街道可視因子對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

楊詩敏

晏 海*

隨著城市化的快速發展，城市原有自然下墊面被不透水表面所取代，極大地改變了城區近地面的物質和能量平衡，進而形成了特有的城市氣候，引發了眾多環境問題，其中，城市熱島效應作為城市氣候最為顯著的特征一直備受關注[1-2]。近年來，城市熱環境問題已經嚴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，嚴重威脅城市的生態環境和可持續發展[3-6]。隨著全球氣候變暖的加劇和新一輪城市化發展，城市熱環境問題將更加嚴峻[7]。

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

如何切實提升街道步行舒適性，營造具有高品質的街道空間，已經成為當前城市管理者和規劃設計師所面對的巨大挑戰。已有研究表明，城市街道熱環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)等街道結構特征的影響[17-19]。天空可視因子定義為測點周圍可視天空的比率，常用以表征空間的開敞程度[20]，是定義城市街道結構特征最為重要的參數之一。天空可視因子為無量綱量，介于0～1之間，其值越大，測點周圍的空間就越開闊。研究表明，天空可視因子通過影響太陽輻射的進入及地面長波輻射的消散，對街道峽谷的微氣候、熱舒適度及能源消耗等產生影響[21-23]。

盡管天空可視因子在城市微氣候中扮演著重要角色，但是在復雜的城市環境中，微氣候環境還受到建筑、樹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)和樹木可視因子(Tree View Factor，TVF)定義為街道上給定測點周圍建筑和樹木的可視部分的比率。相比傳統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木可視因子對街道特征的描述更為準確，可更加直觀地反映街道的遮陰狀況。建筑可視因子、樹木可視因子和天空可視因子共同構成了街道可視因子(VFs)[25-28]。由于街道可視因子可以直觀地表征城市街道的結構特征、反映街道遮陰狀況，因此街道可視因子在城市規劃設計和城市微氣候研究中有著很好的實用價值。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境的應用。因此，本文以杭州市典型街道為例，對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系展開研究，以期為城市氣候適應性規劃設計提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區域概況與測點選擇

杭州位于華東地區，為長江三角洲中心城市之一。杭州處于亞熱帶季風區，屬亞熱帶季風氣候，夏季炎熱濕潤，冬季寒冷干燥。全年平均氣溫17.8℃，平均相對濕度70.3%。在建筑氣候區劃上，杭州位于夏熱冬冷地區。近年來，杭州高溫天氣頻發，城市熱環境問題正在制約杭州的城市發展。

本研究選取杭州上城區為研究樣地，該區域地處杭州市區中部偏南，是杭州核心城區。上城區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為主，街道峽谷高寬比多為0.5～2.0。經過多次實地調研，在上城區選取了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空間開敞的測點和有行道樹遮陰的測點(奇數為開敞的測點，偶數為相對遮陰較好的測點)。街道和測點選取及設置的依據為：1)街道之間距離合適，便于測量；2)街道和測點周圍無明顯的人為熱源；3)測點布置在街道中央，避免建筑向陽和背陽的影響。街道選取和測點布置如圖1所示。

圖1 研究區域中的街道選取和測點布置

1.2 街道可視因子和微氣候參數實測與計算

本實驗使用安裝了魚眼鏡頭(Sigma 8mm圓周魚眼鏡頭)的Cannon EOS5D MarkⅡ單反相機拍攝獲取魚眼鏡頭照片，并通過RayMan計算得出各測點街道可視因子。各街道的環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點的街道可視因子

微氣候實測采用固定測量的方式，以行人高度(1.5m)對8條街道峽谷進行微氣候實測。于2019年7月23—31日，選取晴朗無風的天氣進行。測量時間為午后(14：00)，此時為夏季最熱的時間段。使用TES-1375溫濕度計測量空氣溫度(TA)和相對濕度(RH)，溫濕度計探頭用防輻射罩進行遮光處理；使用Testo-435風速儀測量風速(V)；使用AZ8778黑球溫度計測量黑球溫度(Tg)。實測時等儀器穩定3min后讀數，每10s讀取一個數據，在每個測點讀數10次，以獲取足夠的數據樣本。在此基礎上，根據公式(1)計算得出平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)：

1.3 熱舒適度指標

選取生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)作為熱舒適度的評價指標。生理等效溫度綜合考慮了主要氣象參數、活動、衣著及個體參數對熱舒適度的影響，在國內外熱舒適度評價中廣泛使用[29]。本實驗中生理等效溫度通過RayMan軟件計算。

2 結果與分析

2.1 街道峽谷微氣候情況

2.1.1 空氣溫度

圖2為各測點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到了2.9℃。對比各街道峽谷中行道樹遮陰測點的空氣溫度，結果為：延安路＝將軍路＞國貨路＝開元路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對比各街道峽谷中空間開敞測點的空氣溫度，結果為：延安路＞開元路＞將軍路＞國貨路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。總的來說，N-S朝向的街道峽谷中測點空氣溫度大部分低于E-W朝向街道峽谷中同類型的測點。然而延安路(測點7、8)中測點的空氣溫度卻高于E-W朝向街道峽谷中同類型的測點，這主要是由于延安路空間過于開敞，缺少有效植物和建筑遮陰造成的。

圖2 夏季午后各測點空氣溫度

2.1.2 相對濕度與風速

各街道夏季午后的相對濕度如圖3所示，不同街道峽谷測點的相對濕度范圍為42.8%～61.4%。行道樹遮陰的測點的相對濕度波動較小，差值僅為6.8%，而空間開敞的測點之間相對濕度波動較大，差值達到了15.9%，這充分證明植物在街道峽谷中起到了調節濕度的作用。

圖3 夏季午后各測點相對濕度

如圖4所示，在夏季午后不同街道峽谷的測點風速差異很小，風速范圍為0.7～1.2m/s，均處于軟風狀態(V≤2m/s)。同一街道中，開敞測點的風速均略高于相對遮陰較好的測點。

圖4 夏季午后各測點風速

2.1.3 平均輻射溫度

如圖5所示，位于不同街道峽谷的測點的平均輻射溫度波動較大，平均輻射溫度差值達到了25.3℃。對比各街道峽谷中行道樹遮陰測點的平均輻射溫度，結果為：延安路＞將軍路＞國貨路＝開元路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對比各街道峽谷中空間開敞測點的平均輻射溫度，結果為：延安路＞開元路＞將軍路＞國貨路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對比結果可知，N-S朝向的街道峽谷中測點平均輻射溫度往往低于E-W朝向街道峽谷中同類型的測點。此外，所處空間越開敞的測點，其平均輻射溫度往往越高。

圖5 夏季午后各測點平均輻射溫度

2.2 街道峽谷熱舒適度情況

圖6為各測點的生理等效溫度示意圖。結果表明，位于不同街道峽谷的測點的生理等效溫度差異很大，差值為13.5℃，幾乎所有測點都處于“很熱”的熱舒適狀態[29]。對比各街道峽谷中行道樹遮陰測點的生理等效溫度，結果為：延安路＞將軍路＞國貨路＞開元路＝郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。對比各街道峽谷中空間開敞測點的生理等效溫度，結果為：延安路＞開元路＞將軍路＞國貨路＞郵電路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。在本次實驗中，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)，這是因為平均輻射溫度是影響熱舒適度的重要因子[30]，同時也表明太陽輻射對于日間街道熱舒適度有著重要影響。

圖6 夏季午后各測點生理等效溫度

2.3 街道可視因子對空氣溫度的影響

圖7顯示了各測點街道可視因子與空氣溫度的線性回歸分析。結果顯示，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出極顯著的正相關關系，即街道空間越開闊，街道峽谷內的空氣溫度越高(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明顯相關性關系(7b、7e、7h)；樹木可視因子與空氣溫度均表現出負相關關系(圖7e、7f、7i)，說明樹木在街道峽谷中可以起到有效降溫作用。值得一提的是，樹木在N-S朝向的街道峽谷中與空氣溫度表現為負相關關系，在E-W朝向的街道峽谷中卻與空氣溫度呈顯著負相關，在不區分街道峽谷朝向時，樹木可視因子與空氣溫度表現出顯著負相關關系(圖7g)，這說明樹木的降溫作用在E-W朝向的街道表現得更為明顯。

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表示所有測點的空氣溫度；TAN-S表示N-S朝向街道峽谷測點的空氣溫度；TAE-W表示E-W朝向街道峽谷測點的空氣溫度)

2.4 街道可視因子對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出極顯著的正相關關系，街道峽谷空間越開敞，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性很弱(圖8b、8e、8h)，說明街道峽谷內的建筑對熱舒適度的影響很小。樹木可視因子與生理等效溫度均表現出負相關關系，說明街道峽谷內的樹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，樹木可視因子與生理等效溫度表現出負相關關系，在E-W朝向的街道峽谷中，樹木可視因子與生理等效溫度卻表現為極顯著的負相關關系，即樹木對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表示所有測點的生理等效溫度；PETN-S表示N-S朝向街道峽谷測點的生理等效溫度；PETE-W表示E-W朝向街道峽谷測點的生理等效溫度)

3 討論

通過對杭州典型城市街道峽谷夏季午后微氣候與熱舒適度進行實測和分析發現，即使是小尺度的城市街區也存在較大的微氣候差異，從而產生不同的熱舒適度，其中，不同的街道幾何特征對街道峽谷的熱環境有著重要影響。相關研究發現，E-W朝向的街道峽谷熱環境往往比N-S朝向的街道峽谷更差[24，31-32]，但本實驗卻出現了相反的結果，這是因為街道峽谷的開敞程度和植物的遮陰會對街道峽谷的熱環境產生重要影響。例如，Shashua-Bar等在研究街道峽谷幾何特征和街道朝向對行道樹降溫能力的影響時發現，在E-W朝向的街道峽谷中通過種植樹木降低街道峽谷的開敞程度可以抵消街道朝向對熱環境的影響[32]。

通過相關性分析發現，在午后，街道可視因子對街道峽谷內的微氣候和熱舒適度有著不同程度的影響。天空可視因子對街道峽谷熱環境的影響尤為明顯，天空可視因子越大，街道內溫度越高，熱舒適度越差，這種現象也在其他城市街道峽谷研究中得到體現[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，隨著太陽軌跡的變化，在具有相同天空可視因子的街道中，太陽輻射對不同朝向的街道峽谷的影響在不同時間是不同的[27]。因此，在城市規劃設計時，同樣要考慮街道朝向的影響。本研究中，建筑可視因子對街道峽谷內的溫度和熱舒適度影響相對較小，這主要是因為本研究中的測點位于街道中央，大部分建筑不能提供直接遮陰，此外，雖然街道兩側建筑白天能攔截部分太陽輻射，減緩街道峽谷氣溫的升高，但其在吸收太陽輻射能后作為熱源向外發射長波輻射的同時，也攔截了地面的長波輻射，進而導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空氣溫度和熱舒適度的影響不明顯。與之相比，樹木可視因子對街道峽谷熱環境的影響較為明顯，樹木可視因子越大，街道內樹木起到遮陰作用的部分越多，樹木對街道峽谷的降溫作用越明顯，街道峽谷內的熱舒適度就越好。由此可見，行道樹通過其遮陰效應對街道熱環境起著重要的調節作用：通過遮陰降低街道峽谷內的輻射熱量，增加的陰影區域可以顯著改善街道峽谷熱舒適度[34-35]。此外，本研究還發現，在不同朝向的街道峽谷內，樹木的降溫能力有所不同，E-W朝向的樹木表現出的降溫效果和提升熱舒適度的能力更強。街道峽谷的朝向是引起這種現象的原因，Shashua-Bar等[36]通過Green CTTC模型探究樹木的降溫能力時也發現了同樣的現象，樹木在N-S朝向的街道可以起到降溫效應，最大降溫幅度為1.18℃，在E-W朝向的街道卻達到了2.27℃。因此，在未來的研究中，針對特定的街道環境開展行道樹與熱環境的定量關系研究，可為合理選擇行道樹種類提供參考，并能更為有效地改善城市街道熱環境和行人熱舒適度。

4 結論

本研究以杭州典型城市街道峽谷為例，選取夏季晴朗無風的天氣，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系，得出以下結論。

1)在午后，各街道峽谷不同測點間空氣溫度、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到了2.9、25.3、15.3℃，街道峽谷內相對濕度和風速則較為穩定。N-S朝向的街道峽谷熱環境往往優于E-W朝向的街道峽谷，但街道峽谷的開敞程度和植物遮陰會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境的重要因素。無論是N-S朝向還是E-W朝向的街道峽谷，天空可視因子越高，街道峽谷內的熱環境和熱舒適度就越差。

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

注：文中圖片均由作者繪制。