校园绿色空间布局对微气候的效应研究

梁 涛， 何瑞珍， 陈珂珂， 田国行

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

校园绿色空间布局对微气候的效应研究

梁 涛， 何瑞珍， 陈珂珂， 田国行

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

本研究以河南农业大学校园为例选取了3个具有不同绿色空间布局形式的测量样点，在人行高度上进行了9 d的风速、风向、温度、湿度、热辐射的数据采集。通过对实测数据分析，秋季静风天天气下，半围合式绿色空间布局的风速、风向变化小于开敞空间和行列式绿色空间布局；相比于其他布局形式，半围合式布局降温1.41 ℃、增湿4.08%、降低辐射119.25 W·m-2，对微气候的改善有明显效果。

微气候;绿色空间布局;校园环境

快速的城市化进程改变了气候下垫面的粗糙度，影响了城市局部绿色空间的微气候。通过规划控制城市规模和城市冠层的几何特征成为亟须研究的问题。气象学中通常会根据空间尺度的不同将气候分为大气候、中气候、局地气候和微气候[1]。微气候是指在小尺度范围内的气候状况，包括风环境、温度、相对湿度和太阳辐射等气候因子，这些气候因子通常会受到大气与下垫面之间的热过程变化的影响[2-5]。绿色空间布局形式的不同会引起粗糙度的改变进而影响居住区内的风环境的改变[6]。绿色空间中的植物群落在改变小区域的地表热平衡状况[7-8]、增湿降温效应[9]和缓解热岛效应[10]方面有显著的作用。校园是师生工作、学习和生活的场所，其绿色空间布局及微气候受到众多学者关注。宋培豪[11]在对比校园集中式和分散式两种不同的绿地布局形式中发现，集中式绿地布局形式的降温效果要优于分散式，同时验证了ENVI-met模拟的准确性；陈墅香[12]在研究校园不同形态大小湿地斑块的微气候效应时得出，大斑块的微气候效应要优于小斑块和廊道斑块的微气候效应，同时用PHOENICS软件作模拟验证；GAO[13]在对英国雷丁大学校园微气候进行长达1年的观测后，通过主成份分析的方法得出，绿地率和建筑布局形式是影响校园微气候环境的主成份。前人的研究多数是在数值模拟状态下进行的，本研究通过对河南农业大学校园里具有不同绿色空间布局特点的测量样点进行人行高度的微气候实测，分析河南农业大学校园不同的绿色空间布局对微气候的影响。采集了长时间不间断的微气候数据,分析不同绿色空间布局形式下的微气候效应，对试验采集得到的不同绿色空间布局的风环境、空气温度、相对湿度和辐射进行分析，较大程度地保证了微气候测量的客观性。

1 研究区概况和研究方法

1.1研究区概况

河南农业大学文化路校区位于郑州市金水区文化路与农业路交汇处，处于郑州市的中心城区。郑州市位于(东经112°42′～114°13′，北纬34°16′～34°58′)，气候类型为北温带大陆性季风气候，春季盛行风向是东南风，年平均气温为14.0～14.3 ℃,年平均降雨量约为640.9 mm，主要的气候特点为春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雪。选取测量样点主要考虑：建筑布局形式具有典型性；建筑功能的单一性；绿色空间中的植物群落对微气候的影响；校园总体的外部气象条件较一致，减少其他变量的影响。在校园中分别选取了机电工程学院花园、3号教学楼西侧樱花走廊、牧医工程学院楼前绿地3个地点布设测量点(图1)，其中机电工程学院花园的布局形式为半围合式的绿色空间布局，3号教学楼西侧樱花走廊布局形式为行列式的绿色空间布局，牧医工程学院楼前绿地为乔灌草植物群落开敞空间布局。

1.2研究方法

测量仪器采用北京雨根科技有限公司生产的RR-9150五要素环境自动监测系统(表1)

对3个测量点进行了9 d(2016-09-29—2016-10-07)的监测，监测站每小时收集1次测量点人行高度1.8 m处(数据收集过程中，监测站高度一直保持不变)的风速、风向、温度，湿度，热辐射的瞬时数值。各测量点的绿色空间布局特点如表2所示。

图1 校园中测量样点分布图Fig.1 Layout of the measurement site

测试参数Testparameter测试仪器Testinstrument仪器精度Instrumentaccuracy采样方式Samplingmethod采样间隔/minSamplinginterval空气温湿度AirtemperatureandhumidityAV-10TH空气温湿度传感器空气温度±0．6℃相对湿度±0．01%自动10风速WindspeedAV-30WS风速传感器±(0．1%读数+0．05%量程)自动10风向WinddirectionAV-30WD风向传感器-自动10太阳辐射强度SolarradiationintensityAV-20P太阳辐射传感器(0～1000W·m-2±1．5%)自动10

表2 各样点绿色空间布局比较Table 2 Comparison of the green space layout

在数据处理过程中采用比较各个微气候要素的日平均值和极值的分析方法。通过比较瞬时风速的平均值和每日风速最大值来反映风速变化情况，不同绿色空间布局的风向变化情况由测量点的风玫瑰图表示，同时对风速的测量结果做差异显著性分析；比较不同绿色空间布局的样点每天的温度从最小值升至最大值所用时间的长短，定义为温度变化率K

(1)

式中：K为温度变化速率；ΔT为当日温度的最低值与最高值的差值；Δt为当日温度由最低值升至最高值所用的时间。

对温度的测量结果做主体间效应的分析；分析湿度和辐射变化情况同样采取比较日平均值和极值的方法，并对湿度和辐射的测试结果分别做主体间效应的分析和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1不同绿色空间布局的风速、风向

对2016-09-29—2016-10-07的风速数据进行分析，得到各个样点的风速日均值和最大值，各样点在此期间的风向变化规律，如图2所示。

从图2、表3对各样点的风速分析中可知，不同绿色空间布局的样点间的风速日均值、风速最大值都存在显著性差异。行列式绿色空间布局形式的3号教学楼样点，由于它的建筑布局形式是行列式,与西侧的图书馆形成“街道峡谷”，所以风速最大值较多地出现在3号教学楼样点；半围合式绿色空间布局形式的机电工程学院花园样点的建筑布局形式是半围合式，所以无论是风速的最大值还是风速日均值都是三者中最小的；开敞空间布局的牧医工程学院楼前绿地样点影响风速的主要因素是绿地中的乔灌草的植物群落，风速变化程度较为平缓，风速最大值和日均值都处于居中的位置。

从2016-09-29—2016-10-07各样点风向变化规律分析结果可知：建筑布局形式为半围合式的样点的风向变化最不明显，样点处的风速较小，风速变化也最为平稳；绿色空间布局形式为开敞空间的，由于缺乏建筑物遮挡，风向变化最为剧烈，风向常常在一天中产生较大波动；行列式绿色空间布局样点的风向变化起伏程度低于开敞空间样点，高于半围合式样点，处于居中位置。通过比较不同绿色空间布局样点的风速均值，风速最大的开场空间的风速要比风速最小的半围合式布局的大0.31 m·s-1；风速的极大值出现在行列式布局中为1.41 m·s-1，极小值出现在半围合式布局为0 m·s-1。

图2 风环境实测结果Fig.2 Field studies of wind environments

指标Index风速日均值/(m·s-1)Averagewindspeedperday风速最大值/(m·s-1)Maxwindspeedperday齐性检验Leven统计量3．6222．391Homogeneitytest显著性0．0420．113方差分析F检验3．8254．149Varianceanalysis显著性0．036∗0．028∗

注：*表示在0.05水平上显著相关。同下。

Note:At 0.05 level on the significant positive correlation.The same as below.

2.2不同绿色空间布局的空气温度

对2016-09-29—2016-10-07的温度数据进行分析，得到不同绿色空间布局的样点每天的温度从最小值升至最大值所用时间的长短(图3)，分析其温度变化速率和各样点绿色空间布局之间的相互关系。

通过公式(1)计算可得(表4)，半围合式绿色空间布局的K围=0.618 1；行列式绿色空间布局的K行=1.032 1；乔灌草植物群落开敞空间布局的K植=1.205。从图3中可以看出：最低温度一般都出现在凌晨0:00-7:00，最高温度出现在下午13:00-15:00。半围合式绿色空间布局的样点相较于其他样点从最低温度升至最高温度需要更长时间，这与建筑阻挡，使平流影响减少，局地小气候特征充分展现有关；行列式绿色空间布局形式的样点，温度从最低升至最高用时最短，这与平流不被阻挡，局地小气候被掩盖掉有关；开敞空间的绿地植物群落为配置丰富的乔灌草组合，绿化程度高、效果好，是3种布局形式中温度波动最平缓的。通过比较不同绿色空间布局样点的温度均值，温度最大的开场空间的温度要比温度最小的半围合式布局的大1.41 ℃；温度的极大值32.39 ℃出现在开敞空间中，极小值13.55 ℃出现在半围合式布局中。

图3 不同绿色空间布局的温度变化速率Fig.3 Change rate of temperature in different green space layout

对温度变化的情况与绿色空间布局形式之间做主体间效应的检验分析(表5)可知，不同绿色布局的温度变化情况具有显著性差异，尤其是在温度变化率的对比中体现得最为明显。

表4 温度变化速率计算结果Table 4 Change rate of temperature

表5 温度主体间效益的检验分析结果Table 5 Test of inter subjective effect in temperature

2.3不同绿色空间布局的相对湿度、辐射

对2016-09-29—2016-10-07的湿度、辐射数据进行综合分析，分别将各个样点每一天的湿度、辐射的最大值、最小值、日均值进行比较(图4)，分析不同绿色空间布局形式下的湿度、辐射指标之间的差异。

从图4可以看出，对于湿度而言，无论是湿度的最大值、日均值还是最小值,半围合式绿色空间布局样点都是三者中最大的，这与其丰富的植物群落和半围合式的建筑布局有关。通过比较不同绿色空间布局的湿度均值，湿度最大的半围合式布局的湿度比湿度最小行列式布局的湿度大4.08%；对于辐射而言，开敞空间布局的辐射最大值、日均值和最小值是三者中最大的，牧医工程学院楼前开敞空间绿地因为只有乔灌草的植物群落，没有建筑物遮挡，因此样点处能充分接受到来自太阳光的辐射，而处于半围合式建筑布局中的机电工程学院花园样点的辐射水平则是明显低于牧医楼前绿地样点。3号教学楼与西侧样点建筑布局形式为行列式，行列式绿色空间布局的中间种植有许多樱花、月季等，植物群落配置形式为乔灌结合，因此样点处的湿度和辐射水平处于三者中的中间位置。通过比较不同绿色空间布局的辐射均值，辐射值最大的开场空间要比辐射值最小的半围合式布局的大119.25 W·m-2。

图4 不同绿色空间布局湿度、辐射比较

对湿度、辐射的变化情况与绿色空间布局形式之间做差异显著性分析(表6、表7)。

表6 湿度主体间效应的检验分析结果Table 6 Test of inter subjective effect in humidity

表7 辐射差异显著性分析结果Table 7 Significance analysis of radiation

从表6可以看出，不同绿色空间布局间湿度的最大值、最小值均具有显著性差异；从表7可以看出，不同绿色空间布局间的辐射日均值、最大值和最小值均具有显著性差异。

3 讨论与结论

本研究针对具有一定代表性的高校校园绿色空间布局的微气候进行了相关实测，得出不同绿色空间布局对微气候具有不同效应的结论。在今后的研究中，从试验设计的省时省力和易操作的角度出发，拟考虑采用ENVI-met微气候数值模拟软件对不同绿色空间布局的微气候进行模拟研究。通过对比数值模拟的研究结果和实测试验的研究结果，验证ENVI-met微气候数值模拟软件在研究校园绿色空间布局微气候效应的可行性和可操作性，为进一步优化和改善校园绿色空间布局的微气候效应奠定基础。根据前文的试验结果分析，可以得出以下结论：

1)气象台预报为晴朗静风天气状态下，建筑布局形式在改变测量样点的风速、风向上有显著作用；植物群落的配置形式对测量样点的温度、湿度和辐射水平有显著作用。

2)通过比较不同绿色空间布局样点的风速均值，风速最大的开场空间的风速要比风速最小的半围合式布局的大0.31 m·s-1；风速的极大值出现在行列式布局中为1.41 m·s-1，极小值出现在半围合式布局为“0”m·s-1。

3)通过比较不同绿色空间布局的温度均值、湿度均值、辐射均值，半围合式布局的降温1.41 ℃、增湿4.08%、降低辐射119.25 W·m-2，对微气候有明显的改善效果。

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(责任编辑：李莹)

Fieldstudiesontheeffectofcampusgreenspacelayoutformonmicroclimate

LIANG Tao, HE Ruizhen, CHEN Keke, TIAN Guohang

(College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The experiment selected three measuring points with different green space layout forms in Henan Agricultural University, and carried on the 9×24 hours of wind speed and direction, temperature, humidity, thermal radiation data acquisition in pedestrian height.By analyzing the measured data, under the condition of autumn static wind, the change of wind speed and direction in semi-closure green space layout was less than in open space layout and determinant architecture green space layout; Compared with other forms of layout, the semi-closure green space layout temperature reduced by 1.41 ℃, increased by 4.08% in RHhumidify, and reduced by 119.25 W·m-2in radiation, which has obvious effect on the improvement of the microclimate.

microclimate; green space layout form; campus environment

TU986

：A

2016-12-24

国家自然科学基金(31470029)；河南省科技厅产学研资助项目(142107000101)；河南省交通厅科技攻关项目(2015J02)

梁 涛(1988-)，男，河南信阳人，硕士研究生，从事风景园林方面的研究。

田国行(1964-)，男，河南新乡人，教授，博士研究生导师。

1000-2340(2017)03-0414-07