廣州地區(qū)校園行道樹小氣候?qū)ο募救梭w熱舒適度的影響研究

易 弦，曾靜雯，李志陽

(1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642)

1 引言

行道樹是大學(xué)校園綠地景觀的重要元素，對校園室外環(huán)境有很強(qiáng)的改善作用。樹木通過蒸騰、蒸散、遮陰、反射等功能，能夠有效改善校園室外空間小氣候，提升行人的舒適感[1,2]。國內(nèi)外學(xué)者基于行道樹遮陰對園林小氣候(溫濕度、風(fēng)速、太陽輻射及黑球溫度等)的影響進(jìn)行定量化分析，表明其調(diào)節(jié)作用與行道樹的冠層覆蓋緊密相關(guān)[3～5]。天空視域因子(Sky View Factor，簡稱SVF，是指地面某點(diǎn)對天空的可見程度)是重要的城市形態(tài)學(xué)參數(shù)，可用于表征城市形態(tài)和空間冠層結(jié)構(gòu)[6]。SVF屬于無量綱，其數(shù)值介于0～1之間，在數(shù)值上定義視覺無阻的空曠地區(qū)為1，而對于天空完全被遮蔽的地方數(shù)值為0。有研究表明當(dāng)行道樹的SVF從1.0降低到約0.1時(shí)，白天的空氣溫度可以降低約1 ℃[7]。目前，國內(nèi)學(xué)者對校園行道樹小氣候的研究主要集中在中西北部等較為干旱地區(qū)[8,9]，針對高溫高濕南方氣候地區(qū)校園的研究較少。本研究以廣州地區(qū)校園行道樹為例，基于生理等效溫度(Physiologically Equivalent Temperature，簡稱PET)理論，通過實(shí)地測量廣州地區(qū)校園常見的5種不同行道樹下小氣候環(huán)境參數(shù)，計(jì)算行道樹的SVF值和各測試點(diǎn)的PET值并進(jìn)行對比，揭示廣州地區(qū)校園行道樹的太陽輻射強(qiáng)度G、黑球溫度Tg、平均輻射溫度Tmrt與PET之間的內(nèi)在關(guān)系，為廣州地區(qū)的校園行道樹設(shè)計(jì)和種植提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)場地和行道樹選擇

本研究選擇位于廣東省廣州市增城區(qū)中新鎮(zhèn)的廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院(113°37′N，23°17′E)作為實(shí)驗(yàn)場地，屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，特點(diǎn)是炎熱多雨，夏長冬短。年平均氣溫21.7 ℃，年降雨量2000 mm左右。

選擇校園中栽植的大王椰子(Roystonearegia(Kunth.) O. F. Cook)、小葉榕(FicusbenjaminaLinn.)、紅花羊蹄甲(BauhiniablakeanaDunn)、樟樹(Cinnamomumcamphora(L.) Presl)和芒果(MangiferaindicaLinn.)為研究對象，這5種行道樹是廣州地區(qū)高校最常見的行道樹[10]。選擇樹種同時(shí)滿足以下條件：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。具體測試點(diǎn)位置如圖 1所示。

圖1 選點(diǎn)位置

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用現(xiàn)場實(shí)測法，試驗(yàn)時(shí)間為2021年5月15日當(dāng)天9：00～16：00進(jìn)行試驗(yàn)測量，所選試驗(yàn)時(shí)間段為天氣情況較熱且人們活動(dòng)較頻繁的時(shí)間。在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，通過試驗(yàn)儀器記錄環(huán)境溫度、相對濕度、風(fēng)速、黑球溫度和太陽輻射強(qiáng)度，每15 min記錄1次數(shù)據(jù)，每個(gè)小時(shí)4次數(shù)據(jù)取平均值作為該小時(shí)特征值。根據(jù)廣州市氣象臺(tái)的實(shí)況數(shù)據(jù)，當(dāng)天白天天氣晴，氣溫為30～35 ℃，無降水，相對濕度55%～85%，高溫黃色預(yù)警信號(hào)已生效。使用便攜氣象站(WS30)測量環(huán)境溫度(Ta)、相對濕度(RH)和風(fēng)速(Va)等數(shù)據(jù)，使用衡欣AZ87783黑球濕溫度計(jì)測量黑球溫度(Tg)，使用CEM DT-1307太陽能功率儀測量太陽輻射強(qiáng)度(G)，具體儀器設(shè)備及精度如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器參數(shù)

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)SVF。為了便于SVF的測量和計(jì)算[11]，對SVF測量進(jìn)行簡化，首先采用廣角鏡頭獲取各測試點(diǎn)頂部遮陰覆蓋空間圖像，導(dǎo)入Photoshop軟件對各空間影像進(jìn)行像素化處理，統(tǒng)計(jì)處理后圖像的無覆蓋區(qū)域像素值與圖像整體像素值之比即為該測試點(diǎn)的SVF。

(2)太陽輻射強(qiáng)度G。太陽輻射強(qiáng)度定義為點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通量，是表征太陽輻射強(qiáng)弱的物理量，單位是W/m2，在試驗(yàn)中通過太陽能功率儀儀器進(jìn)行測定。

(3)黑球溫度Tg。黑球溫度定義為在輻射熱環(huán)境中人或物體受輻射熱和對流熱綜合作用時(shí)，以溫度表示出來的實(shí)際感覺溫度，單位為℃，在試驗(yàn)中通過黑球濕溫度計(jì)儀器進(jìn)行測定。

(4)PET。PET定義為在某一室內(nèi)或戶外環(huán)境中，人體皮膚溫度和體內(nèi)溫度達(dá)到與典型室內(nèi)環(huán)境同等的熱狀態(tài)所對應(yīng)的氣溫，在此作為人體熱舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值可通過RayMan軟件計(jì)算得出，單位為℃。

(5)平均輻射溫度Tmrt。樹木對人體熱舒適的影響主要由平均輻射溫度Tmrt引起，根據(jù)ISO-7726標(biāo)準(zhǔn)，可得Tmrt的計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，Tg為黑球溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；Va為風(fēng)速， m/s；D為黑球直徑，m，本研究中D=0.04 m；ε為黑球系數(shù)，本研究中ε=0.95。

3 結(jié)果與分析

3.1各行道樹的SVF值

大王椰子、樟樹、紅花羊蹄甲、小葉榕和芒果的SVF值分別為0.607、0.587、0.567、0.464和0.054，具體如圖2所示。本文定義，當(dāng)SVF小于0.1時(shí)，屬于全遮陰；當(dāng)SVF在0.4～0.8之間，屬于半遮陰；當(dāng)SVF大于0.9時(shí)，屬于無遮陰。則大王椰子、樟樹、紅花羊蹄甲、小葉榕屬于半遮陰，芒果屬于全遮陰。

圖2 各行道樹SVF值

3.2 太陽輻射強(qiáng)度分析

各行道樹的太陽輻射強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在9：00～15：00的監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，大王椰子和芒果、樟樹和紅花羊蹄甲之間的太陽輻射強(qiáng)度波動(dòng)趨勢較為一致，而小葉榕略為不同；大王椰子、小葉榕、樟樹和紅花羊蹄甲的太陽輻射強(qiáng)度基本處于110～174 W/m2之間，而芒果樹的太陽輻射強(qiáng)度相對偏低，其值范圍為27～63 W/m2。造成這一現(xiàn)象的原因在于SVF對太陽輻射的影響，芒果的SVF僅為0.054，屬于全遮陰，而大王椰子、小葉榕、樟樹和紅花羊蹄甲的SVF范圍在0.45～0.65之間，該區(qū)域SVF值屬于半遮陰。試驗(yàn)結(jié)果表明，在全遮陰狀態(tài)下(即SVF越小)，芒果對太陽輻射起到很好的格擋作用，能有效降低太陽輻射強(qiáng)度，該結(jié)果與Sheikh Ahmad Zaki對熱帶城市吉隆坡行道樹的小氣候影響研究結(jié)論一致[12]。

圖3 各行道樹的太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化

為了進(jìn)一步考察SVF對行道樹熱參數(shù)的影響，對SVF和太陽輻射強(qiáng)度、黑球溫度和平均輻射溫度進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。在置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，太陽輻射和平均輻射溫度的Sig.均為0.000，則說明SVF與太陽輻射和平均輻射溫度呈顯著正相關(guān)，且SVF與太陽輻射呈強(qiáng)正相關(guān)性；SVF與黑球溫度無明顯相關(guān)性。結(jié)果表明，在炎熱的夏天，行道樹的SVF越低，對太陽輻射的減弱效果越強(qiáng)；合理選擇低SVF的行道樹，能顯著降低道路太陽輻射和平均輻射溫度，對改善夏季室外行人的人體熱舒適度有顯著效果。

表2 各行道樹的SVF相關(guān)性分析

3.3 行道樹的PET值

將環(huán)境溫度、黑球溫度、風(fēng)速、黑球直徑和黑球系數(shù)等數(shù)值代入RayMan軟件(本研究使用1.2版)計(jì)算得出各行道樹的PET值。結(jié)果如圖4所示。在9：00～15：00期間，各行道樹的PET值呈現(xiàn)先升高再略微下降的趨勢；PET最大值均出現(xiàn)在13：00左右，其中紅花羊蹄甲的PET值最高，而芒果的PET值最低，原因可能在于芒果的SVF最小，從而降低了PET值。

圖4 各行道樹的PET值

結(jié)合圖5的PET熱感覺和勝利應(yīng)急等級(jí)可知[13]，由于PET是表征人體熱舒適度的指標(biāo)，在夏季，PET值越高，人體感覺越熱，PET值越低，人體感覺越冷；當(dāng)PET超過35 ℃時(shí)，人體處于強(qiáng)熱應(yīng)激階段，即人體會(huì)感覺到熱，處于不舒服的狀態(tài)。在夏季，各行道樹白天時(shí)的PET值均超過35 ℃，容易使人體處于強(qiáng)熱應(yīng)激狀態(tài)，感覺很熱，故在夏季室外的行道樹選型時(shí)需綜合考慮遮陰和降溫效果，降低行人體感溫度。

圖5 PET熱感覺和生理應(yīng)激等級(jí)

3.4 PET與各小氣候要素的內(nèi)在關(guān)系

利用SPSS對5種行道樹的PET與各小氣候因子間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：在置信度(雙測)為0.01時(shí)，5種行道樹的PET均與環(huán)境溫度、黑球溫度和太陽輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，但與平均風(fēng)速無明顯相關(guān)關(guān)系。這一結(jié)果表明，在夏季校園里，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度增加時(shí)，行道樹下的環(huán)境溫度和黑球溫度均會(huì)呈現(xiàn)逐級(jí)遞增的趨勢，其增大幅度取決于太陽輻射強(qiáng)度的最大值，從而使得人在室外環(huán)境的熱感受增強(qiáng)，即熱舒適度降低；結(jié)合表2結(jié)果可知，降低SVF(即提高行道樹的遮陰率)和增加環(huán)境相對濕度，均可降低行道樹的PET值，改善夏季天氣人在室外環(huán)境的熱舒適性感受。

表3 PET與各小氣候要素的Pearson相關(guān)性分析

3.5 PET和環(huán)境溫度Ta、平均輻射溫度Tmrt的關(guān)系

將環(huán)境溫度、黑球溫度、風(fēng)速、黑球直徑和黑球系數(shù)等數(shù)值代入式(1)，可得各行道樹的平均輻射溫度Tmrt。由于環(huán)境溫度Ta和平均輻射溫度Tmrt對PET具有顯著影響，故對環(huán)境溫度Ta、平均輻射溫度Tmrt和PET進(jìn)行曲線擬合，各行道樹方程模型及方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 PET和環(huán)境溫度Ta、平均輻射溫度Tmrt的模型分析

如表4結(jié)果可知，小葉榕和芒果的模型R2較高，分別為0.842和0.734，表示小葉榕和芒果的模型線性度較高；而大王椰子、樟樹和紅花羊蹄甲三類行道樹的模型R2相對較低，表明其模型線性擬合程度較差，但仍具有一定的線性規(guī)律。

4 結(jié)論

本研究選取了廣州地區(qū)校園常見的大王椰子、樟樹、紅花羊蹄甲、小葉榕和芒果樹5種典型的行道樹作為研究對象，通過對5種行道樹的SVF和各氣候氣象參數(shù)的監(jiān)測，引入熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)PET，定量分析了5種行道樹對校園綠道和行人的熱舒適影響，結(jié)論如下。

(1)行道樹的SVF越小，越能有效降低太陽輻射強(qiáng)度，對改善行人熱舒適具有顯著作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，在全遮陰狀態(tài)下，芒果(SVF=0.054)的太陽輻射強(qiáng)度范圍為27～63 W/m2，對太陽輻射具有顯著的遮擋作用。

(2)從5種行道樹SVF進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析可知，SVF與太陽輻射和平均輻射溫度呈顯著正相關(guān)，且SVF與太陽輻射呈強(qiáng)正相關(guān)性；SVF與黑球溫度無明顯相關(guān)性。即在炎熱的夏天，合理選擇低SVF的行道樹，能顯著降低道路太陽輻射和平均輻射溫度，對改善夏季室外行人的人體熱舒適度有顯著效果。

(3)對各行道樹的PET進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析研究，在置信度(雙測)為0.01時(shí)，5種行道樹的PET均與環(huán)境溫度、黑球溫度和太陽輻射強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，但與平均風(fēng)速無明顯相關(guān)關(guān)系；降低SVF(即提高行道樹的遮陰率)和增加環(huán)境相對濕度，均可降低行道樹的PET值，改善夏季天氣人在室外環(huán)境的熱舒適性感受。

(4)通過對PET和環(huán)境溫度、平均輻射溫度進(jìn)行曲線擬合可知，各行道樹的PET模型均呈線性正相關(guān)，其中小葉榕的PET模型線性度最高(R2=0.842)。由此可知，各行道樹的PET隨環(huán)境溫度和平均輻射溫度的升高而升高，即行人的熱舒適度隨環(huán)境溫度和平均輻射溫度的升高而降低。

(5)高溫高濕氣候地區(qū)的校園在行道樹種植設(shè)計(jì)上，應(yīng)結(jié)合不同行道樹的PET值，按照因地制宜和“適地適樹”原則進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。特別是要考慮到師生在教學(xué)區(qū)和生活區(qū)的行走路線和人流情況。校園內(nèi)行道樹如果SVF較高(達(dá)到0.8)，會(huì)導(dǎo)致行人感覺不舒適[14]。因此，建議在校園人流量大的道路種植SVF相對較低(小于0.4)的行道樹，這樣其茂密的枝葉能夠在炎熱的夏季為行人提供熱舒適度相對良好的感受。