潘劍彬 史川 黃田田 朱丹莉

全球范圍的氣候變化以及城市化進程加快背景下，城市區(qū)域極端熱事件的強度、頻率和持續(xù)時間顯著加劇。城市建成區(qū)內(nèi)大體量人工建、構(gòu)筑物，大面積的道路場地等硬質(zhì)鋪裝區(qū)域，以及人類生產(chǎn)、生活過程排放的溫室效應(yīng)氣體、可吸入細顆粒物以及人工熱源等的綜合效應(yīng)致使城市中心區(qū)域地表晝夜溫度均顯著高于近郊區(qū)域，形成“城市熱島”。該現(xiàn)象在城市空間區(qū)域的存在不僅會降低城市區(qū)域的人體感熱舒適度（human thermal comfort, HTC，簡稱體感舒適度），也不利于城市可持續(xù)發(fā)展及人居環(huán)境質(zhì)量的提高[1-3]。目前已有研究主要聚焦于在城市綠地、城市街區(qū)及城市區(qū)域尺度上描述城市熱環(huán)境特征并分析相關(guān)影響因素。已有研究認為：基于自然解決方案的城市綠地構(gòu)建、城市土地利用方式調(diào)整[3-5]，城市化區(qū)域、（較大面積的）自然水域及林地植物群落覆蓋度[6-8]等因素優(yōu)化能夠有效改善城市地表溫度[9-14]。城市尺度研究的數(shù)據(jù)獲取方法主要是基于高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的解譯及反演[15-16]。有學(xué)者以中國183個重點城市1990—2016年夏季熱環(huán)境因子為研究對象，闡釋快速城市化進程中的城市熱環(huán)境時空演變驅(qū)動機制[17]，包括城市中公園綠地群落結(jié)構(gòu)和景觀格局異質(zhì)性特征[18-20]以及建筑（群）空間形態(tài)、容積率[21-22]。另有學(xué)者在新加坡以及中國南京和長春等地開展的相關(guān)研究也進一步驗證了上述結(jié)論[23-26]。由上述研究可知，城市公園綠地主要構(gòu)成要素（林地、草地等）及范圍內(nèi)的水體面積、形狀指數(shù)是改善城市熱環(huán)境的決定性因素[8,16]。城市綠地尺度研究較通用的數(shù)據(jù)獲取方法是定點實測以及基于實測數(shù)據(jù)的空間插值和數(shù)值模擬技術(shù)[20-22,27]。

由此可知，城市尺度熱環(huán)境的研究主要從定量化角度描述城市空間形態(tài)特征與城市熱島強度的空間相關(guān)性，從而服務(wù)于城市經(jīng)濟與社會發(fā)展及物質(zhì)空間規(guī)劃等[1-6,8-12]。而城市綠地尺度熱環(huán)境的研究較多關(guān)注影響城市熱島強度的相關(guān)因素，例如在林地、水域、草坪及硬質(zhì)鋪裝等景觀空間格局因素影響下，城市公園綠地區(qū)域熱環(huán)境存在某種空間分異特征，但目前基于這一視角以城市綠地空間內(nèi)部景觀異質(zhì)性與體感舒適度相關(guān)關(guān)系角度開展的定量化研究相對不足。

體感舒適度是與建筑室內(nèi)或城市開放空間熱環(huán)境相關(guān)，以數(shù)字化方式定量描述人在風(fēng)景園林客觀環(huán)境中的主觀感受，兼具主客觀因素以及一系列復(fù)雜因素的評價指標。因評價對象、評價指標本身的復(fù)雜特征以及研究目的的差異性，相關(guān)研究中用到的體感舒適度評價方法有多種，目前有人體舒適度指數(shù)（comfort index of human body）[17]、濕球黑球溫度（wet-bulb-globetemperature, WBGT）指標[19]、生理等效溫度（physiological equivalent temperature, PET）指標[22]、預(yù)測平均投票數(shù)-預(yù)測不滿意百分比（predicted mean vote -predicted percentage of dissatisfied, PMV-PPD）熱舒適度指標[20-21,25]、不舒適指數(shù)（discomfort index, DI）[27]等。上述舒適度指標中，以DI、WBGT指標、PET指標建立的數(shù)學(xué)模型體系均全部或較大權(quán)重依賴客觀環(huán)境數(shù)據(jù)，對體感舒適度重要組成部分的主觀數(shù)據(jù)（環(huán)境舒適度滿意度，例如因性別、過往經(jīng)驗或身體狀況的差異造成的同一環(huán)境下的體感舒適度差異）關(guān)注不足甚至直接忽略。PMV-PPD熱舒適度指標評價方法被提出并應(yīng)用于主動進行環(huán)境舒適度調(diào)控的封閉、半封閉空間（空調(diào)列車廂、飛機機艙等）的舒適性分析。近年來，有學(xué)者嘗試將該方法應(yīng)用于評價北京、南京等城市建筑室外開放空間的體感舒適度研究中[20-21,25]。

本研究以北京奧林匹克森林公園綠地為研究對象，選定典型植物群落結(jié)構(gòu)、群落類型及景觀環(huán)境樣點區(qū)域，基于PMV-PPD體感舒適度指標，闡釋城市綠地區(qū)域體感舒適度水平的空間分異特征。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京奧林匹克森林公園（簡稱奧森公園），位于北京城市建成區(qū)。奧森公園總占地面積680 hm2，綠地范圍南起北京奧林匹克公園及科薈路，橫跨北五環(huán)路后北至清河，東至安立路，西至林萃路。2005—2022年，筆者研究團隊對該公園綠地的關(guān)注自早期的規(guī)劃設(shè)計階段直至建成后使用階段。研究內(nèi)容不僅包括奧森公園綠地的規(guī)劃設(shè)計，還持續(xù)關(guān)注其建成后風(fēng)景園林微環(huán)境效益的有效性和高效性。

1.2 研究方法

1.2.1 綠地植物群落模式化劃分

本研究依據(jù)奧森公園設(shè)計之初的植物景觀空間設(shè)計理念，延續(xù)并進一步優(yōu)化前期研究方法，將該公園綠地內(nèi)植物群落結(jié)構(gòu)、類型進行模式化區(qū)分。綠地植物群落按照結(jié)構(gòu)劃分為喬-灌-草型（tree - shrub - grass，簡稱TSG）、喬-灌型（tree - shrub，簡稱TS）、喬-草型（tree - grass，簡稱TG）、灌-草型（shrub - grass，簡稱SG）、草坪/地被型（grass/ground cover，簡稱G）5種；按照類型劃分為常綠針葉型（coniferous，簡稱C）、針闊葉混交型（coniferous and broadleaved mixed，簡稱CB）、落葉闊葉型（deciduous broadleaf，簡稱DB）、灌叢型（shrub，簡稱S）、草坪/地被型（grass/ground cover，簡稱G）5種；按照典型景觀環(huán)境劃分為復(fù)層結(jié)構(gòu)（multi-layer，簡稱ML，包括喬-灌-草型）、雙層結(jié)構(gòu)（double-layer，簡稱DL，包括喬-灌型、喬-草型、灌-草型）、單層結(jié)構(gòu)（singlelayer，簡稱SL，包括草坪/地被型）、濱水廣場（water square，簡稱WS）以及濱水（waterfront，簡稱W）5種；對比樣點為CK[14]。

1.2.2 樣點及對比樣點設(shè)置

本研究利用棋盤式取樣法在奧森公園綠地內(nèi)選定17處實測試驗樣點（系2008年公園建成后定點，表1）。2處對比樣點分別位于試驗公園綠地南門向南約1 km和2 km處的鋪裝廣場[27]。

表1 奧森公園綠地試驗樣點植物群落生物特征Tab.1 Biological characteristics of plant communities in the sample points of green space in BOFP

1.2.3 試驗方法

試驗儀器為6臺SWEMA Y-Boat-R多功能在線環(huán)境檢測系統(tǒng)（30通道），可同時并線采集及存儲空氣溫度、輻射溫度、風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，并同步測定空氣相對濕度、壓強差、熱通量等參考數(shù)據(jù)，每個指標數(shù)據(jù)設(shè)定3個重復(fù)；試驗時間為2022年8月10—20日，試驗期間天空云量不高于30%且靜風(fēng)（風(fēng)速在4 m/s以內(nèi)）。

定點實測中，試驗儀器自動記錄并存儲測定人行高度（1.3～1.5 m）試驗數(shù)據(jù)。在內(nèi)業(yè)試驗數(shù)據(jù)分析中，將試驗期間08：00—18：00每隔10 min自動記錄數(shù)據(jù)（合計76次）的算術(shù)平均值作為日均值；將試驗期間08：50—09：10（08：50、08：55、09：00、09：05、09：10共5次取值，以下同）、13：20—13：40、17：20—17：40每隔5 min自動記錄數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值分別作為上午瞬時值、中午瞬時值和下午瞬時值。以對比樣點08：00—18：00試驗期間數(shù)據(jù)平均值作為本底體感舒適度數(shù)據(jù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析方法

PMV-PPD體感舒適度指標相關(guān)說明及釋義可見GB/T 18049—2017《熱環(huán)境的人類工效學(xué)》[28]。PMV-PPD指標對應(yīng)ASHRAE熱感覺7級指標，從冷到熱取值為[-3，3]，分別代表熱感覺：冷感不舒適（PMV≤-3）、冷感舒適（-3＜PMV≤-2）、微涼（-2＜PMV＜-1）、適中（-1≤PMV≤1，其中0≤PMV≤1為暖感適中，-1≤PMV＜0為涼感適中）、微暖（1＜PMV＜2）、熱感舒適（2≤PMV＜3）、熱感不舒適（PMV≥3）。PMV和PPD計算式為：

其中

式中：PPMV為預(yù)計平均熱感覺指數(shù)；M為熱環(huán)境中從事一定活動類型（本研究為有氧運動，例如快走、慢跑、健身舞等）的人體代謝率，單位為W/m2；W為外部做功消耗的熱量（參考已有研究，本參數(shù)可忽略不計），單位為W/m2；Icl為服裝熱阻，單位為m2· K/W（本研究背景服裝設(shè)定為長褲、襯衣/T恤、鞋襪，系數(shù)取值為0.110 m2· K/W）；fcl為正常著裝時人的體表面積（例如面部、頭部等）與裸露時人的體表面積之比；ta為空氣溫度，單位為℃；tr為平均輻射溫度，單位為℃；var為相對風(fēng)速，單位為m/s；P為水蒸氣分壓，單位為Pa；hc為對流換熱系數(shù)，單位為W/（m2· ℃）；tcl為服裝表面溫度，單位為℃。其中，hc和tcl可由公式迭代得出。PPMV可由代謝率、服裝熱阻、空氣溫度、平均輻射溫度、風(fēng)速等參數(shù)得出[28]。

由式（2）可知，當PPMV值為0時，PPPD值并不為零（5%），這是因為雖然客觀環(huán)境已達最佳舒適狀態(tài)，但體感舒適度實際受到生理、心理等主客觀多重因素影響，所以仍有5%的人會感到不滿意[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同公園綠地植物群落類型區(qū)域的體感舒適度差異

本研究對不同綠地植物群落類型區(qū)域體感舒適度瞬時值和均值進行比較（圖1）。上午瞬時的所有群落類型區(qū)域均呈現(xiàn)較舒適的特征，其中灌叢型、草坪/地被型群落區(qū)域表現(xiàn)為“暖感適中”，而常綠針葉型、落葉闊葉型和針闊葉混交型群落區(qū)域表現(xiàn)為“涼感適中”。前者群落類型區(qū)域“暖感適中”產(chǎn)生的原因可能是其范圍內(nèi)的空氣受太陽直接輻射升溫，而后者由于冠層郁閉升溫較慢所致，但其中常綠針葉型群落結(jié)構(gòu)區(qū)域因樹木規(guī)格尚小并沒有顯著的冠層覆蓋，現(xiàn)場觀察太陽直接輻射較強，但其區(qū)域環(huán)境仍呈現(xiàn)“涼感適中”，原因尚待進一步研究。中午瞬時和下午瞬時結(jié)果特征接近，中午瞬時至下午瞬時熱感覺持續(xù)增加。中午瞬時尚有部分群落類型區(qū)域熱感覺呈現(xiàn)為“微暖”，但下午瞬時所有群落類型區(qū)域均呈現(xiàn)為“暖感舒適”。日均值呈現(xiàn)的結(jié)果特征中，落葉闊葉型群落區(qū)域體感舒適度為“微暖”，而其他群落類型區(qū)域為“暖感舒適”。

1 綠地植物群落類型區(qū)域體感舒適度PMV of green space plant community type areas

2.2 不同公園綠地植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域的體感舒適度差異

本研究對不同綠地植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域體感舒適度瞬時值和均值進行比較（圖2）。上午瞬時的喬-草型、喬-灌型、灌-草型、草坪/地被型群落結(jié)構(gòu)區(qū)域體感舒適度水平均較高，有所不同的是喬-草型和喬-灌型群落結(jié)構(gòu)區(qū)域表現(xiàn)為負值的“涼感適中”，而灌-草、草坪/地被型區(qū)域表現(xiàn)為“暖感適中”，出現(xiàn)這一現(xiàn)象可能是由于該時段灌-草型和草坪/地被型植物群落區(qū)域直接受太陽輻射，升溫較快，而喬-灌型和喬-草型結(jié)構(gòu)區(qū)域因為喬木冠層覆蓋，陽光不易直接照射到林下，從而導(dǎo)致空氣升溫較慢。同時，對比樣點也呈現(xiàn)出升溫較快的特征，其區(qū)域表現(xiàn)為“暖感適中”。中午瞬時和下午瞬時所呈現(xiàn)的結(jié)果非常接近，主要表現(xiàn)為從中午瞬時至下午瞬時熱感覺逐漸增加，試驗時間結(jié)束前后表現(xiàn)為“熱感不舒適”。日均值主要呈現(xiàn)2類結(jié)果特征：喬-草型、喬-灌型植物群落區(qū)域的體感舒適度基本處于“微暖”水平，而喬-灌-草型、灌-草型和草坪/地被型植物群落區(qū)域體感舒適度水平為“熱感舒適”。前者可能是因為有喬木冠層遮擋，林內(nèi)太陽直接輻射強度和空氣相對濕度被控制在一定的范圍內(nèi)，林內(nèi)植被層較少，有利于空氣在水平及垂直方向流動，因而體感較舒適；而喬-灌-草型植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域雖有喬木冠層覆蓋，但林內(nèi)空間有限，空氣流動受限，從而導(dǎo)致空氣濕度和熱量較難散失，灌-草型和草坪/地被型植物群落區(qū)域雖通風(fēng)條件較好，但強烈的太陽直接輻射是造成熱感覺強烈的根本原因。

2 綠地植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域體感舒適度PMV of green space plant community structure areas

2.3 不同公園綠地典型景觀環(huán)境區(qū)域的體感舒適度差異

本研究對不同綠地典型景觀環(huán)境區(qū)域體感舒適度瞬時值和均值進行比較（圖3）。上午瞬時的所有群落類型區(qū)域均呈現(xiàn)較舒適的特征，其中復(fù)層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和濱水植物群落區(qū)域為“涼感適中”，而單層結(jié)構(gòu)、濱水廣場植物群落區(qū)域為“暖感適中”。因本節(jié)研究中的復(fù)層結(jié)構(gòu)即喬-灌-草結(jié)構(gòu)，所以該章節(jié)結(jié)果與2.2節(jié)數(shù)據(jù)分析結(jié)果相同。中午瞬時值和下午瞬時值呈現(xiàn)的結(jié)果非常接近，主要表現(xiàn)為典型景觀環(huán)境區(qū)域熱感覺均有所增加或浮動在“熱感舒適”至“熱感不舒適”的閾值范圍（2≤|PMV|≤3）。日均值結(jié)果顯示，多層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和濱水3種景觀環(huán)境的體感舒適度為“熱感舒適”，濱水區(qū)域呈現(xiàn)與雙層結(jié)構(gòu)區(qū)域近似的特征，原因可能是臨近水體的開放環(huán)境更加有利于通風(fēng)；單層結(jié)構(gòu)和濱水廣場2種景觀環(huán)境的體感舒適度則為顯著的“熱感不舒適”，原因同樣是太陽直接輻射強度較強所致。

3 綠地典型景觀環(huán)境區(qū)域體感舒適度PMV of typical green space landscape environment areas

3 討論

3.1 公園綠地植物群落類型區(qū)域的體感舒適度空間分異

落葉闊葉型植物群落區(qū)域的體感舒適度要高于其他類型植物群落，原因可能與落葉闊葉樹較高的生化作用效率有關(guān)，但需進一步研究。北京地域位于兩種植被類型（針闊葉混交型和落葉闊葉型群落）的交錯地帶，而北京市區(qū)所在的平原區(qū)植被類型以落葉闊葉型為主，是鄉(xiāng)土植被類型。而在這一植被類型的樹種構(gòu)成中，楊、柳、榆、槐、椿、槭等鄉(xiāng)土植物占據(jù)較大比重，有此類植物組成的試驗樣點的體感舒適度水平值得關(guān)注。位于奧森公園北園的P試驗樣點是由銀杏和下層草本構(gòu)成的喬-草雙層結(jié)構(gòu)植物群落，該樣點的體感舒適度較差，這可能由于銀杏不屬于北京鄉(xiāng)土樹種，其生長勢有限或不具備較大、郁閉度較高的冠層。

3.2 公園綠地植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域的體感舒適度空間分異

根據(jù)已有研究，城市綠地植物群落區(qū)域三維綠量與溫度、相對濕度及PMV指數(shù)之間具有一定相關(guān)關(guān)系[15,21]。本研究中的喬-灌-草復(fù)層植物群落結(jié)構(gòu)相對其他結(jié)構(gòu)類型具有較高三維綠量，這雖有利于降低熱島效應(yīng)強度，但根據(jù)不同植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域的體感舒適度差異分析結(jié)果，該區(qū)域的體感舒適度并不高，該結(jié)果與他人研究并不完全一致[21]?；谠摻Y(jié)果，筆者認為，在風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計實踐中，城市環(huán)境中熱島效應(yīng)強度較高的地區(qū)可以采用喬-灌-草復(fù)層植物群落結(jié)構(gòu)形式，但若在其中或周邊設(shè)計活動場地時則要控制上層喬木的冠層郁閉度和林間灌木的覆蓋率，以增加該群落環(huán)境的通風(fēng)、透光特征，充分發(fā)揮該植物群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

本研究中喬-灌和喬-草結(jié)構(gòu)的雙層植物群落區(qū)域相較于其他群落結(jié)構(gòu)區(qū)域具有最高的體感舒適度，原因可能有3個方面：1）喬木冠層充當“緩沖帶”的作用，能夠攔截較高強度的太陽直射光進入林內(nèi)，同時對林內(nèi)溫度有一定控制作用[20]；2）由于林木冠層葉片的蒸騰作用，林內(nèi)空氣相對濕度也能夠控制在一定的范圍內(nèi)[16,18]；3）因為缺少林間植被層，林內(nèi)及林下區(qū)域的空氣水平及垂直流動也能對體感舒適度進行適當調(diào)控，但冠層郁閉度與體感舒適度之間的定量化關(guān)系仍需進一步研究。

3.3 公園綠地典型景觀環(huán)境區(qū)域的體感舒適度空間分異

綠地典型景觀環(huán)境與體感舒適度的相關(guān)關(guān)系研究實際上是對植物群落類型和結(jié)構(gòu)的體感舒適度差異的多視角驗證，得出了跟植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域的體感舒適度差異研究相近的結(jié)果，即雙層植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域具有較高的體感舒適度。濱水植物群落區(qū)域的體感舒適度也較高，因為同時具備上層喬木遮陰及通風(fēng)條件[20,26,29]。在風(fēng)景園林實踐中，較大體量的面狀水體一直是缺水的北方城市的“稀缺景觀資源”。奧森公園綠地內(nèi)的景觀水體屬于人造水體，只有在綠地面積足夠大、投資足夠充裕的情況下方具備營建條件。所以本研究得出的濱水植物群落區(qū)域具有較高的體感舒適度這一結(jié)論實際上對于實踐應(yīng)用的意義有限，其價值則在于通風(fēng)條件有益于改善體感舒適度，通風(fēng)條件則源于“導(dǎo)風(fēng)”甚至“造風(fēng)”，但這一實踐的相關(guān)科學(xué)依據(jù)仍有待于進一步完善。

4 結(jié)論

奧森公園是按照北京淺山、平原區(qū)自然植物群落組成原則建設(shè)的城市森林公園。奧森公園的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)過程，也是中國園林始終遵循的“師法自然”設(shè)計原則的實踐過程。這個過程的結(jié)果是什么？需要科學(xué)的試驗和分析來提供對這一過程的反饋和驗證。自2005—2022年，奧森公園試驗樣點區(qū)域的植物群落結(jié)構(gòu)、典型及生長過程都被筆者研究團隊持續(xù)關(guān)注和詳細記錄，既包括植物群落三維綠量、冠層蓋度及郁閉度等信息，也包括植物群落主要優(yōu)勢種的高度、直徑、樹冠高度等信息。最主要的是在開展這些基礎(chǔ)性工作的同時，連續(xù)實測記錄并分析了試驗樣點區(qū)域的一系列風(fēng)景園林微環(huán)境指標。上述過程實際上是對“師法自然”的城市綠地微環(huán)境效益的檢驗過程。本研究基于在奧森公園綠地典型植物群落結(jié)構(gòu)、類型區(qū)域的布點實測以及對比分析，結(jié)果如下：1）落葉闊葉型植物群落區(qū)域的體感舒適度水平高于常綠針葉型/針闊葉混交型、草坪/地被及灌叢群落類型區(qū)域；2）喬-灌型以及喬-草型植物型的雙層植物群落結(jié)構(gòu)區(qū)域體感舒適度水平高于其他群落結(jié)構(gòu)（含草坪/地被型、灌-草型以及喬-灌-草型）區(qū)域；3）典型景觀環(huán)境中，雙層結(jié)構(gòu)區(qū)域的體感舒適度水平顯著高于復(fù)層結(jié)構(gòu)、單層結(jié)構(gòu)及濱水區(qū)域。本研究成果既是筆者所在研究團隊城市綠地風(fēng)景園林微氣候相關(guān)研究的重要組成部分，也是后續(xù)深入研究開展的基礎(chǔ)。另外，本成果為基于改善城市環(huán)境舒適度為目的的城市綠色空間規(guī)劃設(shè)計及更新提供科學(xué)依據(jù)。

但本研究仍存在以下局限：1）因北京奧森公園綠地所處地域及城市的地理、氣候特征，公園綠地的山水格局特征以及地域性綠地植被種類組成及數(shù)量、動態(tài)生長等因素影響，公園綠地的微環(huán)境效應(yīng)具有顯著的時空分異性特征，本研究結(jié)論僅適用于北京城市或地區(qū)，其普適性仍需進一步檢驗；2）使用PMV-PPD模型方法應(yīng)用于具有開放性和復(fù)雜體系特征的城市綠地，雖得出的部分研究結(jié)論與其他研究較接近，但仍需進一步檢驗；以及本研究沿用筆者團隊前期研究方法中的模式對北京奧森公園綠地植物群落空間結(jié)構(gòu)、類型劃分，可能對結(jié)果有重要影響的異質(zhì)性信息缺少關(guān)注，因而結(jié)論具有一定的局限性，需要后續(xù)接受更多的評議與檢驗。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

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