上海南京东路热舒适分析与评价

刘滨谊 彭旭路

城市街道是人们在城市室外活动的重要场所[1]，也是风景园林空间的重要组成部分[2]，城市街道与小气候结合开展研究始于20世纪70年代[3]，斯蒂莫斯（Steemers）等研究指出，由城市质地产生的气候要素影响，主要在中尺度城市范围，而空间因子是微观尺度，即人的活动范围中对气候要素产生影响的主要因素[4]。将风景园林空间与以小气候为代表的环境要素结合，共同作用于通过风景园林规划设计达到调节改善人居环境的目的已成为风景园林学科的研究热点[5]。

对风景园林空间的小气候进行研究，根据研究范围尺度的不同，相应的方法有城市、区域等大尺度主要运用遥感技术[6]、机动车流动测量[7]、GIS平台技术等[8]，其侧重整体性与宏观性。在微观尺度中常采用现场测试[9]、计算机模拟[10]、物理模拟[11]等方法。现场测试是认识街道小气候最可靠的方式，是检验其他方法准确性的依据[3]。热舒适感受是人活动范围能获得的感受，适合采用微观尺度的研究方法，本文作者采用问卷结合实测的热舒适研究方法，也是当前户外热舒适研究领域的主导[1]。

在课题组已开展的相关研究中，街道空间对小气候环境的影响研究提出以下观点：城市街廓高宽比对太阳热辐射影响较大；植被要素夏季有降温增湿作用，但会削弱风速，且树冠形状对气温有较大影响；街谷走向平行于城市主导风向时，街谷空间风速较大；道路中线处比街道边缘靠近建筑处空气流通性好；街道内部遮阳设施在夏季也有助于改善街道小气候[2，12]。随着人们对户外环境健康舒适的需求不断增加，对城市街道进行热舒适分析与评价研究，可以为城市宜居环境的街道规划设计以及提升宜居环境品质提供指导与参考。

表1 小气候物理实测实验仪器参数表Tab. 1 Parameters of experimental instruments for physical measurement of microclimate

1 研究方法

1.1 测试仪器

小气候测试仪器采用美国生产的Watchdog气象站2000系列。将仪器放置在测试点距离地面1.5 m高度处（表1）。

1.2 研究对象

南京东路步行街西起西藏中路，东到河南中路，地势平坦，东北至西南走向，全长1 033 m，路宽18～28 m。两侧建筑高度在24～100 m范围内，为多层和高层混合，且采用不对称布置。临街建筑主要功能是商业服务，多数橱窗临街，部分建筑底层具有骑楼与悬挑等细部空间。靠近北侧的4.2 m宽用红色花岗岩铺设的“金带”贯穿整个街道，“金带”上有32个种植四季植物的方形花坛，11个圆形花坛，河南路到山西路放置了60多个可移动的桂花树池，山西南路以西有两排高12～15 m的悬铃木行道树。作为具有上百年历史的知名步行街，南京东路使用者人数众多，在社会上具有较高知名度与代表性，同时步行街可以排除机动车对热舒适感受的干扰。因此，选择南京东路为研究对象具有典型性与参考性。

1.3 测试方案

1.3.1 小气候测试

1）测试布点。

1 测点平面分布图Plane distribution map of measuring points

南京东路上的风景园林空间在山西南路的东西两侧路段类型丰富，能代表南京东路上典型的空间类型。按照空间的顶面遮蔽方式及平面位置，共设置了12个测点架设仪器进行定点观测（图1）。按顶面遮蔽方式分出4种空间类型（表2），各空间顶面遮蔽程度的量化值可从表中的天空可视因子（Sky View Factor，简称SVF）值中得知，树荫全遮蔽区栽种的高大落叶乔木，会给顶面遮蔽造成明显的冬夏变化，树荫部分遮蔽区的植物主要为花坛、树池中的植物，高度与冠幅较小，冬夏变化对于SVF的影响较小。

2）测试时间。

据气象资料，自2011年1月1日—2018年9月1日，上海共出现多云1 086 d，雨1 068 d，晴360 d，阴199 d，雪29 d，风速在3～4级数量最多，有762 d[13]。由此可知多云为最常见的天气，雨天其次，晴天再次之。因此在测试日的天气选择中，多云或晴天是理想的实验天气。气候越恶劣，对使用者感受的影响越大[14]，因而选择最可能影响人体冷热感受的冬夏两季进行实地测试。在冬夏两季选择具有代表性天气的连续3个工作日，每日实测12 h，以3 d平均数据作为测试日数据（表3）。

1.3.2 热舒适感受问卷

问卷分为两部分，一是受访者基本信息，包括调研个体的性别、体重、身高、年龄、着装等基本信息；二是舒适性感受调研，包括瞬时热感觉，小气候要素瞬时感觉、热舒适、热可接受度。

热感觉表示人对周围环境的冷热情况感受的主观评价结果，包括一定的心理作用影响，无法用仪器等方式直接测得，因此用问卷的方式请调查人员对空间的冷热感觉进行选择。按照美国采暖，制冷与空调工程师学会（ASHRAE）[15]规范中的7级标度来进行热感觉投票 （Thermal Sensation Vote，简称TSV）选择，小气候要素（空气温度、相对湿度、太阳辐射、风速）的瞬时感觉采用5级标度，热舒适（Thermal Comfort Vote，简称TCV）采用4级标度。

1.3.3 热舒适评价指标

本研究中采用生理等效温度（PET）进行热舒适评价计算，它被定义为在某一室内或户外环境中，人体皮肤温度和体内温度达到与典型室内环境同等的热状态所对应的气温，PET值越大表示天气越热[16]。尽管基于人体能量平衡的其他热舒适评价指标，如预测平均投票（PMV）、标准有效温度（SET*）[17]在风景园林领域也被普遍应用，但课题组通过实践论证预测平均投票（PMV）指标不适合上海户外热舒适评估[18]。而生理等效温度（PET）被认为是真正意义上的气象指标，能提供仅气候影响人体热状态的评价，适用于户外热舒适评价[19-20]。

表2 4种类型空间形态基本情况Tab. 2 Basic situation of four spatial types

表3 各测试日气象站天气情况Tab. 3 Weather conditions of weather stations in test days

2 结果

2.1 各空间测点两季小气候测试

2.1.1 热环境

1）太阳辐射。

从图2-1可知，不论冬夏太阳辐射值与顶面遮蔽程度成反比，即开敞区＞树荫部分遮蔽区＞遮蔽区；在同一空间类型中，北侧高于南侧。建筑遮蔽区位于街道北侧8号测点，冬季受太阳高度角影响，受到的太阳辐射多于夏季。冬季太阳辐射第一个峰值出现时间10：30，比夏季晚1.5h。夏季太阳辐射3个高峰时点的数值差距不明显，且都出现在位于街道十字交叉口和北侧测点的开敞区。从日变化规律上，冬夏两季出现峰值的时段不同，且受空间位置及南侧建筑高度影响，开敞区位于街道十字交叉口和北侧的测点受到太阳辐射值最多。植物全遮蔽的11、12号测点，即使冬季树叶全部脱落，也受南侧建筑较高影响，太阳辐射值依然较低（图2-2、2-3）。

2）空气温度。

从图3-1可知，不论冬夏各空间类型之间的空气温度值相差不显著，按空气温度从高到低排序，冬季为建筑遮蔽区＞开敞区＞树荫部分遮蔽区＞树荫全遮蔽区，夏季为树荫部分遮蔽区＞开敞区＞建筑遮蔽区＞树荫全遮蔽区。各空间的平均温度比气象站温度夏季高1.3℃，冬季高1.7℃。在同一空间类型中，北侧的温度稍高于南侧，只有建筑遮蔽区的2个测点在夏季相反，北侧略低于南侧。同样的开敞区，十字交叉口的温度略低于一字型测点。冬季各测点随时间变化的程度略大于夏季。冬季较夏季有明显的早晚温度较低，中午温度高的特点。位于街道北侧的8号和2号测点的冬季空气温度较其他测点出现了明显变化，主要受太阳辐射影响。而夏季各测点空气温度不仅变化趋势一致，测试时段内温差不大，说明太阳辐射对空气温度的影响冬季显著于夏季。冬季温度高峰值时段晚于太阳辐射高峰值时段2 h，夏季晚1 h（图3-2、3-3）。

2.1.2 湿环境

从图4-1可知，4种空间类型相对湿度从高到低排序，冬季为树荫全遮蔽区＞建筑遮蔽区＞开敞区＞树荫部分遮蔽区，夏季为树荫全遮蔽区＞树荫部分遮蔽区＞建筑遮蔽区＞开敞区，夏季植物遮蔽程度与相对湿度成正比。冬季平均相对湿度比气象站湿度低37%，夏季低21%。同一空间类型下，南侧湿度高于北侧，位于开敞区的测点平面布局一字型或十字型对湿度影响不显著。冬季空气湿度随时间变化的程度较夏季明显，但各点的变化趋势基本一致。冬季呈早上相对湿度大，从下午到晚上基本持平的状态。湿度最低的时段与空气温度最高的时段相同。冬季湿度日变化相差41%，夏季相差28.3%（图4-2、4-3）。

2.1.3 风环境

1）风速。

2-1 南京东路4种空间类型测点平均太阳辐射Average solar radiation of four types of spatial measurement points in Nanjing East Road

2-2 冬季太阳辐射日变化Diurnal variation of solar radiation in winter

2-3 夏季太阳辐射日变化Diurnal variation of solar radiation in summer

如图5-1所示，风速不仅冬夏两季变化显著，冬季风速大于夏季，且各个空间类型的差别也较明显。夏季各空间类型风速从大到小为开敞区＞树荫全遮蔽区＞树荫部分遮蔽区＞建筑遮蔽区，冬季为树荫全遮蔽区＞开敞区＞树荫部分遮蔽区＞建筑遮蔽区。风速大小与平面布局位置密切相关，高风速测点均在十字交叉口附近。同样位于十字交叉口附近，建筑顶面全遮蔽有效降低了风速，不管冬夏，均比树荫全遮蔽区风速小。树荫部分遮蔽空间中植物高度与冠幅不大，对风速影响较小。冬季风速最小的测点是树荫部分遮蔽区4号测点，不仅距离十字交叉口距离最远，还有灯箱等景观设施的遮挡；夏季风速最小的测点是建筑全遮蔽的7号测点，虽离十字交叉口近，但受风向的影响，风速接近为0，该测点也是冬夏两季风速变化最显著的空间。冬夏两季各测点平均风速都小于气象站的风速，冬季各测点平均风速仅为气象站风速大小的15%，夏季为12%，且与时间关系不显著，日分布不均匀，无明显规律，各测点风速达到峰值与低谷的时间点不尽相同，且局部瞬时风速远高于平均风速（图5-2、5-3）。

2）风向。

3-1 南京东路4种空间类型测点平均空气温度Average air temperature of four types of spatial measurement points in Nanjing East Road

3-2 冬季空气温度日变化Diurnal variation of air temperatures in winter

3-3 夏季空气温度日变化Diurnal variation of air temperatures in sum mer

风向受各测点所处位置及街道两侧建筑布局的影响，变化较为复杂，与气象站风向记录有所区别（图6-1、6-2）。从图中可见，空气流动主要以阵风形式出现，很少有固定方向的持续来风，风向变化各异，冬季风向以东南、西南、东北为主，夏季以北、东北为主。十字交叉口6号测点的风向变化最为丰富。冬季无风率最高的测点是距十字交叉口最远的4号测点，夏季无风率最高的是建筑遮蔽区位于街道南侧骑楼下的7号测点，因此受影响的这两个空间平均风速最低。

2.2 热舒适感受调研

热舒适感受调研以在上海生活超过一年的人群为调研对象，冬季获得有效问卷480份，夏季获得563份，结果显示，夏季热感觉投票中热感觉为中性（TSV=0）的比例是28.4%，冬季热感觉为中性的比例是20.2%，夏季热感觉为热（TSV=2）的占比最高，为39.4%，冬季热感觉为凉（TSV=-1）的占比最高，为32.3%（图7-1）。夏季热可接受度调研结果，能接受的占比最高达到60%，冬季的能接受占比为48.4%（图7-2）。热舒适投票调研结果为：夏季感觉舒适和较舒适的占比达到56.3%，冬季占比达到49.6%（图7-3）。从图7-4可以看到各空间类型测点的热舒适感受区别。

4-1 南京东路4种空间类型测点平均相对湿度Average relative humidity of four types of spatial measurement points in Nanjing East Road

4-2 冬季相对湿度日变化Diurnal variation of relative humidity in winter

4-3 夏季相对湿度日变化Diurnal variation of relative humidity in summer

夏季热舒适投票由高到低的空间类型排序是树荫全遮蔽区＞树荫部分遮蔽区＞开敞区＞建筑遮蔽区，其中热舒适投票最低的测点是建筑遮蔽区中位于街道南侧的骑楼7号测点。冬季热舒适投票由高到低的空间类型是建筑遮蔽区中位于街道北侧的悬挑区＞树荫部分遮蔽区＞开敞区＞树荫全遮蔽区。冬季最不舒适的树荫遮蔽区在夏季是最舒适的区域。冬季热舒适、热感觉、热可接受度变化趋势一致，夏季只有热舒适和热可接受趋势一致，热感觉与它们呈反相关。

2.3 热舒适评价指标计算

5-1 南京东路4种空间类型测点平均风速Average wind speed of four types of spatial measurement points in Nanjing East Road

5-2 冬季平均风速日变化Diurnal variation of wind speeds in winter

5-3 夏季平均风速日变化Diurnal variation of wind speeds in summer

6-1 冬季各测点风向分布Wind direction distribution of each measuring point in winter

6-2 夏季各测点风向分布Wind direction distribution of each measuring point in summer

7-1 热感觉投票占比Thermal sensation voting ratio

7-2 热可接受度占比Thermal acceptability ratio

7-3 热舒适投票占比Thermal comfort voting ratio

7-4 各空间测点热舒适感受Thermal comfort perception in space measuring points

利用RayMan软件，计算出冬夏两季各测点的平均生理等效温度（PET）数值。冬夏区别最明显的空间测点是建筑遮蔽区位于街道北侧悬挑下的8号测点，其冬季PET值最高，冬季值越高表示越舒适，也与热舒适、热感觉投票的趋势一致。而建筑遮蔽区位于街道南侧骑楼下的7号测点在夏季的PET值较低，夏季值低表示越舒适，而该结果与热感觉、热舒适问卷调研结果相反，问卷反映出夏季的7号测点是最不舒适的空间（图8）。

3 讨论

3.1 热舒适评价指标和热舒适、热感觉投票的关系

通过生理等效温度指标计算出的各测点及各时间PET值，一方面受季节变化影响，冬夏数值差异明显，夏季PET与热感觉、热舒适投票的相关程度高于冬季，另一方面在开展评价时，常用的PET中性范围是18～23℃，是欧洲学者基于当地气候提出的[21]，不同地区与气候背景需要结合当地的气候与使用者调研，将指标对应的评价范围进行适应性调整。将冬夏两季问卷受访者的TSV值与相应时点的PET值建立回归方程如下：

通过上述2个方程可以计算出当TSV=0，即人们感觉不冷不热时，冬季的PET值为22.93℃，夏季的PET值为15.81℃，即街道的热中性温度。TSV在-0.5～0.5时，计算出PET热中性范围，冬季是16.90～28.95℃，夏季是9.05～22.57℃。冬夏两季的区别体现出人们对冬季较暖与夏季更凉爽环境的期望。

3.2 热舒适评价指标、热舒适感受与小气候的关系

由于热舒适感受问卷结果中的夏季热舒适（TCV）、热感觉（TSV）投票与夏季生理等效温度（PET）指标变化趋势在建筑遮蔽区街道南侧骑楼下的7号测点发生显著不同，采用斯皮尔曼等级相关分析法将冬夏两季的TSV、TCV、PET与小气候要素进行相关性分析来探寻产生区别的原因。冬夏两季，各小气候因子与PET的相关性和TCV、TSV都有所区别，夏季与TCV相关系数高的小气候因子是空气温度和太阳辐射，冬季为空气温度和相对湿度，而与太阳辐射不相关。冬夏两季与TSV相关系数高的小气候因子都是空气温度和相对湿度。冬季PET指标中与太阳辐射相关性较高，而TSV和TCV结果中却是不相关（表4）。

通过上述分析可知，建筑遮蔽区骑楼测点夏季热舒适评价结果显著不同的原因是PET指标中空气温度、相对湿度、太阳辐射占据主要影响权重，低估了风速对热舒适的影响，而在实地调研中人们在夏季的街道空间中对风速的期望影响了对热舒适感受的主观评价。为体现使用者对街道舒适的主观评价，利用问卷调研中的TCV值与实测的4个小气候数值建立多元回归方程，为上海城市街道空间的热舒适评价增加预测方式。

8 各测点热舒适评价指标计算结果Calculation results of thermal comfort evaluation indicators of each measuring point

冬季的多元回归方程式为：

模型中变量ta（p=0.005）和v（p=0.001）是显著的，变量rh（p=0.113）和g（p=0.344）是不显著的，因为它们p值大于0.05。

夏季的多元回归方程式为：

模型中变量ta（p=0.027）、v（p=0.013）、g（p=0.00）是显著的，rh（p=0.541）是不显著的。其中ta表示空气温度，rh表示相对湿度，v表示风速，g表示太阳辐射。从上述方程式中可以得知，冬季影响热舒适主观感受的显著气候因子是空气温度和风速，夏季是空气温度、风速和太阳辐射。方程式基于问卷调研结果建立，存在一定主观性，可作为在PET指标与问卷结果有差异时的热舒适评价的补充。

4 结论

本文作者对上海南京东路步行街进行了冬夏两季小气候物理实测和大众心理热舒适感受问卷调查，验证了街道空间因子、小气候环境与人体热舒适感受三者密切相关。

热舒适受多个小气候因子综合作用共同影响，冬夏两季各不相同。小气候因子对热舒适感受影响程度由高到低，夏季是空气温度、太阳辐射、相对湿度、风速，冬季是空气温度、相对湿度、风速。各空间类型热舒适程度，夏季是树荫全遮蔽区＞树荫部分遮蔽区＞开敞区＞建筑遮蔽区，冬季是建筑遮蔽区＞树荫部分遮蔽区＞开敞区＞树荫全遮蔽区。

表4 热感觉、热舒适、生理等效温度与小气候要素相关性Tab. 4 Correlation between thermal sensation, thermal comfort,physiological equivalent temperature and microclimate factors

在街道走向不变的情况下，街道高宽比、空间的顶面遮蔽方式、程度以及在街道中的平面位置与太阳辐射相关性大。不论冬夏太阳辐射值与顶面遮蔽程度成反比；各空间空气温度值只有细微差别，均略高于气象站平均气温；而各空间的相对湿度则显著低于气象站平均值。冬季太阳辐射对空气温度的影响明显于夏季；植物遮蔽程度与夏季的相对湿度成正比。冬季的风速明显大于夏季，但两季平均风速均不到气象站风速的15%，离街道十字交叉口的距离明显影响风速以及无风率，但建筑顶面的遮蔽有效降低了风速。了解街道空间因子与各小气候因子之间的相互作用规律，利于在规划街道空间的过程中通过改变这些空间物理特性而影响小气候因子，从而改善热舒适。

在进行街道空间热舒适评价时，利用PET指标对各空间的舒适性排序与通过热舒适问卷排序的结果不同，生理等效温度（PET）低估了夏季风速对热舒适的影响，只有树荫全遮蔽区是冬季最不舒适而是夏季最舒适的区域这个结果一致。同时，通过PET计算出的数值不能直接对照固定的评价标准，在结合了舒适感受问卷调研结果后，对街道的热中性温度范围进行了适应性调整，并建立4个小气候因子与热舒适感受的预测方程，为街道热舒适评价增加了选择。

本研究成果可为城市街道空间舒适性规划提供参考依据，未来还将继续对风景园林空间更加多样化的城市街道开展深入研究，为城市风景园林小气候适宜性规划设计理论提供支撑。

注释：

文中图表均由作者自绘。