基于夏季小气候效应的杭州街道适应性设计策略研究

杨小乐 金荷仙 彭海峰 陈楚文

当今城市建设向高密度、窄通道、高层结构的特大型城市发展。随着地块尺寸缩小、城市密度增加、城市绿化区域不断被挤占，导致城市空间热辐射平衡、地面建筑间的对流换热、区域上空热对流和城市发热性造成了显著的变化[1]，即形成严重的城市热岛效应[2]。街道是城市居民必不可少的户外活动空间，营建健康舒适的小气候环境是提升街道空间使用率的重要途径[3]，其中遮阴效应、温湿效应、负氧离子效应对城市局部气候皆有显著改善作用[4]。城市街道与建筑环境相辅相成，其气候影响因素的研究脱离不了对城市建筑布局及空间的理解，故而国内主要由西安建筑科技大学董芦笛教授牵头的小气候课题组为代表参与研究[5-10]。除西安对城市街道小气候有较为系统详尽的研究外，也有较多学者投身其中。邵钰涵便对气流、温度、湿度、遮阳和污染物5个影响因子对街道小气候的作用进行综述，得到空间类型及景观要素对小气候因子而言极为重要[11]。城市不同类型街道小气候的研究对于城市规划设计具有极其重要的意义，但仍处于不断探索补充阶段，对于可实际运用于城市街道的小气候适应性设计策略仍需进一步定量化完善。

本研究以空间典型性和人群使用率为原则，选择杭州市典型街道文一西路和古墩路进行小气候实测，结合Rayman1.2模型探讨夏季街道不同类型空间的人体舒适度差异，提出基于小气候效应的街道空间适应性设计策略。其结果对城市街道空间建设具有较强的参考价值。

1 研究区概况

研究区位于杭州市西湖区文一西路和古墩路交叉口路段，属亚热带季风区，春秋短冬夏长，夏季湿润炎热，是新四大火炉城市之一。据2014年《杭州城市绿化景观》统计[12]，杭州主干道路以“四板五带式”为主，其次为“三板四带式”“一板两带式”。

东西向文一西路呈双向八车道，四板五带式。临街建筑以六层住宅为主，一层皆为商业用房，北侧人行道设骑楼，街道高宽比（H/W）约0.43。两侧机非分隔绿带皆为乔（香樟）—灌—草复层结构；机动车道中央分隔绿带以草—灌结构为主，辅以落叶小乔木；人行道南侧无行道树，北侧种落乔黄山栾树（Koelreuteria bipinnata var.integrifoliola）。南北向古墩路呈双向四车道，三板四带式。临街建筑以六层住宅为主，东侧一层为商业用房，南侧设居住区铁艺围栏，街道高宽比（H/W）约0.49。两侧皆有人行道行道树及机非分隔绿带，未设机动车道中央分隔绿带。根据街道朝向、界面、空间类型等要素选取测点1、2（图1、2）。

2 实验方法

实验于2017年8月24、27—28日3个晴朗无风的典型气象日进行，其中25、26日突发雷阵雨暂停测量，测量三日整体天气相近，基本可视为连续3天；实测时间选为08：00—18：00（表1、2）。采用定点移动式观测法[13]，即每隔1h对垂直地面1.5m处的各小气候因子进行手持测定。观测时疏散周围人群并停止对话交流，仪器距离胸前一臂长并保持平稳约3min，待气候因子稳定后读取并记录，取3天均值作为分析用数据。

3 结果与分析

3.1 太阳辐射强度分析

太阳辐射强度测量值与遮阴严密程度存在直接关系，即遮阴越严密，太阳辐射强度越低。夏季，由于乔木冠层枝叶茂盛，加之局部时段建筑遮阴，文一西路和古墩路多测点、多时段均处于遮阴之下，其太阳辐射值与无遮阴区域相比存在明显差异。由于文一西路机动车道中央测点4于测量时段皆无遮阴，故将其定为无遮阴对照点。无遮阴对照点于正午12：00达到所有测点日峰值949.1W/m²，且全天趋势变化最为明显（图3）。

文一西路测点1～3、5、6太阳辐射强度受建筑、行道树遮阴而显著降低，其中测点1、2、3、5由于行道树冠层遮阴较为严密，整体日太阳辐射强度变化小，变化趋势接近；测点6于上午时段因建筑遮阴导致其太阳辐射强度变化与测点1～3、5相近，但13：00后由于缺少行道树及建筑遮阴，引起太阳辐射强度反向增大，至15：00—18：00间与无遮阴测点4的太阳辐射强度相接近。古墩路测点7～12的太阳辐射强度日变化相较文一西路更为复杂，上下午时段差异明显，最高值于测点9的13：00达 882.6W/m²。

据夏季太阳阴影时段变化发现，遮蔽物投影变化呈西—北—东圆周形变化。东西向文一西路两侧对应测点的太阳辐射值基本一致，仅南侧人行道空间因无行道树遮阴于午后处于强太阳辐射状态。由于太阳东升西落，南北向古墩路人行道的太阳辐射强度主要受建筑遮阴影响，非机动车道主要受行道树遮阴影响，结果与人行道空间基本一致。结果表明，遮阴能够有效降低太阳辐射强度，且对南北向道路的太阳辐射热具有较大影响，往往上午时段西界面的太阳辐射值高于东界面，反之中下午时段则低于东界面，与刘滨谊对上海城市街道的研究成果一致[14]。

3.2 空气温度分析

文一西路测点1～6日变化趋势相近，其中无遮阴测点4空气温度明显高于其余测点，并于13：00达文一西路日最高温40.7℃，测点1则基本处于较低温水平，于08：00达测量时段最低温30.8℃。古墩路日最高温出现于测点9（40.9℃），且测点8、9在13：00—16：00时间段内因太阳斜射而导致快速增温。就测点1～12空气温度整体日变化而言，上午增温速率相较下午降温速率更为明显，其中测点4增温最快，测点1因拥有绝佳的建筑及行道树遮阴，空气温度减弱程度最为明显（图4）。

通过两条街道空气温度整体水平发现，东西向文一西路整体略高于南北向古墩路。一是由于东西向道路受太阳东升西落的影响小，二是文一西路为“四板五带式”结构，相对古墩路“三板四带式”结构更为开阔，受光时间更长，导致降温变化缓慢。就街道两侧界面空气温度整体水平而言，东西向道路两侧差异较小，其空气温度变化基本取决于建筑及行道树遮阴的差异；而南北向道路两侧差异明显，且存在因太阳东升西落引起的时段性规律变化，故炎热夏季，南北向道路上午东侧、下午西侧的街道气温减弱作用最为明显。

3.3 相对空气湿度分析

测点1～12相对空气湿度日变化趋势基本呈“U”字形，且其最小值出现于13：00—16：00内。测点4于13：00达最低相对空气湿度值37.7%，与日最高温度出现时间及测点一致，表明相对空气湿度与空气温度有一定负相关性（图5）。

1 文一西路测点图Wenyi West Road measuring points map

2 古墩路测点图Gudun Road measuring points map

3 文一西路及古墩路太阳辐射强度日变化Daily variation of solar radiation in Wenyi West Road and Gudun Road

4 文一西路及古墩路空气温度日变化Daily variation of air temperature in Wenyi West Road and Gudun Road

表1 实验仪器及测量内容Tab.1 Experimental equipment and measurement content

表2 测量日基本情况Tab.2 Basic conditions of measurement days

东西向文一西路8：00—13：00相对空气湿度呈缓慢下降状态，13：00—14：00达到极值，14：00后得到回升，但回升速度略慢于上午下降速度。古墩路和文一西路相对空气湿度整体日变化趋势相似，极值达到时间段略晚于文一西路，与空气温度日变化结果一致。就相对空气湿度日变化而言，文一西路降至最低值所用时间更短，速率更快。

文一西路南北界面相对空气湿度有一定区别，而古墩路东西界面变化趋势相近，差异较小。文一西路北界面相对空气湿度整体水平相较南界面更高，主要由于南界面相比北界面缺少行道树遮阴，相对空气湿度降幅快，加之北界面临街住宅建筑略高于南界面建筑，空间相对郁闭，整体空气湿度降幅较为缓慢。

3.4 风速风向分析

测点1～12全天风速变化趋势复杂，基本无明显规律可循（图6）。东西向文一西路平均风速整体略强于南北向古墩路，测点4～6尤为明显。可初步得到，街道空间的风速强弱取决于街道朝向与当日盛行风向的关系。

5 文一西路及古墩路相对空气湿度日变化趋势Daily variation of relative air humidity in Wenyi West Road and Gudun Road

6 文一西路及古墩路平均风速日变化趋势Daily variation of average wind speed in Wenyi West Road and Gudun Road

7 测点1～12 PET热感觉和生理应激等级占比The proportion of PET thermal sensation and physiological stress levels of measuring points 1～12

表3 文一西路及古墩路不同界面及类型不舒适感受统计Tab.3 Different interfaces and types of uncomfort statistics in Wenyi West Road and Gudun Road

4 夏季街道人体舒适度分析

人体舒适度是以人体与近地空间内大气之间的热交换原理为基础，从气象角度评价人类在不同气候条件下的身体舒适感的一项生物气象指标[15]。刘敏等研究表明在炎热的夏季，影响人体舒适度的主要因素是空气温度和相对空间湿度。Rayman模型主要用于分析小气候舒适度指标—生理等效温度（PET）[16]，导入各测点小气候数据—空气温度、相对空气湿度、太阳辐射强度、风速，选定夏季服装热阻为0.5clo，人体条件为性别男、身高175cm、体重70kg、年龄35岁，新陈代谢率为80W/m2[17]，并输入准确的日期时间、地理位置以计算PET。PET能够体现人体能量与室外空间长波辐射通量间的平衡关系，是最适合于评价公共空间人体舒适度的指标之一[18]。

计算测点1～12三天每一测量时间段的PET值，并将其分为9类生理应激等级，即热感觉程度[17]。据计算，08：00—18：00测点1～12的PET数值均高于23.0，故炎热夏季PET越低，人体感受越舒适；且具有冠层即乔木遮阴的街道空间比不具冠层的空间更舒适[17]。将强热应激及极端热应激作为不舒适指标，统计3天PET（图7）可得测点4不舒适时段最长，占总测量时间段的87.9%，为12个测点中最不舒适街道空间，主要由于该测点无建筑或乔木冠层遮阴，且处机动车道中央，受汽车尾气影响严重，故舒适度远比其他测点差；其次不舒适测点为5、8～11，皆占总测量时段的50%左右，且全为机非分隔绿带测点，可见机非分隔绿带测点由于两侧频繁经过的机动车、非机动车而导致舒适度下降；所有测点中最佳舒适空间为测点1，全时段达到中热应激等级以下，08：00时段达到微热应激等级，其建筑及乔木冠层遮阴给予了测点1 所在文一西路北界面人行道良好的街道环境。

测点4位于文一西路机动车道中央，虽整体计算PET值时纳入计算，但由于其所处位置无行人受用，空间使用者基本为驾驶封闭车辆的人员，故在比较户外人体舒适度时，剔除测点4 的比较，仅将其PET数值作为参照组。统计东西向文一西路与南北向古墩路不同界面及类型舒适感受（表3）可得，文一西路不舒适感受占比远小于古墩路。究其原因主要是古墩路热及炎热感受时段较长，大大拉高了古墩路整体不舒适感。显而易见，于炎热夏季人们更愿意行走在人行道行道树树荫底下，或两侧建筑的骑楼底下，以尽量缓解不舒适感。

不同朝向道路两侧界面的PET指标也存在一定区别（表3），这主要取决于两侧街道空间、遮阴情况等不同影响因素，并非道路朝向导致。文一西路北界面环境舒适度远优于南界面，强热或极端热应激等级仅占南界面的1/4，主要由于北界面建筑及行道树遮阴能够有效降低太阳辐射强度，并减缓空气温度升幅及相对空气湿度降幅，提升人体热舒适度；而古墩路东西界面无论人行道空间还是机非分隔绿带空间，PET数值均相似，即街道界面对人体舒适度的影响较为接近。

5 城市街道小气候适应性设计策略分析

通过对杭州市文一西路和古墩路小气候实测数据和人体舒适度结果分析，发现街道朝向、界面、植物结构及种类是影响城市街道小气候环境的重要因素，故本研究从该3项要素探讨杭州街道小气候适应性设计策略，旨在为同类型城市街道空间建设提供一定借鉴与依据。

1）街道朝向的控制。杭州整体主导风与东西向接近，稳定性微气候视角下，东西向街道略优于南北向街道。街道朝向是影响空间遮阴率及通风状况的最直接因素，利用城市主导风与街道走向的关系可明显改善通风效果，提升户外空间人体舒适度。当街道朝向与城市主导风趋于一致时，整体风速经街道峡谷而得到增强，能够增大空气热交换，起到降温效果，从而缓解夏季炎热的不舒适感受。

2）街道界面的差异性设计。城市街道界面极大程度上影响了遮阴时段及类型。通过对不同界面的日阴影变化分析，可提出两方面实施策略：①人为增建遮阴空间，缩小街道界面小气候环境差异。②选择绿色人行空间建筑材料。城市街道环境极大程度是为步行人群所服务的，对此可采用植物或建筑材料以缓和温度变化，如将卵石树池替换成绿植树池、选择具有较高太阳反射指数（SRI）的浅色涂料作为墙面材料[13]等方式。

3）城市街道绿化主要包括行道树、机非分隔绿带及机动车道中央分隔绿带。植物的覆盖作用可最高降低建筑墙体及屋顶表面温度11～25℃[14]，可见绿化在城市公共空间小气候环境中的重要性。城市街道植物设计主要通过行道树选择、植物结构、垂直绿化3方面来阐述：①行道树树种选择。要实现夏季提供良好遮阴、冬季提供阳光直射取热，在人行道空间种植的行道树可选择落叶树种，在机非分隔绿带种植的行道树则可选择常绿树种。常绿与落叶乔木相结合的种植方式，既避免了景观上的单一枯燥，也满足了夏季遮阴、冬季光照的环境要求，并能营建较为舒适的城市街道空间。②植物结构复层化。植物结构可分为横向的绿化带结构及竖向的配置结构。一般在乔—灌—草复层结构的情况下，其空间绿量较大，绿化覆盖率较高，可有效缓和小气候因子日变化。③垂直绿化的增设。对于城市街道而言，通过墙面绿化、屋顶绿化来增加绿化覆盖率，可有效缓和温湿度日变化，缓解夏季极端热感受。

6 结论与展望

根据对杭州市街道小气候的实测分析和人体舒适度评价研究所得的结果，提出街道空间小气候适应性设计策略。首先，在城市规划之初，应尽可能设定朝向与城市主导风向平行或接近的街道。其次，通过人为增建遮阴空间、采用植物或绿色建筑材料、增设道路中央界面景观以区别不同朝向道路的界面设计。最后，当人行道种植落叶乔木、机非分隔绿带种植常绿乔木，并设置5条绿带（人行道行道树×2+机非分隔绿带×2+机动车道中央分隔绿带），尽可能选用乔—灌—草复层配置结构，增设垂直绿化（墙面及屋顶绿化）时，能够提升绿化覆盖率，满足夏季遮阴、冬季光照的环境要求，从而营建舒适健康的城市街道空间。

城市街道环境中，街道朝向及界面、建筑物、植被、下垫面、天空可视度等组成要素的变化均可对小气候产生重大影响。良好舒适的城市街道活动空间可促进人群流动，延长停留时间，提升城市整体环境质量。借助街道空间小气候研究总结城市街道走向与整体城市规划之间的关系，并针对性设计街道两侧界面，以创建最佳的街道环境。回顾研究全程，城市街道小气候的相关研究仍需在理论、实测、实践3方面做进一步深入研究。理论上，应逐步构建中国城市小气候的系统性研究框架，拓展研究内容，深入挖掘研究切入点为后期同类型学者提供更充分的文献依据。实测上，可通过智能化、精确化、大数据化的方式进行操作，以丰富研究内容。实践上，结合小气候量化理论及适应性设计策略，运用于城市街道建设案例，并于建成后进行使用后评价分析及实地小气候因子测定，以验证小气候环境营造的价值。

注释：

文中图表均由作者自绘。其中表2温度、湿度及风速风向数据来自中国天气官方网站；日出日中日落时间取两实测街道交叉口经纬度所在时间，数据来自中国天气官方网站。