校園行道樹對(duì)夏季室外行人熱舒適的影響研究

許 敏

洪 波*

姜潤聲

城市道路綠化是緩解城市熱負(fù)荷的重要措施之一[1-2]。研究表明行道樹在提升城市環(huán)境、減少能源消耗和緩解城市熱島等方面有著積極作用[3-4]。行道樹可以改善道路周圍的微氣候、提升道路空間熱環(huán)境，具體表現(xiàn)在降低空氣溫度、增加空氣濕度、減弱太陽和地面輻射，以及改善通風(fēng)等方面[5-7]。

針對(duì)行道樹對(duì)城市環(huán)境的研究降溫效果已在不同氣候區(qū)開展[8]。美國印第安納州伯明頓、澳大利亞墨爾本、新加坡和印度班加羅爾等地的相關(guān)研究表明行道樹遮陰區(qū)域比無遮陰區(qū)域的空氣溫度分別低0.1、0.9、1.1和5.6℃[9-12]。行道樹可以有效降低城市街道空氣溫度，且溫度降低與樹冠覆蓋率密切相關(guān)[13]。行道樹冠層遮陰主要由冠型、冠層深度、葉面積分布、樹木間距、栽培和灌溉方式等決定[14]。不同特征(如樹齡、冠型、冠幅、樹梢結(jié)構(gòu)、葉密度、葉色、葉質(zhì)和葉形等)的行道樹會(huì)產(chǎn)生不同的遮陰覆蓋效應(yīng)，引起人體熱感覺變化[15]。枝葉密集的鐵力木(Mesua ferrea)比響盒子樹(Hura crepitans)對(duì)樹冠下方的熱輻射改善效果明顯。較大的葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)能促進(jìn)樹木的蒸騰作用從而降低環(huán)境空氣溫度[5]。英國榆(Ulmus procera)和懸鈴木(Platanusxacerifolia)的街道的小氣候環(huán)境優(yōu)于栽植桉樹(Eucalyptus robusta)的街道，且這3種行道樹的微氣候調(diào)節(jié)能力隨著植物面積指數(shù)(Plant Area Index，PAI)增大而增加[16]。

道路綠化通過影響道路周圍的微氣候，進(jìn)而改善行人的熱舒適[17]。熱舒適是指：“對(duì)熱環(huán)境感到滿意的意識(shí)狀態(tài)”[18]?？諝鉁囟?、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽輻射等是影響人體熱舒適的主要因素[19-21]。此外，道路的走向、高寬比也能影響行人的熱舒適[17]。有無樹木遮陰往往導(dǎo)致樹木對(duì)城市的生物氣候條件、平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)和生物氣象熱指數(shù)產(chǎn)生不同的影響[22]。樹木遮陰能顯著降低生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)，改善人體熱舒適，且不同樹種及其種植形式的改善效果存在差異[23]。街道綠化通過形成樹蔭對(duì)行人熱舒適產(chǎn)生影響，10%的樹冠遮蓋可以使街道的Tmrt降低約1K[19]。在高寬比和走向相同的情況下，無行道樹的街道的行人不舒適時(shí)間更長[20]。樹冠覆蓋率較高的樹木對(duì)南北走向街道的微氣候改善效果低于東西走向街道[21]。Georgi & Dimitriou利用不舒適指數(shù)(Discomfort Index，DI)比較了樹下遮陰區(qū)域與陽光照射道路之間的熱舒適差異，表明有遮陰區(qū)域的Ta和DI均比陽光下低3.1℃，且不同樹種Ta和DI存在差異[23]。

綜上可見，相關(guān)的研究已開展了道路綠化對(duì)行人熱舒適影響的研究，但這些研究多集中于夏熱冬暖區(qū)或夏熱冬冷區(qū)，針對(duì)寒冷地區(qū)的相關(guān)研究較少[24-27]。由于居民心理、生理的差異，以及熱經(jīng)歷和熱期望的不同，不同氣候區(qū)的居民熱感知差異較大[28]。因此，本研究通過對(duì)寒冷地區(qū)不同行道樹樹蔭和陽光下的氣象參數(shù)的測(cè)量，運(yùn)用通用熱氣候指數(shù)(Universal Thermal Climate Index，UTCI)分析不同行道樹種下的室外熱環(huán)境和行人熱舒適的差異，并通過紅外熱成像儀測(cè)定行道樹葉表面溫度，分析行道樹葉表面溫度和行人熱舒適的關(guān)系。以期為基于室外熱舒適評(píng)價(jià)的寒冷地區(qū)城市街道樹種選擇提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

選擇西北農(nóng)林科技大學(xué)校園為實(shí)測(cè)場(chǎng)地(118°5′N，34°15′E)。根據(jù)柯本氣候分類，該校園地處位置屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，雨量適中[24]。6—8月為夏季，炎熱多雨，12—翌年2月為冬季，寒冷干燥。夏季平均空氣溫度為26℃，平均最高溫度和最低溫度范圍分別為29.6～31.7℃和17.2～22.4℃。全年平均相對(duì)濕度在57.2%～77.4%之間。太陽輻射強(qiáng)度 8月最強(qiáng)，為578.8W·m-2。該校園占地面積173.33hm2，道路綠化采用“一樹一路”的設(shè)計(jì)方式(每條道路栽植一種行道樹)，為開展不同行道樹對(duì)行人室外熱舒適的影響研究提供了理想場(chǎng)地。

選取校園內(nèi)分別栽植銀杏、鵝掌楸、懸鈴木、苦楝(Melia azedarach)、臭椿(Ailanthus altissima)、三角槭(Acer buergerianum)和白玉蘭的7條道路進(jìn)行分析。這些樹種也是該地區(qū)最常見的城市綠化行道樹[29]。樹種選擇滿足：1)樹木生長良好，且同為道路設(shè)計(jì)時(shí)栽植，樹齡相近；2)樹木的形態(tài)和生態(tài)學(xué)特征能夠直觀反映植物種類；3)道路周圍環(huán)境相似，不受其他植被或建筑遮陰的影響，下墊面及地形特征統(tǒng)一，路寬及樹距相近。7條道路中，苦楝路、玉蘭路、臭椿路和三角槭路為南北走向(N-S)，懸鈴木路、銀杏路和鵝掌楸路為東西走向(E-W)(圖1)。

1.2 實(shí)地測(cè)試

分別監(jiān)測(cè)每條行道樹樹蔭和陽光下的空氣溫度(Ta)、相對(duì)濕度(RH)、風(fēng)速(Va)、黑球溫度(Tg)和太陽輻射強(qiáng)度(G)?？諝鉁囟群拖鄬?duì)濕度數(shù)據(jù)采用HOBO氣象站進(jìn)行采集，分別用風(fēng)速計(jì)(Kestrel 5500，Nielsen-Kellerman Co.USA)、熱指數(shù)儀(HD32.2 WBGT Index，Delta OHM，Italy)和太陽輻射自記儀(Pyranometer TBQ-2)記錄環(huán)境中的風(fēng)速、黑球溫度和太陽輻射強(qiáng)度(表1)。記錄間隔均為1min，儀器高度為距離地平面1.5m。參照前人的研究[14]，以陽光下的測(cè)點(diǎn)作為參照點(diǎn)，與被測(cè)行道樹的距離不超過50m，樹蔭下的測(cè)點(diǎn)安置在午時(shí)降溫最顯著的行道樹路的中間位置(圖2)。所有行道樹的測(cè)試在8月內(nèi)完成。測(cè)試日的天氣狀況為晴好無風(fēng)，選擇一天中較熱且人們活動(dòng)較頻繁的時(shí)間段10：00—16：00進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，用紅外熱成像儀(Testo 885，Germany)拍攝行道樹熱成像照片，記錄行道樹表面的溫度。熱成像圖片的拍攝要求拍攝者距離被測(cè)樹木20m，順著太陽的照射方向拍攝完整樹木。此外，各行道樹的樹下的天空可視因子(Sky View Factor，SVF)通過拍攝魚眼照片獲取。照片拍攝時(shí)，將樹干看成4個(gè)面——朝向道路的面、遠(yuǎn)離道路的面、兩樹之間的面，以及在朝向道路的面的樹冠下方朝上拍攝半球形照片。根據(jù)太陽軌跡，對(duì)于南北方向的道路，分別拍攝東西兩側(cè)受試行道樹的魚眼照片；對(duì)于東西方向的道路，則只拍攝南側(cè)行道樹的魚眼照片。7種行道樹的魚眼照片和SVF值如圖3所示。

1.3 熱指數(shù)

UTCI是基于人體能量平衡開發(fā)的用于室外熱環(huán)境評(píng)價(jià)的指標(biāo)，為基于“Fiala”多節(jié)點(diǎn)人體生理學(xué)和熱舒適模型。該模型綜合考慮了人體因環(huán)境變化而對(duì)衣物的調(diào)整和人體不同部位的衣物熱阻分布，以及因風(fēng)速引起的衣物熱阻和水蒸氣蒸發(fā)能力，使得該指標(biāo)對(duì)任何季節(jié)、氣候和尺度的熱環(huán)境都適用[30]。利用RayMan2.1計(jì)算道路空間的UTCI值[30]。

圖2 實(shí)地測(cè)試示意圖

圖3 7種行道樹的魚眼照片及SVF值

2 結(jié)果與討論

2.1 道路空間熱環(huán)境

樹木對(duì)人體熱舒適的影響主要由平均輻射溫度(Tmrt)引起。為了研究7種行道樹對(duì)城市道路空間熱環(huán)境的改善效果，研究分析了陽光和樹蔭下Ta和Tmrt的變化。根據(jù)ISO 7726標(biāo)準(zhǔn)，Tmrt的計(jì)算公式為：

其中，Tg為黑球溫度(℃)；Ta為空氣溫度，Va為風(fēng)速(m/s)；D為黑球直徑(m)(本研究中D＝0.05m)；ε為黑球系數(shù)(本研究中ε＝0.95)。

與陽光下相比，樹蔭下的Ta和Tmrt均有不同程度降低。懸鈴木對(duì)Ta的降低能力最強(qiáng)(ΔTa=-1.5℃)。銀杏、苦楝、白玉蘭、鵝掌楸、三角槭和臭椿的降溫能力依次減弱。銀杏對(duì)Tmrt降低作用最明顯(ΔTmrt=-35.2℃)，其次是三角槭、白玉蘭、懸鈴木、鵝掌楸、苦楝和臭椿(表2)。表明行道樹的形態(tài)特征和種類的差異導(dǎo)致對(duì)熱舒適的改善效應(yīng)不同，且該降低作用與道路走向無關(guān)，這與Shahidan等的研究結(jié)果一致[6]。

測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，道路周圍及樹蔭下的空氣溫度均呈上升趨勢(shì)，銀杏和白玉蘭周圍的熱環(huán)境較差，Ta和Tmrt均較高。樹蔭下熱環(huán)境較好的是懸鈴木，這與其相對(duì)較涼爽的周圍環(huán)境有關(guān)。銀杏改善樹蔭下熱環(huán)境效果最顯著。此外，所有行道樹的平均輻射溫度的降低效果均在12：00—14：00內(nèi)表現(xiàn)最佳(圖4)。

2.2 道路空間熱舒適

不同行道樹對(duì)行人熱舒適的影響主要由樹木遮陰效果所決定[14]。樹木遮陰主要取決于冠層大小、形狀以及葉面積分布。樹木通過影響太陽輻射穿透量而改變樹下熱環(huán)境，進(jìn)而影響行人熱舒適[31]。天空可視因子(SVF)代替LAI和PAI等作為定量樹木遮陰程度的指標(biāo)，已在相關(guān)研究中使用[32-33]。為了驗(yàn)證道路空間SVF與行人熱舒適的關(guān)系，本研究使用UTCI分析不同行道樹改善室外熱舒適的效果。根據(jù)測(cè)量的陽光下和遮陰下的氣象數(shù)據(jù)及個(gè)人參數(shù)，運(yùn)用RayMan模型分別計(jì)算陽光下熱舒適指標(biāo)的數(shù)值(UTCIs)與遮陰下的熱舒適指標(biāo)的數(shù)值(UTCIsh)，并求二者差值的平均值(ΔUTCI)，用下式表示：

表1 氣象參數(shù)測(cè)量所使用的儀器

表2 不同行道樹樹蔭下和陽光下氣象因子差值

圖4 陽光下和樹蔭下的Ta(4-1)和Tmrt(4-2)變化

圖5 ΔUTCI與SVF之間的關(guān)系

其中，ΔUTCI為陽光下通用熱氣候指數(shù)與遮陰下通用熱氣候指數(shù)的差值；UTCIs為在陽光下的通用熱氣候指數(shù)；UTCIsh為遮陰環(huán)境下的通用熱氣候指數(shù)；n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(本研究中n＝1 080)。

行道樹對(duì)道路空間行人室外熱舒適的改善效果與其SVF呈強(qiáng)線性關(guān)系(R2=0.8415)。SVF增大，樹木改善熱舒適的效果減弱，且該改善作用與街道走向無明顯關(guān)系(圖5)，該結(jié)果與Lin等的研究結(jié)果一致[34]。

銀杏在降低行人街道人體室外熱應(yīng)力方面的效果最顯著，ΔUTCI為9.44℃，其SVF最小，僅0.025。其次是白玉蘭(SVF＝0.052)和三角槭(SVF＝0.058)，ΔUTCI分別為8.99和8.95℃。臭椿的改善效果最差(SVF＝0.112，ΔUTCI＝6.21℃)。SVF越大，穿過樹冠到達(dá)行人體表和地面的太陽輻射越多，導(dǎo)致樹蔭下行人熱舒適較差[35]。

懸鈴木樹蔭下的UTCI平均值在測(cè)試時(shí)間內(nèi)最低，白玉蘭和苦楝的樹下UTCI平均值相對(duì)較高。盡管銀杏樹具有最優(yōu)的降低樹下熱環(huán)境及提高人體室外熱舒適的能力，但由于14：00—16：00其周圍環(huán)境較熱，導(dǎo)致UTCI值偏高(圖6)。因此，該時(shí)間段銀杏樹下的熱環(huán)境仍處于不舒適范圍，而懸鈴木樹下的熱舒適度則相對(duì)較高。以上結(jié)果表明，為了營造舒適的道路環(huán)境，要結(jié)合周圍熱環(huán)境狀況合理選擇樹種，在較熱的小氣候環(huán)境中栽植熱緩解能力更強(qiáng)的樹種。

分析測(cè)試時(shí)間段內(nèi)7種行道樹改善熱舒適效果隨時(shí)間的變化，銀杏在大部分時(shí)間均表現(xiàn)出較優(yōu)的改善熱舒適的效果，尤其是10：00—13：00。但在13：00—14：00，銀杏的熱緩解作用低于白玉蘭，由于白玉蘭葉片較大，午后太陽光傾斜射入地面，與植被葉片之間形成夾角，較大的葉片能夠反射更多的太陽輻射量，阻止光線射向地面，提高了樹下行人熱舒適。臭椿改善熱舒適的效果相對(duì)較弱，主要受低SVF和小葉片的影響，穿過樹冠到達(dá)人體皮膚表面的輻射通量多，熱舒適感較差。尤其是在13：30后，太陽輻射由于傾斜入射至地面，導(dǎo)致樹下輻射量與陽光下輻射量差值減小，且這種趨勢(shì)隨著時(shí)間的推移更加明顯，ΔUTCI降低速率增大。結(jié)果表明，不同行道樹種對(duì)人體室外熱舒適的影響效果與街道走向無明顯關(guān)系(圖7)。

2.3 葉表面溫度與熱舒適

圖6 行道樹樹蔭下每小時(shí)UTCI平均值

圖7 行道樹對(duì)熱舒適的改善效果隨時(shí)間的變化

圖8 7種行道樹的葉表面溫度

樹木表面溫度反映了樹木對(duì)光的截取能力，且對(duì)樹蔭下的行人熱舒適有顯著影響[36]。圖8為10：00和16：00時(shí)7種行道樹的葉表面熱成像圖及葉表面溫度。通過計(jì)算每2h所包含的3個(gè)整點(diǎn)所測(cè)得的葉表面溫度的平均值作為該時(shí)間段內(nèi)樹木的平均葉表面溫度，與對(duì)應(yīng)的2h時(shí)間間隔內(nèi)樹下的UTCI平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，樹木的葉表面溫度與UTCI呈線性正相關(guān)(R2=0.8083)，說明樹下熱舒適度的高低與植物表面溫度密切相關(guān)(圖9)。植物表面溫度主要受葉片對(duì)光輻射的吸收率的影響，植物單葉對(duì)光輻射的吸收率在34%～60%之間，不同樹種因葉片大小和其他葉片性狀的不同而導(dǎo)致對(duì)光輻射的吸收率不同，對(duì)太陽輻射吸收力強(qiáng)的樹木，其葉周圍溫度相對(duì)較高，導(dǎo)致樹蔭下的熱舒適性減弱。公式為：

3 結(jié)論

本研究選取校園內(nèi)白玉蘭、銀杏、三角槭、苦楝、鵝掌楸、臭椿和懸鈴木7種典型的行道樹，通過對(duì)樹蔭和陽光下氣象參數(shù)的監(jiān)測(cè)，運(yùn)用熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)UTCI，定量分析了行道樹種的形態(tài)特征對(duì)行人室外熱舒適的影響，結(jié)論如下。1)行道樹改善行人熱舒適作用明顯，且樹木形態(tài)特征差異導(dǎo)致樹種對(duì)城市熱環(huán)境的改善效應(yīng)不同。懸鈴木具有最強(qiáng)的降低Ta能力，依次是銀杏、苦楝、白玉蘭、鵝掌楸、三角槭和臭椿。銀杏對(duì)Tmrt的降低效果最明顯，其次是三角槭、白玉蘭、懸鈴木、鵝掌楸、苦楝和臭椿。2)行道樹對(duì)行人街道人體室外熱舒適的改善效果主要受SVF的影響，SVF越大，樹木的改善熱舒適效果越弱。銀杏在降低人體室外熱應(yīng)力方面的效果最顯著，其次是白玉蘭和三角槭，臭椿的改善效果最弱。3)夏季樹木的Tls與UTCI呈線性正相關(guān)，樹蔭下行人熱舒適隨葉表面溫度的升高而降低。

綜上可見，行道樹覆蓋率、樹高、樹冠形狀、冠幅滲透率、樹干和分支點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及葉片的大小和形狀對(duì)周圍道路空間的行人熱舒適有影響，且不同的區(qū)域環(huán)境特征和樹木生長條件下該影響效果有明顯差異。今后的道路綠化設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的區(qū)域小氣候環(huán)境選擇合適的行道樹種。同時(shí)在行道樹的修剪過程中，要將樹冠形狀、樹干和分支點(diǎn)等要素和小氣候環(huán)境結(jié)合起來。另一方面，今后的研究應(yīng)建立不同區(qū)域、不同種類的行道樹對(duì)道路空間行人熱舒適的改善作用參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，從改善道路空間熱舒適的角度更加系統(tǒng)、科學(xué)地指導(dǎo)道路綠化的樹種選擇。

圖9 樹蔭下UTCI與葉表面溫度之間的關(guān)系

致謝：感謝西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院碩士研究生閆珊珊、米家熠、秦紅巧、安樂、牛佳琦、周蘊(yùn)涵、賀曉云和崔雪等對(duì)數(shù)據(jù)收集提供的幫助。