行道树调节街道热环境舒适性研究进展

左冰菁,程夕,王齐,黄柳菁

（福建农林大学园林学院,福建福州350007）

街道（街谷,Street Canyon）是城市的基本单元形态[1-3],承载人类大量的工作交通活动需求,是城市的必要性场所[4],聚集大量城市居民活动产生的人工热[5].虽然街道微气候是城市微气候的基本组成单位,在空间尺度跨度最小,但是其比城市微气候更容易通过人为手段进行调控[6-8],因此近年来建筑学、城乡规划学和风景园林学等相关学科加入到城区尺度（0.1～1 km）的微气候调控措施的研究当中[9].1989 年,气象学家首先关注城市街谷热环境[10],通过研究城市街谷内各表面及街谷内空气的能量平衡,探究街谷空间形态对于城市气候,尤其是城市热岛的影响[2,11].研究包括街道高宽比、朝向等街道几何形态,绿化植被等设计要素与微气候之间的内在影响规律及相互作用.高宽比影响街道空间内空气温度和地表温度[12],对干热地区而言这一影响作用更加显著[13]；即使是不同气候区城市,合适的朝向与恰当的高宽比组合能够有效改善行人的热应力水平[14-17],但通过乔木、建筑物悬挑等遮阳措施改善行人热舒适作用更显著[18-20].此后,国内外学者相应展开针对街谷绿化调节微气候的研究.

大量研究证实,行道树具有优于城市公园内树种的多样性和生长状况,能够很好地对抗城市环境压力[21],其通过蒸腾、蒸散、遮挡、反射等功能,调节街道微气候状况、改善室外热环境,优化行人活动的舒适性体验[22],尤其对改善小尺度（街区层峡）内的微气候环境十分重要[23-26],但通过居民对街道热环境的适应性来评价行道树对居民在热环境中感知水平的研究仍较少.本文以城市行道树改善街道微气候舒适性水平为连接点,讨论行道树调节能力及其作用机制,梳理其调节作用影响下与行人居民户外热感知的关系,总结其研究现状及存在问题,对该领域提出新的研究展望,为城市居民福祉和城市可持续研究提供参考.

1 热舒适评价研究历程

微气候与热舒适度的研究随热环境研究得到发展.20 世纪20 年代以来,美国采暖制冷及空气调节工程师协会（ASHRAE）展开评价人体热舒适度标准的大量实验研究[27].此后30 年,ET、CET 等以空气温度影响人体舒适感为主要考量标准的评价概念被陆续提出.60 年代,Fanger 等在空气温度的基础上增加周边环境、空气湿度、风环境等环境因素来建立热舒适方程,优化人体热舒适度指数,但此时的指标仍未将人心理和生理及活动特征差异纳入考量；此后的二节点模型、PMV-PDD 和SET 对影响因素的考量虽越来越完善,但仍适用于室内.20 世纪末至21 世纪初期,OUT_SET*、PET 模型被相继提出,二者虽为稳态环境模型,适用范围广,但仍具有局限性.2002 年,国际生物气象学会（ISB）提出以Fiala 人体体温调节模型和服装模型为基础的UTCI 模型,与前者最大的不同在于其为非稳态模型,考虑了人体的热适应性,适用不同气候、不同季节和不同维度地区[28].

2 行道树调节室外热环境舒适性的驱动因素及评价方法

热传递是影响街区尺度微气候环境的主要影响因素[9],树木通过蒸腾、蒸散、遮挡、反射等功能,有效调节街道微气候状况、改善室外热舒适度.国内外众多学者专家基于行道树林荫遮蔽对街道微气候的物理作用（温湿度、风速、太阳辐射及黑球温度等）进行定量化分析,并对其进行物理和心里水平的评价,探究影响其作用水平的驱动力因素.国内学者在该领域的研究起步较晚,主要在借鉴国外研究成果的基础上进行地域上的补充研究.结果显示：树木冠层能够有效降低夏季阳光直接辐射,降低冠下空气温度[29]和热舒适水平[30]；树木结构形态特征的差异对其发挥生态效益的能力更具决定性影响；生长健康并种植密集的大型乔木不仅能够有效减轻室外热应力,并直接影响行人与居民的户外步行几率与活动类型[31].

2.1 行道树调节室外热环境舒适性的的驱动因素

遮阳（树冠对太阳辐射的遮挡）、蒸腾潜热（叶片水分蒸腾降低街道内潜热）和对流换热（叶表温度与来流温度的对流降低街道内热量）是行道树对街道内热环境进行调节的3 种重要方式,树冠能量平衡中占主导成分的是太阳得热（约占36%）和蒸腾作用（约占51%）[32].已有研究证实室外植被的遮阳效果明显优于人工遮阳设施[33],尤其对夏季炎热干旱的地区,植被冠层能够帮助减少空气污染,提供生物多样性栖息地[34].此外,风环境对城市居民整体福祉有重要影响,尤其是城市规划阶段评估行人对风环境的体验是十分重要的内容[35].国内外学者对行道树实现遮阳和蒸腾作用的驱动因素的探讨[36-47]围绕在微观层面和宏观层面：树木本身的结构形态（tree morphological types,TMT）和群落特征（community feature index,CFI）,见表1.

表1 城市行道树特征参数影响街道微气候研究简表Tab.1 Table of the study of urban street tree characteristic parameters affecting street microclimate

由表1 可知,行道树的调节作用与冠层覆盖紧密相关.树冠几何形态[36-39],树木叶片空间分布和叶片大小、方位等决定太阳辐射穿透冠层的能力并对其进行散射,从而减少冠下太阳辐射强度、降低林荫内空气温度和地表温度[40].在白天太阳辐射较强的时段,由于树冠形态和叶面积密度分布的差异对热环境的改善明显不同,因此在总叶面积相同的情况下,水平区域分布越广的树木能够提供越好的改善效果[32].Couttons[37]指出树荫降低地表温度的同时通过降低平均辐射温度,降低街道空间的整体温度并改善空气流动.在密集的街道空间内,不同的冠层形状也对街道通风环境产生影响[41].Ruzana[42]指出植物面积指数（plant area index,PAI）越大越能够增强行道树的微气候调节能力.Gillner[43]通过对比不同叶面积密度（leaf area density,LAD）和叶片气孔度（leaf stomatal conductance,LSD）发现行道树覆盖的阴影区内空气温度、地表温度和相对舒适度明显优于无行道树覆盖区域,并提出高叶面积和高蒸腾速率的树木对降低空气温度更有效.天空视图因子（sky view factor,SVF）是树木树冠遮蔽街道内部天空形成天空可视开场程度的指数,用于计算太阳辐射强度,树木冠层可降低18.52%的天空可视区域[48],与其微气候调节能力存在线性关系[45],因此能够为街道提供有效的遮蔽作用[46].树种间不同的TMT 差异（如树龄、冠层形态、冠幅、树梢结构、叶密度、叶形等）通过产生不同的遮荫效应引起人体热感觉变化[47].全球不同气候区城市进行树种差异的研究,结果证实不同树种对室外热环境的调节能力存在差异[48-50].群落特征指将行道树群落视为整体,其种植模式及种植策略等对街道空间内整体的微气候水平产生的作用.王美莲等[51]研究证实行道树在不同种植模式下对微气候的改善水平不同,“三板四带”较“一板两带”产生的遮荫、增湿效应、调节风环境的能力更好；封闭型的林荫空间比半开敞的林荫空间调节作用更显著[52].同时,合理布置行道树的种植位置产生的效益水平更高[53],种植密集的大型乔木冠层能够明显提高室外热环境舒适度[31].

行道树是为行人提供冠层覆盖遮蔽的主要植被类型,增加植被量和冠层覆盖是缓解热岛效应、提高室外行人热舒适的一个有效策略[48].明确的树种选择能够让行道树更适应城市环境[54],了解不同树种可能为处在炎热环境中的城市居民、行人提供微气候效益的程度,对选择树木和更换树木非常有益；有效的种植策略能够帮助在规划阶段合理布置树种和位置,使城市道路绿化系统产生更大的效益.

2.2 行道树调节室外热环境舒适性的评价方法

适用的评价方法不仅为行道树改善街道热环境从定量研究提供标准,也为制定改善城市热环境和行道树种植策略提供重要依据.利用热舒适方程对行道树改善室外热环境提供热舒适的量化水平进行评价是最合理有效的评判标准,但人对热环境的感知属性对理解城市绿色空间与热舒适性间的关系也十分重要[55-56].因此,指数评价和热适应性评价是目前研究主要使用的2 种评价方法,如表2 所示.

表2 行道树调节街道热舒适评价方法简表Tab.2 Table of evaluation methods for street thermal comfort with street trees

2.2.1 指数评价 等效温度（physiological equivalent temperature,PET）和热通用气候指数（universal thermal climate index,UTCI）是目前研究中最常用的2 种热舒适评价指数.对比环境与人体因素发现,PET 指数和UTCI 指数较好地考虑人体皮肤热环境条件下的新陈代谢与着装影响人体热反应的效果[28],因此国内外研究者普遍以PET[33,42,57-58]和UTCI[59-60]指数评价行道树的微气候效应下的城市热环境水平.但UTCI 指标更全面地考虑了人体参数和敏感性,且与PET 指数的吻合度更高,能够对不同气候条件下的热环境进行预测和评价[61],则受到更多研究者的青睐.

2.2.2 热适应性评价 热适应性即人们对热舒适的适应性,包括行为适应、心理适应、生理适应3 方面.热适应理论认为人通过有意识或无意识地调整自身行为以适应热环境,行道树在调节城市微气候的同时,不仅立足于其产生的生态效益（降温增湿、遮阳通风等）,同时改变居民对夏季室外环境的热感知、改善居民与行人室外步行环境质量,从而提高城市居民外出步行与活动的几率[62-63].

部分学者对行道树与居民热感知和室外活动的关系进行了验证,证实10%的树冠能够有效降低1 K的平均辐射,改善行人的户外热感知[64].室外绿化水平影响居民室外活动,尤其能够提高老年女性居民外出活动的水平[65]；Chinmoy[66]通过遥感光谱反射率（分辨率0.5 m）测得归一化差异植被指数（NDVI）,结合行道树种植密度与居民的步行行为建立Logistic 回归模型,发现步行几率与树木密度和街道网络水平中间度相关；街道绿化的数量和质量与体育休闲活动呈正相关,证实街道绿化与居民健康效益之间存在运作机制[67].

行道树是为行人提供遮蔽的主要植被类型, 通过明确的树种选择和有效的种植规划能够让其更适应城市环境,对比了解不同树种为城市居民和行人在夏季提供有效的热舒适水平差异,对城市的可持续发展和居民的健康福祉更有益.

3 数据获取与研究方法

目前,国内外常用的对行道树调节街道热环境舒适性进行的研究方法主要有现场实测、问卷调查、经验公式和数值模拟,见表3.

表3 行道树调节街道热环境舒适性研究方法简表Tab.3 Table of research methods for street trees to regulate street thermal environment comfort

由表3 可知,在每一项具体的研究中,依据实际情况综合其优缺点选择合适的研究方法,现场实测法和数值模拟法占比重较大.实地观测法通过使用环境参数测量仪和专业移动气候监测站对多个样点进行同步采样,是微气候领域最基础和普遍应用的研究方法,大部分研究者采用短时定点连续的方式进行观测.由于城市微气候环境特征复杂且街区环境多变,使用该方法可以第一时间获取准确的现场气候资料,更好地与其他研究方法的结果进行对比验证[9].但在具体实验过程中,该方法易受到测试数量及范围、测试地点、天气因素和人为等因素影响实测数值的真实性和可靠性.

经验公式法的目的在于数据间的转换,其中以计算平均辐射温度（Mean Radient Temperature,MRT）最普遍.根据ISO-7726 标准,将实测获得的空气温度（Ta）、湿度（RH）、风速（Va）及黑球温度（Tg）带入公式计算

式（1）中：i 为黑球系数0.95；D 为实测仪器的黑球直径.

研究者通过计算平均辐射温度,进行微气候变化规律的分析研究,该值也是计算热舒适指数PET 和UTCI 的主要数据之一.Rayman 模型的应用极大方便了热舒适指数的计算,利用数值算法模型量化实地气候[68],结合环境的鱼眼照片可以准确地计算SVF 等相关数据,其计算结果与实际观察有较好的一致性[69].但该方法对实测数据的依赖性强,难以适用实测条件难达到且便量要素难控制的状况[4].近年来,基于流体力学（computed fluid dynamic,CFD）模型为基础的ENVI-met 软件得到广泛应用,主要用于模拟城市小尺度空间内实体表面-植物-空气相互作用的模拟计算[7].由于其计算结果准确稳定,能够模拟宏观空间的微气候,因此城市规划设计和微气候设计领域多用于预测城市热减缓策略下的热效应,在对城市实施具体的减缓策略之前,使用计算模型进行测试和验证进行策略评估[70],确定缓解城市微尺度气候措施的适用性.通过设置不同的空间解析度（0.5～10 m）和时间解析度（10 s）确定城市背景环境,模拟城市环境中实体表面-植物-空气的相互作用,计算和输出街区尺度微气候环境因子温度、风场、湿度、辐射以及污染物[7],利用模型中已有的植物数据库并修改树木对象的TMT 和CFI 参数,如：树木的蒸腾速率和叶片温度[71]、叶面积指数[72]等,建立植被模型,模拟完整的街道场景并计算树木对微气候的改善水平,并将热舒适结算结果通过云图进行可视化.探究行道树提供微气候效益最主要驱动因素[73]和最有效的种植策略[74],Tsoka[75]将已有的模拟研究对比后指出,利用ENVI-met 模型模拟城市绿化（树木）评估其冷却潜以及力对空气、表面温度和平均辐射改善的因素的准确有效.

4 小结与展望

大量研究成果证实了行道树对街道微气候的改善作用不可替代, 并对居民与行人健康福祉具有正面影响,其生态效益和社会效益的相关研究已得到学界和决策者的广泛关注.未来研究应对行道树的参数特征进行更全面的量化分析.目前对行道树定量化研究多是基于其TMT 特征进行,关注其群落特征的研究还较少,在今后的研究中应当补充,不断综合各类特征参数对调节能力的影响水平.行道树发挥生态效益的同时也产生一定的社会效益,目前虽然有学者开始将二者结合探讨行道树的综合效益,但数量较少,仍需补充以完善该领域的研究.与国外学者的研究成果相比较而言,国内相关研究还未积累一定的数量,亟待进一步扩展.有必要进一步展开时空动态研究,探讨行道树与城市居民福祉的动态关系.目前相关研究仍以较短时间内收集树木和居民行人的信息数据,分析二者间的福祉关系,未来研究应当将城市发展过程、居民人口变化及规划管理政策变化与行道树生长、规划潜力等结合,为城市规划管理提出合理建议和科学依据.