上海小陸家嘴地區(qū)街道形態(tài)對(duì)街道熱舒適的影響研究

WANG Yi LIU Shuyuan HUANG Zishuo

0 引言

街道空間是室外公共空間的重要組成部分，其熱舒適性關(guān)系著人們室外活動(dòng)的活躍度和質(zhì)量。在國(guó)內(nèi)外開展的一系列關(guān)于街道熱舒適的基礎(chǔ)性研究中，Wang Y,de Groot R等人在荷蘭格羅寧根大學(xué)校園的實(shí)際調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了人的熱舒適性受到主觀因素和環(huán)境參數(shù)的共同影響，并具有地域特征[1]；Nunez和Oke探討了街道峽谷能量平衡的基本理論，揭示出凈輻射量、凈太陽輻射和顯熱通量對(duì)不同城市形態(tài)的敏感度很高，證明了街道形態(tài)能夠影響街道環(huán)境參數(shù)[2]。因此，街道形態(tài)能夠通過影響街道微氣候環(huán)境，從而影響人在街道上的熱舒適感受。在對(duì)街道形態(tài)、街道環(huán)境和熱舒適性三者之間的相互關(guān)系研究中，歐陽婉璐研究了武漢夏季城市街道的朝向和高寬比對(duì)于室外熱舒適度的影響[3]，對(duì)單一季節(jié)的兩種街道形態(tài)因子對(duì)熱舒適性的直接影響進(jìn)行了研究；劉思琪則對(duì)不同朝向和寬度的嚴(yán)寒地區(qū)步行街，在不同季節(jié)下的熱環(huán)境參數(shù)差值導(dǎo)致的熱舒適差異進(jìn)行了比較[4]，其對(duì)三者之間的關(guān)系進(jìn)行了描述，也考慮了不同的季節(jié)條件，但是形態(tài)因素上仍舊是局限于朝向和寬度。然而實(shí)際情況中，能夠影響街道熱舒適性的形態(tài)因素有多種，朝向和高寬比不足以進(jìn)行全面的代表；同時(shí)，各種街道形態(tài)因素在不同的條件下對(duì)環(huán)境的影響程度也不同，需要進(jìn)行季節(jié)和地域的區(qū)分。我們可以通過綜合不同的條件來對(duì)影響程度較高的形態(tài)因素進(jìn)行調(diào)整，從而高效地提高街道熱舒適性。

本研究以上海小陸家嘴地區(qū)的城市街道為對(duì)象，上海陸家嘴地區(qū)是過去三四十年間中國(guó)城市大規(guī)模、快速發(fā)展的典型代表，其在經(jīng)濟(jì)和形象層面取得成功的同時(shí)，室外公共空間的品質(zhì)卻一直受人詬病，小陸家嘴地區(qū)的街道數(shù)量和人群活動(dòng)豐富，選擇該片區(qū)，從熱舒適的角度對(duì)其街道形態(tài)進(jìn)行研究，能夠?qū)ζ淙蘸蟮母赂纳铺岢鼋ㄗh。

因此，本研究以環(huán)境參數(shù)為媒介，首先研究不同季節(jié)影響街道熱舒適性的主要環(huán)境參數(shù)，再將挑選出的城市街道樣本進(jìn)行街道形態(tài)因素的提煉和量化，將其與研究得到不同季節(jié)的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，找到影響這些環(huán)境參數(shù)的主要街道形態(tài)因素，從而建立起街道熱舒適性、影響熱舒適性的主要環(huán)境參數(shù)、影響主要環(huán)境參數(shù)的街道形態(tài)因素三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探究實(shí)際街道中形態(tài)對(duì)熱舒適性的影響。

1 研究方法

1.1 研究對(duì)象

基 于2019年1月13日、14日兩天對(duì)小陸家嘴地區(qū)范圍內(nèi)26條街道進(jìn)行的人流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和人的行為觀察結(jié)果，選取了7條街道作為研究對(duì)象（圖1）。該7條街道白天人流量均超過400人，使用者類型包括居民、附近工作或?qū)W習(xí)的人員以及游客，人群活動(dòng)的類型和數(shù)量較為豐富，具有一定的代表性。

1.2 研究時(shí)間

上海市四季分明，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西北風(fēng)。浦東新區(qū)冬季的溫度約為0℃～11℃之間，春季的溫度約為13℃～28℃之間，夏季的溫度約為22℃～35℃之間，秋季的溫度約為12℃～24℃之間，且晴朗無雨的日子，人們更愿意進(jìn)行室外活動(dòng)。故綜合考慮溫度和天氣情況，選取了2019年1月18日、20日，4月20日、23日，7月14日、21日，11月9日、10日8個(gè)上海典型的四季氣象日作為實(shí)測(cè)日，以兩天的數(shù)據(jù)作為季節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)（表1）。

1.3 研究方法與研究數(shù)據(jù)

研究需要獲取街道環(huán)境參數(shù)、與之對(duì)應(yīng)的人的熱舒適評(píng)價(jià)以及街道形態(tài)三類數(shù)據(jù)，分別采用環(huán)境參數(shù)測(cè)量、熱舒適問卷調(diào)研和街道形態(tài)調(diào)研方法獲得。

1.3.1 環(huán)境參數(shù)測(cè)量

圖1 7條街道及街道測(cè)點(diǎn)分布圖

環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)采用KestrelNK5400微氣候測(cè)量?jī)x，同時(shí)采集每天8:00—19:00各個(gè)街道的不同環(huán)境參數(shù)，以評(píng)估街道的微氣候環(huán)境。

1.3.1.1 測(cè)試布點(diǎn)與測(cè)試方法

由于一條街道過長(zhǎng)，為了更好地描述街道的微氣候環(huán)境，在每條街道兩側(cè)各選取中點(diǎn)和兩個(gè)端點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，按照測(cè)點(diǎn)編號(hào)順序，每隔10 min依次在一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，1 h一輪，連續(xù)測(cè)量2 h，間隔1 h后重復(fù)（圖2）。

1.3.1.2 環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果

每小時(shí)的風(fēng)速、空氣溫度、相對(duì)濕度和黑球溫度由儀器直接測(cè)得，平均輻射溫度（Tmrt）根據(jù)每小時(shí)的實(shí)測(cè)參數(shù)計(jì)算得到（參照ISO（7726））：

其中ε=0.95，為黑球反射率；D為黑球直徑（表2）。

1.3.2 熱舒適問卷調(diào)研

1.3.2.1 問卷調(diào)研方法與問卷內(nèi)容

熱舒適是人對(duì)于周圍環(huán)境的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，采用在熱環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)的同時(shí)發(fā)放熱舒適問卷的方式以得到對(duì)應(yīng)的人的熱舒適評(píng)價(jià)。受訪者為自發(fā)的在街上進(jìn)行活動(dòng)的人。每條街道每天發(fā)放約30份問卷。

圖2 測(cè)點(diǎn)分布圖

表1 測(cè)試日氣象數(shù)據(jù)表

表2 街道環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果

熱舒適感受問卷分為兩部分內(nèi)容，一是受訪者的基本信息；二是受訪者個(gè)體的熱舒適性感受，其中熱舒適投票（Thermal Comfort Vote，TCV）采用5級(jí)標(biāo)度，分別為非常不舒適、不舒適、一般、較舒適和非常舒適，對(duì)應(yīng)的賦值為-2、-1、0、1、2。

1.3.2.2 街道熱舒適投票調(diào)研結(jié)果

調(diào)查總共發(fā)出問卷1 726份，其中冬季462份，春季420份，夏季417份，秋季427份（表3、圖3）。

四季的調(diào)研結(jié)果顯示：街道的熱舒適性具有季節(jié)性差異，春秋兩季的總滿意度（包含一般、較舒適和非常舒適）相對(duì)夏冬兩季較高，其中秋季整體滿意度更是達(dá)到96.48%；同一季節(jié)不同街道的熱舒適度也有差異，冬、春、夏三季不同街道的熱舒適度有明顯差異，而秋季7條街道的滿意度均在93%之上，部分街道甚至達(dá)到100%，整體滿意度過高、街道滿意度差異較小，不足以研究出街道形態(tài)對(duì)于熱舒適差異的影響。因此，之后主要對(duì)冬、春、夏三季的街道形態(tài)與熱舒適差異進(jìn)行研究。

表3 街道熱舒適投票數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

1.3.3 街道形態(tài)因素調(diào)研

街道形態(tài)采用實(shí)地觀察和測(cè)量法，記錄下不同街道的寬度、高度、朝向等形態(tài)數(shù)據(jù)，并在之后的分析之中進(jìn)行量化處理。

2 相關(guān)性分析

2.1 熱舒適投票與環(huán)境參數(shù)分析

選用測(cè)量得到的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及計(jì)算得到的平均輻射溫度（Tmrt）4項(xiàng)單一的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，與熱舒適投票進(jìn)行相關(guān)性分析，這4項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)足以描述街道微氣候的風(fēng)熱環(huán)境變化。即使是目前廣泛運(yùn)用的用于室外熱舒適評(píng)價(jià)和模擬的綜合性指標(biāo)PET（生理等效溫度）和UTCI（通用熱氣候指標(biāo)），其中PET是考慮了空氣溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速三種環(huán)境參數(shù)，UTCI較于PET則加入了平均輻射溫度，該4項(xiàng)也覆蓋了綜合性指標(biāo)所考慮的因素。同時(shí)，學(xué)者在對(duì)指標(biāo)的研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境參數(shù)在不同的季節(jié)對(duì)人熱舒適的影響強(qiáng)度不同[5]，而綜合性指標(biāo)會(huì)忽視這些差異，從而影響熱舒適評(píng)估的準(zhǔn)確度和敏感度，選用單個(gè)指標(biāo)能更精確地感受小陸家嘴地區(qū)街道，在不同季節(jié)哪些環(huán)境參數(shù)會(huì)作為主要因素影響人的熱舒適性。

將對(duì)應(yīng)的每條街道每小時(shí)熱舒適投票的平均值（MTCV）與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到冬季41個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系、春季31個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系和夏季的34個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，其分析結(jié)果見表4。

結(jié)果顯示，不同季節(jié)，影響人熱舒適性的環(huán)境因素是有差異的。冬季，風(fēng)速是影響熱舒適性的主要環(huán)境參數(shù)，風(fēng)速越小，使用者感覺越舒適；春季，風(fēng)速和平均輻射溫度是影響熱舒適性的主要環(huán)境參數(shù)，風(fēng)速越大或者平均輻射溫度越高，使用者感覺越舒適；夏季，空氣溫度和平均輻射溫度是影響熱舒適性的主要環(huán)境參數(shù)，空氣溫度或者平均輻射溫度越低，使用者感覺越舒適。

總體而言，小陸家嘴地區(qū)街道的風(fēng)環(huán)境和輻射環(huán)境對(duì)于人在街道的熱舒適感受影響較大，相對(duì)濕度對(duì)于人們?cè)诮值赖臒崾孢m感受影響甚微，這可能是由于一定區(qū)域內(nèi)不同街道的濕度差異不大，且人們對(duì)于一定范圍內(nèi)的濕度變化不敏感。實(shí)地調(diào)研中，不同街道的風(fēng)環(huán)境和街道遮擋物等也差異較大，人們對(duì)于風(fēng)速變化和環(huán)境遮擋物等的敏感程度和期望也影響了對(duì)熱舒適的主觀評(píng)價(jià)。

2.2 街道形態(tài)與環(huán)境參數(shù)相關(guān)性分析

2.2.1 形態(tài)因素的選取和量化

室外街道的風(fēng)環(huán)境和輻射環(huán)境會(huì)受到街道朝向、街道空間的幾何形態(tài)和周圍建筑形態(tài)布局的影響，同時(shí)也與樹木遮擋、綠化位置等景觀因素有關(guān)。有些學(xué)者[6]對(duì)于街道各種要素（包括空間形態(tài)要素與綠化水體等其他要素）與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了初步的研究總結(jié)。本研究?jī)H從街道本身的形態(tài)因素考慮。一方面，是街道的空間位置要素，街道的朝向會(huì)影響街道所受的太陽輻射，故用街道朝向與平均輻射溫度關(guān)聯(lián)，而風(fēng)速則更多和街道與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角相關(guān)；另一方面，是街道的空間幾何性質(zhì)，用街道長(zhǎng)寬比、街道連續(xù)度和街道兩側(cè)連續(xù)度差值描述街道平面性質(zhì)，街道高寬比和街道平均高度描述街道立面性質(zhì)，從而全面地對(duì)街道形態(tài)進(jìn)行限定。

（1）街道朝向：街道中心線與正北方向的順時(shí)針方向夾角數(shù)值。

（2）風(fēng)向夾角：街道與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角，測(cè)量當(dāng)天的主導(dǎo)風(fēng)向與街道中心線的銳角夾角數(shù)值。

（3）平均高度：街道立面所有建筑高度的平均值，本研究采用豎直方向建筑立面投影面積與建筑在街道上投影長(zhǎng)度的比值。

（4）街道高寬比：街道兩側(cè)平均高度與街道平均寬度的比值。

（5）街道長(zhǎng)寬比：街道中心線長(zhǎng)度與街道平均寬度的比值。

（6）街道連續(xù)度：一定范圍內(nèi)街道所有外側(cè)建筑沿路的投影長(zhǎng)度之和與街道長(zhǎng)度的比值。

（7）街道兩側(cè)連續(xù)度差值：街道兩側(cè)連續(xù)度之差的絕對(duì)值。

該7項(xiàng)挑選出的形態(tài)指標(biāo)均能對(duì)街道的風(fēng)環(huán)境和輻射環(huán)境造成影響，將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化為無量綱數(shù)值以便于比較，形態(tài)指標(biāo)量化見表5。

2.2.2 形態(tài)因素與環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性分析

采用線性回歸分析法將春冬夏三季測(cè)量日當(dāng)天主要環(huán)境參數(shù)和街道形態(tài)量化指標(biāo)分別進(jìn)行相關(guān)性分析來探討影響環(huán)境參數(shù)的主要形態(tài)因素。其中與街道的主導(dǎo)風(fēng)向的夾角用于與風(fēng)速進(jìn)行回歸，街道朝向用于與平均輻射溫度和空氣溫度進(jìn)行回歸（表6）。

表4 環(huán)境參數(shù)與MTCV相關(guān)性表

表5 街道形態(tài)指標(biāo)量化表

結(jié)果顯示：不同季節(jié)，街道形態(tài)因素影響環(huán)境參數(shù)的程度不同。冬季，街道與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角和街道兩側(cè)連續(xù)度差值是影響風(fēng)速的主要因素；春季，平均高度是影響風(fēng)速的主要因素，街道連續(xù)度和平均高度是影響平均輻射溫度的主要因素；夏季，街道兩側(cè)連續(xù)度差值是影響平均輻射溫度的主要因素，而空氣溫度則與各個(gè)街道形態(tài)因素均不相關(guān)。相關(guān)性分析是基于這7條街道的環(huán)境參數(shù)和形態(tài)要素，存在著一定的局限性。

2.3 街道形態(tài)、環(huán)境參數(shù)、熱舒適性對(duì)應(yīng)關(guān)系分析

結(jié)合之前的分析和具體的街道形態(tài)來看（表7）：

冬季，風(fēng)速是影響熱舒適性的主要因素，風(fēng)向夾角和街道兩側(cè)連續(xù)度差值是影響風(fēng)速的主要因素。冬季街道I和II的熱舒適度為80%以上，除去街道III可能由于廣場(chǎng)的原因?qū)е嘛L(fēng)速偏大而降低熱舒適度，從風(fēng)向夾角上看，街道I和II均為東北-西南走向街道，街道IV、V、VI、VII為西北-東南走向街道，街道I、II的風(fēng)向夾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余街道，從街道兩側(cè)連續(xù)度差值上看，街道I、II的兩側(cè)連續(xù)度差值也小于其他街道。故冬季，街道與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角越大，街道兩側(cè)連續(xù)度差值越小，風(fēng)速越小，熱舒適度越高。

春季，風(fēng)速和平均輻射溫度是影響熱舒適性的主要因素，平均高度是影響風(fēng)速的主要因素，街道連續(xù)度和平均高度是影響平均輻射溫度的主要因素。春季街道III和IV的熱舒適均為95%以上，街道I則僅有83%，從平均高度上看，街道的熱舒適度隨著平均高度的降低而降低，從街道連續(xù)度上看，街道I的街道連續(xù)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他熱舒適性較好的街道。故春季，街道平均高度越高，街道兩側(cè)連續(xù)度越小，風(fēng)速越大，平均輻射溫度越高，熱舒適度越高。

夏季，空氣溫度和平均輻射溫度是影響熱舒適性的主要因素，街道兩側(cè)連續(xù)度差值是影響平均輻射溫度的主要因素，而空氣溫度則與各個(gè)街道形態(tài)因素均不相關(guān)。夏季街道I的熱舒適為87%，除去街道II由于街道兩側(cè)建筑高度差距過大造成的太陽輻射過高導(dǎo)致熱舒適度較低，從街道兩側(cè)連續(xù)度差值上看，街道I的兩側(cè)連續(xù)度差值均大于其余街道。故夏季，街道兩側(cè)連續(xù)度差值小，平均輻射溫度越低，熱舒適度越高。

3 結(jié)語

本文對(duì)上海小陸家嘴地區(qū)7條城市街道進(jìn)行了熱舒適環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)和大眾心理熱舒適評(píng)價(jià)問卷調(diào)研，發(fā)現(xiàn)使用者熱舒適性、環(huán)境參數(shù)和街道形態(tài)三者之間有密切的關(guān)系。

7條街道在不同季節(jié)有著不同的熱舒適性，具體的相關(guān)關(guān)系見表8。冬季，街道與主導(dǎo)風(fēng)向夾角較大的街道能夠衰減進(jìn)入街道的風(fēng)的強(qiáng)度，從而降低風(fēng)速，街道兩側(cè)連續(xù)度差值較小的街道能夠有效降低兩側(cè)的對(duì)流風(fēng)速；春季，高層會(huì)對(duì)街道的風(fēng)環(huán)境和建筑自身遮擋造成影響，平均高度越高，街道連續(xù)度越小，風(fēng)速和平均輻射溫度均越大；夏季，街道兩側(cè)連續(xù)度差值越小的街道能夠帶來更多的遮擋，從而降低街道的平均輻射溫度，而夏季的空氣溫度是影響街道舒適性的重要因素，且與街道形態(tài)指標(biāo)不相關(guān)，說明街道形態(tài)對(duì)于空氣溫度的影響甚微，需要從其他尺度上，比如城市熱島降溫等方面去構(gòu)建夏季室外環(huán)境，給使用者帶來更好的熱舒適感受。

表6 環(huán)境參數(shù)與形態(tài)因素相關(guān)性分析

表7 熱舒適性-街道形態(tài)對(duì)應(yīng)表

表8 街道形態(tài)與熱舒適差異全年總結(jié)

因此，在小陸家嘴地區(qū)日后的更新改造中，通過對(duì)街道形態(tài)的把控，可以提高街道的熱舒適性。比如對(duì)于新規(guī)劃的街道，盡量采用與冬季主導(dǎo)風(fēng)向夾角較大的朝向，以降低冬季的街道風(fēng)速；對(duì)于老街道，特別是街道兩側(cè)連續(xù)度差值較大的，可以通過城市修補(bǔ)等手段，新建部分裙房來降低兩側(cè)差值，提高其在冬、夏季的熱舒適性；春季，部分沿街建筑可以考慮底層架空，降低街道的連續(xù)度。蔡永潔教授[7-8]也提出，通過對(duì)空間密度的改變，能夠?qū)е滦碌慕值篮徒缑孢B續(xù)的變化，而我們可以通過控制這些變化的方向，去選擇構(gòu)建一個(gè)熱舒適度相對(duì)較高的城市空間。同時(shí),也可以結(jié)合不同季節(jié)氣象條件，合理利用區(qū)域內(nèi)高層建筑形成的風(fēng)影效應(yīng)和自身遮擋，構(gòu)建適宜的風(fēng)熱環(huán)境。

本研究從熱舒適的角度,對(duì)小陸家嘴街道空間做出了分析和評(píng)價(jià)，闡述了街道使用者熱舒適性、環(huán)境參數(shù)和街道形態(tài)三者之間的關(guān)系，從而對(duì)小陸家嘴地區(qū)街道日后的更新改善提出建議。但結(jié)論僅僅基于小陸家嘴地區(qū)現(xiàn)有的街道形態(tài)與環(huán)境參數(shù)，具有一定的局限性。