天穹扇區(qū)對夏季廣場小氣候及人體熱舒適度的影響

張德順 王振

人們對戶外活動的需求與全球變暖、城市熱島、戶外環(huán)境小氣候惡劣的矛盾日趨激烈，上海近年高溫日數(shù)、高溫熱浪事件發(fā)生頻次、日數(shù)、強度等不斷在增加，在強太陽輻射和周邊建筑反射熱的綜合影響下[1]，廣場夏季熱環(huán)境越來越差[2]，由于廣場具有集散、交通、商業(yè)等基本功能，硬質(zhì)鋪裝面積較大，小氣候環(huán)境難以滿足人們的舒適要求，因此夏季廣場小氣候調(diào)控亟待加強。

太陽輻射是廣場主要能量來源，場地的熱濕環(huán)境、風環(huán)境、光照環(huán)境和大氣環(huán)境等小氣候環(huán)境都受到太陽輻射的直接影響[3]，研究太陽輻射對城市廣場小氣候及人體熱舒適度的影響是廣場小氣候研究的基礎(chǔ)。建筑、構(gòu)筑物、植物對場地形成的圍合和遮蔽可直接影響太陽輻射，以增加陰影區(qū)面積為目的的提高圍合度可以降低日間空氣溫度和提高熱舒適度[4]，樹冠不僅能減弱日間太陽輻射，還能減少晚上熱流從地面到天空[5-6]。在城市[7-8]、街道[9-10]、廣場或建筑周邊開放空間尺度[11-12]上，均發(fā)現(xiàn)天空開闊度（Sky View Factor，簡稱SVF）與城市熱島強度（Urban Heat Island Intensity，簡稱UHII）、場地內(nèi)部空氣溫度呈密切負相關(guān)，建筑圍合形態(tài)及喬木的改變可以控制場地SVF，影響場地局部的熱舒適[13]。然而，以往研究多把SVF作為一個整體進行研究，較少考慮在太陽運動的時間和季節(jié)差異情況下SVF對場地小氣候及熱舒適度的影響。

為了揭示天穹扇區(qū)對小氣候和舒適度的影響，對上海市區(qū)4個廣場進行實例研究和定量化分析。首先研究SVF對廣場小氣候及熱舒適的影響；然后將天穹分為若干扇區(qū)，通過太陽視運動軌跡圖（Daytrack，簡稱日軌圖）將各時間點的太陽位置定位到扇區(qū)，研究各扇區(qū)天空開闊度（Sky View Factor in Skymap Sectors，簡稱SVFsectors）對小氣候及熱舒適的影響；最后得到影響廣場小氣候的關(guān)鍵扇區(qū)，為改善適宜性小氣候廣場規(guī)劃設(shè)計提供理論參考和對策。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域氣候條件

測試場地位處上海市區(qū)，屬亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，夏季炎熱，高溫高濕。根據(jù)上海市氣象中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，上海市最高溫度多出現(xiàn)在7、8月份；1991—2013年間，7、8月平均氣溫為28.6°C、28.1°C，最高溫度為40.6°C、41.2°C。

1.2 立地區(qū)位及測點布置

測試地點為上海市長寧區(qū)海粟綠地廣場、楊浦區(qū)創(chuàng)智天地廣場和國歌紀念廣場、浦東新區(qū)世紀廣場，共布置46個測點（圖1）。按廣場冠層性質(zhì)分，測點中有建筑、花架、常綠落葉植物、無冠層等；按下墊面性質(zhì)分，測點中有花崗巖、混凝土、草坪、水泥磚等。測試場地分布均勻，涵蓋常見廣場的冠層和下墊面類型，具有研究的普遍意義。

1.3 測試儀器及方法

小氣候測量儀器為美國Spectrum Technologies產(chǎn)WatchDog Model 2900ET小型氣象站，數(shù)據(jù)采集時間間隔為10min，測試在2015年7月14日—8月2日的晴朗少云、大氣候條件相似的情況下進行，創(chuàng)智天地廣場、國歌紀念廣場、世紀廣場各測試3天，每個廣場測試期間，海粟綠地廣場與之同時測試，共測試9天。監(jiān)測數(shù)據(jù)有空氣溫度、相對濕度、太陽輻射、風速，數(shù)據(jù)采集時空氣溫度和相對濕度傳感器的高度為1.5m。

SVF測量采用Canon 60D相機搭載視角范圍為對角線180°的4.5mm f/2.8魚眼鏡頭。在測點拍攝天穹照片（表1），并疊加日軌圖[14]和天空圖（Skymap，扇區(qū)劃分時高度角分24份，方位角分12份），制成文中使用的天穹圖，計算測點SVF及SVFsectors值。

表 1 魚眼鏡頭照片Tab. 1 Fish eye lens photo

表 2 SVF聚類分組結(jié)果Tab. 2 SVF clustering results

表 3 SVFsectors聚類分組結(jié)果Tab. 3 Cluster analysis of SVFsectors

使用生理等效溫度（Physiologically Equivalent Temperature，簡稱PET）作為廣場人體熱舒適度（Human Thermal Comfort，簡稱HTC）評價指標，PET是由H?ppe和Mayer基于MEMI（Munich Energy Balance Model for Individuals）模型提出的人體熱舒適度指標[15]， PET可等效于人體在維持體內(nèi)和體表溫度達到人體熱量平衡時相對應(yīng)的典型室內(nèi)環(huán)境中的空氣溫度[16]，體現(xiàn)了人體能量平衡和室外空間長波輻射通量的相互關(guān)系，是最合適的戶外人體熱舒適度評價指標[17]。根據(jù)測得的太陽輻射、空氣溫度、相對濕度和風速數(shù)據(jù)，在人體因素為175cm高、70kg重的35歲男性，服裝熱阻為0.5clo，新陳代謝率取80W/m2條件下，使用Rayman熱環(huán)境評價軟件計算PET。

2 天空開闊度對小氣候及人體熱舒適度的影響

對實驗中所有測點進行SVF的模糊分類，研究SVF對日間小氣候和熱舒適度的影響，得出SVF與小氣候和熱舒適度的回歸模型。

2.1 天空開闊度聚類分組

使用歐式距離平方（Squared Euclidean Distance）對46個測點的SVF進行組間連接的系統(tǒng)聚類，將測點分為4組，I到IV組SVF增大（表2），計算各組SVF、小氣候和熱舒適度均值，相鄰兩組間各均值的增（減）率，發(fā)現(xiàn)各組的空氣溫度和相對濕度的差異最小，最大增（減）率不足7%和4%，說明SVF的變化對空氣溫度和相對濕度的影響較??；I/II組和II/III組的表面溫度、太陽輻射和熱舒適度增長率明顯高于III/IV組，說明3個指標值隨SVF增加而增加，且SVF在0～0.6之間變化較大，超過0.6以后變化幅度較??；I/II組和III/IV組的風速增長率明顯高于II/III組，說明SVF在0.2～0.6之間時變化較小，在0～0.2和0.6～1區(qū)間中隨SVF增加而增加，且變化較大。

2.2 相關(guān)性分析

為描述空間圍合與小氣候和熱舒適度線性相關(guān)強弱的程度，對各測點的SVF與小氣候和熱舒適度的日均值進行Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，SVF與表面溫度、太陽輻射、熱舒適度間呈極高度正相關(guān)（0.8以上），與空氣溫度、風速呈高度正相關(guān)（0.6～0.8），與相對濕度呈中度負相關(guān)（0.4～0.6）。

2.3 線性回歸分析

根據(jù)Pearson相關(guān)分析結(jié)果，對各個測點的SVF與標準化[18-19]后的小氣候和熱舒適度進行回歸分析。由線性傾向率可知，空間圍合對小氣候及熱舒適指標的影響力排序為太陽輻射＞表面溫度＞熱舒適度＞風速＞空氣溫度＞相對濕度，R2顯示，表面溫度、太陽輻射、風速和熱舒適度的擬合度較高，相對濕度和空氣溫度的擬合度較低。因此在適宜性小氣候設(shè)計中可根據(jù)空間圍合情況，通過線性模型表達式預(yù)測夏季小氣候和熱舒適度。

1 測試場地區(qū)位與測點圖Test site location and measuring points

2天穹圖Skymap

3 扇區(qū)天空開闊度對小氣候及人體熱舒適度影響

SVF是體現(xiàn)測點圍合情況的固定值，但太陽位置始終在變化，當考慮太陽位置與測點實時遮蔽情況對小氣候和熱舒適度的影響時，需要將太陽實時位置定位到天穹圖的扇區(qū)上，分析該時刻所在扇區(qū)的SVFsectors對小氣候及熱舒適的影響。

3.1 太陽視運動軌跡分析

當太陽運行到某時刻時，在日面中心—觀測點連線上若有遮擋物，太陽輻射將無法到達測點，在天穹圖（圖2）上，該時刻的太陽視運動軌跡線下有遮擋物。太陽運動的時間與廣場冠層的空間共同影響了測點的遮蔽狀況及能量變化。

3.2 SVF、SVFsectors與小氣候及人體熱舒適度相關(guān)性分析

比較8：00至日落間的整點小氣候和熱舒適度與SVF和SVFsectors的Pearson相關(guān)系數(shù)，其中，相對濕度取絕對值，當SVFsectors的相關(guān)系數(shù)大于SVF時，扇區(qū)的遮蔽條件對小氣候和熱舒適度的影響比整體遮蔽條件大，反之亦然。測點四周的圍合對風速的影響強于上空扇區(qū)的遮蔽，故SVFsectors對風速的影響弱于SVF。17：00以后SVF與小氣候和熱舒適度的相關(guān)系數(shù)均大于SVFsectors，SVF對小氣候影響較大；對8：00—16：00，SVFsectors的相關(guān)系數(shù)小于SVF的情況進行統(tǒng)計，表面溫度和太陽輻射各有1處，僅相差0.001和0.004，熱舒適度無，相對濕度4處，空氣溫度5處（圖3），研究該時段SVFsectors對小氣候和熱舒適度影響為可行。

3.3 關(guān)鍵扇區(qū)選擇

關(guān)鍵扇區(qū)是指一天中，太陽運行所在扇區(qū)的遮蔽條件對小氣候和熱舒適度影響最大，且熱舒適度最差時段的區(qū)域。在關(guān)鍵扇區(qū)的選擇時，要考慮SVFsectors對小氣候和熱舒適度的影響強于SVF，SVFsectors對小氣候和熱舒適度的影響具有統(tǒng)計學上意義，關(guān)鍵扇區(qū)所對應(yīng)的時間段內(nèi)，熱舒適度可改善的空間大，即熱舒適度最差。因此，通過分析各SVFsectors分組對小氣候和熱舒適度作用的組間差異、SVFsectors與小氣候和熱舒適度的相關(guān)性和熱舒適度3方面的對關(guān)鍵扇區(qū)進行分析、選擇。

3.3.1 扇區(qū)天空開闊度聚類分組

SVF是天穹圖中所有扇區(qū)SVFsectors之和，每環(huán)的最大SVFsectors均不同。對各扇區(qū)天空開闊度進行標準化為0～1的無量綱量，0為全遮蔽，1為無遮蔽。將太陽視運動中整點及日落時太陽所在扇區(qū)的標準化后天空開闊度（SVF’sectors）進行系統(tǒng)聚類，將測點分4組（表3），I到IV組的歸一后扇區(qū)天空開闊度增大，即天空越來越開闊。

3.3.2 組間差異分析

對I和IV組作單因素方差分析，兩組差異性顯著的時間段可作為關(guān)鍵扇區(qū)的時段，比較發(fā)現(xiàn)（圖3），8：00—15：00中，I和IV組之間的各項小氣候和熱舒適度指標差異性均為顯著水平以上；16：00—17：00， I和IV組之間在表面溫度、太陽輻射、空氣溫度、風速和PET的差異性均為顯著水平以上，在相對濕度上，兩組差異性呈不顯著水平；18：00后，各項指標的I和IV組差異性均為不顯著。

3.3.3 相關(guān)性分析

為描述關(guān)鍵扇區(qū)的遮蔽程度與小氣候和熱舒適度線性相關(guān)關(guān)系，對各測點數(shù)據(jù)整點時太陽視運動軌跡所在扇區(qū)的SVFsectors與當時小氣候和熱舒適度進行Pearson相關(guān)分析，并將相對濕度的相關(guān)系數(shù)取絕對值（圖4），根據(jù)相關(guān)程度的劃分標準及研究中的具體情況，視相關(guān)系數(shù)0.6～1.0為相關(guān)，其他為不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)即作為關(guān)鍵扇區(qū)劃分的標準之一。在8：00—16：00中，表面溫度、太陽輻射、PET均與SVFsectors為相關(guān)，17時后僅太陽輻射與SVFsectors為相關(guān)；空氣溫度與SVFsectors在8：00—11：00、相對濕度與SVFsectors在8：00—10：00相關(guān)，風速全天與SVFsectors均為不相關(guān)。

3.3.4 熱舒適度分析

PET越高，SVFsectors對熱舒適度的改善效果越明顯，依據(jù)PET熱感受和生理應(yīng)激等級，取熱感受為炎熱，生理應(yīng)激等級為極端熱應(yīng)激的41℃[20]作為關(guān)鍵扇區(qū)選擇標準之一。測試中，I組PET均低于41℃，日均值為32.208℃；IV組在9：00—16：00，PET均在41℃以上，平均45.112℃，其他時段PET均低于41℃，日均值為41.601℃。SVF較高的IV組PET明顯高于SVF較低的組。

3.3.5 重點時段與關(guān)鍵扇區(qū)選擇

由9：00—16：00的小氣候和熱舒適度發(fā)現(xiàn)，I和IV組PET差值的平均為11.62℃，兩組其他時段平均相差不足5.00℃；表面溫度差值平均為12.39℃，兩組其他時段差值的平均僅為1.610℃；太陽輻射差值的平均為549.8W/m2，兩組其他時段差值的平均僅為125.10W/m2。兩組的空氣溫度、相對濕度、風速數(shù)據(jù)的差值比其他時段大，但并不明顯，原因是空氣溫度和相對濕度的數(shù)據(jù)是在遮陽通風的百葉箱中采集，不易受太陽輻射影響，故關(guān)鍵扇區(qū)的天空開闊度對其影響較小，風速受周邊環(huán)境的圍合程度影響較大，關(guān)鍵扇區(qū)較小且位置多在測點上方，對風的阻滯或引導(dǎo)作用較小。

熱舒適度是表征人體熱感受的直觀指標，也是衡量廣場小氣候的綜合指標。在關(guān)鍵扇區(qū)選擇時首先應(yīng)考慮SVFsectors的影響強于SVF，再考慮熱舒適的狀況。最后對SVFsectors組間差異、SVFsectors與小氣候和熱舒適度的相關(guān)性進行考量，綜合分析4方面因素（圖5），關(guān)鍵扇區(qū)對應(yīng)的時間為9：00—16：00，測試時間為上海夏季最炎熱的時期，所得9：00—16：00太陽運行所在關(guān)鍵扇區(qū)時段可以作為夏季的標準。

測試時間短而集中，太陽視運行軌跡約為一條曲線，為得到全夏季小氣候關(guān)鍵扇區(qū)，根據(jù)上海1991—2013年氣象數(shù)據(jù)，上海氣溫最高月份在夏至以后的7、8月；將夏至日、測試日（均值），7月初和8月底的9：00、12：00和16：00太陽位置匯總（表4）。

3 小氣候要素及熱舒適度與SVF、SVFsectors相關(guān)性比較Relevance of mircoclimate, HTC and SVF, SVFsectors

4 SVFsectors與小氣候要素和熱舒適相關(guān)性分析Relevance of mircoclimate, HTC and SVFsectors

5 重點時段選擇圖Selection of key periods of time

表 4 重點時刻太陽位置匯總表Tab. 4 Summary of solar positions in key moments

4 實測結(jié)論

通過對上海4處廣場46個測點的SVF和小氣候的實地測定，從SVF和SVFsectors兩方面研究天空開闊度對小氣候和熱舒適度的影響，得到如下結(jié)論：1）SVF方面，系統(tǒng)聚類分組發(fā)現(xiàn)，SVF對表面溫度、太陽輻射、熱舒適度、風速影響較大，在最空曠和最郁閉時，風速更易受到SVF的影響，在最空曠時，SVF對表面溫度、太陽輻射、熱舒適度的影響弱于較郁閉情況；相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，SVF與表面溫度、太陽輻射、熱舒適度呈極高度正相關(guān)，與空氣溫度、風速呈高度正相關(guān)，

與相對濕度呈中度負相關(guān)；線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，表面溫度、太陽輻射、熱舒適度和風速的線性傾向率和擬合度較大，可以通過線性回歸模型進行預(yù)測?？傊?，SVF對廣場表面溫度、太陽輻射、風速和熱舒適度的影響較大。2）SVFsectors方面， 8：00—16：00，SVFsectors對小氣候和熱舒適度的影響比SVF大，17：00至日落，SVF的影響作用更大；影響夏季廣場小氣候和熱舒適度的關(guān)鍵扇區(qū)是9：00—16：00太陽運行所在扇區(qū)；根據(jù)測試日所得關(guān)鍵扇區(qū)方法，推論至整個夏季小氣候，綜合7、8月太陽視運動軌跡，繪制出影響上海夏季小氣候的關(guān)鍵扇區(qū)及能始終處于陰影中的最小遮蔽物的空間位置。

5 設(shè)計策略

5.1 設(shè)計思路

在大氣候條件影響下，不同季節(jié)、著衣條件、活動類型對太陽輻射的要求都不盡相同，小氣候適應(yīng)性城市廣場設(shè)計中應(yīng)注意2個關(guān)系。1）動靜關(guān)系。廣場落成后，周邊建筑和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)在較長時間內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài)，即廣場的SVF為靜態(tài)，而一天的小氣候，一年四季的小氣候都是在變化的，即廣場的關(guān)鍵扇區(qū)為動態(tài)。在廣場設(shè)計之初，應(yīng)考慮適應(yīng)動態(tài)小氣候變化特征，提供良好小氣候環(huán)境。2）矛盾關(guān)系。人們的熱偏好是冬季喜陽，夏季喜遮蔭，太陽運行的自然規(guī)律是夏季太陽高度較大，形成的陰影小，冬季相反。因此，冬暖夏涼的愿望和冬冷夏熱的自然規(guī)律之間的矛盾關(guān)系在設(shè)計中應(yīng)引起注意。

5.2 分區(qū)設(shè)計

考慮到廣場設(shè)計中的動靜關(guān)系和人與自然的矛盾關(guān)系，在設(shè)計時可以根據(jù)環(huán)境和熱偏好劃定小氣候設(shè)計分區(qū)，以長寬均為100m，寬高比（D/H）為3:1的廣場為例，通過Ecotect軟件根據(jù)冬至日和夏至日的太陽運動軌跡，提出冬夏小氣候設(shè)計分區(qū)的概念模型（圖6）。在冬季，舒適區(qū)①是連續(xù)5小時及以上處于太陽照射的區(qū)域，不適區(qū)③是全天處于陰影下的區(qū)域，其余空間為中立區(qū)②；在夏季，舒適區(qū)④是13：00后共同的陰影區(qū)，不適區(qū)⑥是連續(xù)8小時及以上處于太陽照射的區(qū)域，其余空間為⑤中立區(qū)。

6 冬夏小氣候設(shè)計分區(qū)Microclimate design zoning in summer and winter

小氣候設(shè)計分區(qū)可以為廣場家具的布置提供參考，如提供觀賞、休閑類的家具更適合布置在熱舒適區(qū)內(nèi)，在不適區(qū)內(nèi)更適合布置提高熱舒適度，改善廣場小氣候的家具。在實際案例中可根據(jù)場地周邊情況計算分區(qū)，統(tǒng)籌考慮冬夏兩季的場地小氣候，合理布置廣場家具，提高廣場小氣候的適宜性。

5.3 家具設(shè)計

與固定的周邊建筑相比，廣場內(nèi)部的家具，可以直接改變關(guān)鍵扇區(qū)SVFsectors，屬于景觀設(shè)計師的設(shè)計范疇。動態(tài)的廣場家具設(shè)計可以更好地適應(yīng)人們熱偏好與太陽一日或冬夏運行規(guī)律間的矛盾關(guān)系，改善廣場家具在關(guān)鍵扇區(qū)或整個廣場的遮蔽情況，如設(shè)置可調(diào)節(jié)遮陽簾，在夏季開啟，減少場地太陽輻射；在冬季關(guān)閉提高場地太陽輻射。目前中國室內(nèi)大型電動遮陽簾的工藝已十分成熟，在造價允許的情況下可以引入廣場設(shè)計中，以提高廣場的熱舒適度。

落葉植物在夏季枝繁葉茂可以遮擋烈日，在冬季枝葉凋敝可以增加太陽直射，是良好的動態(tài)調(diào)整廣場遮蔽太陽輻射的設(shè)計元素，但在應(yīng)用中宜選擇冠大蔭濃的高大植株，保持冠下通風良好，提高樹冠下的人體熱舒適度。

除了可以直接阻擋太陽輻射的廣場家具，通過噴泉、噴霧的夏季降溫作用，景墻、綠籬的夏季引風和冬季阻風作用，鋪裝材質(zhì)的吸熱、反射特性也可以對城市廣場小氣候環(huán)境形成有效的改善。

6 研究展望

在討論關(guān)鍵扇區(qū)對小氣候的影響時，從太陽輻射角度出發(fā)，所選的扇區(qū)均位于太陽視運動軌跡上，而影響風速扇區(qū)的高度角通常較低，方位多在夏季主導(dǎo)風向或場地主導(dǎo)風向上。故結(jié)論中SVFsectors對風速的影響較小。若分析扇區(qū)對風速的影響，應(yīng)考慮不同季節(jié)和空間形態(tài)的城市主導(dǎo)風向和場地主導(dǎo)風向的影響[21]，扇區(qū)劃分時，可只在方位角上進行分隔，高度角上不做分隔或較少分隔，通過實測和數(shù)據(jù)模擬結(jié)合的方式分析廣場風環(huán)境特征，探尋小氣候適宜性廣場的營造理論、方法和技術(shù)。

注釋：

圖1～6，表1～4為作者自繪。