高郁閉度效果更為明顯[20]。

現(xiàn)有研究大多集中于綠地類型、結(jié)構(gòu)、面積等特征的降溫增濕效應(yīng)及其對人體舒適度的影響，關(guān)于綠地所形成的空間環(huán)境溫濕效應(yīng)涉及較少。而在炎熱的夏季，游人更傾向于在遮蔭的環(huán)境中活動。在所有景觀覆蓋類型中，樹木在減少太陽直接輻射，降低人體的不適感方面有著重要作用[21]。近年來，有學(xué)者以郁閉度為出發(fā)點研究植物遮蔭對環(huán)境溫濕效應(yīng)的影響[22-23]；V.D.A.H.Loydeetal[24]在午后時間觀測了12個不同樹種群落，發(fā)現(xiàn)樹木所形成的樹蔭環(huán)境可顯著提高人體的熱舒適性。但隨著城市的建設(shè)，建筑等構(gòu)筑物所形成的遮蔭環(huán)境也越來越多[25]，這種遮蔭環(huán)境與植物所形成的遮蔭環(huán)境有何區(qū)別尚不明確。L.Shashua-baretal[26]比較了樹蔭下和網(wǎng)布遮蔭下的人體熱舒適性，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)布遮蔭下有輕微的熱效應(yīng)。為了定量比較植物遮蔭環(huán)境與建筑遮蔭環(huán)境對人體舒適性的影響，以及對比不同遮蔭度下環(huán)境的溫濕效應(yīng)，選取6處不同遮蔭環(huán)境的樣地，其中4處為植物遮蔭環(huán)境，2處為建筑遮蔭環(huán)境，通過實地監(jiān)測獲取樣地的熱環(huán)境數(shù)據(jù)，探尋不同遮蔭環(huán)境、遮蔭度、下墊面類型及植被類型對局地?zé)岘h(huán)境及人體舒適度的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省延邊朝鮮族自治州延吉市(42°50′-43°23′N，129°01′-129°48′E)，屬于中溫帶半濕潤氣候區(qū)，海拔約175 m。為了盡可能減少由于樣地時空位置不同所帶來的差異，排除樣地周邊環(huán)境對測量結(jié)果的影響，所有樣地均選擇延吉市中西部的延邊大學(xué)校園內(nèi)。延邊大學(xué)占地面積約296 hm2，校園內(nèi)綠地類型與植物種類豐富，為試驗的開展提供了理想場所。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇及遮蔭度測定

在延邊大學(xué)校園內(nèi)選取6處樣地，分別為稀樹草地、疏林草地、針葉林、闊葉林及建筑遮蔭環(huán)境等，樣地面積約為400 m2，基本特征見表1，遮蔭度是指場地被遮蔭面積占場地總面積的比值，即：遮蔭度=遮蔭面積/總面積。因植物遮蔭所呈現(xiàn)出割裂不規(guī)則的樹蔭無法精準(zhǔn)測量，故在測量時采用樣點法[27]，即在場地中平均布點，此次試驗在每個樣地上每隔50 cm布置1個樣點，均勻地布滿整個樣地，之后觀測記錄每個樣點是否被陰影所覆蓋，通過計算被陰影遮蓋的樣點數(shù)與總樣點數(shù)的比值表示該場地的遮蔭度。

表1 不同樣地的基本特征Table 1 Basic characteristics of different plots

經(jīng)實地測量，發(fā)現(xiàn)一天中同一場地遮蔭度呈現(xiàn)出從大變小、又從小變大的過程，遮蔭度高的場地變化幅度小，遮蔭度低的場地則相反。為了消除不同場地遮蔭度變化幅度差異對試驗結(jié)果的影響，在8:00、12:00、16:00時分別測量每個樣地的遮蔭度，最后將3次測量結(jié)果平均，平均值作為該樣地的遮蔭度。

2.2 試驗方法

試驗時間為2019年7月下旬至8月上旬，此時是一年中最為炎熱的季節(jié)，由于人們戶外活動時間主要集中在白天，因此試驗時段選擇8:00-18:00。試驗需在晴朗無風(fēng)的天氣下進行(平均風(fēng)速小于1 m·s-1)[28]，每天8:00、10:00、12:00、14:00、16:00、18:00對6處樣地同步測量熱環(huán)境數(shù)據(jù)，測量使用德國德圖便攜式溫濕度測量儀(Testo605-H1，溫度精度0.1 ℃，量程-20～50 ℃；相對濕度精度1.0%，量程5%～95%)。在每個樣地中央5×6(30個樣點)平均布置樣點，每2個樣點之間相距2 m，按順序依次測量30個樣點。在每個樣點距離地面1.5 m處測量東南西北4個方向的溫濕度數(shù)據(jù)，各樣地同步進行，每次測量平行進行3次，連續(xù)測量7 d。最終挑選3 d符合試驗要求的數(shù)據(jù)進行分析，所有測量數(shù)據(jù)保留1位小數(shù)[29]。

2.3 人體舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)

人體舒適度是從氣象角度來評價人在不同條件下的舒適感，文中選擇溫濕指數(shù)(thermal humidity index，THI，公式中用THI表示)作為人體舒適度的計算標(biāo)準(zhǔn)[30]。THI是美國國家氣象局用于夏季舒適度預(yù)報所制定的指標(biāo)，應(yīng)用十分廣泛，THI與人體舒適度的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。溫濕指數(shù)計算公式為

THI=T-0.55(1-RH)(T-14.5)

(1)

式中：T為空氣溫度(℃)；RH為相對濕度(%)。

表2 THI與人體舒適度Table 2 Thermal humidity index and human comfort

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗共采集樣地空氣溫度數(shù)據(jù)38 880個，相對濕度數(shù)據(jù)38 880個，采用Excel 2019和SPSS 23對所采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。將一天中同一樣地同一時刻的空氣溫度數(shù)據(jù)(360個數(shù)據(jù))求平均值，即代表該樣地這一時刻的空氣溫度；將3 d同一樣地同一時刻的空氣溫度數(shù)據(jù)(1 080個數(shù)據(jù))平均，即為該樣地這一時刻的平均空氣溫度；將3 d同一樣地中所有測量的空氣溫度數(shù)據(jù)(6 480個數(shù)據(jù))平均，即為該樣地的日間平均空氣溫度。相對濕度的處理同上。將同一樣地平均空氣溫度達(dá)到的最高值減去8:00的平均空氣溫度，即為該樣地的升溫幅度；將18:00的平均空氣溫度減去最高值時的平均空氣溫度，即為該樣地的降溫幅度；相對濕度的減濕、增濕幅度同理，樣地的升溫、降溫、減濕、增濕統(tǒng)稱為溫濕度日振幅。使用SPSS對數(shù)據(jù)進行單因素ANOVA檢驗，當(dāng)P<0.05時，認(rèn)為樣本間存在顯著性差異；并運用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(pearson correlation coefficient)對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 平均溫度比較

將3 d同一樣地同一時刻的空氣溫度數(shù)據(jù)平均，得到各樣地平均空氣溫度(圖1)，各樣地均呈現(xiàn)單峰變化趨勢，最高值均出現(xiàn)于14:00。在建筑遮蔭環(huán)境中，鋪裝場地與草坪除在12:00存在極顯著性差異外(P<0.01)，其余時刻均不存在顯著性差異。這說明在相同遮蔭環(huán)境與相同遮蔭度下，不同下墊面類型對樣地空氣溫度的影響不是很明顯，只有在太陽輻射最強的正午，這種差異才會顯現(xiàn)出來。在植物遮蔭環(huán)境中，針葉林與闊葉林的空氣溫度高度相似，在8:00-16:00，2處樣地均不存在顯著差異。8:00太陽輻射較弱，遮蔭度較為接近的稀樹草地與疏林草地之間不存在顯著差異，隨著太陽輻射的增強，稀樹草地迅速升溫，而遮蔭度較高的疏林草地等樣地升溫較慢，14:00后，稀樹草地隨著太陽輻射的減弱溫度迅速下降，故在10:00-18:00，稀樹草地與其余5處樣地均存在極顯著差異(P<0.01)。

3.2 平均相對濕度比較

圖2為各樣地的平均相對濕度，各樣地均為單峰變化趨勢，最低值均出現(xiàn)于14:00，這與平均空氣溫度的變化趨勢相一致。但鋪裝場地與草坪、針葉林與闊葉林的相對濕度在10:00-14:00均存在極顯著差異(P<0.01)。這說明相對濕度易受環(huán)境影響，在遮蔭度相同時，下墊面類型或植物種類的差異就會使相對濕度產(chǎn)生較大變化。在8:00-16:00，建筑遮蔭環(huán)境中的鋪裝場地與草坪，相對濕度顯著低于其他植物遮蔭環(huán)境的樣地。鋪裝場地與草坪的遮蔭度比稀樹草地高28%，而在10:00、16:00稀樹草地與鋪裝場地、草坪之間不存在顯著性差異，這表明建筑遮蔭環(huán)境與植物遮蔭環(huán)境在遮蔭度相差不超過28%，其相對濕度較為接近。在10:00-18:00，稀樹草地與疏林草地、針葉林、闊葉林之間均有極顯著差異(P<0.01)。

3.3 日間平均溫濕度分析

日間平均空氣溫度由高到低為：稀樹草地(29.7±0.14 ℃)、疏林草地(29.3±0.11 ℃)、鋪裝場地(29.1±0.10 ℃)、草坪(28.8±0.09 ℃)、針葉林(27.5±0.08 ℃)、闊葉林(27.4±0.08 ℃)(圖3)。日間平均相對濕度由低到高為：鋪裝場地(51.7%±0.38%)、草坪(53.2%±0.36%)、稀樹草地(54.1%±0.34%)、疏林草地(57.1%±0.34%)、針葉林(59.3%±0.36%)、闊葉林(60.7%±0.35%)。二者排序并不一致，即空氣溫度高的樣地其相對濕度未必低，二者均受多方面因素影響。除針葉林與闊葉林、鋪裝場地與草坪外，任意2處樣地的空氣溫度均存在極顯著差異(P<0.01)。除稀樹草地與鋪裝場地、草坪外，任意2處樣地的相對濕度均存在極顯著差異(P<0.01)。

3.4 日振幅分析

日振幅為在測量時間內(nèi)平均空氣溫濕度的升溫、降溫、增濕、減濕幅度。由圖4可以看出，6處樣地的空氣溫度升溫幅度均高于降溫幅度，相對濕度的減濕幅度均高于增濕幅度。升溫幅度由高到低為:鋪裝場地、草坪、稀樹草地、疏林草地、針葉林、闊葉林，在植物遮蔭環(huán)境中隨著樣地遮蔭度的升高，其升溫幅度逐漸減小，但建筑遮蔭環(huán)境的升溫幅度明顯高于植物遮蔭環(huán)境；降溫幅度由高到低為:稀樹草地、疏林草地、鋪裝場地、草坪、針葉林、闊葉林，可以看出隨著樣地遮蔭度的升高，其降溫幅度逐漸減小。在相對濕度日振幅中，減濕幅度由高到低為：針葉林、闊葉林、鋪裝場地、草坪、疏林草地、稀樹草地，可見隨著遮蔭度的升高，其樣地減濕幅度也隨之升高，但遮蔭度高的樣地相對濕度要高于遮蔭度低的樣地。這說明相對濕度的日振幅主要受樣地自身影響，而樣地內(nèi)的植物是影響相對濕度高低的一個重要因素。

3.5 人體舒適度比較

由圖5可以看出，各樣地THI值均為單峰變化趨勢，除稀樹草地外其余樣地最高值均出現(xiàn)于14:00(THI值越低，人體越舒適)。針葉林與闊葉林在8:00-18:00均無顯著性差異，鋪裝場地與草坪僅在12:00存在極顯著差異(P<0.01)。稀樹草地與疏林草地在10:00-18:00有極顯著差異(P<0.01)，稀樹草地與疏林草地在10:00-16:00與其余樣地間均有極顯著差異(P<0.01)。日間平均THI值(圖6)由高到低為：稀樹草地(26.1±0.09)、疏林草地(25.8±0.07)、鋪裝場地(25.2±0.06)、草坪(25.1±0.06)、闊葉林(24.6±0.05)、針葉林(24.5±0.05)。除鋪裝場地與草坪、針葉林與闊葉林外，其余樣地間均存在極顯著差異(P<0.01)。

3.6 相關(guān)性分析

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)不同遮蔭環(huán)境、遮蔭度、下墊面類型及植被類型對樣地?zé)岘h(huán)境及人體舒適度均造成了一定的影響，其中不同遮蔭度對樣地內(nèi)的空氣溫度、相對濕度及THI均造成了明顯影響，下墊面類型及植被類型的差異對THI影響較小，而不同遮蔭環(huán)境對其影響大小尚不可知。對6處樣地的遮蔭度、空氣溫度、相對濕度、THI進行皮爾遜相關(guān)系數(shù)運算(將6處樣地平均后的空氣溫濕度與THI值代入，共324個數(shù)據(jù))，以驗證遮蔭度與其他三者的關(guān)系(表3)。

表3 遮蔭度與空氣溫度、相對濕度、THI的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient of shade degree with air temperature,relative humidity and THI

由表3可知，遮蔭度與THI、空氣溫度之間均具有極強負(fù)相關(guān)性(-1.0

表4 遮蔭度與空氣溫度、THI的回歸方程Table 4 Regression equation of shading degree with air temperature and THI

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

在測量時間內(nèi)，空氣溫度、相對濕度、THI均呈現(xiàn)出單峰變化趨勢，其最高或最低值主要出現(xiàn)在14:00。日間平均空氣溫度由高到低為：稀樹草地、疏林草地、鋪裝場地、草坪、針葉林、闊葉林；日間平均相對濕度由低到高為：鋪裝場地、草坪、稀樹草地、疏林草地、針葉林、闊葉林；日間平均THI由高到低為：稀樹草地、疏林草地、鋪裝場地、草坪、闊葉林、針葉林。不同遮蔭環(huán)境對空氣溫度與THI未造成明顯影響；遮蔭度的改變對空氣溫度、相對濕度、THI均會產(chǎn)生明顯影響；下墊面類型或植物種類的差異會使相對濕度產(chǎn)生較大變化，但對THI沒有明顯影響。遮蔭度與空氣溫度、THI之間具有極強負(fù)相關(guān)性，當(dāng)遮蔭度每提高10%，空氣溫度約下降0.5 ℃，THI下降0.35。提高遮蔭度可以顯著降低空氣溫度與THI，顯著改善人體舒適度。

4.2 討論

綜合上述結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在相似遮蔭度下，建筑遮蔭相比于植物遮蔭，其空氣溫度較為接近，而相對濕度相差較大。建筑遮蔭環(huán)境的相對濕度顯著低于植物遮蔭環(huán)境，這是由于相對濕度主要受樣地植被情況所影響[31]，建筑遮蔭環(huán)境內(nèi)植被較少且植物種類單一，而植物遮蔭環(huán)境植被豐富，植被豐富度越高其增濕效果越顯著[32]。隨著遮蔭度的提高，植物遮蔭環(huán)境樣地內(nèi)的空氣溫度明顯下降、相對濕度明顯提高，這是因為當(dāng)遮蔭度上升時，樣地中植物對太陽輻射的阻擋與吸收能力會同步提升，植物可以阻擋太陽輻射到達(dá)地面并吸收大量太陽輻射用于自身的蒸騰作用[16]，這將顯著降低樣地內(nèi)的空氣溫度并顯著增加相對濕度[17]。人體舒適度受空氣溫度與相對濕度雙重影響[33]，建筑遮蔭與植物遮蔭相比，不同的遮蔭環(huán)境對人體舒適度影響有限；而遮蔭度的增加可以顯著改善人體舒適度，這與K.R.Colteretal[25]的研究結(jié)果相一致。

在遮蔭度相同時，下墊面類型或植物種類的差異就會使相對濕度產(chǎn)生較大變化，這表明相對濕度易受環(huán)境影響[34]。在相同遮蔭環(huán)境與相同遮蔭度下，不同下墊面類型對空氣溫度影響有限，而對相對濕度影響較大。草坪場地相比于鋪裝場地，其具有明顯的增濕作用，這與陳家碩等[35]的研究結(jié)果相一致。在植物遮蔭環(huán)境中，植被類型的差異對相對濕度影響較大，對空氣溫度影響不明顯[36]。在人體舒適度方面，不同下墊面類型或不同植物種類對改善人體舒適度影響較小。在遮蔭度相同時，闊葉林的空氣溫度低于針葉林，但闊葉林的THI高于針葉林，這是因為人體舒適度受空氣溫度與相對濕度的雙重影響，闊葉樹種相比于針葉樹種的蒸騰作用更旺盛[37]，林內(nèi)相對濕度更高，相對濕度過高反而會降低人體舒適度[38]。

鋪裝場地的升溫幅度明顯高于其他樣地，這是因為鋪裝場地的下墊面為花崗巖，花崗巖鋪裝的吸熱能力強、比熱容小，會快速吸收太陽輻射使其升溫[39]，而其余樣地的下墊面均為植物，其吸熱能力相對較弱[40]，且會阻擋太陽輻射對場地的加熱效應(yīng)，故鋪裝場地升溫迅速、升溫幅度最大。稀樹草地的降溫幅度最大，針葉林與闊葉林降溫幅度最小。這是由于稀樹草地的遮蔭度較低，場地開闊，在太陽輻射減弱后便于熱量消散，而針葉林與闊葉林的遮蔭度高，樹木密集不利于熱量散失。這表明下墊面類型與遮蔭度是影響樣地溫度變化的重要因素之一[41]。