吳珩，范伶俐,2,3，陳璐瑤，歐陽(yáng)思琪，李欣燁，吳麗琴，黃港珍，劉心怡，沈俊炎

(1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)廣東省高等學(xué)校陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088；3.中國(guó)氣象局-廣東海洋大學(xué)海洋氣象聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088)

引言

在全球變暖的背景下，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市熱島、霧霾增多等問(wèn)題日益突出[1]，影響著人類(lèi)的健康。因此如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施上創(chuàng)造宜人環(huán)境，提高人體舒適度，成為亟需解決的問(wèn)題。校園小氣候特征對(duì)師生的學(xué)習(xí)生活有著重要的影響，國(guó)內(nèi)外已有一些相關(guān)研究。王亞英等[2]通過(guò)對(duì)比分析校外自動(dòng)氣象站和校內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫、濕度資料，明確了綠化環(huán)境對(duì)校園小氣候的影響。德永軍等[3]以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)幾種典型城市下墊面為研究對(duì)象，分析其對(duì)校園小氣候的影響，結(jié)果表明園林草地具有改善和調(diào)節(jié)小氣候的作用。杜嬌嬌[4]發(fā)現(xiàn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施比率高低與校外氣象站的溫度、濕度觀測(cè)值有極顯著的線性回歸關(guān)系。張芯蕊[5]以保定市龍?zhí)豆珗@為例，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和ENVI-met軟件數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，得出植物的栽植對(duì)于調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境起著至關(guān)重要作用的結(jié)論。胡燕安[6]以典型嚴(yán)寒地區(qū)大學(xué)為例，對(duì)比分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和ENVI-met軟件的模擬數(shù)據(jù)，得出微氣候環(huán)境在道路走向與冬季主導(dǎo)風(fēng)向垂直且建筑長(zhǎng)邊平行于道路走向時(shí)是最優(yōu)的結(jié)論。孫長(zhǎng)征等[7]通過(guò)分析氣象因素造成的人體反應(yīng)，闡明人類(lèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到溫、壓、風(fēng)等氣象要素的影響最大。陳紅等[8]研究校園不同布局形式的綠色空間的小氣候特征和人體舒適度，結(jié)果表明圍合型、行列式、開(kāi)敞型綠色空間舒適時(shí)間依次減少。彭海峰[9]發(fā)現(xiàn)喬木+草類(lèi)型的植物結(jié)構(gòu)，降溫增濕作用最為顯著。王穎等[10]發(fā)現(xiàn)校園內(nèi)密林型草地降溫增濕以及對(duì)人體舒適作用明顯。PERERA et al.[11]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定熱指數(shù)，利用ENVI-met進(jìn)行微氣候數(shù)值模擬，表明綠化樹(shù)能使大城市的溫度顯著降低2.07 ℃。另外，岳甲[12]以杭州學(xué)院部分路段為研究對(duì)象，也發(fā)現(xiàn)了綠化帶可以降低空氣溫度2.55 ℃。在上述有關(guān)的小氣候研究中，有基于不同學(xué)校、不同季節(jié)、不同下墊面等獲取的小氣候?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展的統(tǒng)計(jì)分析研究，也有利用數(shù)值模式進(jìn)行的模擬研究，但針對(duì)典型南亞熱帶的校園小氣候特征的研究尚不多見(jiàn)。本研究采用實(shí)地觀測(cè)和模擬兩種方法診斷廣東海洋大學(xué)湖光校區(qū)不同性質(zhì)下墊面的小氣候氣象要素特征，并通過(guò)對(duì)比兩種方式所得到的結(jié)果，判別ENVI-met模型的適用性。實(shí)現(xiàn)在已知大氣環(huán)流條件下，即便不開(kāi)展校園小氣候?qū)嵉赜^測(cè)，也可以通過(guò)數(shù)值模擬的方法，預(yù)測(cè)不同天氣、不同下墊面下舒適度的目標(biāo)，進(jìn)而指導(dǎo)師生學(xué)習(xí)生活。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 研究區(qū)域概述

廣東海洋大學(xué)湖光校區(qū)位于中國(guó)大陸最南端的湛江市，地理位置為21°08′～21°90′N(xiāo)，110°17′～110°18′E，占地約280 hm2[13]，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，瀕臨南海，受海洋氣候影響，氣溫日較差小，空氣濕潤(rùn)[14]，草木常青，終年無(wú)霜雪，炎熱的夏季十分漫長(zhǎng)。本研究觀測(cè)點(diǎn)選取在校園中部，觀測(cè)場(chǎng)地(模擬區(qū)域)東高西低，涵蓋了大王椰子樹(shù)、印度紫檀等5種校園內(nèi)常見(jiàn)樹(shù)種，下墊面以水泥硬化路面、柏油路和草地綠化帶為主，上下課時(shí)段人員密集，具有植被類(lèi)型豐富、下墊面性質(zhì)差異明顯和人流量大的特點(diǎn)。

1.2 觀測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)對(duì)已有關(guān)于小氣候研究[4]的總結(jié)，得出影響小氣候的因素主要為下墊面類(lèi)型、植被類(lèi)型、樹(shù)木與建筑物遮擋等。將校內(nèi)不同場(chǎng)所的環(huán)境和人流量差異作為觀測(cè)點(diǎn)選取依據(jù)，將研究區(qū)域確定在桂樟路與藝林路附近(圖1)。

圖1 研究區(qū)域總平面圖(來(lái)源于Google Earth，數(shù)據(jù)更新時(shí)間：2019年11月)Fig.1 General plane diagram of research area (the data is from Google Earth and updated in November 2019)

三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)自北向南依次分布在南北走向的桂樟路附近，間距約50 m。1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位于第三食堂與學(xué)生公寓“海云”之間的人行道上，下墊面為巖石地磚和混凝土路面，受周?chē)ㄖ锖蛦棠菊趽?，僅能接收一小部分太陽(yáng)輻射，通風(fēng)條件有限。2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位于桂樟路與藝林路的十字路口左上側(cè)，下墊面是混凝土，北側(cè)以10 m為間距種植了單排行道樹(shù)，喬木和建筑的遮擋作用有限(太陽(yáng)高度角較大時(shí))，通風(fēng)條件相對(duì)較好，幾乎全天都能夠接收到太陽(yáng)直接輻射。3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位于學(xué)生公寓“海虹”東側(cè)的草坪中心，場(chǎng)地寬敞，四周有密集的喬木環(huán)繞，無(wú)樹(shù)蔭遮蔽，但太陽(yáng)輻射在日出時(shí)受周?chē)鷨棠菊趽?。觀測(cè)點(diǎn)的選取可以體現(xiàn)出不同性質(zhì)下墊面和遮蔽情況對(duì)局地小氣候的影響，各觀測(cè)點(diǎn)性質(zhì)與特點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)天氣背景

按照氣候?qū)W上的入夏標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)5 d平均氣溫t≥22 ℃，湛江市氣象局[15]官宣，湛江市區(qū)2021年3月11日已成功入夏，故此次觀測(cè)為夏季觀測(cè)。

觀測(cè)時(shí)間為2021年4月12、14、16、19、22、23日，每日07:30—19:00進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，總計(jì)6 d，挑選出具有代表性的多云(12日)、陰天(14日)、雨天(19日)、晴天(22日)四種天氣類(lèi)型進(jìn)行研究。觀測(cè)期間的湛江地區(qū)天氣及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2—4。

1.4 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)區(qū)人體舒適度計(jì)算

研究采用高精度的MC601六要素一體化微型氣象站觀測(cè)距地1.5 m 處的溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速四個(gè)氣象要素。采用定點(diǎn)觀測(cè)法，在校內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)布置測(cè)量?jī)x器，采樣頻率為1次·min-1。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)人體舒適度計(jì)算公式如下：

IHC= (1.818t+18.18)(0.88+0.002f)-
3.2v+18.2+(t-32)/(45-t)

(1)

表1 觀測(cè)點(diǎn)概況

表2 觀測(cè)時(shí)段湛江地區(qū)天氣狀況

表3 觀測(cè)時(shí)段相關(guān)參數(shù)

表4 4月19日降雨時(shí)間記載

其中t為溫度(單位：℃)，f為相對(duì)濕度(單位：%)，v為平均風(fēng)速(單位：m·s-1)。

舒適度指數(shù)對(duì)應(yīng)的人體感覺(jué)如表5所示。

表5 人體舒適度指數(shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的人體感覺(jué)

2 數(shù)值模擬方案

2.1 方案目的

采用ENVI-met模擬小氣候特征[16]，邊界層方案要綜合考慮多種因素[17]。本文按照觀測(cè)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行量化，以探究ENVI-met對(duì)不同天氣、不同下墊面條件下校園小氣候的模擬效果。

2.2 模型量化

使用ENVI-met V4.4.6基礎(chǔ)版對(duì)觀測(cè)場(chǎng)所進(jìn)行模擬，中心位置位于2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)西北側(cè)，面積為250 m×250 m。在水平方向上設(shè)置50×50個(gè)網(wǎng)格，分辨率為5 m。在垂直方向上，以1 m為地勢(shì)分辨率將地勢(shì)分成6層，研究區(qū)域內(nèi)最高建筑(學(xué)生公寓“海月”和“海風(fēng)”)的絕對(duì)高度為26 m，設(shè)置分辨率為2 m的等間距網(wǎng)格40個(gè)。為了確保模型計(jì)算穩(wěn)定性，水平邊界設(shè)置了25 m的邊界緩沖帶。

利用BMP格式建筑圖紙作為參照，繪制建筑和交通要素。通過(guò)衛(wèi)星地圖對(duì)比實(shí)際勘測(cè)，設(shè)置下墊面和植被要素。基于實(shí)地調(diào)研模擬區(qū)域內(nèi)綠色植物的高度、數(shù)量、形態(tài)大小和種類(lèi)等，將具有代表性的喬木分成5類(lèi)，分別是大王椰子樹(shù)、印度紫檀、高山榕、龍眼樹(shù)、芒果樹(shù)和小型樹(shù)種；將植物按高度分成10 cm草地、30 cm地被、40 cm綠籬和60 cm綠籬等4種；下墊面材料選用可以反映出研究場(chǎng)下墊面的差異性的淺色混凝土、壤質(zhì)土和地磚混凝土(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表6)。制得模型如圖2所示。

表6 不同下墊面的相關(guān)參數(shù)

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型主要輸入?yún)?shù)包括地理信息、氣象條件、土壤條件和模式輸出參數(shù)等[18]。本研究選取2021年4月12、14、19、22日06:00作為模擬起始時(shí)間，模擬時(shí)長(zhǎng)為13 h，模擬的初始?xì)庀髤?shù)來(lái)源于湛江地面氣象觀測(cè)站(氣象邊界條件參見(jiàn)表2，附加參數(shù)詳見(jiàn)表3，環(huán)境參數(shù)設(shè)置參見(jiàn)表7)。輸出參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等指標(biāo)，輸出間隔為0.5 h。

圖2 觀測(cè)區(qū)域建模平面圖(a圖為模型中地形、建筑和高大植物的分布，其中深灰色矩形塊表示建筑物，括號(hào)外數(shù)字為絕對(duì)高度，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為建筑高度，綠色圓形色斑表示樹(shù)冠大小，淺綠色方塊表示低地勢(shì)，橙色方塊表示高地勢(shì)；b圖為模型中基礎(chǔ)材料的分布，其中淺灰色表示混凝土材質(zhì)，棕色表示壤質(zhì)土，黑色表示瀝青)Fig.2 Modeling plane of observation area (Fig.2a is for the distribution of terrain, buildings, and tall plants in the model, in which dark gray rectangular blocks represent buildings, the numbers outside the brackets are absolute height, the numbers inside the brackets are building height, green round spots represent canopy size, light green squares represent low terrain, and orange squares represent high terrain; Fig.2b is for the distribution of base materials in the model, in which light gray represents concrete material, brown represents loamy soil, and black represents asphalt)

表7 模型環(huán)境參數(shù)設(shè)置

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1.1 風(fēng)速分析

風(fēng)速是影響人體舒適度的重要指標(biāo)之一，在悶熱的夏季，適宜的風(fēng)速能夠改善人體舒適度。如圖3a、b、d所示，在多云、陰天和晴天下風(fēng)速大小表現(xiàn)為1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)<2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，原因是1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)處于茂密的樹(shù)林內(nèi)部，風(fēng)受喬木的削弱程度要比位于開(kāi)闊路口的2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)大。再者，由于2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)周?chē)?棟建筑物和不完全遮蔽地面的比熱容較小，在相同太陽(yáng)輻射條件下升溫幅度比位于樹(shù)林內(nèi)部和草坪上高，這一溫差造成的氣壓差有利于空氣運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，使局地風(fēng)速增大。1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)和3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)由于受到建筑物或喬木的阻擋，在無(wú)局地湍流影響的情況下，大環(huán)境風(fēng)容易被攔截削弱，故在該3類(lèi)天氣狀況下1號(hào)、3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速不大，差異較小。

在雨天天氣，2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)接收到的太陽(yáng)直接輻射很弱，難以形成熱力差異，3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速大小更多地取決于觀測(cè)時(shí)段的大環(huán)境風(fēng)速。所以由圖3c可以看出，3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化趨勢(shì)和振幅差異都很小。另外，在14:00左右3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了一個(gè)風(fēng)速的極大值，而另外兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)，這可能是周?chē)h(huán)境和瞬時(shí)風(fēng)綜合影響下出現(xiàn)的偶然現(xiàn)象。

由表8可知，在四種天氣下，日平均風(fēng)速都是2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)最大，說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)開(kāi)闊程度對(duì)局地風(fēng)速的影響較大。雨天3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化差異最小，而晴天3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速大小及其變化趨勢(shì)差異較大，說(shuō)明在夏季的晴天，校園環(huán)境開(kāi)闊程度對(duì)小氣候風(fēng)速的調(diào)節(jié)更加明顯。

圖3 四種天氣狀況(a.多云，b.陰天，c.雨天，d.晴天)各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化Fig.3 Variation of wind speed at each observation point under 4 weather conditions (a. cloudy, b. overcast, c. rainy, d. sunny)

3.1.2 溫度分析

在白天觀測(cè)時(shí)段，溫度變化的根本原因是地面接收到太陽(yáng)輻射后，以長(zhǎng)波輻射的形式向大氣提供能量。如圖4所示，溫度整體變化特征為：日出后，溫度先升高再下降，最高溫度出現(xiàn)在13:30—14:30時(shí)段。由于熱力對(duì)流旺盛，云量增多導(dǎo)致太陽(yáng)輻射被云層反射，各觀測(cè)點(diǎn)在11:30—13:00間降溫約1 ℃(圖4b)；07:30—08:30、11:30—12:00、14:30—16:00時(shí)間段內(nèi)溫度都有小幅的下降趨勢(shì)(圖4c)，結(jié)合表3可以看出這幾個(gè)降溫時(shí)段與降水時(shí)段基本吻合，說(shuō)明地面接收的雨水，在蒸發(fā)過(guò)程中吸收熱量造成了溫度下降。

表8 四種天氣狀況各觀測(cè)點(diǎn)日平均風(fēng)速

對(duì)于不同觀測(cè)點(diǎn)而言，在同一天氣條件下，溫度表現(xiàn)為3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)>2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)>1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的特征。3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)周?chē)休^為密集的綠籬和喬木環(huán)繞，從圖3中可看出3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速大小總體上要比2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的小，說(shuō)明其通風(fēng)狀況較差，不利于熱量的擴(kuò)散，故溫度最高。2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)周?chē)鸁o(wú)建筑物和樹(shù)蔭遮蔽，能夠接收到大量的太陽(yáng)輻射，由于該點(diǎn)位于路口，通風(fēng)狀況良好，能夠加快熱量交換，溫度居中。通過(guò)相關(guān)分析(表9)表明，溫度與風(fēng)速存在一定的相關(guān)性，2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)和3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的溫度與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.622和0.554，均通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn)。1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位于多樹(shù)蔭地磚混凝土上，受建筑物和樹(shù)蔭遮蔽的共同影響，接收的太陽(yáng)直接輻射相對(duì)較少，所以溫度最低。此時(shí)風(fēng)速對(duì)其影響小(相關(guān)系數(shù)僅為0.257)。綜上可知，遮蔽情況(云量、樹(shù)蔭等)、通風(fēng)條件為影響溫度變化的主要因素。在夏季時(shí)，同一天氣條件下，溫度呈現(xiàn)出少遮蔭草地>無(wú)遮蔭混凝土>遮蔭地磚混凝土的特征。

表9 各觀測(cè)點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速間的Pearson相關(guān)系數(shù)

圖4 四種天氣狀況(a.多云，b.陰天，c.雨天，d.晴天)各觀測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig.4 Variation of temperature at each observation point under 4 weather conditions (a. cloudy, b. overcast, c. rainy, d. sunny)

圖5 四種天氣狀況(a.多云，b.陰天，c.雨天，d.晴天)各觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度變化Fig.5 Variation of relative humidity at each observation point under 4 weather conditions (a. cloudy, b. overcast, c. rainy, d. sunny)

3.1.3 濕度分析

雨天的濕度日變化(圖5c)與其他3種天氣狀況下不同。在圖5a、b、d中，最大相對(duì)濕度出現(xiàn)在08:00—08:30，最小值出現(xiàn)在13:30—14:30，相對(duì)濕度與溫度的日變化趨勢(shì)相反，兩者相關(guān)系數(shù)均小于-0.9(表9)，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在不同的天氣下，3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均相對(duì)濕度為：1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)>2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)>3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)(圖略)。1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)周?chē)袠?shù)蔭和墻體的遮擋，其相對(duì)較差的通風(fēng)環(huán)境導(dǎo)致空氣中的水汽擴(kuò)散較難，即該點(diǎn)相對(duì)濕度與風(fēng)速相關(guān)性小(相關(guān)系數(shù)為-0.255)，溫度低才是使該點(diǎn)相對(duì)濕度大于另外兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的主要原因。2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)與3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度與風(fēng)速存在一定相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)分別為-0.600和-0.524)，但沒(méi)有相對(duì)濕度與溫度的相關(guān)性強(qiáng)。2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位于桂樟路與藝林路的十字路口，通風(fēng)條件良好，水分的擴(kuò)散好于1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，但2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)溫度較3號(hào)偏低，同樣的空氣水汽含量，隨溫度的上升，相對(duì)濕度下降，溫度的差異致使3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度低于2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。這也說(shuō)明了綠化帶對(duì)濕熱環(huán)境有一定的影響，其中樹(shù)林中的相對(duì)濕度高于其外側(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度[19]。

3.1.4 人體舒適度分析

多云、陰天和晴天時(shí)(圖6a、b、d)，3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)舒適度指數(shù)最大，一度超過(guò)79，說(shuō)明在夏季無(wú)降水情況下少遮蔭草地給人體的舒適感較差。在雨天(圖6c)，3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位的舒適度指數(shù)基本降至75以下，說(shuō)明在夏季，下雨天可以較好地改善人體舒適感。在13:30—14:30時(shí)段中，草地的舒適度指數(shù)一度下降到65以下，通過(guò)分析原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)位于草地的3號(hào)點(diǎn)位在19日(雨天)13:30—14:30出現(xiàn)了瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)3.8 m·s-1的情況，使得草地下墊面散熱加快、相對(duì)濕度減少，人體舒適感得到了更好的改善。

圖6 四種天氣狀況(a.多云，b.陰天，c.雨天，d.晴天)各觀測(cè)點(diǎn)人體舒適度變化(紅色虛線表示舒適度指數(shù)為79)Fig.6 Variation of human comfort index at each observation point under 4 weather conditions (a. cloudy, b. overcast, c. rainy, d. sunny; the red dotted line indicates a comfort index of 79)

3.2 ENVI-met模擬結(jié)果分析

3.2.1 實(shí)測(cè)值和模擬值的相關(guān)分析

利用Pearson數(shù)做實(shí)測(cè)值和模擬值的相關(guān)性分析，結(jié)果如表10所示。由此可見(jiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的相關(guān)性均通過(guò)了0.05的信度檢驗(yàn)，其中模型在多云、陰天和晴天3種天氣條件下的溫度、濕度模擬效果最佳，相關(guān)系數(shù)均大于0.800；模型對(duì)雨天天氣條件下的溫度、濕度模擬效果稍差。實(shí)際情況下，雨水可以通過(guò)滲透入土壤，較快改變下墊面的熱力性質(zhì)。而模型在氣象邊界條件強(qiáng)迫下的風(fēng)場(chǎng)、雨后下墊面熱力性質(zhì)等均與實(shí)際情況存在不可避免的誤差，尤其是對(duì)微小尺度非定常風(fēng)場(chǎng)引起的局地湍流的模擬誤差較大。因此，在不穩(wěn)定天氣條件下，模型對(duì)真實(shí)天氣情況預(yù)測(cè)誤差較大，容易造成數(shù)據(jù)失真；模型在相對(duì)穩(wěn)定的多云、陰天和晴天天氣條件下，能夠有效模擬預(yù)測(cè)真實(shí)天氣，具有參考價(jià)值。

3.2.2 特殊溫度場(chǎng)分析

根據(jù)上文實(shí)測(cè)值和模擬值的對(duì)比分析及相關(guān)系數(shù)，日溫度極大值和濕度極小值出現(xiàn)在14:30左右，而14:30也是學(xué)校一天之中人流量的高峰時(shí)段。12日的多云天氣條件下各觀測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值與模擬值的Pearson相關(guān)系數(shù)較陰天和晴天大，模擬效果最佳。因此，選取12日(多云)14:30模擬的1.4 m處溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖7所示。

表10 四種天氣狀況下各觀測(cè)點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度的實(shí)測(cè)值與模擬值Pearson相關(guān)系數(shù)

圖7 12日14:30在1.4 m高處的溫度(色階，單位：℃)和風(fēng)(矢量，單位：m·s-1)分布平面圖Fig.7 Plane distribution of temperature (color scale, units: ℃) and wind (barb, units: m·s-1) at 1.4 m at 14:30 BST 12

模擬區(qū)域內(nèi)的溫差約1 ℃，但溫度場(chǎng)的空間分布差異較大。冷區(qū)基本位于高大喬木林遮蔽區(qū)，這與高大喬木的種群密度和形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。具有高葉密度的高山榕和擁有大冠幅的印度紫檀吸收、反射了大量太陽(yáng)輻射，大大減小了到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，降低了混凝土地面輻射增溫效應(yīng)；樹(shù)木的蒸騰耗熱，也可以有效降低樹(shù)林內(nèi)部溫度。暖區(qū)主要位于桂樟路與藝林路的交叉路口，呈“十”字形。午后，入射的太陽(yáng)輻射穿透該區(qū)域小冠幅的龍眼樹(shù)，到達(dá)混凝土路面引起增溫。緊湊的建筑群、豐富的地被植物以及東高西低的地形共同削弱了模擬區(qū)域中心的風(fēng)速，使得建筑群接收到太陽(yáng)輻射后，能量的擴(kuò)散較喬木樹(shù)林慢，由此造成建筑群溫度比喬木樹(shù)林區(qū)溫度高。無(wú)樹(shù)蔭遮蔽的草地溫度略低于混凝土路面溫度，甚至比遮蔽下的柏油路面溫度高，主要是由草地低反照率的輻射特性決定的，草地將吸收的更多輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，并加熱了其上大氣。

4 小結(jié)與討論

(1)在此次校園小氣候研究中，通風(fēng)條件對(duì)小氣候特征的影響較大。在夏季無(wú)降水的情況下，因受通風(fēng)條件限制，3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度表現(xiàn)為：少遮蔭草地>無(wú)遮蔭混凝土>遮蔭地磚混凝土。相對(duì)濕度表現(xiàn)為：遮蔭地磚混凝土>無(wú)遮蔭混凝土>少遮蔭草地。

(2)建筑物和綠化布局會(huì)影響局地小氣候特征從而影響人體舒適度，綠蔭可以減少到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射，進(jìn)而影響溫度；良好的通風(fēng)有利于水汽、熱量的擴(kuò)散；下墊面熱力性質(zhì)差異有助于局地空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。因此，在兼顧遮蔭和通風(fēng)的同時(shí)，合理密植高大的綠化林可以有效降低夏季地面溫度。

(3)ENVI-met模型在熱帶穩(wěn)定變化的天氣下模擬效果較好，基于模型預(yù)測(cè)校園小氣候特征以指導(dǎo)師生出行具有可行性。通過(guò)提高空間分辨率、增加預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)、設(shè)定更精確的氣象邊界條件等可以進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。因此，未來(lái)在模型設(shè)計(jì)上還有優(yōu)化的空間。由于客觀現(xiàn)實(shí)環(huán)境因素之間的影響錯(cuò)綜復(fù)雜，在不斷優(yōu)化模型的同時(shí)也不能過(guò)分依賴模型，還需結(jié)合一定的實(shí)地觀測(cè)才能更好地預(yù)測(cè)小氣候。