植物营造微气候效应研究综述_周烨.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2022.12.012植物营造微气候效应研究综述REVIEW ON THE MICROCLIMATE EFFECT FROM PLANTS周烨（天津仁爱学院，天津 301636）ZHOU Ye（Tianjin Ren ai University,Tianjin 301636,China）【摘要】随着极端气候的频发与“热岛效应”的加剧，气候敏感性设计成为城市设计的重要策略，城市绿地被认为是适应气候变化最经济有效的方式。文中通过学科交叉的方法梳理以往研究成果，综述了植物营造的微气候效应及其影响因素。目前植物营造的微气候效应研究主要以量化研究微气候效应以及植物的作用机制为主。【关键词】植物景观；微气候效应；调节机制；影响因素【中图分类号】TU985【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2022）12-0051-04Abstract：With the frequent occurrence of extreme climate and the intensification of heat island effect,climate sensitive design has become an important strategy for urban design,and urban green space is considered to be the mosteconomical and effective way to adapt to climate change.In this paper,the previous research are summarizedthrough interdisciplinary methods,and the microclimate effects and influencing factors of plant construction are summarized.At present,the research on microclimate effect of plant construction mainly focuses on the quantitative research of microclimate effect and the mechanism of plant action.Key words：plant landscape;microclimate effect;regulatory mechanism;influence factor0引言在城市快速化进程下，建筑与道路等硬质空间也在逐渐扩张，这直接导致了空气温度的不断升高而出现“热岛效应”。热岛效应直接影响了城市居民的健康与室外空间的热舒适度体验，从而影响了市民对户外活动的积极性。出于城市的可持续发展与人类健康这一目的，气候敏感性设计逐渐成为城市设计的重要策略之一，在气候敏感性设计中，植被与城市空间的结合被认为是降低能源消耗和实现户外空间热舒适的重要方法1。许多研究表明有效利用植物可以改善城市微气候，缓解“热岛效应”。控制城市微气候的主要绿色基础设施有公园、树木、绿色屋顶（GR）和绿色墙壁（GW）。植物通过遮阳及自身的生理生化作用改善城市空间的热环境，影响不同地区的温度、湿度、风速、太阳辐射等气候因素。关于植物微气候效应的研究早期集中于气象学、生态学、环境科学与植物生理学等相关领域，随着气候敏感性设计的提出，建筑学与风景园林专业开始关注植物微气候效应与室外热舒适关系的研究。文中以科学引文检索（SCI）核心合集数据库及中国知网（CNKI）文献数据库为依据，搜索关键词为“微气候”、“热舒适”、“植物”、“绿地”、“树木”、“草”、“灌木”的相关文献，综述了植物景观的微气候效应及其作用机制。1园林植物微气候效应植物因其生理特性会在一定范围内对局地微气候产生调节作用。植物叶片对太阳辐射具有拦截、反射以及吸收的作用，从而避免太阳辐射对于地表的直接冲击。此外树叶与树枝在一定程度上对于空气气流产生拦截作用，从而具有降低风速的作用。植物对微气候因子的影响主要表现在植物对周围环境的降温增湿作用、对风环境的调节作用以及对太阳辐射的削减作用见图1。1.1降温增湿效应早在1982年Bernatzky2就已证实植物对周围环太阳辐射反射拦截气流遮荫降温蒸腾降温增湿摄取土壤水分太阳辐射拦截与吸收呼吸作用增加湿度蒸腾作用降温、增湿太阳辐射拦截与吸收图1植物的微气候调节效应51低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294境具有降温增湿效应，公园有明显的“冷岛效应”3。植物的降温效应不仅体现在植被区内部，还表现在对周边环境的辐射，其降温增湿效应可辐射到02km范围不等。植物对周围环境的降温作用基于3个理论基础：植物对太阳辐射的阻挡、植物蒸腾作用以及植被近地表形成的空气对流。植物枝叶可以阻挡大部分的太阳辐射，有效减少植物群落内部的热辐射量，从而降低植物群落内部环境温度，这是植物最有效也是最直接的降温方式。Rahman等4发现欧洲椴冠层内的空气温度比周围温度低3.5。另一方面，地表植物因降温作用在内部形成下沉气流，与周围高温环境形成对流，进一步形成降温效应。除此之外，植物的蒸腾作用也构成了室外环境重要的降温增湿机制。蒸腾作用是植物自身的生理过程，植物在蒸腾过程中吸收周边热能将之转化为自身的生物化学能，从而起到降低叶片及周围温度的作用，同时蒸腾出的水蒸气增加了空气的湿度。植物蒸腾作用是植物温湿调节的重要机制，从植物内部组织结构上看，植物的蒸腾强度受叶片生理结构决定，不同叶型植物降温增湿效果不同。对于两种叶生活型树种，针叶树种的降温增湿强度显著高于阔叶树种5。按生物学特性分类上看，木本植物的降温效果优于草本植物6。从植物个体外部结构来看植物对热环境的调节主要在其冠层部分；邵永昌等7研究发现乔木冠层在削减太阳辐射、降温增湿等方面具有显著作用，并且其降温增湿作用在夏、秋两季优于春冬季节。秦仲等8发现树木冠层密度在降温方面有较大的影响。植物的降温作用受植物种类直接影响，刘维东的研究表明在降温增湿方面，彩叶植物显著高于绿叶植物，落叶植物显著高于常绿植物，乔木显著高于灌木，观花植物显著高于观叶植物8。而就植物群落而言，植物对温度的调节则受植物群落的叶面积指数（LID）、植物群落绿量、种植结构以及配置形式所影响。研究表明植物的绿量与植物的降温效应成显著正相关9。Hardin等10研究发现植物群落的降温增湿强度与其盖度、群落层次相关；由多种植物组成的多层次结构植物群落对微气候的调节能力显著高于单一植被所组成的单层结构植物群落。另外就宏观尺度的绿地而言，不同空间格局的绿地降温增湿效果不同，楔状格局放射状格局和条带状格局点状绿地格局11。除此之外，绿地的面积与形状也是直接影响植物降温增湿效应的关键因素。植物的降温增湿效应除了绿地自身特征外，同时也受所处环境的地理气候条件、城市结构、大小、布局以及绿地覆盖率等多条件的影响。1.2风速效应植物对风速具有显著的减弱作用已被大量学者验证；如林波荣等12通过实地测量与SPOTE模拟验证了植被对居住区风速具有显著降低作用，洪波等13证明植物冠层通过扰乱附近气流场降低风速。植物对于风环境的作用主要源于冠层的枝叶阻力，经过树冠的气流受到树枝与树叶的阻碍而导致流速降低，而绕过树冠部分的气流通过加速周围空气的流动使风速增加。另一方面，植物的降温效应直接导致绿地内部与周围环境形成温度差，引起局部对流起到通风作用14。在微观尺度上植物与风环境的研究主要从植物个体出发，对比研究不同植物种类及其结构特征对风环境的调节效应。研究表明木本植物对风速的减弱作用显著大于草本植物，在冬季草本植物因为降温作用加剧峡谷效应反而会加速局部风速15。木本植物中灌木对风环境的作用机理与乔木相似，主要作用于m左右高度处的风，季相变化较小。而关于乔木对风环境影响的研究主要集中在冠层差异上，表征参数有树冠疏透率、叶面积指数（LAI）、树冠宽度、树冠面积、树冠形状、树木高度与树木间距等16。如徐志17的模拟研究发现树冠疏透度和树木高度是影响下游风场的主导因素，树冠形状对其影响并不显著。夏建新等18研究发现风速减小率与植被株距、行距成显著负相关。中观尺度的研究主要集中在绿化形式、种植模式、树木的排列方式以及种植结构对周围风环境的影响。LiZhang等19利用ENVI-met模拟研究发现植被对风环境的影响取决于叶面积指数（LAI）、树冠宽度、树木高度以及树木的排列方式。台湾的邱英浩等20用CFD数值模拟证明互植配置对风速的减小效应优于对置配置，且与植栽行数正相关，与种植间距负相关。宏观尺度的研究则从城市设计的角度探讨绿地分布及其组织结构对城市通风廊道的影响，多集中在街区尺度或城市格局等大尺空间。如何婧婷21探讨了绿地系统和通风廊道的空间布局的联系性，得出两者的契合点在于绿地的块、楔形空间及线、环状空间，并基于此对潜在风道进行提取，为广州市构建8条主风廊、16条次风廊的城市通风廊道系统。1.3太阳辐射效应植物通过自身的遮挡与吸收在一定程度上可以大幅度的减少太阳辐射对地面的直射，并通过光合作用将太阳能转化为生物化学能。这是植物区别于硬质界面的最大特点，建筑与道路等硬质化的表面会将太阳辐射大量的反射到其他空间界面从而导致城市热岛效应的出现，而植物可以在最大程度上吸收、转52换太阳辐射。同时太阳辐射是微气候最主要的动力来源，太阳辐射直接影响局部温度与湿度，对人体热舒适造成直接影响。研究表明阴影条件下人体舒适的体感温度要比阳光直射条件下的体感温度高922。从结构上看植物影响太阳辐射的主要部位在于乔木的冠层部位，树冠的形状、大小、疏密度等都是影响太阳辐射透过率的关键因素。而就植物群落而言影响太阳辐射的量化指标为郁闭度与天空可视因子（SVF），这主要与植物的种类、种植密度以及种植结构相关。胡海辉等23通过实测哈尔滨16个植物群落证明植物群落热舒适PET与太阳辐射成正相关，而其相关强度与季节变化有关。关于太阳辐射与植物关系的研究大多集中于农林专业，研究内容多为太阳辐射对植物生长发育的影响。而风景园林专业关于太阳辐射与植物关系的研究多存在于对植物群落微气候效应以及热舒适的评价研究中，单独研究植物与太阳辐射效应的研究目前不多。2影响因素为更好的建设城市绿地，实现植物气候适宜性设计，仅对植物的微气候效应进行研究是不够的，还应进一步探索效应背后的影响因素。植物对局地微气候作用的主要影响因素可以概括为植物种类、植物群落结构以及绿地面积与形状影响。2.1植物种类显而易见的是不同种类的植物有着不同的生理结构，草本植物与木本植物因木质化细胞含量的不同直接导致他们的外形特点与生命周期有着显著的差异。大量研究表明，木本植物的降温增湿效应显著大于草本植物。而在木本植物中，灌木对微气候的调节效应也与乔木有着显著不同。不同种类乔木的高度、冠层结构、枝叶特征以及生理特点都是不同的，这也直接导致不同乔木的蒸腾量与对太阳辐射以及风环境的影响是不同的，进而影响微气候因子在时间空间内的变化。马秀枝24的研究发现垂柳和油松的降温增湿能力比新疆杨大。马来西亚学者的研究发现铁力木因能够削减更多的太阳福射而比响盒子树种具有更好的降温效果25。2.2植物群落结构在自然界以及人工绿地中，植物往往不是单独存在的，而是以植物群落的形式存在。植物群落的组成与结构是描述植物群落的重要特征；常用的表征参数有群落层次丰富度、冠层覆盖率等。目前关于植物群落微气候效应的研究基本围绕在植物群落垂直结构与群落冠层特征两方面。成层现象是植物群落垂直结构最基本的特征，其量化指标为群落层次丰富度。Hardin等通过实测证明植物群落层次越丰富，降温增湿效果越明显，仅由单一木本或草本组成的绿地降温效果不明显。纪鹏等26研究发现不同结构植物群落的降温增湿效应：乔-灌-草型乔-草型灌-草型，单一结构的草坪群落降温增湿效果不明显。除了植物群落垂直结构外，植物群落的冠层结构特征也是影响微气候因子的关键因素。用于研究植物群落微气候效应的重要量化指标包括叶面积指数（LAI）、郁闭度、天空可视因子（SVF）、消光度等27。大量研究表明植物群落冠层的郁闭度、叶面积指数、平均冠幅与降温作用显著正相关28；潘剑彬等29研究发现植物群落郁闭度比叶面积指数对热舒适度的影响更大。宴海等30研究发现相对湿度与天空可视因子具有较弱的负相关，与叶面积指数和冠层盖度成正相关。2.3绿地面积与形状在以往大量的植物温湿效应的研究中可以发现，除了植物种类与群落特点外，绿地的面积与形状也是影响植物温湿效应的关键因素。目前研究表明城市绿地发挥稳定降温作用的最小面积约为2hm2 31，吴菲等32进一步确认绿化覆盖率80%的绿地可以明显发挥温湿效应的最佳面积为5hm2。绿地面积大小与其降温增湿效应成显著正相关33，绿地发挥降温效应的距离与面积呈线性增加，但降温率与面积大小并非线性关系，若要获得广泛的降温范围，公园的面积应在35hm2并相隔100150m34。在绿地面积一定的情况下，绿地的降温效应随着形状指数的变大而增强35，绿地形状越复杂其降温效果越明显。王娟等36研究发现绿地的降温效应随着边缘率的增高而增强，不同几何形状的绿地降温能力依次为圆形矩形环状带状。另外不同地理气候条件下绿地面积和形状对微气候的影响效果不尽相同，但总的来说绿地的温湿效应随着面积增大而增强，当面积达到一定时，其温湿效应趋于稳定；当绿地面积一定时，边缘形状越复杂绿地的温湿效应越强。3研究前景与展望通过对以往研究成果的梳理可知，植物景观在调节城市微气候，缓解城市热岛问题中起着重要的作用，其作用机制源于植物本身的生理生化功能，其影响因素与植物的种类、群落结构以及种植面积形状密切相关。目前各专业对植物微气候效应及其作用机制的研究还处于量化研究阶段，如何将植物景观的量化研究转为设计实践策略的研究还不多。将形式与生态导向相结合的绿色基础设施建设将是未来城市发展的必然趋势。另一方面，植物景观所营造的局地微气候直接影响人在户外的热舒适体验，从而影响人的行为活动，因此研究植物景观微气候对人的行为活53低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294动的影响也是近年来研究比较多的内容。4结语文中以学科交叉的方式对近年关于园林植物营造微气候的效应及其作用机制的研究进行了梳理总结。园林植物的微气候效应主要体现降温增湿、影响风环境效应以及对太阳辐射的削减效应上。从植物个体上看，其作用机制主要与植物的种类、生活型以及其冠层结构相关。就植物群落而言，其微气候营造效应则受植物群落的叶面积指数（LID）、植物群落绿量、种植结构、配置形式以及绿地面积及形状所影响。目前园林植物营造微气候效应的研究仍处于量化研究阶段，将量化研究转为实践策略是风景园林视角下的园林植物微气候效应未来研究的重点。参考文献1UDAYASOORIAN KAAVIYA PRIYA,RAMALINGAM SENTHIL.A review of the impact of the green landscape interventionson the urban microclimate of tropical areas J.Building and environment,2021,205:108190.2 BERNATZKY A.The contribution of tress and green spaces to atown climate J.Energy&buildings,1982,5(1):1-10.3 CA V T,ASAEDA T,ABU E M.Reductions in air conditioningenergy caused by a nearby paric J.Energy&buildings,1998,29(1)：83-92.4RAHMAN M A,HARTMANN C,MOSER-REISCHL A,et al.Tree cooling effects and human thermal comfort under contrasting species and sitesJ.Agricultural and forest meteorology,2020,287:107947.5 PETERS E B,MC FADDEN J P,MONTGOMERY R A.Biological and environmental controls on tree transpiration in a suburban landscapeJ.Journal of geophysical research,2010,G4:115.6 刘维东，陈其兵，王甲.成都市二十五种屋顶绿化木本植物的降温增湿能力研究 J.北方园艺，2012（9）：75-77.7 邵永昌，庄家尧，李二焕，等.城市森林冠层对小气候调节作用J.生态学杂志，2015，34（6）：1532-1539.8 秦仲，李湛东，成仿云，等.夏季栾树群落冠层结构对其环境温湿度的调节作用 J.应用生态学报，2015，26（6）：1634-1640.9 张明丽，秦俊，胡永红.上海市植物群落降温增湿效果的研究J.北京林业大学学报，2008（2）：39-43.10HARDIN P J,JENSEN R R.2007.The effect of urban leaf areaon summertime urban surface kinetic temperatures:A TerreHaute case study J.Urban forestry&urban greening,2017(2):63-72.11刘艳红，郭晋平，魏清顺.基于CFD的城市绿地空间格局热环境效应分析 J.生态学报，2012，32（6）：1951-1959.12赵彬，林波荣，李先庭，等.建筑群风环境的数值模拟仿真优化设计 J.城市规划汇刊，2002（2）：57-58.13HONG BO,LIN BORONG,QIN HONGQIAO.Numerical investigation on the coupled effects of building-tree arrangements onfine particulate matter（PM2.5）dispersion in housing blocksJ.Sustainable cities and society,2017（10）：5.14 李飞.园林植物景观设计对微气候环境改善的研究 D.成都：西南交通大学，2013.15周树彬.城市绿色基础设施风环境优化效应分析 J.建筑与文化，2018（8）：41-42.16武哲羽.树木特征对庭院风环境的影响研究 D.沈阳：沈阳农业大学，2018.17徐志.周边树木对低矮房屋挡风性能的研究 D.北京：北京交通大学，2013.18石雪峰，夏建新，吉祖稳.植被条件对近地表风速垂线分布的影响 J.中央民族大学学报（自然科学版），2007（1）：9-15.19 ZHANG,ZHAN,QM,et al.Effects of the tree distribution andspecies on outdoor environment conditions in a hot summer andcool winter zone：A case study in Wuhan residential quarters J.Building and environment,2018,130:27-39.20邱英浩，何育贤.植栽树冠形状对风速衰减之影响-CFD模拟C/海峡两岸城市发展研讨会.中国城市科学研究会，2009.21 何倩婷.基于城市绿地系统的中心城区通风廊道构建研究D.广州：广州大学，2019.22任成禹.寒地城市滨水广场微气候优化研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.23胡海辉，刘帅，张思琪.城市公园植物群落小气候效应及人体热舒适度-以哈尔滨三座公园为例 J.科学技术与工程，2021，21（23）：10021-10028.24马秀枝，李长生，陈高娃，等.校园内行道树不同树种降温增湿效应研究 J.内蒙古农业大学学报（自然科学版），2011，32（1）：125-130.25SHAHIDAN M F,SHARIFF M K M,JONES P,et al.A comparison of Mesua ferrea,L.and Hura crepitans,L.for shade creationand radiation modification in improving thermal comfortJ.Landscape&urban planning,2010,97(3):168-181.26纪鹏，朱春阳，李树华.河流廊道绿带结构的温湿效应 J.林业科学，2012，48（3）：58-65.27赵冬琪.寒地带状植物群落空间特征对春季微气候影响模拟研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.28姜宗香.重庆城市公园植物群落游人舒适度探讨 D.重庆：西南大学，2011.29潘剑彬，李树华.北京城市公园绿地热舒适度空间格局特征研究 J.中国园林，2015，31（10）：91-95.30晏海，王雪，董丽.华北树木群落夏季微气候特征及其对人体舒适度的影响 J.北京林业大学学报，2012，34（5）：57-63.31李海峰.多源遥感数据支持的中等城市热环境研究 .成都：成都理工大学，2012.32吴菲，李树华，刘娇妹.城市绿地面积与温湿效益之间关系的研究 J.中国园林，2007（6）：71-74.33蔺银鼎，武小刚，郝兴宇.城市绿地边界温湿度效应对绿地结构的响应 J.中国园林，2006（9）：73-76.（下转第60页）54低温建筑技术-建筑技术Dec.2022 No.294热释放速率降低，转而进入燃烧控制阶段，反而会对各危险指标影响高度起到一定的抑制作用。3结语文中针对高层建筑凹型外立面火灾蔓延特性开展FDS数值模拟研究，得出结论如下：（1）火灾烟气沿高层建筑凹型外立面的快速蔓延是由凹槽宽度和进深共同决定的。随着凹槽宽度的减小和进深的增加，火灾竖向蔓延速度加剧，同时烟气水平方向扩散被抑制，从而导致火灾蔓延特征随结构因子的增大而发生变化。（2）凹槽宽度是影响建筑外立面火灾蔓延特征的主要因素，而凹槽进深对火灾蔓延的影响程度则与宽度大小密切相关。当凹槽宽度不小于6m时；或当凹槽宽度大于1m小于6m，且凹槽结构因子（进深与宽度之比）不超过1/2时，可不考虑凹槽烟囱效应对火灾蔓延特性的影响。（3）凹槽对外的开敞度不影响烟气的水平扩散程度。在不同凹槽宽度条件下，火灾烟气水平影响范围均不超过2m。因此，为保证着火层火灾蔓延不影响上层住户，距离凹槽背墙2m范围内不得开设其他门、窗等连通凹槽内部的洞口。（4）侧墙的存在直接影响火灾烟气卷吸模式。在1mW6m条件下，当结构因子3时，两侧空气卷吸受到一定程度限制，但正面卷吸几乎不受影响，仍处于通风控制阶段；而当结构因子3时，侧墙过长导致正面空气供给量也严重受限，燃烧效率逐渐下降，进入燃烧控制阶段。参考文献1 李建涛，闫维纲，朱红亚，等.高层建筑外立面U型结构火蔓延特性数值模拟研究 J.火灾科学，2012，21（4）：174.2 潘晓菲，吕品.凹型建筑外立面火灾烟气蔓延特性研究 J.中国安全生产科学技术，2018，14（2）：7.3 安伟光.PS建筑外墙保温材料燃烧及火蔓延行为研究 D.合肥：中国科学技术大学，2015.4 闫维纲.耦合建筑外立面结构影响的PU保温材料火蔓延特性研究 D.合肥：中国科学技术大学，2016.5 李建涛，闫维纲，朱红亚，等.高层建筑外立面U型结构火蔓延的实验研究 J.火灾科学，2012，21（4）：7.6 唐虎潇.探讨凹型建筑外立面火灾竖向蔓延 J.消防科学与技术，2017，36（8）：4.7 王自衡.基于建筑设计的居住建筑外立面火灾竖向蔓延探讨D.天津：天津大学，2015.8 袁满，韩峥，陈艳秋，等.非封闭式天井形状对烟气蔓延影响的模拟 J.燃烧科学与技术，2021，27（1）：6.9 中华人民共和国公安部.建筑设计防火规范：GB 50016-2014S.北京：中国计划出版社，2015.10KIM E,WOYCHEESE J P,DEMBSEY N A.Fire Dynamics Simulator(Version 4.0)Simulation for Tunnel Fire Scenarios withForced,Transient,Longitudinal Ventilation Flows J.Fire technology,2008,44(2):137-166.11 EZEKOYE O A,HURLEY M J,TORERO J L,et al.Applicationsof Heat Transfer Fundamentals to Fire ModelingJ.Journal ofthermal science and engineering applications,2013,5(2):021009.12 WANG W,ZHU Z,JIAO Z,et al.Characteristics of Fire andSmoke in the Natural Gas Cabin of Urban Underground UtilityTunnels Based on CFD SimulationsJ.Tunnelling and underground space technology,2021,109:103748.13 江苏省住房和城乡建设厅.江苏省住宅设计标准：DB 32/3920-2020 S.南京：江苏凤凰科学技术出版社，2022.14蒋亚强，李萍，卢国建.建筑外立面形式对开口溢流火焰特征影响的大涡模拟研究 J.消防科学与技术，2016，35（1）：32-35.15王宇，李世鹏，杨舜博.侧墙结构多窗口羽流火焰的数值模拟分析 J.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2018，34（3）：7.16 SAMUEL,S.,DANNAWAY.SFPE Handbook of Fire ProtectionEngineering J.Plumbing engineer,2017,45(6):36.收稿日期2022-11-7作者简介王甘雨（1996），女，河南南阳人，硕士研究生，研究方向：火灾安全。（上接第54页）34 MONTEIRO M V,DOICK K J,HANDLEY P,et al.The impactof green space size on the extent oflocal nocturnal air temperature cooling in LondonJ.Urban forestry&urban greening,2016,16:160-169.35王红娟.石家庄市绿地秋季温湿效应研究 D.石家庄：河北师范大学，2014.36 王娟，蔺银鼎，刘清丽.城市绿地在减弱热岛效应中的作用J.草原与草坪，2006（6）：56-59.收稿日期2022-3-16作者简介周烨（1990），女，黑龙江绥化人，硕士研究生，研究方向：景观微气候。60