杭州郭莊春季園林小氣候實測與分析
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Measurement and Analysis of Microclimate in Spring in Hangzhou Guo Zhuang
摘要：通過對郭莊春季小氣候因子的實地觀測，分析各個小氣候因子的時間變化規律和空間分布特點以及相互關系，得出：郭莊內部環境對空氣溫度及相對濕度都有顯著調節作用，氣溫相對園外環境更為穩定，相對濕度更高;遮陰可以有效削弱太陽輻射，顯著影響局部空間的熱環境、濕環境;地表溫度主要受到達地面的太陽輻射水平影響，輻射越強溫度越高，而環境溫度對其影響不明顯;因園內水體所占面積比例較大且不同水體相距較近，均勻地調節了全園的氣溫和濕度，因此各測點的溫、濕度沒有明顯差異;西湖的風島效應對園內有明顯影響，并且主導了園內的主導風向。
關鍵詞：古典園林;春季;小氣候因子;實測
文章編號：1671-2641（2019）02-0073-06
中圖分類號：TU986
收稿日期：2018-11-26
文獻標志碼：A
修回日期：2019-01-09
Abstract： Through the field observation of Guozhuang's microclimate factors in spring， the time variation law and spatial distribution characteristics and interrelationship of each microclimate factor are analyzed. It is concluded that the internal environment of Guozhuang has a remarkable adjustment effect on air temperature and relative humidity， and the temperature is more stable and the relative humidity is higher than that of the outdoor environment. Secondly， shading can effectively weaken the solar radiation， significantly affecting the thermal environment and wet environment of the local space. Thirdly， the surface temperature is mainly affected by the level of solar radiation reaching the ground， and the stronger the radiation， the higher the temperature. But the influence of the ambient temperature is not obvious. Next， because of the large proportion of the water in the garden and the close distance between different waters， the temperature and humidity of the whole garden are uniformly adjusted， the temperature of each measuring point has no significant difference in humidity. Finally， the wind island effect of West Lake has a significant impact on the park and dominates the dominant wind direction in the park.
Key words： Classical garden; Spring; Microclimate factors; Field measurement
隨著社會經濟增長、城市化進程加速，全球氣候變暖已成為既定事實，尤其是21世紀以來，全球變暖趨勢越來越嚴重。有研究指出21世紀末全球平均升溫幅度為1.1°C～6.4°C[1]，在全球變暖的大背景下，我國夏季高溫熱浪事件頻繁發生[2～5]，加上近年來城市化進程不斷推進引起的城市熱島效應，使得一些城市酷熱程度增加的趨勢更嚴峻[6～7]，而戶外環境過熱導致人體熱負荷增大，居民疾病發病率和死亡率明顯增高，嚴重威脅了居民的日常生活和身體健康[8]，城市環境問題和居民室外活動空間舒適度需求的矛盾越漸突出。除了尋找新方法和新途徑，傳統園林中蘊含的智慧也值得進一步研究和借鑒。劉熙《釋名》謂：“陰者，陰也，氣在內而奧陰也;陽者，揚也，氣在外而發揚也”，釋明陰陽向背的小氣候[9];在白居易的《廬山草堂記》中有記載“松下多灌叢，蘿蔦葉蔓，駢織承翳，日月光不到地，盛夏風氣如八九月時”，形容植物交織遮蔽，使得陰翳處在盛夏亦如八九月般秋涼;等等。由此可見，古典園林在氣候適宜性營造的方面蘊含著豐富的歷史經驗，前人在造園的過程中進行的深入考慮和對各種園林要素的巧妙布局都值推敲。
目前杭州城市小氣候方面的研究主要在于現代園林方面，還未展開古典園林小氣候的研究。古典園林是杭州園林的重要組成部分，郭莊又為杭州古典園林的代表作，其氣候適宜性體現在多種園林要素相互影響產生的關聯效應。在選址方面，郭莊背靠西山，面臨西湖，這與風水理論中“背山面水”“左右圍護”等理想居所的選址原則相吻合。水體在郭莊中占據比例較大，有調節周圍環境溫度的作用。各種亭廊建筑連成一體，起到遮陰避雨的作用，同時又有效地遮擋了夏季強烈的太陽輻射，阻擋了冬季的寒風。植物在氣候方面具有降溫增濕的作用，也是不可缺少的園林要素。研究通過3個工作日的現場實測，用現代小氣候的理論和方法，探討杭州郭莊中各個小氣候因子的變化規律和對小氣候的影響，為今后城市營造更加舒適宜人的室外活動空間提供參考。 1 研究方法
1.1 場地概況
郭莊位于杭州市西湖區，瀕臨西里湖，與蘇堤相望。園子總體呈長方形，占地9788m2，水面近3000m2，建筑總面積1629m2，分“靜必居”和“一鏡天開”兩部分。今屬于浙江省重點文物保護單位，清光緒三十三年（1907）由綢商宋端甫所建，俗稱宋莊，也名“端友別墅”，后賣給汾陽郭氏，改稱“汾陽別墅”，俗稱郭莊[10]。
1.2 實測方法
實測季節為春季，為了較為穩定地獲得氣象數據，實測日均選擇天氣為晴朗且風速較小的日期，實測開始時間為8：30，結束時間為17：00（表1）。同時，從杭州上城區氣象站獲得與實測時間同步的逐時氣象數據，與園中小氣候因子變化相比較。
測量方法為移動觀測法，每2人一組，手持測量儀器，待數據平穩后記錄，每半個小時觀測一輪。具體實測儀器及實測內容如表2所示。為減小誤差，實測選擇連續三個晴天進行，將3個實測日數據的算術平均值作為最終結果進行數據分析。
在樹陰下、橋上、水邊、連廊及涼亭內設置18個測點（圖1），其中以測點1～10為一組，測點1～18為另外一組，兩組同時進行測量，測量順序即為測點序號順序。
2 實測結果與分析
2.1 太陽輻射
3個實測日中各測點太陽輻射范圍為4.2～972.6wat/m2。將各點測得的太陽輻射值進行統計，各測點太陽輻射值差別較大，且變化較為復雜，并不具有明顯一致性。其中P2、P6、P10、P11、P13、P14、P15、P18為沒有遮陰的測點，太陽輻射值隨時間推移而增加，基本在中午達到最大值，之后逐漸回落，有明顯峰值，且增幅和降幅較大;A3、A4、A5、A8、A9、A12為全天有建筑遮陰的測點，G1、G7、G16、G17為全天有植物遮陰的測點，在實測時間段內，太陽輻射值始終處于較低水平，并隨時間變化而逐漸降低，且變化十分平緩。園內太陽輻射最大值出現在P10的11：30時左右，數值為972.6wat/m2，太陽輻射最小值出現在P8的16：30時左右，數值為4.2wat/m2，最大值為最小值的232倍。此外，不同測點在測試時間段內的太陽輻射差值也有較大差異，其中P10差值最大，為925.8wat/m2，A12差值最小，為20.6wat/m2。說明有太陽直射的空間太陽輻射變化較大，而有遮陰的則相對更為穩定。
各測點的平均太陽輻射差值較大（圖2），P18平均太陽輻射值最高，為604.9wat/m2;A12最低，為16.4wat/m2，最高值約為最低值的37倍。其中低于園內太陽輻射平均值的測點均為有植物或建筑遮陰的測點，而建筑遮陰的測點（A類測點）整體太陽輻射水平較植物遮陰的測點（G類測點）更低，表明遮陰情況類似時，建筑對太陽輻射的削弱作用較植物更為顯著。
2.2 空氣溫度
三個實測日中各測點空氣溫度范圍為18.2°C～32.7°C。比較同一時間段氣象站氣溫和各個測點氣溫平均值可以看出（圖3），園內氣溫與氣象站氣溫有一定差異，在不同時間段相差1°C～2°C，在11：30時之前園內氣溫高于氣象站氣溫，在11：30之后園內氣溫低于氣象站氣溫，園內最高溫度低于氣象站最高溫度，園內降溫早于氣象站?？傮w變化上，園內氣溫較為穩定，說明郭莊內部對氣溫有顯著的調節作用。
各測點的累積空氣溫度差異相對較?。▓D4），其中P15的累積氣溫最高，為457.9°C;A4最低，為411.1°C，二者相差46.8°C。結合其他測點累計溫度情況可以發現，累計氣溫較低的測點多為位于水體邊、且有植物或建筑遮陰的測點，同時建筑下測點累計氣溫更低，而位于水體旁有太陽直射的測點空氣溫度依然保持較高水平。表明太陽輻射水平會顯著影響局部氣溫，而園內水體所占面積較大，可視為園內主要的小氣候調節因素，且不同水體間距較小，均勻調節了全園氣溫，不同水體周邊空間及不臨近水體空間并未表現出明顯氣溫差異。
2.3 地表溫度
三個實測日中各測點地表溫度范圍為13.9°C～47.7°C，累積地表溫度差異相對較大（圖5），P18累積地表溫度最高，為639.2°C;A5最低，為345.6°C，二者相差293.6°C。其中明顯低于園內累積地表溫度平均值的測點有G16、A12、G7、A4、G1、P13、A8、P15、A3、A5，均為地表受植物或建筑遮陰的測點，觀察該部分測點在園中的位置分布與所處空間環境并未表現有明顯聯系。同時，P15處太陽輻射及空氣溫度整體水平都較高，而地表溫度顯著低于大部分測點，表明地表溫度受空間環境影響并不顯著，主要受到達地面的太陽輻射水平的影響。
比較太陽輻射不同的相同鋪裝材質的測點（圖6），其中有太陽直射、鋪裝為石材2的測點（P10、P13、P14、P18）地表面溫度與太陽輻射的變化規律相同，隨著時間先增大后減小;但花街鋪地2的測點（P15）并沒有明顯增幅，與沒有太陽直射的測點溫度相近，可能由于被周邊灌木叢遮擋地面。而全天沒有太陽直射、鋪裝為石材1的測點（G7）和花街鋪地1的測點（G1）地表溫度變化較小，始終維持在一個較穩定的水平。表明石材鋪裝的地表溫度受太陽輻射的影響顯著，太陽照射越強溫度越高。
統計實測數據可以得出，各測點地表溫度差別較大，其中G1、A3、A4、A5、G7、A8、A12、P15測點在實測時間段內地表均沒有太陽直射，數值起伏較小且十分平緩。而P6、A9、P13、P16、G17在部分有太陽直射的時間段內地表溫度有明顯上升，其余P類有太陽直射的測點，地表溫度隨著時間變化先升高后逐漸降低，與該測點的太陽輻射值變化趨勢十分相似。其中地表溫度最大值出現在P14的14：30，為47.7°C，最小值出現在P13的8：30，數值為13.9°C，二者相差33.8°C。整體上園內各測點在同一實測時間段內地表溫度差值變化相對較小，9：00–10：00和13：00–15：00時間段內差值相對較大，呈現兩個峰值。 2.4 相對濕度
3個實測日中各測點相對濕度范圍為26.4%～63.4%。比較同一時間段氣象站氣溫和各個測點氣溫平均值可以看出（圖7），兩者都隨著時間的變化逐漸降低后升高，而園內相對濕度明顯高于氣象站相對濕度，表明園子在春季有一定的增濕效果。
統計得到各測點在實測時間段的相對濕度情況（圖8），P13的平均相對濕度最高，為45.4%;P18最低，為37.5%，二者相差7.9%。其中明顯低于園內相對濕度平均值
的測點有P2、G7、P15、P6、A9、G1、P10、P18，結合各測點位置及周邊環境可以發現，雖然園內整體濕度較高，但是不同相對濕度的測點在園內的分布比較均勻，說明水面較大的小型古典園林在春季時園內水體對濕度的調節作用在不同生境差別不明顯。統計得出各測點相對濕度變化趨勢較為一致，隨著時間變化逐漸降低，然后緩慢回升，升幅和降幅較小，且沒有明顯峰值。其中，在8：30–11：30時間段內，各測點相對濕度處于較高水平，最大值出現在P16，數值為63.4%;在13：00–15：00時間段內，各測點相對濕度處于較低水平，最小值出現在P15，數值為26.4%，二者相差37%。
2.5 風速和風向
春季園內風速范圍為0～1.7m/s。比較園內測點平均風速和氣象站風速（圖9），可以看出，園內風速明顯小于氣象站風速，且在氣象站風速較大時園內風速較小。將各點測得的風速進行統計（圖10），園內平均風速為0.30m/s，高于0.30m/s的測點為G17、A12、P14、P18、P11、P15、G16，主要分布在園子靠近東部近西湖一側，其風量占全園總風量的78.8%。
統計園內測點風向，其中無風測點比重最大約為48%，有風測點中比重較大是東風和東北風，兩者各占13%。3個實測日中每個測點的風向測試為54次，其中有風頻率在一半以上的測點有G17、P18、P14、G16、A12、P11、P15。比較這7個測點的風向（圖11），其中G17、P15的主導風向為東南風，P14、P11、P18、A12的主導風向為東北風，均來自于西湖方向。
2.6 相關性分析
利用SPAS軟件對各氣象因子的相關性進行分析，結果顯示：空氣溫度與太陽輻射的變化呈正相關關系，其Pearson相關性系數為0.863（sig.=0.000），在0.01級別（雙側）上極強相關;地表溫度與太陽輻射的變化呈正相關關系，其Pearson相關性系數為0.715（sig.=0.001），在0.01水平（雙側）上強相關;空氣溫度與相對濕度的變化呈負相關關系，其Pearson相關性系數為-0.609（sig.=0.007），在0.01水平（雙側）上強相關;地表溫度與相對濕度的變化呈負相關關系，其Pearson相關性系數為-0.657（sig.=0.003），在0.01水平（雙側）上強相關;空氣溫度與地表溫度的變化呈正相關關系，其Pearson相關性系數為0.543（sig.=0.020），在0.05水平（雙側）上中等程度相關。進一步證實太陽輻射顯著地影響著各項氣象因子。
4 結論與探討
綜合分析現場實測所得數據，可得出以下結論：
1）在水體、植物、建筑等園林要素及其空間布局的共同作用下，園內小氣候得到顯著調節，使得園內氣溫在清晨及上午高于園外、下午低于園外，相對于園外氣溫變化幅度更小，在白天時更為宜人，同時園內相對濕度較園外更高。
2）遮陰可以有效削弱太陽輻射，對局部空間的熱環境、濕環境都有顯著的影響效果，合理利用植物、建筑遮陰可以有效調節園林空間小氣候，而相較于植物，建筑遮陰對太陽輻射的削弱作用更為顯著。
3）地表溫度主要受到達地面的太陽輻射水平影響，輻射越強溫度越高，而環境溫度對其影響不明顯。
4）有關研究表明，淺水域在春季小氣候效應或不明顯，或可增溫0.2°C～0.3°C[11]，在本研究中水體所占面積比例較大，且不同水體距離較近，水體對園中各處的小氣候調節作用較為均勻，各測點并未因周邊水體情況在溫濕度上表現出較明顯差異，對于局部空間來說太陽輻射對溫濕度的影響比周邊水體情況的影響更為顯著。
5）西湖的風島效應[12]對園內有明顯影響，園內臨近西湖一側總體風速、風量顯著高于另一側，而風向也多為來自西湖的方向。
通過對郭莊春季小氣候的實測研究可以發現，各種園林要素及其組合可以對所在區域的小氣候有顯著的調節作用，對于更小的幾米范圍內的小型空間太陽輻射水平對其溫濕度的影響最為顯著。因此合理安排設計各園林要素所占比例及其形式、組合方式、空間布局對營造適宜的小氣候環境有重要作用，對于小尺度的活動空間則應根據空間功能，設計適當的遮蔭以控制太陽輻射水平，調節局部溫濕度，為人們提供舒適宜人的活動場所。
實測研究沒有進行全天定點觀測，未能完整詳實反應杭州郭莊小氣候因子變化狀況，同時由于室外空間中的各個園林要素難以精確把控變量，只能在總體上把握，從發展趨勢中得出結論，與理論指導風景園林實際操作還有一定的距離。
致謝：感謝杭州郭莊給予支持與幫助。感謝浙江農林大學李勝男、樓宇青、黃龍妹、張麗同學參與場地實測和相關研究工作;感謝浙江農林大學莊曉林、段玉俠、楊小樂、彭海峰同學在研究過程中給予的幫助。
注：圖1依據參考文獻[10]改繪，其余圖表均為作者研究團隊繪制。
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