福州東西向深街谷內(nèi)樹致行人夏季熱環(huán)境差異

林 定

吳 俊

劉亞敏

鄧 卓

韓朝帥

隨著全球城市化進(jìn)程加快，建筑物越來越密集[1]，高容積率與高建筑密度改變了城市地表的熱量平衡[2]，高溫?zé)崂耸录蔀槌鞘忻媾R的主要極端天氣災(zāi)害之一，城市熱島效應(yīng)已經(jīng)成為城市生態(tài)問題中最嚴(yán)峻的問題之一[3]。城市熱島效應(yīng)嚴(yán)重影響了城市能源消耗[4]、空氣質(zhì)量[5]以及城市居民的身體健康[6]和熱舒適度[7]。夏季高溫天氣加劇了城市熱島效應(yīng)的強(qiáng)度，使居民不得不承受高溫?zé)崂藭r(shí)期持續(xù)的熱脅迫。通常，城市道路窄且兩側(cè)建筑高大，縱橫比H/W(建筑高度/道路寬度)較大，從城市冠層角度看，街道具有“深峽谷”特點(diǎn)，也被稱為街谷或街峽。由于強(qiáng)烈依賴周圍的建筑環(huán)境，城市高溫?zé)崂耸录挠绊懛秶憩F(xiàn)出明顯的空間不均衡性，在街道尺度上差異懸殊，存在短距離上“涼爽”和“悶熱”鄰街的現(xiàn)象。街道作為居民日常生活的重要活動(dòng)場所[8]，其熱環(huán)境決定著居民的生活質(zhì)量?，F(xiàn)有文獻(xiàn)指出，街谷熱環(huán)境主要受其幾何形態(tài)、植被、水體等因素的影響[9]，除建筑以外，改善街谷熱效應(yīng)的措施中，綠化樹木是最有效的熱緩解措施[10]。

城市綠化方面的研究已逐步從認(rèn)識(shí)綠化帶來的環(huán)境益處, 轉(zhuǎn)移到如何預(yù)測和優(yōu)化綠化帶來的降溫潛力上[11]。樹木在調(diào)節(jié)城市熱環(huán)境方面發(fā)揮著重大作用[12-13]，不僅可以通過蒸騰作用降低溫度，其遮陰效果也改變了街道內(nèi)部的天空視圖因子(Sky View Factor，SVF)，從而影響街道內(nèi)部表面受到太陽輻射的大小。樹木可視因子(Tree View Factor，TVF)對(duì)街道峽谷熱環(huán)境具有重要影響，樹木可視因子越高，街道內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適度越佳[14-15]。Tan等[16]發(fā)現(xiàn)在亞熱帶高密度城區(qū)種植樹木，至少可以使空氣溫度下降0.5℃。Ouyang等[17]研究不同城市密度下不同樹木覆蓋率(Tree Coverage Ratio，TCR)(0～30%)的降溫效果，結(jié)果表明：無論建筑密度如何，當(dāng)樹木覆蓋率達(dá)到20%～30%，降溫效果最好。Morakinyo等[18]在研究香港高密度城區(qū)(建筑密度為44%)中樹木的降溫效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，降溫幅度隨著樹木覆蓋率的增加而增加，當(dāng)樹木覆蓋率從0增加到30%，溫度最高降低1.0℃。Wu等[19]使用ENVI-met模擬樹木覆蓋率對(duì)北京典型高層住宅區(qū)行人高度處氣溫的影響，發(fā)現(xiàn)樹木覆蓋率每增加10%，空氣溫度下降0.22℃。Ziter等[20]通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)，樹木的覆蓋率與降溫之間存在非線性關(guān)系，當(dāng)樹木覆蓋率在0～40%之間時(shí)，降溫效果不明顯；而當(dāng)樹木覆蓋率超過40%時(shí)，降溫效果明顯。Aboelat等[21]模擬了不同樹木覆蓋率(30%、50%)對(duì)開羅高密度建成區(qū)(建筑密度65%)熱環(huán)境的影響，結(jié)果表明，增加樹木覆蓋率，可以增強(qiáng)降溫效果，30%的樹木覆蓋率使平均氣溫降低了0.2K，而50%的樹木覆蓋率使氣溫降低了0.4K。Ariane等[22]利用ENVImet模擬了開闊低層建筑區(qū)域內(nèi)8種不同樹冠覆蓋率(0～30%)的場景，發(fā)現(xiàn)樹冠覆蓋率與氣溫降低之間存在線性關(guān)系，樹冠覆蓋率每增加1%，氣溫就降低0.14℃。Kevin等[23]通過調(diào)查各種樹木在開闊空間以及高密度建筑環(huán)境下對(duì)城市微氣候的影響，發(fā)現(xiàn)種植在高密度建筑環(huán)境中的樹木在改善行人熱舒適度方面比開闊空間中的樹木更有效，進(jìn)一步指出，具有大樹冠、短樹干和茂密樹葉的樹木能更有效地降低城市平均輻射溫度。植樹將改變街道風(fēng)況，通常是阻礙氣流并降低街道內(nèi)外空氣的交換效率，典型深街谷內(nèi)不均勻植樹比均勻種植更有利于街谷中部行人呼吸面空氣的流動(dòng)[24]。樹木通過多種物理過程(遮陰，阻風(fēng)和蒸濕等)影響行人呼吸高度的城市氣候，對(duì)小氣候和空氣質(zhì)量的影響很復(fù)雜，現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究結(jié)論存在不少分歧，甚至是相互矛盾的意見。如Amir[25]和Amirhosein[26]等指出，樹木并不能給街道降溫，增加樹木覆蓋率可能會(huì)使得街道內(nèi)空氣溫度上升。王慶等[27]在研究社區(qū)公園健身設(shè)施場地的景觀小氣候的人體舒適度時(shí)，指出景觀特征因素互相制約，一味增加綠量不一定能增加舒適度，此外，增加大量大冠幅喬木的種植并不能改善小氣候，太低或太高都會(huì)降低舒適度。

綜上所述，樹木對(duì)街道內(nèi)行人熱環(huán)境的影響差異懸殊，高度依賴于周圍建筑環(huán)境，東西走向的街道因日照時(shí)間長，更容易在夏季白天引發(fā)熱脅迫，形成最不舒適的行人環(huán)境。本文針對(duì)亞熱帶城市(以福州為例)典型密集中層建筑(Local Climate Zone 2，LCZ 2)中的東西走向街道，使用三維小氣候模型ENVI-met[28]，模擬行道樹綠化差異對(duì)行人小氣候(熱環(huán)境為主)的影響，試圖揭示樹致行人熱環(huán)境的變化規(guī)律，為優(yōu)化城市綠化設(shè)計(jì)策略、提高樹木綠化的熱效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場地

福州市位于北緯25°15′～26°39′，東經(jīng)118°08′～120°31′，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬短，夏季以偏南風(fēng)為主，最熱月是7—8月，平均氣溫為33～37℃，常出現(xiàn)熱島效應(yīng)，夏季高溫?zé)崂耸录l發(fā)。根據(jù)WUDAPT方法[29]，構(gòu)建福州市的局地氣候分區(qū)地圖，如圖1-1所示，市區(qū)土地利用用地類型中LCZ 2類型所占比例最大，為福州市典型類型區(qū)域，通過道路聚類，本文選取了佳友巷內(nèi)一條東西朝向的街谷作為研究區(qū)域，以剔除建筑陰影對(duì)行人熱環(huán)境的影響，而聚焦于樹木綠化措施所產(chǎn)生影響。街道長240m，寬14m，區(qū)域內(nèi)建筑密度(K)約為41.94%，平均建筑高度()約為26m，平均縱橫比(AR，即街谷高度與寬度的比值)約為2.1，計(jì)算公式如下。

圖1-1 研究區(qū)域

式中，Sbuilding為研究區(qū)域內(nèi)建筑物的占地面積；Sinterest為研究區(qū)域總面積；Hi為建筑物i的高度；Si為建筑物i的占地面積；W為街道的寬度。

1.2 研究路線

如圖2所示，首先，開展研究區(qū)域現(xiàn)狀的數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的驗(yàn)證工作，以確保本文模擬模型所使用邊界條件的正確性。然后，以空街谷(沒有樹木)作為參照，設(shè)計(jì)一組樹木綠化措施不同(覆蓋率為50%～85%)的實(shí)驗(yàn)案例，模擬并分析不同樹木種植策略對(duì)街道行人熱環(huán)境的影響。

圖2 研究方法

1.3 基于ENVI-met的街谷熱環(huán)境模擬

如圖1-2所示，在佳友巷內(nèi)布置了4個(gè)分別位于街道峽谷兩端以及中部的監(jiān)測點(diǎn)，從7：50—19：10(2021年7月12—13日)，連續(xù)2d使用Kestrel5500測量儀器，每10min記錄一次1.5m行人高度處的街谷內(nèi)的空氣溫度、相對(duì)濕度。

圖1-2 觀測位置

利用ENVI-met(V4.4.6)建立街道三維模型，如圖3-1所示，根據(jù)小組前期開展的工作[30]，采用2m×2m×3m的網(wǎng)格分辨率；獲得大小為140×130×20個(gè)網(wǎng)格的計(jì)算域，如圖3-2所示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，建立對(duì)應(yīng)尺寸的植物模型，其示意圖如圖3-2所示；場景中建筑物的屬性采用空心混凝土磚塊模型，街道內(nèi)部的地面材質(zhì)設(shè)置為瀝青，初始?xì)庀髼l件采用福州市氣象站2021年7月12日的氣象數(shù)據(jù)，其余模擬參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模擬區(qū)域參數(shù)設(shè)置表

圖3-1 現(xiàn)狀模擬(Spa-st)

圖3-2 計(jì)算域示意圖

1.4 模擬模型的驗(yàn)證

為避免實(shí)測數(shù)據(jù)中的噪聲對(duì)模型驗(yàn)證造成的影響，采用時(shí)間序列分析的移動(dòng)平均濾波器(Moving Average Filter)對(duì)采集的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。將街道4個(gè)測點(diǎn)去噪后的觀測值(1.5m高度處)與數(shù)值計(jì)算的模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)(R2)以及均方根誤差(RMSE)。計(jì)算結(jié)果如圖4所示，溫度、濕度的R2均在0.8以上，可見模擬值與測量值之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系[31]，各測點(diǎn)的誤差參數(shù)RMSE在可接受的范圍內(nèi)[32]，可以認(rèn)為本文對(duì)福州的熱環(huán)境模擬是合理的、準(zhǔn)確的。

圖4 街谷內(nèi)空氣溫度、濕度模擬值和實(shí)測值

1.5 案例設(shè)計(jì)

圖3-4 樹木主要參數(shù)

數(shù)值計(jì)算的模擬案例主要包括3類情景。1)不包含樹木的三維街道模型(Spa-Nt)，對(duì)真實(shí)街谷進(jìn)行觀測，并收集相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建僅包含建筑物數(shù)據(jù)的三維街道模型，計(jì)算不含樹木的街谷小氣候(行人呼吸高度的氣溫、風(fēng)速、濕度)，作為對(duì)植樹方案進(jìn)行對(duì)比分析的參考。2)現(xiàn)狀案例(Spa-st)，對(duì)真實(shí)街谷中的樹木進(jìn)行現(xiàn)場觀測，行道樹以榕樹和杧果樹為主，種植位置主要位于街道東端，株距范圍在4～9m之間，冠幅分布在4～8m的范圍內(nèi)，樹高在10m以內(nèi)，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)在ENVI-met中建立樹木三維模型，計(jì)算在現(xiàn)有樹木綠化條件下的街谷小氣候(行人呼吸高度的氣溫、風(fēng)速、濕度)。收集真實(shí)街谷在夏季高溫?zé)崂似陂g的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)(主要是距地面1.5m處的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速)和氣象站發(fā)布的天氣數(shù)據(jù)，對(duì)比分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算采用的初始條件和邊界條件設(shè)置的合理性。3)根據(jù)《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范》[33]的相關(guān)約定，采用不同的種植株距，構(gòu)建4種綠化方案(樹木覆蓋率不同)，株距分別為4m(Spa-4)、6m(Spa-6)、8m(Spa-8)、10m(Spa-10)，樹木布局方式采用福州市常見的一版兩帶式[34]，如圖3-3所示，計(jì)算不同綠化方案下的街谷小氣候(行人呼吸高度的氣溫、風(fēng)速、濕度)，以無樹街谷(Spa-Nt)為參照，分析樹致行人熱環(huán)境差異的變化規(guī)律。

圖3-3 樹木種植位置

2 結(jié)果

2.1 街谷熱環(huán)境模擬結(jié)果

圖5為綠化模擬案例(Spa-Nt、Spa-4、Spa-6、Spa-8、Spa-10)和現(xiàn)狀案例(Spast)的植樹條件下，街道內(nèi)部行人高度處的平均氣溫、平均風(fēng)速以及平均濕度在夏季白天的變化情況。

街道內(nèi)行人高度平均氣溫在8：30—13：30逐步上升，并在13：30—17：30逐漸下降。樹木的種植不會(huì)改變街谷氣溫的升降趨勢和步調(diào)，植樹街谷和無樹街谷的氣溫都在13：30達(dá)到峰值?？傮w上，夏季白天的絕大部分時(shí)間里，植樹街谷內(nèi)平均氣溫都低于無樹木的街谷，而且，本文模擬案例中樹木對(duì)上午氣溫升高的延遲效應(yīng)都大于0.5h。植樹給E-W街道帶來“較冷”的行人氣溫，種植密度越高“冷卻”效果越好，5組植樹案例中Spa-4的氣溫峰值最小，為35.53℃；其次是Spa-6，峰值為35.59℃；Spa-8的峰值為35.92℃，Spa-10的峰值為36.17℃，Spa-st的峰值為36.63℃。樹木對(duì)E-W街道行人氣溫的“冷卻”作用在11：30附近達(dá)到最大，除現(xiàn)狀案例Spa-st的降溫幅度較低(0.26℃)之外，其余案例的降溫幅度都達(dá)到或高于1℃，其中Spa-4的降溫幅度最大，約降低1.82℃；Spa-6案例的降溫幅度(降低約1.72℃)與Spa-4差異較小，另外2組案例(Spa-8、Spa-10)降溫效果較弱，分別為1.24℃和0.93℃。

本文案例中樹木阻礙了街道氣流，導(dǎo)致行人平均風(fēng)速的降低，其阻風(fēng)作用在午后尤其顯著；在8：30—11：30樹木阻風(fēng)作用小，不同植樹案例之間的差異也?。辉?1：30—17：30，樹木的阻風(fēng)作用不斷增強(qiáng)。種植樹木導(dǎo)致行人平均風(fēng)速降低，而且下午的平均風(fēng)速下降更顯著，下降幅度隨著樹木覆蓋率的增加而增大。植樹案例中Spa-4的行人平均風(fēng)速減小幅度最大，達(dá)到0.26m·s-1；案例Spa-6的平均風(fēng)速減小約0.25m·s-1，與Spa-4相差較?。涣硗?組案例(Spa-8、Spa-10)中平均風(fēng)速分別減小0.22m·s-1和0.20m·s-1；Spa-st的平均風(fēng)速減小0.13m·s-1(最小值)?？梢?，樹木阻礙氣流降低風(fēng)速但不會(huì)改變背景流場的基本變化規(guī)律。

樹木使街道內(nèi)部空氣平均濕度增大，上午空氣濕度增大的幅度高于下午，在11：30附近，樹致空氣濕度的增加值最大，樹木在此期間的增濕效果最強(qiáng)；樹木對(duì)落影區(qū)空氣濕度的影響微弱。街道于16：30—17：30處于建筑陰影中，該期間各植樹方案下的樹致平均濕度變化差異不明顯。植樹街谷內(nèi)空氣的平均濕度均高于無樹木街谷，空氣平均濕度隨著樹木覆蓋率的增大而上升；其中案例Spa-4的空氣平均濕度上升幅度最大，達(dá)到9.59%；案例Spa-6與Spa-4相差較小，濕度增加約8.91%；另外3組案例(Spa-8、Spa-10、Spa-st)平均濕度上升幅度較低，分別為6.00%、4.31%和2.07%。

樹木對(duì)行人熱環(huán)境的影響隨著樹木覆蓋率的增加而增大，但是影響是非線性的，當(dāng)樹木覆蓋率超過50%以后，植樹帶來的熱效益改善幅度減小，而且出現(xiàn)作用時(shí)間窗的現(xiàn)象，如覆蓋率超過50%的植樹方案，樹木的“冷卻”氣溫作用趨于中午附近(11：00—14：30)，如圖5的紫色區(qū)所示。同樣地，樹木的“增濕”作用也趨于中午附近(11：00—14：30)。

圖5 街谷內(nèi)平均溫度、風(fēng)速、濕度變化

圖6為模擬案例(Spa-Nt、Spa-10、Spa-8、Spa-6、Spa-4)和現(xiàn)狀案例(Spa-st)街道內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速以及濕度在上午(9：00)、中午(14：00)以及下午(17：00)3個(gè)時(shí)刻的空間分布，從左到右，街道內(nèi)樹木覆蓋率依次增加。其中，綠色小圓圈表示樹木的種植位置，灰黑色圖塊表示街道內(nèi)的陰影(樹蔭或建筑落影)分布，圖幅左右側(cè)的黑色線條表示兩側(cè)建筑物，顏色越深則建筑物的高度越高。從圖6-1可見，植樹街道內(nèi)的空氣溫度都低于無樹木街道，并呈現(xiàn)升溫延遲現(xiàn)象。這主要是由于E-W街道在白天大部分時(shí)間(8：30—16：00)內(nèi)都暴露在太陽輻射下，樹木可以阻擋太陽的短波輻射。上午(9：00)，街道即將進(jìn)入氣溫升高狀態(tài)，溫度的空間分布較為均勻，因街道東端四周的建筑物比西端更為密集，低溫區(qū)域主要分布在街道東端靠近路口處；植樹后樹冠遮擋了部分太陽輻射，使街道西端和中央的溫度下降。中午(14：00)，街道中央開始出現(xiàn)高溫區(qū)，隨著樹木覆蓋率的增加，之前暴露于太陽輻射的街道表面被納入樹蔭下，使得街道中央高溫區(qū)的范圍減小。下午(17：00)，街道處于建筑陰影中，街道內(nèi)空氣溫度的空間差異很小，行人氣溫分布的空間異質(zhì)性隨樹木覆蓋率增大而減小。

街谷內(nèi)部行人高度的氣溫受建筑影響呈現(xiàn)空間異質(zhì)性，氣溫在高層建筑(黑色邊線)附近的日變化差異懸殊，通常在進(jìn)入升溫階段前(上午9：00)為局地低溫區(qū)，如圖6-1的紅圈所示；進(jìn)入升溫階段后，這些區(qū)域快速升溫(升溫速率比其他區(qū)域更高)，接近中午時(shí)(約11：30)，逆轉(zhuǎn)成為局地高溫區(qū)，并保持局地高溫狀態(tài)至下午15：00附近，如圖6-1的藍(lán)圈所示。樹木的種植有助于緩解街谷內(nèi)部高層建筑附近局地高溫區(qū)的高溫狀態(tài)，但對(duì)于道路中央高溫區(qū)的氣溫調(diào)節(jié)作用非常有限，如圖6-1的綠圈所示。

圖6-1 街谷行人高度處空氣溫度分布

由于主導(dǎo)風(fēng)向與街道軸線成67.5°夾角，街谷內(nèi)行人平均風(fēng)速較低。上午(9：00)，風(fēng)速為0.01～0.49m·s-1，空間分布差異不明顯，風(fēng)從建筑物空隙處滲入街谷，這些區(qū)域的局地風(fēng)速相對(duì)較大。中午(14：00)，街谷內(nèi)部表面因接收太陽輻射升溫，表面熱量分布差異大，在表面溫度差異形成的熱浮力對(duì)流作用下局地風(fēng)速增強(qiáng)，風(fēng)速分布空間異質(zhì)性高，風(fēng)速范圍為0.06～2.33m·s-1，局地風(fēng)速較強(qiáng)的區(qū)域通常為建筑物間隙處(包含路口)和高層建筑附近，如圖6-2的紅圈所示；下午(17：00)，中午形成的局地風(fēng)速較強(qiáng)的區(qū)域仍保持著較高的局地風(fēng)速。種植樹木會(huì)阻礙空氣流動(dòng)，隨著樹木水平覆蓋率的增加，街道內(nèi)行人風(fēng)速降低，但局地湍流略有增強(qiáng)，樹木增加了行人高度的粗糙度，削弱了建筑間隙滲入的風(fēng)速，減小行人風(fēng)速空間分布的異質(zhì)性，如圖6-2的藍(lán)圈所示。

圖6-2 街谷行人高度處風(fēng)速分布

福州夏季悶熱潮濕，上午(8：30)，街道內(nèi)部空氣濕度最大，隨著時(shí)間流逝濕度逐漸下降。街道內(nèi)部濕度分布空間異質(zhì)性大，建筑物間隙處附近在中午時(shí)段(10：00—14：00)具有相對(duì)較高的空氣濕度，如圖6-3的紅圈所示。樹木對(duì)街道有增濕作用，植樹街道內(nèi)部空氣濕度高于無樹木街道，并隨著樹木覆蓋率的增加而增大。具體地，在上午(9：00)，街道西端入口濕度較低，東端入口濕度較高，這主要是由于街道東端溫度比西端高，隨著樹木覆蓋率的增加，阻擋了太陽輻射，使得街道內(nèi)濕度上升。在中午(14：00)，街道東西兩端空氣濕度較大，街道中央建筑空隙處出現(xiàn)一個(gè)濕度較小的區(qū)域，隨著樹木覆蓋率的增加，蒸騰作用產(chǎn)生的水蒸氣增加，該區(qū)域逐漸減小。在下午(17：00)，街道內(nèi)空氣濕度較為均勻，街道東端濕度比西端高。

圖6-3 街谷行人高度處空氣濕度分布

為了分析樹木綠化差異產(chǎn)生的行人熱效益變化，采用公式(4)計(jì)算各案例輸出結(jié)果(行人空氣溫度、風(fēng)速、濕度)之間的差異。式中，分別表示各案例下街谷中格網(wǎng)點(diǎn)的模擬結(jié)果，表示i、j2個(gè)案例計(jì)算結(jié)果的逐點(diǎn)差異值(空氣溫度、風(fēng)速、濕度)。

圖7分別為Spa-Nt、Spa-st(樹木覆蓋率為19%)、Spa-10(樹木覆蓋率為51%)、Spa-8(樹木覆蓋率為66%)、Spa-6(樹木覆蓋率為85%)、Spa-4(樹木覆蓋率為85%)的計(jì)算結(jié)果相互之間的差異值(空氣溫度、風(fēng)速、濕度)在上午(9：00)、中午(14：00)以及下午(17：00)3個(gè)時(shí)刻的空間分布，其中，正值表示案例的計(jì)算結(jié)果比案例高，負(fù)值則表示低。植樹能夠“冷卻”街道，但是，從圖7-1的右側(cè)3列可以看出，當(dāng)樹木覆蓋率＞50%，隨著樹木覆蓋率的增加，樹致氣溫“冷卻”的空間分布較均勻且數(shù)值微小，僅在中午附近(11：30—14：00)于街道中部的高層樓附近存在稍微大些的局地降溫，如圖7-1紅圈所示；街道的其他區(qū)域或其他時(shí)段，樹致“冷卻”作用微乎其微，甚至部分區(qū)域還出現(xiàn)了“加熱”的局地升溫現(xiàn)象，如圖7-1綠圈所示。具體地，上午(9：00)，相較于Spa-Nt，Spa-st街道降溫幅度較低，最高降溫約為0.7℃，降溫區(qū)域主要分布在街道中央的種樹處，街道東端的降溫效果好于街道中央，街道西端溫度幾乎不發(fā)生變化，街道東西兩端降溫效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)樹木水平覆蓋率為66%(間距為8m)時(shí)，街道內(nèi)降溫效果最好，繼續(xù)種植樹木，街道內(nèi)溫度變化不大，并且街道東側(cè)出現(xiàn)升溫現(xiàn)象。中午(14：00)，由于樹木的呼吸作用，種樹案例中位于街道東端和中央建筑空隙處出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，但隨著樹木的覆蓋率增加，遮擋了太陽輻射，該區(qū)域的升溫幅度開始下降，范圍開始縮減。下午(17：00)，街道內(nèi)降溫分布較為均勻，最高降溫約為0.5℃，主要是由于街道位于建筑陰影中。

圖7-1 樹木引起的行人高度處氣溫變化

樹木阻礙街道氣流，靠近建筑物間隙附近存在局地風(fēng)速較大區(qū)域，但是，當(dāng)樹木覆蓋率＞50%，隨著樹木覆蓋率的增加，樹木更有效地削弱了從街道中央建筑間隙滲入的風(fēng)，如圖7-2的紅圈所示，街道內(nèi)部不僅風(fēng)速被降低了，而且風(fēng)速分布空間異質(zhì)性也減小了，風(fēng)場更加均勻。具體地，上午(9：00)，相較于Spa-Nt，Spa-st的街道風(fēng)速變化不大，風(fēng)速降低不超過0.4m·s-1。在中午(14：00)，街道內(nèi)整體風(fēng)速差異較大，位于街道東西兩端入口處風(fēng)速增加，而位于建筑空隙處的風(fēng)速減小，隨著樹木覆蓋率的增加，樹木對(duì)風(fēng)的阻礙作用增強(qiáng)，位于建筑空隙處風(fēng)速減小幅度增大。下午(17：00)，街道內(nèi)風(fēng)速下降幅度增大。

圖7-2 樹木引起的行人高度處風(fēng)速變化

樹木增大了空氣濕度，濕度隨著樹木覆蓋率的增加而增大，當(dāng)覆蓋率＞50%時(shí)，樹致增濕作用的空間分布不均，街道中央在中午附近(11：30—14：00)的局地濕度增大程度更高，如圖7-3綠圈所示，而當(dāng)樹冠形成連續(xù)樹蔭后，這種空間異質(zhì)性則消失，反而出現(xiàn)了路口附近濕度被減小的現(xiàn)象，如圖7-3紅圈所示。具體地，上午(9：00)，相較于Spa-Nt，植樹街道內(nèi)濕度整體呈現(xiàn)上升趨勢，樹木覆蓋率的增加，阻擋了太陽輻射，使得街道內(nèi)濕度上升幅度增大。中午(14：00)，街道中央和東端由于溫度較高，導(dǎo)致濕度下降，下降幅度最高約為5%，隨著樹木覆蓋率的增加，這一區(qū)域的溫度下降，導(dǎo)致濕度下降幅度減小。下午(17：00)，街道位于建筑陰影下，街道內(nèi)濕度變化不大。

圖7-3 樹木引起的行人高度處濕度變化

將種植樹木的5組案例中的樹木覆蓋率和植樹帶來的行人平均溫度、風(fēng)速以及濕度變化的平均值，逐點(diǎn)描繪于圖8-1。可知，在夏季白天，植樹總是給E-W走向的街道帶來降溫效果，行人高度平均氣溫隨樹木覆蓋率的增加而降低，呈二次相關(guān)，并在樹木形成連續(xù)(成片)樹蔭時(shí)達(dá)到最大值。具體地，當(dāng)覆蓋率＜50%時(shí)，中午時(shí)段的樹致氣溫下降梯度最小，每增加10%覆蓋率帶來平均降溫0.07℃，上午最大，每增加10%覆蓋率帶來平均降溫0.26℃，下午次之，每增加10%覆蓋率帶來平均降溫0.12℃。當(dāng)覆蓋率＞50%時(shí)則相反，中午時(shí)段的樹致氣溫下降梯度最大，每增加10%覆蓋率帶來平均降溫0.17℃，上下午都急劇變小，每增加10%覆蓋率分別帶來平均降溫0.03℃和0.04℃。街谷行人平均風(fēng)速對(duì)植樹措施的響應(yīng)呈線性關(guān)系，變化范圍為0～0.24m·s-1。上午，樹木對(duì)街道內(nèi)風(fēng)速幾乎沒有影響；中午和下午，行人高度處平均風(fēng)速隨樹木水平覆蓋率的增加而降低，樹木對(duì)午后行人平均風(fēng)速的降低幅度最大，每增加10%覆蓋率，平均風(fēng)速降低0.02m·s-1；其次是中午，每增加10%覆蓋率，風(fēng)速降低0.01m·s-1。此外，植樹增大了空氣濕度。上午，植樹引起的行人高度平均空氣濕度的升高幅度最大。當(dāng)覆蓋率＜50%時(shí)，每增加10%覆蓋率，平均空氣濕度上升1.13%，當(dāng)覆蓋率＞50%后，濕度增大速率減小，每增加10%覆蓋率帶來平均增濕0.44%。在中午，當(dāng)覆蓋率＜50%時(shí)，樹木的增濕效果不明顯，每增加10%覆蓋率，平均空氣濕度上升0.07%，當(dāng)覆蓋率＞50%后，濕度增大速率增大，每增加10%覆蓋率帶來平均增濕0.75%；下午空氣濕度上升幅度最小，每增加10%覆蓋率帶來平均增濕0.23%，且與樹木覆蓋率呈線性關(guān)系。

圖8-1 樹木覆蓋率與平均溫差、平均風(fēng)速差、平均濕度差的相關(guān)性

2.2 街谷熱環(huán)境與街道可視因子的關(guān)系

圖8-2描述了街谷內(nèi)空氣平均溫度、平均風(fēng)速、平均濕度與BVF、SVF以及TVF之間的關(guān)聯(lián)性，從圖中可以看出，街谷內(nèi)平均氣溫、平均濕度與TVF、BVF以及SVF之間存在相關(guān)性，其中TVF與平均溫度存在負(fù)相關(guān)，BVF、SVF與平均溫度存在正相關(guān)，R2分別為0.64、0.43、0.48；TVF與平均濕度之間存在正相關(guān)，BVF、SVF與平均濕度之間存在負(fù)相關(guān)，R2分別為0.63、0.32、0.55；而平均風(fēng)速與TVF、BVF、SVF之間的相關(guān)性不強(qiáng)，R2分別為0.10、0.09、0.10。

圖8-2 TVF、BVF、SVF與街谷行人高度處空氣平均溫度、平均風(fēng)速、平均濕度的相關(guān)性

3 討論

通過對(duì)福州市高密度街區(qū)夏季的室外熱舒適度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)福州東西走向的街道在8：30—16：00時(shí)間內(nèi)都處于太陽輻射下，只有在16：00后才處于建筑陰影中，因此在街谷內(nèi)種植樹木格外重要。通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，種植樹木可以使得街谷內(nèi)溫度降低，平均溫度最高降低可達(dá)1.82℃，當(dāng)樹木種植間距為4和6m時(shí)，兩者的降溫效果差異較小，并且都優(yōu)于種植間距為8和10m的情況。建議在高密度街區(qū)的街道內(nèi)種植樹木時(shí)，可以考慮將樹木成片種植。雖然增加樹木覆蓋率，可以提升街道內(nèi)的降溫效果，但樹木覆蓋率與平均降溫幅度之間的關(guān)系并不是線性的，當(dāng)樹木覆蓋率小于50%時(shí)，樹致行人氣溫降低的梯度最大，樹木在街道內(nèi)形成連續(xù)樹蔭時(shí)，降溫達(dá)到飽和值，繼續(xù)增加樹木的覆蓋率，并不能帶來更好的降溫效果，反而會(huì)由于其對(duì)地面長波輻射的阻擋，使得降溫幅度下降。

同時(shí)，植樹會(huì)降低街道內(nèi)風(fēng)速和增加空氣濕度，平均風(fēng)速最高降低達(dá)到0.26m·s-1，平均濕度上升最高達(dá)到9.59%。而高濕度會(huì)抑制皮膚熱量的蒸發(fā)，降低人體的熱舒適度，同時(shí)風(fēng)速對(duì)熱舒適性也有重要影響[35]。街道的熱環(huán)境是由空氣溫度、濕度以及風(fēng)速共同決定，這意味著增加樹木的覆蓋率并不是總能夠改善街道的熱環(huán)境。

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在夏季白天，對(duì)于東西走向街道，TVF、BVF、SVF對(duì)街道內(nèi)熱環(huán)境有不同程度的影響。其中TVF、BVF、SVF與街道內(nèi)空氣平均溫度和平均濕度存在線性相關(guān)，R2分別為0.64、0.43、0.48、0.63、0.32、0.55，而平均風(fēng)速與TVF、BVF、SVF之間的相關(guān)性不強(qiáng)，R2分別為0.10、0.09、0.10。TVF對(duì)空氣平均溫度、平均濕度的影響較大，而SVF和BVF對(duì)空氣平均溫度、平均濕度的影響相對(duì)較小。這主要是由于街道朝向的影響，建筑在大部分時(shí)間內(nèi)不能為街道直接提供遮陰。樹木雖然會(huì)阻擋街道內(nèi)向上的長波輻射，但是樹冠的遮陰效果仍然可以通過減少太陽的短波輻射來降低溫度，同時(shí)大部分的太陽輻射通過樹木的蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱，進(jìn)而促進(jìn)水分的蒸發(fā)，增加周圍環(huán)境中的濕度，從而起到降溫作用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明行人高度氣溫的降幅與樹木覆蓋率有關(guān)，當(dāng)覆蓋率小于50%時(shí)，每增加10%的覆蓋率平均氣溫最高可降低0.26℃，這與其他研究結(jié)果相符(平均降溫范圍0.14～1℃)[16-22]。但本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了更多細(xì)節(jié)：樹木對(duì)行人熱環(huán)境的影響是非線性的(不同時(shí)段呈不同規(guī)律)、樹木覆蓋率與氣溫降幅之間的線性關(guān)系具有時(shí)間窗約束(中午附近)、東西向街道適宜樹冠形成連續(xù)樹蔭的植樹方案。

4 結(jié)論

夏季東西走向的街道因長時(shí)間暴露于日照形成最不舒適的行人環(huán)境，樹木可提供樹蔭降低氣溫但也阻礙了局地通風(fēng)，然而，植樹對(duì)行人熱環(huán)境的綜合影響尚不清楚。本文針對(duì)城市典型高密度街區(qū)(LCZ 2)中東西走向的深街谷，開展行道樹綠化差異對(duì)行人熱環(huán)境綜合影響的定量計(jì)算與分析。結(jié)果表明如下。

1)樹木對(duì)行人熱環(huán)境的影響是非線性的，且在夏季白天不同時(shí)段呈不同規(guī)律，街道樹木覆蓋率與樹致平均行人氣溫差異值之間存在如下關(guān)系：上下午非線性關(guān)系強(qiáng)烈，中午則接近線性關(guān)系。

2)當(dāng)樹木覆蓋率小于50%時(shí)，樹致行人氣溫降低的梯度大，每增加10%樹木覆蓋率，行人高度平均氣溫最高約降低0.26℃；樹木覆蓋率超過50%以后，植樹帶來的熱效益改善值減小，而且影響的時(shí)間窗口趨于中午附近(11：00—14：30)。

3)東西向街道內(nèi)的各種植樹方案都對(duì)行人熱環(huán)境產(chǎn)生正面影響，當(dāng)樹冠相互接觸形成連續(xù)樹蔭時(shí)，樹致改善效應(yīng)接近飽和，繼續(xù)提高種植密度反而產(chǎn)生負(fù)面影響。考慮城市用地緊張，建議東西走向的街道，采用可形成連續(xù)樹蔭的50%左右覆蓋率的行道樹綠化，以獲得舒適的行人小氣候。

注：文中圖片均由作者繪制。