張彪, Majid AMANI-BENI, 史蕓婷, 謝高地

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北京奧林匹克公園夏季綠地小氣候及人體環(huán)境舒適度效應(yīng)分析

張彪1,*, Majid AMANI-BENI1,2, 史蕓婷1,2, 謝高地1,2

1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

評(píng)價(jià)城市綠地的小氣候調(diào)節(jié)功能對(duì)于應(yīng)對(duì)城市熱島效應(yīng)與優(yōu)化公園綠地設(shè)計(jì)有重要參考意義。該研究于2016年7—9月在北京奧林匹克公園內(nèi)開展了灌溉草地與荒草地、孤植樹與群植樹、水體與空曠地3種綠化配置模式下共12個(gè)樣地的微氣象要素觀測(cè), 分析了公園草地、公園林地和公園水體的小氣候狀況, 并評(píng)估了公園綠地夏季降溫增濕和人體環(huán)境舒適度的特征。結(jié)果表明: (1)與空曠地相比, 公園草地夏季平均可降溫1.75%以及增濕5.06%, 且定期灌溉草地的小氣候調(diào)節(jié)功能明顯優(yōu)于荒草地; (2)公園林地平均可降溫3.25%和增加濕度3.91%, 孤植樹的小氣候效應(yīng)明顯低于群植樹; (3)公園水體夏季平均降溫1.56%與增濕8.10%, 而且大面積水體的小氣候調(diào)節(jié)效果更好; (4)綜上, 北京奧林匹克公園夏季綠地平均可降溫2.41%、增濕5.25%以及改善環(huán)境舒適度1.75%, 公園林地的小氣候調(diào)節(jié)功能明顯優(yōu)于公園草地和水體。因此, 在城市公園綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)中, 建議優(yōu)先布局群植樹木與大面積水體, 并加強(qiáng)公園草地的灌溉養(yǎng)護(hù), 以優(yōu)化提升其公園小氣候調(diào)節(jié)功能。

城市綠地; 小氣候; 夏季; 人體環(huán)境舒適度; 北京奧林匹克公園

1 前言

全球氣候變化和快速城市化引發(fā)的城市熱島問題已引起研究者和社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注[1-2]。城市熱島不僅增高夏季高溫中暑和心臟病死亡風(fēng)險(xiǎn)[3], 而且增加了能源消耗并加劇空氣污染[4]。作為城市公共服務(wù)設(shè)施的重要組成部分, 城市綠地不僅為居民提供美學(xué)景觀和休憩場(chǎng)所, 而且能夠調(diào)節(jié)改善局地小氣候進(jìn)而緩解城市熱島效應(yīng)[5]。不過, 城市森林的小氣候調(diào)節(jié)功能主要依賴于植被蒸騰和冠層遮蔭兩個(gè)過程[6], 植物蒸騰以及水分蒸發(fā)在吸收太陽輻射熱的同時(shí)降低了周圍環(huán)境溫度[7], 而林木也因樹冠枝葉截留太陽輻射提供了綠蔭[4], 此外, 也與綠化植物對(duì)氣流暢通的作用以及局地環(huán)流的改變有關(guān)[8]。目前國(guó)內(nèi)外已大量開展了綠色屋頂[9-10]、行道樹[11]、城市公園[12-13]以及水體濕地[14-15]的小氣候調(diào)節(jié)功能研究, 比如, Ca等[16]通過對(duì)日本東京(Tokyo)城區(qū)某公園草地與附近區(qū)域的氣溫、相對(duì)濕度及相關(guān)氣象因素的定點(diǎn)觀測(cè), 發(fā)現(xiàn)在中午時(shí)刻0.6 km2的公園綠地可降溫1.5 ℃。Jansson等[17]在瑞典斯德哥爾摩(Stockholm)中心的城市公園, 采用移動(dòng)對(duì)比觀測(cè)發(fā)現(xiàn)城區(qū)與公園綠地的白天溫差可達(dá)0.5—10.8 ℃。而Hathway和Sharples[7]在英國(guó)謝菲爾德市(Sheffield)基于野外實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn), 在外界環(huán)境溫度超過20 ℃時(shí), 城內(nèi)河流能使周圍環(huán)境溫度平均降低1 ℃。但是當(dāng)前相關(guān)研究多關(guān)注城市綠地的降溫增濕絕對(duì)量, 而此指標(biāo)的大小與觀測(cè)時(shí)期內(nèi)外界氣象要素的背景值有很大關(guān)系[18-21], 難以對(duì)比分析不同觀測(cè)時(shí)間或地點(diǎn)的小氣候調(diào)節(jié)能力。

近年來北京城市熱島問題也十分突出[22-23], 認(rèn)識(shí)與發(fā)揮城市綠色空間對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用受到重視[24-25]。比如, 吳菲等[26]同步測(cè)定了北京市萬芳亭公園林下廣場(chǎng)、無林廣場(chǎng)和草坪的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng), 結(jié)果表明, 與無林廣場(chǎng)相比, 林下廣場(chǎng)可降溫0.3—3.3 ℃, 增濕1.1%—5.9%。馮悅怡等[27]利用HOBO氣象站同步監(jiān)測(cè)了北京大學(xué)校園綠地的小氣候調(diào)節(jié)功能, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 夏季高溫季節(jié)校園綠地平均降溫1.14—1.96 ℃, 增濕7.46%—12.34%。而基于24個(gè)典型綠地群落觀測(cè)結(jié)果, 高吉喜等[28]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)北京城市綠地夏季日均降溫幅度0.2—2.0 ℃, 日均增濕幅度0.20%—8.26%。此外, 崔麗娟等[29]以北京市8個(gè)典型濕地為樣本測(cè)定濕地對(duì)城市溫濕度影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 與濕地5 km距離處相比, 濕地最高可降溫4.4 ℃, 增濕12.8%。然而, 建設(shè)更多的綠地和濕地意味著更大的水土資源投入[30-31]。因此, 清晰認(rèn)知城市綠地的小氣候調(diào)節(jié)功能與其組成結(jié)構(gòu)及空間格局的相關(guān)關(guān)系, 并在現(xiàn)有城市綠色空間基礎(chǔ)上通過其群落結(jié)構(gòu)或景觀格局優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)其降溫增濕功能提升, 是一條綠色經(jīng)濟(jì)的城鎮(zhèn)優(yōu)化途徑并引起了城市管理者和研究者的重視[25]。

在調(diào)查分析北京市奧林匹克公園內(nèi)綠化景觀分布的基礎(chǔ)上, 該研究對(duì)比觀測(cè)了12個(gè)典型樣地的局地小氣候要素日變化特征, 然后建立了相對(duì)影響程度模型, 以對(duì)比分析不同綠化類型及配置形式下的空氣溫度、相對(duì)濕度和人體舒適度的差異, 并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果, 分析討論了城市綠地組成形式、結(jié)構(gòu)以及空間格局對(duì)其小氣候調(diào)節(jié)功能的影響, 從而為我國(guó)城鎮(zhèn)綠化建設(shè)、管理以及熱島效應(yīng)適應(yīng)機(jī)制的制定提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原西北部, 屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候, 夏季高溫多雨, 日最高氣溫≥35 ℃的高溫天氣比較常見。近年來北京城市熱島范圍有所擴(kuò)大, 夏季平均熱島強(qiáng)度達(dá)4.5 ℃, 且強(qiáng)熱島天數(shù)有所增加, 高溫災(zāi)害增幅明顯[32]。為減緩城市熱島效應(yīng), 北京市重視生態(tài)空間保護(hù)與城市綠地建設(shè)。2015年北京城市綠地面積達(dá)到8.13萬 hm2, 其中40%為公園綠地[25], 而奧林匹克公園是北京城區(qū)內(nèi)面積最大的城市公園, 并已成為社會(huì)公眾休閑游憩的重要場(chǎng)所。該公園位于北京城市中軸線的北端, 總占地面積1135 hm2, 并分為3個(gè)區(qū)域。北端是占地680 hm2的森林公園, 以城市森林景觀為主; 南段是已建成場(chǎng)館區(qū)和中華民族園, 占地約114 hm2; 而中心區(qū)占地291 hm2, 不僅有鳥巢、水立方等重要場(chǎng)館和配套設(shè)施, 而且建設(shè)有系統(tǒng)完善的公園景觀綠化工程, 包括中軸景觀大道、龍形水系、中軸樹陣以及休閑花園、綠化帶等, 綠化形式相對(duì)豐富, 因此本研究選擇中部區(qū)作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域(圖1)。

2.2 樣地選擇

本研究重點(diǎn)關(guān)注公園內(nèi)樹木、草地和水體的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)。其中, 綠化樹木主要分布在景觀大道旁休閑廣場(chǎng)、綠化帶和中軸樹陣, 樹種主要包括銀杏、毛白楊、欒樹、油松、國(guó)槐、饅頭柳、小葉白蠟、元寶楓、海棠等。草本植物主要有麥冬、草地早熟禾、狼尾草、金錢草、玉簪和鳶尾等。龍形人工水系總長(zhǎng)約2.7 km, 水面寬度20—125 m, 水深0.6—1.2 m, 水面南高北低(高差2.6 m), 北端設(shè)處理站, 通過管道將水輸送至南端, 水體自流流回處理站。基于研究區(qū)不同綠化類型及配置模式特征, 針對(duì)定期灌溉草地與荒草地(無管護(hù)草地)、孤植樹(單棵樹木)與群植樹(片林)以及不同面積水體等3種綠化配置模式的6個(gè)典型區(qū)域, 共選取12個(gè)樣地開展局地氣候要素觀測(cè)。在每個(gè)樣地內(nèi)同時(shí)選取3個(gè)觀測(cè)點(diǎn), 記錄并取得其氣象要素平均值, 同時(shí)在樣地附近選擇一塊開闊的無植被區(qū)域作為對(duì)照(表1)。

2.3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

在2016年7—9月間選擇晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的高溫天(日平均風(fēng)速≤2 m·s–1, 日平均氣溫≥30 ℃), 同步觀測(cè)記錄綠地樣方和對(duì)照樣地的溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速。試驗(yàn)儀器為兩臺(tái)便攜式Kestrel NK4500氣象站, 架設(shè)高度為1.5 m。儀器溫度精度為±0.2 ℃, 分辨率為0.1 ℃, 測(cè)量范圍為–10—55 ℃; 相對(duì)濕度精度為±3%, 分辨率為0.1%, 測(cè)量范圍為0—100%。每天觀測(cè)時(shí)間為9:00—18:00, 每分鐘記錄一次數(shù)據(jù), 每小時(shí)計(jì)算該時(shí)段內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速平均值。所記錄的數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel進(jìn)行二次曲線擬合分析, 完成相關(guān)性檢驗(yàn), 并采用SPSS 12.0軟件進(jìn)行方差分析, 完成顯著性檢驗(yàn)。

3 評(píng)估方法

城市公園對(duì)小氣候的影響主要表現(xiàn)在局地空氣溫度、濕度和風(fēng)速的變化, 進(jìn)而影響到人體舒適度感覺[26-27], 因此本研究將城市公園的小氣候調(diào)節(jié)功能定義為夏季高溫日城市綠地的降溫增濕及舒適度改善作用。其中, 空氣溫度和相對(duì)濕度通過氣象儀器可直接觀測(cè), 而人體舒適度感覺采用北京市氣象局發(fā)布的人體舒適度指數(shù)計(jì)算[33]。人體舒適度指數(shù)(CI)越大, 表明人體熱感覺越大, 環(huán)境舒適度越低。

注: (a) 北京市界線及六條環(huán)路; (b) 奧林匹克公園在北京六環(huán)內(nèi)位置; (c)奧林匹克公園北、中、南三個(gè)分區(qū); (d) 觀測(cè)點(diǎn)在奧林匹克公園中區(qū)的位置。

表1 奧林匹克公園綠地觀測(cè)點(diǎn)信息

由于不同觀測(cè)時(shí)期的區(qū)域氣象狀況不同, 采用降溫增濕絕對(duì)量指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)不同觀測(cè)時(shí)間小氣候調(diào)節(jié)功能對(duì)比; 加上空氣氣溫、濕度以及舒適度指數(shù)量綱的不同, 無法比較公園綠地對(duì)三種氣象要素影響程度的相對(duì)大小, 因此本研究采用公園綠地對(duì)小氣候的影響程度與當(dāng)時(shí)區(qū)域氣象條件的比值來構(gòu)建相對(duì)影響程度模型(公式2—4), 從而實(shí)現(xiàn)不同觀測(cè)時(shí)間公園綠地調(diào)節(jié)小氣候能力的相互比較以及對(duì)不同氣象要素影響程度的比較。

4 結(jié)果分析

4.1 公園草地的微氣象要素比較

公園草地微氣象要素觀測(cè)結(jié)果表明, 與空曠地相比, 夏季北京奧林匹克公園內(nèi)草地平均可使空氣溫度降低1.75%(相當(dāng)于觀測(cè)日空氣溫度降低0.62 ℃), 濕度增加5.06%, 公園草地對(duì)空氣濕度的影響程度明顯高于空氣溫度。此外, 該研究對(duì)比觀測(cè)了灌溉養(yǎng)護(hù)草地(D、K和L)和荒草地(A和B)的微氣象差異, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)定期養(yǎng)護(hù)草地夏季可降溫2.24%—3.38%, 增濕4.48%—9.21%; 而無管護(hù)草地僅能降溫0.06%—0.52%, 增濕0.73%—2.52%(表2)。因此, 相比于荒草地, 定期灌溉草地表現(xiàn)出了更好的小氣候調(diào)節(jié)功能, 主要原因在于定期養(yǎng)護(hù)灌溉的草地土壤水分充足并使其植被生長(zhǎng)狀況處于優(yōu)良狀態(tài)。從不同觀測(cè)時(shí)段來看, 公園草地對(duì)空氣微氣象要素的影響有明顯差異, 夏季白天的中午(12:00—15:00)和下午(15:00—18:00)時(shí)段公園內(nèi)草地對(duì)溫度的影響明顯高于上午觀測(cè)時(shí)段(9:00—12:00), 而在上午和中午觀測(cè)時(shí)段草地的增濕效應(yīng)更為明顯(表2)。

4.2 公園林地的微氣象要素比較

綠化樹木不僅通過植被蒸騰過程影響局地小氣候, 而且可借助樹冠吸收截留太陽輻射起到遮蔭作用[2,34]。該研究觀測(cè)表明, 與對(duì)照點(diǎn)相比, 夏季白天奧林匹克公園內(nèi)樹木平均可降溫3.25%(相當(dāng)于觀測(cè)日空氣溫度降低1.12 ℃), 濕度增加3.91%, 公園林地對(duì)空氣溫度與濕度的影響程度相接近(與公園草地相比較), 原因可能是樹冠遮蔭功能增強(qiáng)了樹木的整體降溫效果。從樹木栽植形式來看, 群植樹夏季平均可降溫3.69%, 增加空氣濕度4.43%; 而孤植樹平均能降溫2.98% 和增濕4.14%(表3), 說明單棵樹木的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)不如群植樹的明顯。不過, 樹下植被覆蓋差異增加了孤植樹與群植樹調(diào)節(jié)氣候功能的復(fù)雜性。與林下地表為裸地的林地相比, 林下有草覆蓋的林地調(diào)節(jié)小氣候的能力明顯增加, 其原因主要是喬草群落結(jié)構(gòu)增加了立體綠量, 同時(shí)地表植被覆蓋減少了地表熱量的吸收[35-36]。此外, 從不同觀測(cè)時(shí)段來看(表3), 在夏季上午(9:00—12:00)和中午(12:00—15:00)觀測(cè)時(shí)段, 公園林地對(duì)空氣溫濕度的影響均高于下午觀測(cè)時(shí)段(15:00—18:00), 原因可能是夏季9:00—15:00樹冠遮蔭功能容易充分發(fā)揮, 而在下午時(shí)段隨著太陽輻射的減弱, 其遮蔭效果有所下降。

表2 北京奧林匹克公園草地的微氣象要素變化

表3 北京奧林匹克公園林地的微氣象要素變化

4.3 公園水體的微氣象要素比較

水面蒸發(fā)可從周圍環(huán)境中吸收一部分熱量, 并釋放水汽使空氣溫度降低和濕度增加, 因而城市水體也發(fā)揮著重要的熱調(diào)節(jié)功能[29,37,38]。該研究觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn), 與對(duì)照點(diǎn)相比, 夏季白天奧林匹克公園內(nèi)水體平均可降溫1.56%(相當(dāng)于觀測(cè)日空氣溫度降低0.56 ℃), 濕度增加了8.10%(表4), 夏季白天公園水體對(duì)空氣濕度的影響明顯高于對(duì)溫度的影響。對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 在夏季奧林匹克公園內(nèi)大面積水體(J)可使周圍環(huán)境降溫2.76%, 增濕可達(dá)4.42%, 而小面積水體(H)僅能降溫0.35%, 不過其增濕效應(yīng)顯著提高(11.77%), 原因可能是小面積水體周邊環(huán)境氣溫較高, 增加了水面蒸發(fā)強(qiáng)度, 加上旁邊建筑物鳥巢的阻擋, 局地空氣流通受到限制, 水體降溫效果下降, 空氣中水分難以快速擴(kuò)散出去[14], 從而顯著增加了空氣濕度。此外, 從不同觀測(cè)時(shí)段來看, 夏季中午(12:00—15:00)觀測(cè)時(shí)段公園水體對(duì)空氣濕度的影響均高于上午(9:00—12:00)和下午(15:00— 18:00)觀測(cè)時(shí)段(表4), 原因主要是夏季中午時(shí)段(12:00—15:00)外界環(huán)境溫度最高且水分蒸騰作用最明顯所致。

表4 北京奧林匹克公園水體的微氣象要素變化

4.4 公園綠地的小氣候及人體環(huán)境舒適度效應(yīng)

基于不同綠化配置模式的微氣象要素和人體舒適度指數(shù), 該文評(píng)估分析了公園草地、公園綠地和公園水體對(duì)人體環(huán)境舒適度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表5), 夏季公園草地可改善環(huán)境舒適度1.16%, 其中定期養(yǎng)護(hù)草地改善環(huán)境舒適度1.36%—2.48%, 而無管護(hù)草地對(duì)環(huán)境舒適度影響較小, 甚至出現(xiàn)環(huán)境舒適度下降的現(xiàn)象, 而且中午(12:00—15:00)和下午(15:00—18:00)時(shí)段草地對(duì)人體舒適度的影響高于上午時(shí)段(9:00—12:00)。其次, 公園內(nèi)樹木夏季白天平均可改善環(huán)境舒適度2.35%, 其中群植樹可改善環(huán)境舒適度2.98%, 孤植樹可提高環(huán)境舒適度2.03%, 不過, 公園樹木對(duì)環(huán)境舒適度的影響在上午(9:00—12:00)和中午(12:00—15:00)時(shí)段均比下午(15:00—18:00)時(shí)段明顯。此外, 公園內(nèi)水體可改善環(huán)境舒適度1.12%, 主要是大面積水體對(duì)環(huán)境舒適度的改善比較顯著, 小面積水體可能會(huì)因?yàn)樵黾恿藵駸釥顩r而降低環(huán)境舒適度。

表5 背景奧林匹克公園草地、林地與水體的人體舒適度效應(yīng)

參照觀測(cè)日平均溫度估算, 北京奧林匹克公園草地可使環(huán)境氣溫平均降低0.62 ℃, 而李輝等[39]觀測(cè)北京方莊居住區(qū)草坪夏季日均降溫0.9 ℃, 吳菲等[26]在北京市萬芳亭公園測(cè)定發(fā)現(xiàn), 公園草坪平均降溫0.8 ℃。該觀測(cè)結(jié)果稍低于以上研究結(jié)論, 原因是本研究同時(shí)觀測(cè)了灌溉養(yǎng)護(hù)(D、K和L)和荒草地(A和B)兩種配置方式樣地。相比于荒草地, 定期灌溉草地表現(xiàn)出了更好的小氣候調(diào)節(jié)功能, 原因在于定期養(yǎng)護(hù)灌溉的草地因土壤水分充足并使得植被生長(zhǎng)狀況優(yōu)良。此結(jié)論在其他研究中也得到證實(shí), 比如Spronken-Smith 和Oke[12]在美國(guó)Sacramento研究表明, 灌溉綠地有著更大程度的冷島效應(yīng); Coutts 等[34]采用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析城市地表溫度發(fā)現(xiàn), 白天灌溉草地溫度低于干旱草地3—5 ℃; Gill等[40]也認(rèn)為, 相對(duì)于樹木而言, 草地因?yàn)楦枯^淺對(duì)水分虧缺更為敏感, 因而其蒸散功能受抑制的時(shí)間可能會(huì)更早。

該研究結(jié)果表明, 北京奧林匹克公園樹木可使環(huán)境氣溫平均降低1.12 ℃, 濕度增加3.91%。晏海等[41]觀測(cè)北京奧林匹克森林公園內(nèi)植物群落降溫增濕效應(yīng)發(fā)現(xiàn), 樹木群落夏季日均降溫1.6—2.5 ℃, 增濕強(qiáng)度2.9%—5.2%; 紀(jì)鵬等[42]在北京清河兩側(cè)綠化帶內(nèi)觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 喬草結(jié)構(gòu)綠帶夏季白天平均降溫1.7 ℃; 而吳菲等[43]測(cè)定北京市玉淵潭公園內(nèi)溫濕度的結(jié)果表明, 喬灌草樣地夏季降溫效果在0.8—3.0 ℃。該研究結(jié)果稍低于以上相關(guān)研究值, 原因主要是研究區(qū)樹木栽植時(shí)間較短, 群落結(jié)構(gòu)單一, 且以單棵或景觀樹為主, 其小氣候調(diào)節(jié)功能受到制約。因此, 該研究認(rèn)為單棵樹木的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)不如群植樹明顯, 這與Streiling 和 Matzarakis[44]在德國(guó)弗萊堡研究發(fā)現(xiàn)單棵樹下空氣溫度比片林稍高的結(jié)論相一致。

按照觀測(cè)日平均溫度估算, 北京奧林匹克公園水體白天可使環(huán)境氣溫平均降低0.56 ℃。崔麗娟等[29]測(cè)定北京8個(gè)典型濕地小氣候效應(yīng)的結(jié)果表明, 與濕地中心1 km外相比, 夏季濕地可降溫0.2—0.6 ℃; 吳菲等[43]在北京市玉淵潭公園內(nèi)溫濕度的結(jié)果表明, 夏季水體降溫幅度在0.4—2.8 ℃。本觀測(cè)結(jié)果稍低于以上研究結(jié)論, 主要原因是奧林匹克公園內(nèi)龍形人工水系內(nèi)水體流動(dòng)性較差, 較小面積水體樣地也限制了其小氣候調(diào)節(jié)能力[7]。

綜合來看, 北京奧林匹克公園綠地夏季白天平均降低空氣溫度2.41%, 增加相對(duì)濕度5.25%以及提升環(huán)境舒適度1.75%, 公園綠地對(duì)局地小氣候環(huán)境有一定改善作用。盡管這種調(diào)節(jié)作用的幅度有限, 但是對(duì)于夏季酷暑干燥的城市環(huán)境來說, 其熱島緩解作用仍值得關(guān)注[45]。此外, 該研究發(fā)現(xiàn), 公園綠地對(duì)空氣濕度的調(diào)節(jié)作用明顯大于對(duì)空氣溫度與環(huán)境舒適度的影響, 這對(duì)于我國(guó)空氣干燥的北方城市來說比較有利, 而對(duì)于夏季以濕熱為主的南方城市來說, 注重發(fā)揮樹木的遮蔭功能則更為明智。該研究也證實(shí), 公園綠地白天可使空氣溫度平均降低0.84 ℃。Bowler 等[1]基于Meta分析比較了全球51個(gè)研究案例, 發(fā)現(xiàn)公園綠地夏季平均可降溫0.94 ℃; 吳菲等[46]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 北京市8個(gè)公園綠地夏季白天平均降溫1.05 ℃, 說明北京奧林匹克公園綠地的小氣候調(diào)節(jié)能力仍有一定的提升空間。此外, 夏季白天公園樹木的降溫效應(yīng)明顯高于草地和水體, 而水體的增濕效應(yīng)高于草地和樹木, 尤其灌溉型草地的增濕效應(yīng)得到明顯提升。不過公園林地的環(huán)境舒適度優(yōu)于草地和水體, 干旱草地或受到遮擋的小面積水體甚至降低環(huán)境舒適度(圖2), 可見不同綠化形式對(duì)城市小氣候的影響存在明顯差異。Potchter 等[13]研究也證實(shí), 雖然草地對(duì)空氣溫度和地表溫度均能起到降溫作用[47], 但是樹木較多的公園草地的降溫效應(yīng)要高于樹木較少的公園草地。

正確認(rèn)知城市綠地的結(jié)構(gòu)布局對(duì)其生態(tài)功能的影響有助于科學(xué)指導(dǎo)我國(guó)城鎮(zhèn)綠化建設(shè)。不過, 城市綠地調(diào)節(jié)小氣候功能受到太陽輻射、空氣濕度等氣象條件, 以及綠地類型、結(jié)構(gòu)、面積、生物量等多種因素的制約[21,28,45]。該研究是基于北京奧林匹克公園特定的時(shí)間, 以及氣象條件和建筑環(huán)境下的小尺度研究, 公園綠地對(duì)較大尺度城市熱環(huán)境的影響以及這種影響是否僅有綠化所引起尚未有定論[1]。比如Ng 等[48]研究證實(shí), 在高樓林立的香港步行街, 屋頂綠化和地面種草都不能有效降低步行街空氣溫度, 而在新加坡垂直綠化要比低矮地被植物具有更好的降溫效果[9]。因此, 我們有必要對(duì)比研究更多地區(qū)和不同氣象條件下公園綠地的小氣候效應(yīng), 以更好指導(dǎo)不同地區(qū)的綠化建設(shè)與規(guī)劃布局。

圖2 北京奧林匹克公園夏季綠地降溫增濕與人體舒適度效應(yīng)

5 結(jié)論

為定量解析公園內(nèi)部不同綠化配置方式的綠地小氣候調(diào)節(jié)功能差異, 該研究同步觀測(cè)了北京市奧林匹克公園內(nèi)灌溉草地與荒草地、孤植樹與群植樹、水體與空曠地3種綠化配置模式下共12個(gè)典型樣地的微氣象要素, 并評(píng)估分析了公園草地、公園林地和公園水體的小氣候狀況以及對(duì)人體環(huán)境舒適度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 與空曠地相比, 夏季公園草地平均可降溫1.75%、增濕5.06%, 且灌溉草地的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)明顯優(yōu)于荒草地; 其次, 公園林地平均可降溫3.25%和增加濕度3.91%, 群植樹的小氣候效應(yīng)高于孤植樹; 此外, 公園水體的小氣候效應(yīng)表現(xiàn)為平均降溫1.56%和濕度增加8.10%, 且大面積水體的小氣候調(diào)節(jié)效果更好。

可見, 北京奧林匹克公園夏季綠地平均可降溫2.41%和增濕5.25%, 可改善人體環(huán)境舒適度1.75%, 公園內(nèi)林地的小氣候調(diào)節(jié)功能明顯優(yōu)于公園內(nèi)的草地和水體。不過, 公園綠地對(duì)空氣濕度的調(diào)節(jié)作用明顯大于對(duì)空氣溫度與環(huán)境舒適度的影響, 因此對(duì)于我國(guó)空氣干燥的北方城市來說, 利用公園綠地的蒸發(fā)蒸騰過程以積極發(fā)揮其降溫增濕效應(yīng)比較有利, 而對(duì)于夏季以濕熱為主的南方城市來說, 注重發(fā)揮樹木的遮蔭功能則更為明智。此外, 北京奧林匹克公園的綠化建設(shè)還處于完善提升的階段, 其小氣候調(diào)節(jié)能力仍有較大的提升空間。因此, 建議重視群植樹木與大面積水體的建設(shè)與布局, 加強(qiáng)公園草地的灌溉養(yǎng)護(hù), 是有效提升其局地小氣候調(diào)節(jié)功能的重要途徑。

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The summer microclimate of green spaces in Beijing' Olympic Park and their effects on human comfort index

ZHANG Biao1,*, Majid AMANI-BENI1,2, SHI Yunting1,2, XIE Gaodi1

1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Urban green spaces can provide various ecosystem services and environmental benefits, and have been considered as an effective measure to mitigate UHI (Urban Heat Island) through their microclimate regulation. The investigation and empirical researches on the cooling effects of urban parks are necessary to efficiently guide the design and planning of urban green space. This study has conducted a microclimate observation on temperature and relative humidity inside the Olympic Park of Beijing from July to September in 2016, and analyzed their microclimate differences between tree, grass and waterbody. The results indicated that the grassland in the park was on average 1.75% cooler than impervious area during the day, as well as increased air humidity by 5.25%, and the grass irrigation management enhanced the microclimate regulation of grass. The park trees could reduce 3.25% air temperature and increase 3.91% air humidity, respectively; the single tree only generated poor microclimate regulation than cluster trees. The cooling effect of water bodies in the park presented 1.56% temperature decrease and 8.10% humidity increase, and larger area water body could generate better microclimate regulation. In conclusion, the Olympic Park was 2.41% cooler of impervious area during the day, as well as increased air humidity by 5.25% and improved human comfort index 1.75, whereas urban park tree generated more cooling effect than the grass and waterbody in this park. Therefore, we advise urban planners to attach more importance on the cluster tree and larger area of water; in addition, we suggest proper irrigation regime for park's grass in order to take advantage of microclimate regulation of urban parks.

urban green space; microclimate; summer; human comfort index; Beijing's Olympic Park

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.011

X828

A

1008-8873(2018)05-077-10

2017-10-20;

2018-02-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0503403)

張彪(1980—), 男, 山東鄆城人, 博士, 副研究員, 主要從事城市與區(qū)域生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhangbiao@igsnrr.ac.cn

通信作者:張彪, 男, 山東鄆城人, 博士, 副研究員, 主要從事城市與區(qū)域生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhangbiao@igsnrr.ac.cn

張彪, Majid Amani-Beni, 史蕓婷, 等. 北京奧林匹克公園夏季綠地小氣候及人體環(huán)境舒適度效應(yīng)分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(5): 77-86.

ZHANG Biao, Majid AMANI-BENI, SHI Yunting, et al. The summer microclimate of green spaces in Beijing' Olympic Park and their effects on human comfort index[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 77-86.