樹冠空間占用對不同高寬比街道行人熱環(huán)境的影響

林定,吳俊,劉亞敏,朱牧

(1.福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室,福建 福州 350108;2.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點實驗室,北京 102205)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,居民住宅越來越趨于集中分布,形成建筑物較密集的大大小小的街區(qū),建筑物之間的街道是人們戶外活動的重要場所,其熱環(huán)境易受建筑物分布、植被等因素影響[1].近年來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞城市熱島問題,開展許多改善行人熱舒適度以緩解熱不適的工作[2-4].小氣候是指由于下墊面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同,造成熱量和水分收支差異,而在小范圍內(nèi)形成一種與大氣候不同特點的氣候.熱環(huán)境是指由太陽輻射、氣溫、相對濕度等物理因素組成的作用于人,影響人的冷熱感和健康的環(huán)境[5].本研究的行人小氣候指行人高度的小氣候,行人熱環(huán)境指行人小氣候中與熱相關(guān)的物理量,主要是空氣溫度、濕度和風(fēng)速.

現(xiàn)有研究表明,增加植被覆蓋率可降低地表溫度,適當(dāng)提高綠地面積,可緩解城市熱環(huán)境[6-7];其中,樹木具有蒸騰和遮蔭雙重作用,在改善熱環(huán)境、調(diào)節(jié)微氣候方面發(fā)揮著重大作用[8-9].Vaz等[10]發(fā)現(xiàn)樹木帶來的冷卻效果與樹冠覆蓋的面積之間呈現(xiàn)正相關(guān).Tan等[11]發(fā)現(xiàn)在建筑物高密的亞熱帶城市中種植樹木,至少可使氣溫降低0.3 ℃.Ma等[12]研究樹木覆蓋率與街道局地環(huán)境之間的關(guān)系,指出增加樹木覆蓋率是緩解行人熱不適的重要策略,在街道縱橫比(aspect ratio,AR,H/W)低的開放空間,增加樹木覆蓋率可使行人生理等效溫度降低 0.5～8.7 ℃.Chen等[13]通過規(guī)?；膽敉鈱嶒炑芯磕媳背虻?種縱橫比街道內(nèi)樹木對熱環(huán)境的影響,結(jié)果表明縱橫比會影響樹木引起的街道小氣候變化,當(dāng)AR =1時,增加植被覆蓋率,可獲得更好的降溫效果,當(dāng)AR=2時,樹木的冷卻作用最強(qiáng),當(dāng)AR=3時,由于建筑陰影的影響占主導(dǎo)地位,樹木對氣溫的冷卻作用不明顯.然而,在全球變暖的背景下,無論街谷的深度和方向如何,種植更多的綠色植物都一直被大力倡導(dǎo).

現(xiàn)有研究表明,綠化密度和配置、主要氣象條件、樹木對溫度(空氣和表面)的降低和熱舒適度的改善程度各不相同[11,14-15].一般而言,樹木相關(guān)參數(shù)對氣溫的“冷卻”貢獻(xiàn)順序為樹冠大小>葉面積指數(shù)>樹冠形狀>葉子顏色[16].植物蒸騰降溫的影響遠(yuǎn)小于遮陽降溫,街道的高寬比和走向形成不同的建筑陰影,將顯著影響樹木的行人小氣候效應(yīng).但對于街道的走向不同、樹木的布局不同,如何影響街道行人小氣候并在多大程度上產(chǎn)生影響,尚未有詳細(xì)的文獻(xiàn)報道.本研究在淺、中、深3種不同縱橫比特征的街道中,開展樹冠的不同大小對行人氣溫影響的數(shù)值計算,為更好地緩解熱島效應(yīng),改善街道行人小氣候?qū)で筮m宜的樹木綠化措施.

1 材料與方法

1.1 真實街谷植樹現(xiàn)狀下的行人熱環(huán)境模擬與驗證

圖1 研究區(qū)及其3D模型Fig.1 Study area and its 3D model

表1 真實街道的幾何參數(shù)和數(shù)值計算輸入的條件參數(shù)

采集2020-05-17至2020-05-23期間A、B兩街道內(nèi)的行人高度處(距地面1.5 m高)氣溫數(shù)據(jù),觀測位置如圖1(a)所示,觀測時間為每日的8:00—9:00、11:30—12:30、15:00—16:00,每隔20 min記錄一次數(shù)據(jù).對比分析A、B街道各測點的觀測值與數(shù)值計算的模擬值,計算其相關(guān)系數(shù)(R2)和均方根誤差(root mean square deviation,RMSD),即

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式中:tm為調(diào)研記錄的實際溫度,℃;ts為模擬計算的溫度,℃;N為數(shù)據(jù)量.

計算結(jié)果如圖2所示,表明氣溫的實測值和模擬值存在較強(qiáng)的線性關(guān)系[20],RMSD在可接受的范圍內(nèi)[21].因此,可認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果相對可靠,即本研究數(shù)值計算采用的初始條件和邊界條件的設(shè)置是合理的、可靠的.

圖2 氣溫的模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性Fig.2 Correlation between measured and simulated data

1.2 3種街谷AR值下樹冠大小影響行人熱環(huán)境的案例設(shè)計

在不同形態(tài)結(jié)構(gòu)(AR)的街道中,樹冠容量如何影響行人小氣候,其影響規(guī)律是否相似?為了回答這個問題,本研究在真實街道幾何形態(tài)的基礎(chǔ)上(街道A,AR=0.36,NE-WS;街道B,AR=1.39,N-S),保持樹木種植的空間布局,通過建筑物高度的相似性縮放獲得兩個街道的3種AR值,形成淺街谷(02)[22-23],并構(gòu)建對應(yīng)的三維模型.其中,A街道的3組AR值分別為0.36、1.44、2.16,B街道的3組AR值為0.70、1.39、2.78.根據(jù)《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計規(guī)范(CJJ 75—1997)》[24],設(shè)計如表2所示樹冠容量差異化配置方案,從最小值(無樹木的空街谷,作為無偏比較的參照)到最大值(樹冠的地面垂直投影形成連續(xù)樹蔭);樹冠空隙率(canopy gap ratio,CGR)為負(fù)值表明街道內(nèi)兩相鄰樹木樹冠枝葉交錯.街谷內(nèi)樹冠的空間占比(tree’s canopy ratio,TCR),計算公式為

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表2 案例設(shè)計

表2中案例組(1)的參數(shù)是對真實街道植樹現(xiàn)狀的觀測獲得的,結(jié)合實測數(shù)據(jù)對數(shù)值計算初始條件和邊界條件設(shè)置的合理性,以及數(shù)值計算結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗證;組(2)為無樹木種植的空街道,是為了在不同朝向和AR值的街道中開展樹木對行人小氣候影響的無偏比較;組(3)是保持真實樹木空間布局下的樹冠差異實驗的對照組,冠高和冠寬的組合案例,代表了大多數(shù)可能的樹冠形態(tài);樹木的種植位置如圖3(a)所示,樹冠參數(shù)改變?nèi)鐖D3(b)所示,株距8 m來自真實街道的植樹株距.

圖3 街道內(nèi)樹冠的差異化配置Fig.3 Street tree canopy configuration

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 街道自身幾何形態(tài)帶來的熱環(huán)境的差異

街道的幾何形態(tài)是造成行人熱環(huán)境差異的主要因素,無樹木的空街谷內(nèi)行人高度的氣溫和風(fēng)速的計算結(jié)果如圖4所示,隨著街谷AR值的變化,行人風(fēng)熱環(huán)境也隨之變化,從3個時刻(8:00、12:00、16:00)的計算結(jié)果可見: 真實街道在無植樹情況下,A街道(AR=0.36)行人氣溫在一天中任何時刻都高于B街道(AR=1.39),這是由于A街道較寬,B街道較為狹窄且建筑較為密集,對陽光有更好的遮擋作用.

圖4 A、B區(qū)域街道無樹木案例溫度、風(fēng)速分布Fig.4 Distribution of temperature and wind speed in treeless streets A and B

由于朝向不同,A(NE-WS)、B(N-S)兩街道的行人氣溫在空間上分布存在差異.上午,A的淺街谷行人氣溫在靠近建筑的東側(cè)區(qū)域較低,隨著AR值增大,街道內(nèi)氣溫分布趨于一致;B的淺街谷行人氣溫在靠近西南角路口的位置較低,隨著AR值增大,由中心軸線向東西兩側(cè)逐漸分布均勻.中午,A街道行人氣溫在靠近建筑的東側(cè)區(qū)域較低,越靠近迎風(fēng)路口位置,溫度越高;B街道行人氣溫則在東西兩側(cè)相對均勻地分布.下午,A街道在迎風(fēng)路口處氣溫較高,隨著AR值增大,高溫區(qū)由中心軸線向東西兩側(cè)逐漸均勻分布,B街道行人高溫區(qū)則集中在迎風(fēng)路口處.

隨著AR值增加,兩個走向的街道內(nèi)行人溫度和風(fēng)速都隨之減小.行人高度的氣溫和風(fēng)速變化值同時呈現(xiàn)隨街谷AR值增大而下降的趨勢,即從淺街谷到中街谷的變化幅度大于從中街谷到深街谷的變化幅度.尤其是中午,A街道隨著AR值增大,降溫強(qiáng)度高于B,抵消了樹冠遮蔭帶來的好處,使得A街道的統(tǒng)計圖中出現(xiàn)類似于閾值的綠化率.即冠寬到一定程度,樹木才有降溫作用.

2.2 樹木對街道行人熱環(huán)境的改變

2.2.1溫差的空間分布

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圖5～6為A、B兩區(qū)域有樹木案例與無樹木案例之間的模擬差異C的分布.圖中,正值表示升溫效果,負(fù)值表示降溫,紅色點表示樹木的種植位置,從左至右,樹冠的TCR值逐漸增大.

圖5 與無樹木溫差(A區(qū)域街谷)Fig.5 Air temperature difference with no trees(street A)

圖6 與無樹木溫差(B區(qū)域街谷)Fig.6 Air temperature difference with no trees(street B)

圖5(a)和圖6(a)分別為A、B淺街谷種植樹木與無樹木的行人氣溫差異分布圖,樹木能降低A、B淺街谷的行人氣溫.具體地,上午,樹木的種植使A、B街道行人氣溫總體上升高,升溫的幅度隨著TCR值的增大而增大.中午,植樹街道中行人氣溫降低,降溫區(qū)域主要分布在種樹區(qū)域,降溫幅度和降溫范圍隨著TCR值的增加而增大.下午,樹木使街道內(nèi)總體氣溫降低,隨著TCR的增加,街道降溫幅度增大.

圖5(b)、(c)和圖6(b)、(c)分別為A、B街道對應(yīng)的中、深街谷內(nèi)部植樹帶來的行人氣溫差異分布.可以看出: 對于A、B街道的中、深街谷而言,樹木導(dǎo)致行人氣溫在上午升高,但會降低中午和下午的氣溫.總之,樹木的降溫作用隨著AR值的增大而減小,其可能原因是,隨著AR值增大,建筑的遮蔭效用隨之增大,削減了樹木的遮蔭效果.可見,隨著街谷越來越深,樹木改善行人氣溫的小氣候效應(yīng)將逐漸失去,從這個角度而言,深街谷植樹意義不大.

2.2.2行人熱環(huán)境差異與樹冠體積空間占比的關(guān)系

圖7 A、B區(qū)域街谷植樹引起的行人平均氣溫變化Fig.7 Changes in average pedestrian temperature caused by differential tree planting in street A and B

3 結(jié)語

1) 對于N-S、NE-WS走向的3種縱橫比的街道,植樹不一定對街道行人高度的氣溫產(chǎn)生正面影響,與無樹相比,樹木導(dǎo)致行人高度的氣溫在上午上升,但是會降低中午和下午的氣溫.

2) 對于兩種朝向的街道而言,樹木對行人小氣候的調(diào)節(jié)作用受到街道高寬比(AR)的影響.當(dāng)AR<1,樹木對街道行人小氣候的影響較強(qiáng),增加樹冠容量,可獲得更好的降溫效果;但隨著高寬比的增加(AR>2),增大了建筑陰影的降溫影響,減弱了樹木遮蔭所帶來的“冷卻”作用.

3) 行道樹對行人小氣候的調(diào)節(jié)作用很有限,從小氣候優(yōu)化的新視角,建議NE-WS和N-S走向街道的行道樹規(guī)劃設(shè)計策略為: 種植樹冠間留有小空隙率(空隙率為0.125左右)的行道樹,而不是讓樹冠相接形成連續(xù)樹蔭,以獲得更好的降溫和通風(fēng),更好地緩解熱島效應(yīng).