街道可視因子對(duì)夏季午后城市街道峽谷微氣候和熱舒適度的影響研究

郭曉暉

包志毅

吳 凡

楊詩(shī)敏

晏 海*

隨著城市化的快速發(fā)展，城市原有自然下墊面被不透水表面所取代，極大地改變了城區(qū)近地面的物質(zhì)和能量平衡，進(jìn)而形成了特有的城市氣候，引發(fā)了眾多環(huán)境問(wèn)題，其中，城市熱島效應(yīng)作為城市氣候最為顯著的特征一直備受關(guān)注[1-2]。近年來(lái)，城市熱環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到居民的正常生活和身心健康，城市熱島形成的城市高溫，還將增加夏季的能源消耗及污染物與溫室氣體的排放，嚴(yán)重威脅城市的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展[3-6]。隨著全球氣候變暖的加劇和新一輪城市化發(fā)展，城市熱環(huán)境問(wèn)題將更加嚴(yán)峻[7]。

城市街道是城市戶外環(huán)境的重要組成部分，也是市民使用頻率最高的城市戶外公共空間之一[8-10]。城市街道熱環(huán)境對(duì)行人的使用感受和建筑能耗都有極其重要的影響[11-16]。

如何切實(shí)提升街道步行舒適性，營(yíng)造具有高品質(zhì)的街道空間，已經(jīng)成為當(dāng)前城市管理者和規(guī)劃設(shè)計(jì)師所面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。已有研究表明，城市街道熱環(huán)境主要受到街道走向、街道峽谷高寬比(H/W)及天空可視因子(Sky View Factor，SVF)等街道結(jié)構(gòu)特征的影響[17-19]。天空可視因子定義為測(cè)點(diǎn)周?chē)梢曁炜盏谋嚷剩Ｓ靡员碚骺臻g的開(kāi)敞程度[20]，是定義城市街道結(jié)構(gòu)特征最為重要的參數(shù)之一。天空可視因子為無(wú)量綱量，介于0～1之間，其值越大，測(cè)點(diǎn)周?chē)目臻g就越開(kāi)闊。研究表明，天空可視因子通過(guò)影響太陽(yáng)輻射的進(jìn)入及地面長(zhǎng)波輻射的消散，對(duì)街道峽谷的微氣候、熱舒適度及能源消耗等產(chǎn)生影響[21-23]。

盡管天空可視因子在城市微氣候中扮演著重要角色，但是在復(fù)雜的城市環(huán)境中，微氣候環(huán)境還受到建筑、樹(shù)木和街道走向等多方面因素的影響[24]。在城市街道研究中，建筑可視因子(Building View Factor，BVF)和樹(shù)木可視因子(Tree View Factor，TVF)定義為街道上給定測(cè)點(diǎn)周?chē)ㄖ蜆?shù)木的可視部分的比率。相比傳統(tǒng)二維的建筑覆蓋率和植被覆蓋率，具有三維特征的建筑可視因子和樹(shù)木可視因子對(duì)街道特征的描述更為準(zhǔn)確，可更加直觀地反映街道的遮陰狀況。建筑可視因子、樹(shù)木可視因子和天空可視因子共同構(gòu)成了街道可視因子(VFs)[25-28]。由于街道可視因子可以直觀地表征城市街道的結(jié)構(gòu)特征、反映街道遮陰狀況，因此街道可視因子在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和城市微氣候研究中有著很好的實(shí)用價(jià)值。然而在目前的城市街道微氣候研究中，鮮有使用街道可視因子綜合分析街道熱環(huán)境的應(yīng)用。因此，本文以杭州市典型街道為例，對(duì)街道可視因子與夏季白天城市街道峽谷微氣候及熱舒適度的關(guān)系展開(kāi)研究，以期為城市氣候適應(yīng)性規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況與測(cè)點(diǎn)選擇

杭州位于華東地區(qū)，為長(zhǎng)江三角洲中心城市之一。杭州處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥。全年平均氣溫17.8℃，平均相對(duì)濕度70.3%。在建筑氣候區(qū)劃上，杭州位于夏熱冬冷地區(qū)。近年來(lái)，杭州高溫天氣頻發(fā)，城市熱環(huán)境問(wèn)題正在制約杭州的城市發(fā)展。

本研究選取杭州上城區(qū)為研究樣地，該區(qū)域地處杭州市區(qū)中部偏南，是杭州核心城區(qū)。上城區(qū)的街道多為南北和東西朝向，道路布置模式多為一板兩帶式，街道綠化以二球懸鈴木行道樹(shù)為主，街道峽谷高寬比多為0.5～2.0。經(jīng)過(guò)多次實(shí)地調(diào)研，在上城區(qū)選取了4條不同高寬比(H/W)的南北(N-S)朝向街道峽谷和東西(E-W)朝向街道峽谷，并在每條街道布置一個(gè)空間開(kāi)敞的測(cè)點(diǎn)和有行道樹(shù)遮陰的測(cè)點(diǎn)(奇數(shù)為開(kāi)敞的測(cè)點(diǎn)，偶數(shù)為相對(duì)遮陰較好的測(cè)點(diǎn))。街道和測(cè)點(diǎn)選取及設(shè)置的依據(jù)為：1)街道之間距離合適，便于測(cè)量；2)街道和測(cè)點(diǎn)周?chē)鸁o(wú)明顯的人為熱源；3)測(cè)點(diǎn)布置在街道中央，避免建筑向陽(yáng)和背陽(yáng)的影響。街道選取和測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域中的街道選取和測(cè)點(diǎn)布置

1.2 街道可視因子和微氣候參數(shù)實(shí)測(cè)與計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)使用安裝了魚(yú)眼鏡頭(Sigma 8mm圓周魚(yú)眼鏡頭)的Cannon EOS5D MarkⅡ單反相機(jī)拍攝獲取魚(yú)眼鏡頭照片，并通過(guò)RayMan計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)街道可視因子。各街道的環(huán)境特征及街道可視因子如表1所示。

表1 街道峽谷特征及各測(cè)點(diǎn)的街道可視因子

微氣候?qū)崪y(cè)采用固定測(cè)量的方式，以行人高度(1.5m)對(duì)8條街道峽谷進(jìn)行微氣候?qū)崪y(cè)。于2019年7月23—31日，選取晴朗無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行。測(cè)量時(shí)間為午后(14：00)，此時(shí)為夏季最熱的時(shí)間段。使用TES-1375溫濕度計(jì)測(cè)量空氣溫度(TA)和相對(duì)濕度(RH)，溫濕度計(jì)探頭用防輻射罩進(jìn)行遮光處理；使用Testo-435風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速(V)；使用AZ8778黑球溫度計(jì)測(cè)量黑球溫度(Tg)。實(shí)測(cè)時(shí)等儀器穩(wěn)定3min后讀數(shù)，每10s讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)10次，以獲取足夠的數(shù)據(jù)樣本。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)：

1.3 熱舒適度指標(biāo)

選取生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)作為熱舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。生理等效溫度綜合考慮了主要?dú)庀髤?shù)、活動(dòng)、衣著及個(gè)體參數(shù)對(duì)熱舒適度的影響，在國(guó)內(nèi)外熱舒適度評(píng)價(jià)中廣泛使用[29]。本實(shí)驗(yàn)中生理等效溫度通過(guò)RayMan軟件計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 街道峽谷微氣候情況

2.1.1 空氣溫度

圖2為各測(cè)點(diǎn)夏季午后空氣溫度情況。不同街道峽谷之間空氣溫度差異較大，空氣溫度差值最大達(dá)到了2.9℃。對(duì)比各街道峽谷中行道樹(shù)遮陰測(cè)點(diǎn)的空氣溫度，結(jié)果為：延安路＝將軍路＞國(guó)貨路＝開(kāi)元路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對(duì)比各街道峽谷中空間開(kāi)敞測(cè)點(diǎn)的空氣溫度，結(jié)果為：延安路＞開(kāi)元路＞將軍路＞國(guó)貨路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路?？偟膩?lái)說(shuō)，N-S朝向的街道峽谷中測(cè)點(diǎn)空氣溫度大部分低于E-W朝向街道峽谷中同類(lèi)型的測(cè)點(diǎn)。然而延安路(測(cè)點(diǎn)7、8)中測(cè)點(diǎn)的空氣溫度卻高于E-W朝向街道峽谷中同類(lèi)型的測(cè)點(diǎn)，這主要是由于延安路空間過(guò)于開(kāi)敞，缺少有效植物和建筑遮陰造成的。

圖2 夏季午后各測(cè)點(diǎn)空氣溫度

2.1.2 相對(duì)濕度與風(fēng)速

各街道夏季午后的相對(duì)濕度如圖3所示，不同街道峽谷測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度范圍為42.8%～61.4%。行道樹(shù)遮陰的測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度波動(dòng)較小，差值僅為6.8%，而空間開(kāi)敞的測(cè)點(diǎn)之間相對(duì)濕度波動(dòng)較大，差值達(dá)到了15.9%，這充分證明植物在街道峽谷中起到了調(diào)節(jié)濕度的作用。

圖3 夏季午后各測(cè)點(diǎn)相對(duì)濕度

如圖4所示，在夏季午后不同街道峽谷的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速差異很小，風(fēng)速范圍為0.7～1.2m/s，均處于軟風(fēng)狀態(tài)(V≤2m/s)。同一街道中，開(kāi)敞測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速均略高于相對(duì)遮陰較好的測(cè)點(diǎn)。

圖4 夏季午后各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

2.1.3 平均輻射溫度

如圖5所示，位于不同街道峽谷的測(cè)點(diǎn)的平均輻射溫度波動(dòng)較大，平均輻射溫度差值達(dá)到了25.3℃。對(duì)比各街道峽谷中行道樹(shù)遮陰測(cè)點(diǎn)的平均輻射溫度，結(jié)果為：延安路＞將軍路＞國(guó)貨路＝開(kāi)元路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對(duì)比各街道峽谷中空間開(kāi)敞測(cè)點(diǎn)的平均輻射溫度，結(jié)果為：延安路＞開(kāi)元路＞將軍路＞國(guó)貨路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對(duì)比結(jié)果可知，N-S朝向的街道峽谷中測(cè)點(diǎn)平均輻射溫度往往低于E-W朝向街道峽谷中同類(lèi)型的測(cè)點(diǎn)。此外，所處空間越開(kāi)敞的測(cè)點(diǎn)，其平均輻射溫度往往越高。

圖5 夏季午后各測(cè)點(diǎn)平均輻射溫度

2.2 街道峽谷熱舒適度情況

圖6為各測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度示意圖。結(jié)果表明，位于不同街道峽谷的測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度差異很大，差值為13.5℃，幾乎所有測(cè)點(diǎn)都處于“很熱”的熱舒適狀態(tài)[29]。對(duì)比各街道峽谷中行道樹(shù)遮陰測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度，結(jié)果為：延安路＞將軍路＞國(guó)貨路＞開(kāi)元路＝郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對(duì)比各街道峽谷中空間開(kāi)敞測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度，結(jié)果為：延安路＞開(kāi)元路＞將軍路＞國(guó)貨路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。在本次實(shí)驗(yàn)中，生理等效溫度和平均輻射溫度的分布特征較為一致(圖5、6)，這是因?yàn)槠骄椛錅囟仁怯绊憻崾孢m度的重要因子[30]，同時(shí)也表明太陽(yáng)輻射對(duì)于日間街道熱舒適度有著重要影響。

圖6 夏季午后各測(cè)點(diǎn)生理等效溫度

2.3 街道可視因子對(duì)空氣溫度的影響

圖7顯示了各測(cè)點(diǎn)街道可視因子與空氣溫度的線性回歸分析。結(jié)果顯示，天空可視因子在N-S和E-W 2種走向的街道峽谷中都與空氣溫度表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，即街道空間越開(kāi)闊，街道峽谷內(nèi)的空氣溫度越高(圖7a、7d、7g)；建筑可視因子與N-S和E-W 2種朝向的街道峽谷的空氣溫度無(wú)明顯相關(guān)性關(guān)系(7b、7e、7h)；樹(shù)木可視因子與空氣溫度均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7e、7f、7i)，說(shuō)明樹(shù)木在街道峽谷中可以起到有效降溫作用。值得一提的是，樹(shù)木在N-S朝向的街道峽谷中與空氣溫度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在E-W朝向的街道峽谷中卻與空氣溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，在不區(qū)分街道峽谷朝向時(shí)，樹(shù)木可視因子與空氣溫度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7g)，這說(shuō)明樹(shù)木的降溫作用在E-W朝向的街道表現(xiàn)得更為明顯。

圖7 夏季午后街道可視因子與空氣溫度的線性回歸分析(TAall表示所有測(cè)點(diǎn)的空氣溫度；TAN-S表示N-S朝向街道峽谷測(cè)點(diǎn)的空氣溫度；TAE-W表示E-W朝向街道峽谷測(cè)點(diǎn)的空氣溫度)

2.4 街道可視因子對(duì)街道峽谷熱舒適度的影響

圖8顯示了街道可視因子與生理等效溫度的線性回歸分析。由圖8a、8d、8g可知，街道峽谷中的天空可視因子與生理等效溫度在不同朝向的街道峽谷中都表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，街道峽谷空間越開(kāi)敞，其熱舒適度越差。街道峽谷中的建筑可視因子與生理等效溫度相關(guān)性很弱(圖8b、8e、8h)，說(shuō)明街道峽谷內(nèi)的建筑對(duì)熱舒適度的影響很小。樹(shù)木可視因子與生理等效溫度均表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明街道峽谷內(nèi)的樹(shù)木可以有效提升夏季熱舒適度(圖8e、8f、8i)。此外，在N-S朝向的街道峽谷中，樹(shù)木可視因子與生理等效溫度表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，在E-W朝向的街道峽谷中，樹(shù)木可視因子與生理等效溫度卻表現(xiàn)為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即樹(shù)木對(duì)E-W朝向街道的熱舒適度提升更為明顯。

圖8 夏季午后街道可視因子與生理等效溫度的線性回歸分析(PETall表示所有測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度；PETN-S表示N-S朝向街道峽谷測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度；PETE-W表示E-W朝向街道峽谷測(cè)點(diǎn)的生理等效溫度)

3 討論

通過(guò)對(duì)杭州典型城市街道峽谷夏季午后微氣候與熱舒適度進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析發(fā)現(xiàn)，即使是小尺度的城市街區(qū)也存在較大的微氣候差異，從而產(chǎn)生不同的熱舒適度，其中，不同的街道幾何特征對(duì)街道峽谷的熱環(huán)境有著重要影響。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，E-W朝向的街道峽谷熱環(huán)境往往比N-S朝向的街道峽谷更差[24，31-32]，但本實(shí)驗(yàn)卻出現(xiàn)了相反的結(jié)果，這是因?yàn)榻值缻{谷的開(kāi)敞程度和植物的遮陰會(huì)對(duì)街道峽谷的熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響。例如，Shashua-Bar等在研究街道峽谷幾何特征和街道朝向?qū)π械罉?shù)降溫能力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在E-W朝向的街道峽谷中通過(guò)種植樹(shù)木降低街道峽谷的開(kāi)敞程度可以抵消街道朝向?qū)岘h(huán)境的影響[32]。

通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在午后，街道可視因子對(duì)街道峽谷內(nèi)的微氣候和熱舒適度有著不同程度的影響。天空可視因子對(duì)街道峽谷熱環(huán)境的影響尤為明顯，天空可視因子越大，街道內(nèi)溫度越高，熱舒適度越差，這種現(xiàn)象也在其他城市街道峽谷研究中得到體現(xiàn)[15-16，33]。此外，Qaid等提出城市街道中可視天空的位置同樣重要，隨著太陽(yáng)軌跡的變化，在具有相同天空可視因子的街道中，太陽(yáng)輻射對(duì)不同朝向的街道峽谷的影響在不同時(shí)間是不同的[27]。因此，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，同樣要考慮街道朝向的影響。本研究中，建筑可視因子對(duì)街道峽谷內(nèi)的溫度和熱舒適度影響相對(duì)較小，這主要是因?yàn)楸狙芯恐械臏y(cè)點(diǎn)位于街道中央，大部分建筑不能提供直接遮陰，此外，雖然街道兩側(cè)建筑白天能攔截部分太陽(yáng)輻射，減緩街道峽谷氣溫的升高，但其在吸收太陽(yáng)輻射能后作為熱源向外發(fā)射長(zhǎng)波輻射的同時(shí)，也攔截了地面的長(zhǎng)波輻射，進(jìn)而導(dǎo)致街道峽谷氣溫升高。在這些因素的共同作用下，建筑可視因子在午后對(duì)空氣溫度和熱舒適度的影響不明顯。與之相比，樹(shù)木可視因子對(duì)街道峽谷熱環(huán)境的影響較為明顯，樹(shù)木可視因子越大，街道內(nèi)樹(shù)木起到遮陰作用的部分越多，樹(shù)木對(duì)街道峽谷的降溫作用越明顯，街道峽谷內(nèi)的熱舒適度就越好。由此可見(jiàn)，行道樹(shù)通過(guò)其遮陰效應(yīng)對(duì)街道熱環(huán)境起著重要的調(diào)節(jié)作用：通過(guò)遮陰降低街道峽谷內(nèi)的輻射熱量，增加的陰影區(qū)域可以顯著改善街道峽谷熱舒適度[34-35]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在不同朝向的街道峽谷內(nèi)，樹(shù)木的降溫能力有所不同，E-W朝向的樹(shù)木表現(xiàn)出的降溫效果和提升熱舒適度的能力更強(qiáng)。街道峽谷的朝向是引起這種現(xiàn)象的原因，Shashua-Bar等[36]通過(guò)Green CTTC模型探究樹(shù)木的降溫能力時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，樹(shù)木在N-S朝向的街道可以起到降溫效應(yīng)，最大降溫幅度為1.18℃，在E-W朝向的街道卻達(dá)到了2.27℃。因此，在未來(lái)的研究中，針對(duì)特定的街道環(huán)境開(kāi)展行道樹(shù)與熱環(huán)境的定量關(guān)系研究，可為合理選擇行道樹(shù)種類(lèi)提供參考，并能更為有效地改善城市街道熱環(huán)境和行人熱舒適度。

4 結(jié)論

本研究以杭州典型城市街道峽谷為例，選取夏季晴朗無(wú)風(fēng)的天氣，探討了午后街道可視因子(天空可視因子、建筑可視因子和植物可視因子)與城市街道峽谷微氣候和熱舒適度的關(guān)系，得出以下結(jié)論。

1)在午后，各街道峽谷不同測(cè)點(diǎn)間空氣溫度、平均輻射溫度和生理等效溫度差異較大，最大值與最小值的差值分別達(dá)到了2.9、25.3、15.3℃，街道峽谷內(nèi)相對(duì)濕度和風(fēng)速則較為穩(wěn)定。N-S朝向的街道峽谷熱環(huán)境往往優(yōu)于E-W朝向的街道峽谷，但街道峽谷的開(kāi)敞程度和植物遮陰會(huì)抵消街道朝向的影響。

2)在午后，天空可視因子是影響城市街道峽谷熱環(huán)境的重要因素。無(wú)論是N-S朝向還是E-W朝向的街道峽谷，天空可視因子越高，街道峽谷內(nèi)的熱環(huán)境和熱舒適度就越差。

3)在午后，建筑可視因子對(duì)城市街道峽谷微氣候和熱舒適度影響不大，而樹(shù)木遮陰可以起到降低空氣溫度和改善熱舒適度的作用。樹(shù)木可視因子越高，街道內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適度就越佳，這種現(xiàn)象在E-W朝向的街道峽谷中表現(xiàn)得更為明顯。

注：文中圖片均由作者繪制。