台风灾害下城市受损树木的空间分布特征——以广州为例

肖毅强 古亚宁 林瀚坤 黄颂谊＊

1 研究背景

夏季为华南地区的台风多发季节，而广东省是华南地区多年来台风袭击最频繁的省份之一。台风及其带来的海水倒灌和暴雨等灾害对人类的安全和经济造成了巨大威胁[1]。

快速城市化导致中国城市规模剧增、建筑密度加大且高度提升。随着对城市微气候研究的深入，人们意识到城市空间与城市风环境品质之间存在密不可分的关系[2]。城市风环境的研究多关注于空气质量、环境舒适度、模拟技术、建筑通风、建筑节能和建筑安全等[3]方面，而在不同的空间尺度下重点研究内容也有所差异。

表1 2016—2018年登陆广东省的台风简况Tab. 1 A brief overview of typhoon landfall in Guangdong Province (2016-2018)

城市风环境的研究大多是在常年主导风的设定下进行的，对于强风与台风的研究则集中于结构体应对风荷载的应变作用展开，并通过实测与风洞模型进行[4]。而台风与园林树木方面的研究多集中于树木抗风性方面，包括生物力学特性因素[5-6]、种植养护因素[7]66-67和抗风树种选择[8]118-119等方面，对于城市环境下的抗风性问题研究较少。由于城市空间与城市风环境品质之间存在着一定关系，对于“城市街区”相关的微气候研究也是当下的研究前沿[9]，因此对于台风灾害下的园林树木与城市空间之间的研究具有其必要性。

为了描述强风对不同的城市冠层以及园林树木的影响，一般会引入特定城市形态的空气动力学粗糙度长度（z0）这一概念。Shen等[10]判断，城市和建成区土地的z0值高于2。然而，对于1 km尺度下的不同城市形态仍缺乏更为详细的分析。由WUDAPT团队开发的城市气候地图（Local Climate Zone，简称LCZ）主要用于城市热岛（urban heat island，简称UHI）分析。LCZ包含了街区尺度的信息，如不同密度的街区特征，对城市街区类型有更深入的定义，并考虑了不同的下垫面特征，如植被、水体等，且网格精度更高[11]。LCZ地图也显示了分析与城市环境相关的其他问题的可能性[12]。

本研究范围为地处粤港澳大湾区、属于复合高密度类城市的广州，研究工作围绕在台风影响下的广州城市空间和树木展开（表1）。基于地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）技术，引入广州市LCZ（分辨率300 m），以广州2016—2018年台风造成的树木受损数据为基础，进行分类统计分析，研究受损树木分布与城市空间在台风灾害下的关系，以期为台风灾害下的园林树木养护与检测和景观设计提供参考。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

近年来，珠江三角洲大部分城市都建立了“报告－响应”快速反应系统，以应对灾害期间出现的问题，而园林树木救援也是应急系统之一。在2016—2018年台风过境广州期间和之后开展树木抢险救灾过程中，对广州市城区的受损树木进行了灾害时间、灾害地点、树种、受损情况、数量及现场照片等方面的信息记录工作。本研究中的569个树木数据是在上述工作中收集的。

其中，对于树木损坏的记录分为3个等级[13]：Ⅰ级描述为“倒伏”，表现为主干折断、连根拔起倒伏、单株受损率大于50%等；Ⅱ级描述为“倾斜”，表现为风斜、偏冠的角度大于20°但小于90°、单株受损率小于50%但大于20%等；Ⅲ级描述为“断枝”，表现为二级分枝折损未达一半、风斜、单株受损率小于或等于20%等。

2.2 研究方法

GIS作为一种工具被广泛应用于城市规划、土地利用管理、森林管理等领域。本研究中采用广州市2014年矢量基础地理信息数据，主要从建筑和道路两方面，基于ArcGIS10.2平台，对2016—2018年台风灾害下广州受损树木数据分别进行要素创建和属性信息录入。此外通过划分400 m×400 m网格，得到共计7 000个网格对受损树木数据点进行了全覆盖，以网格为统计单元，利用空间统计、空间分析和可视化等功能研究受损树木在建筑密度和容积率空间上的分布特征。

3 结果与讨论

3.1 基于树木特性的数据分析

受损树木主要分布在广州中心城区（图1），由于道路条件与建成环境限制，此区域大部分树木立地条件要弱于新开发区域和自然环境，且树木年限较久，树干部分存在空心等情况。受损乔木种类中榕树、绿黄葛树、羊蹄甲属①、构树和麻楝等所占比率较大，在台风灾害下损坏较多（表2）。在城市分布上，树种没有呈现出显著特征，基本呈均匀分布状态，一定程度上说明树木的损坏在不同城市空间上有其普遍性（图2）。不同树种的抗风性存在明显的差异，榕树、绿黄葛树和羊蹄甲属均为浅根系，而榕树和绿黄葛树还表现为树冠大等抗风性缺陷，属于易倒伏、易断枝树种。相较之下，构树和麻楝则表现出树形过风、枝条脆等总体的抗风性，但是当风力达到9级以上时，已超过大部分绿化树木的抗风能力[8]116，而2016—2018年间台风过境广州时整体风力均大于9级。

此外，广州行道树应用频率较高的为榕树、杧果、绿黄葛树、海南蒲桃、羊蹄甲属和尾叶桉等乡土树种，此6种数量占据行道树总量的一半以上[14-15]。因此，榕树、绿黄葛树和羊蹄甲属等树种受损数量较多可能也与其应用较多有关。进一步对深圳市和厦门市等受台风影响较大地区的榕树、绿黄葛树、羊蹄甲属、构树和麻楝的受损率进行对比发现，台风灾害下榕树受损率约为54%，绿黄葛7树受损率约为31%，羊蹄甲属受损率约为76%，麻楝受损率约为39%[7,16-17]。虽然受调查地理位置、调查范围以及遭受台风等级差等因素影响，各个地区树木受损率略有不同，但仍有一定借鉴意义。因此综合5种树种的受损数量、抗风性缺陷、行道树应用频率和受损率等情况，可初步判断羊蹄甲属、榕树和绿黄葛树等为台风灾害下的易倒伏、易断枝树种。

1 2016—2018年台风灾害下广州受损树木分布Distribution of damaged trees by typhoons in Guangzhou (2016-2018)

表2 2016—2018年台风灾害下广州受损乔木树种统计Tab. 2 Statistics of damaged tree species in Guangzhou in typhoon disasters(2016-2018)

表3 乔木树种与受损情况的交叉分析Tab. 3 Cross-analysis of tree species and damages

树木受损情况统计结果显示，有432棵树木倒伏，占比75.9%，23棵树木倾斜，占比4.1%，断枝树木有114棵，占比20.0%（图3）。进一步对榕树等5种受损数量较多的树木进行树种与受损情况的交叉分析，结果显示，就乔木树种来讲，其受损情况等级占比与总体受损情况等级占比大致相同（表3）。除此，根据实地调研发现，树木倒伏的原因还存在一些其他诱发因素[8]116-117，如病虫害所导致的主干空心和树木基部有洞；修剪不当造成的树木偏冠和“头重脚轻”；管线工程、铺装工程和种植间距过密等造成的根系生长受限；以及立地处于瞬时风力变强的强受风位置等。

3.2 基于空间环境的数据分析

3.2.1 基于城市尺度的数据分析

基于GIS平台，得到广州建筑密度和容积率，对每个网格受损树木数量进行计数，结果显示，受损树木主要分布在建筑密度为30%～50%、容积率在1～4的地区（图4），表明在台风灾害中，中等密度城区树木遭受的影响较大。

基于城市GIS地图的密度与容积率描述虽然初步呈现了受损树木的空间分布，但因其对城市下垫面属性的描述尚不充分，因此，结合LCZ进一步讨论其空间特征。对2016—2018年台风灾害下广州受损树木分布与广州LCZ叠加后进行统计（图5），结果表明，密集的中层建筑区（LCZ 2）、开阔的中层建筑区（LCZ 5）、稀疏的树林（LCZ B）、大型低层建筑区（LCZ 8）、密集的高层建筑区（LCZ 1）和重工业区（LCZ 10）区域中树木受损较多，共计占比91.9%。其中，LCZ 2为最严重的中心城区，占比59.6%，LCZ B、LCZ 8、LCZ 1和LCZ 10各自占比较为接近（表4）。

3.2.2 基于街区尺度的数据分析

在上述地图数据的宏观分析基础上，笔者进一步对受损树木所在区位的空间特征进行深入调研。结果显示，受损树木数据点的空间特征存在一定的规律，主要集中于4种城市空间类型：低层多层高密度区、密集-开敞区、高层建筑峡口区、高架桥周边城市空间（表5）。空间分析中，街区尺度采用400 m×400 m，内部建筑层高采用3 m为标准值计算建筑高度。结合广州卫星地图和上述分类统计结果，进行了部分实地调研工作后，对上述4种城市空间类型中的典型街区进行分析（图6）。

1）低层多层高密度区为建筑层数为1～7层的高密度街区，一般表现为城市表面粗糙度较低，沿街建筑距离D和高度H比值较高，建筑密度较高。究其原因，一方面由于中心城区已有较长建成历史，建筑布局紧凑、道路狭窄、建筑密度较高，导致树木成年期后树冠的生长空间不足。树木被迫倾斜生长，以躲避建筑和获得阳光，这也加大了修剪的难度，易导致树木偏冠，增大了树木倒伏和倾斜的风险。另一方面，狭窄的道路用地限制了树池的大小，树木根系生长受限以及人为切断树根等因素，导致树木根系生长不平衡产生偏根和“头重脚轻”现象，进而增大其倒伏的风险（图7-1）。

针对此类型空间，树种选择上应避免选择树冠庞大、枝叶浓密、根系浅且发达的树种，如榕树、绿黄葛树等[8]116-117。同时，养护上可针对已倾斜角度较大的树木进行重点监测与辅助支撑，在修剪时除了修剪下枝，还应注重对树冠进行回缩修剪，避免形成“头重脚轻”之势。此外，树池的大小应尽量达到1.2 m×1.2 m，必要时辅以透水树池盖板以达到通行要求。

4 2016—2018年台风灾害下广州受损树木分布与广州建筑密度图、容积率图Distribution of damaged trees in Guangzhou and building density (BD) diagram and floor area ratio (FAR) diagram of Guangzhou (2016-2018)4-1 受损树木与广州建筑密度图Diagram of BD of Guangzhou and locations of damaged trees

4-2 受损树木在不同建筑密度区间上的统计Statistical analysis of damaged trees in different BD zones

4-3 受损树木与广州容积率图Diagram of FAR of Guangzhou and locations of damaged trees

4-4 受损树木在不同容积率区间上的统计Statistical analysis of damaged trees in different FAR

5 2016—2018年广州受损树木分布与广州LCZSpatial distribution of damaged trees in Guangzhou in typhoon disasters and the LCZ of Guangzhou (2016-2018)

表4 2016—2018年广州LCZ中受损树木数量较多的数据统计Tab. 4 Statistics of damaged trees in the LCZ of Guangzhou (2016-2018)

表5 4种城市空间类型中受损树木的数量Tab. 5 Numbers of damaged trees in four urban space types

6 4种城市空间类型的部分街区示例Examples of four types of urban space

7 示例街区实地调研Field survey photos of sample blocks

2）密集-开敞区指一侧为密集城市建筑群，另一侧为城市开敞空间。主要位于广州城市开敞空间，包括水域、公园、广场、林地、空置地和道路交通空间等周边，建筑群成片出现，且建筑布局、高度等相似，多为居住区。一般而言，水面、草地和广场等的地表粗糙度较低，梯度风的垂直变化较小；而城市市区、核心区的地表粗糙度较高，梯度风的垂直变化较快，从而容易在边界区域形成湍流[18]，增加了部分区域的阵风风速，加大了所在区域树木的风害风险（图7-2）。

此类型空间绿地一般较为充足，除了选择抗风性较强的树种外，植物配置上应形成乔-灌-草组合的复合式绿化，充分发挥植物群落的整体抗风性能，此时可采用一些根系发达的榕属植物，建筑边缘湍流区域需注意对树木进行适当的加固与辅助支撑。此外，行道树尽量采用树带式、多行式种植，绿地则采用自然式种植。

3）高层建筑峡口区为高层建筑之间形成峡口的街区，一般表现为城市表面粗糙度高，沿街建筑距离D和高度H比值小，建筑容积率较高，建筑布局高低错落。主要位于广州高度开发的城市核心区域，建筑布局紧凑，多为CBD办公写字楼。峡口区由于街道风通道的截面缩小，因此街道内风速增大。同时，上部高速风遇到高层建筑受阻后部分气流向下部移动，又与纵向街道峡谷风相遇，在建筑底部产生较强湍流[19]，从而导致树木的受损风险变大（图7-3）。

高层建筑周边绿地可减少树木种植，或在建筑间的强受风位置针对性种植抗风能力等级较高的植物，并增加辅助结构支撑等。

4）高架桥周边城市空间为内部存在高架桥影响的街区，包括人行高架桥和车行高架桥。主要位于有高架桥的广州城市快速路、主干路和次干路等道路的交叉口处。相对于街道峡谷，高架桥附近区域风场变化明显，容易在强风作用下对周边环境形成较强湍流[20]。此外，道路交叉口处风场变化也较为明显，风速较大，流场结构比较复杂[21]（图7-4）。

此空间类型因结构突变引起的湍流分布较难预测，因此种植策略可参考类型C，以增加树木辅助支撑结构或种植抗风性树木为主。

4 结论

1）受损树木主要分布在中心城区，其中羊蹄甲属、榕树和绿黄葛树等为台风灾害下的易倒伏、易断枝树种。

2）在基于GIS的受损树木分布分类统计中，结果显示，受损树木主要分布在建筑密度为30%～50%、容积率在1～4的地区。

3）在基于LCZ的受损树木分类统计中，密集的中层建筑区（LCZ 2）、开阔的中层建筑区（LCZ 5）、稀疏的树林（LCZ B）、大型低层建筑区（LCZ 8）、密集的高层建筑区（LCZ 1）、重工业区（LCZ 10）是台风灾害下受损树木较多的地区，其中密集的中层建筑区（LCZ 2）尤其严重。

4）基于街区尺度的受损树木分布集中于4种城市空间类型，即低层多层高密度区、密集-开敞区、高层建筑峡口区、高架桥周边城市空间。

通过本研究拟建立一个GIS数据库，以支持台风灾害下广州地区的树木管理和风险评估。统计研究表明，部分树种为台风灾害下的易倒伏、易断枝树种，应作为台风前的监测对象和日常树木维护的重点对象。此外，笔者分别基于城市尺度的城市下垫面和街区尺度的城市空间对受损树木分布进行了统计分析，得到的低层多层高密度区类型空间大致可与密集的中层建筑区（LCZ 2）相对应；高层建筑峡口区类型空间大致可与密集的高层建筑区（LCZ 1）相对应；而密集-开敞区类型空间处于城市下垫面突变区域。这些城市空间和设施可能对城市环境中的强风具有较高的敏感性，人们应该避免在台风期间在上述城市空间类型中停留。

笔者试图探讨台风灾害下城市空间和树木之间的关系，然而，一些城市地表参数，如天空开阔度和地表粗糙度等在本研究中并未被考虑。此外，由于生活区和交通道路的树木抢险救灾工作更为紧急，一些城市公园和开放空间的受损树木在调查中被忽略了。在今后的调查中，应对受损树木进行更为全面的记录，后续工作也会以此为基础继续积累数据并优化分析。

注释(Note)：

① 文中提到的羊蹄甲属树木主要指洋紫荆、红花羊蹄甲和白花羊蹄甲等羊蹄甲属的广州常用园林树木。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～7由作者绘制或拍摄，其中图5中广州气候地图来源于世界城市数据库网站（http://www.wudapt.org/）；表1～5由作者绘制，其中表1根据中央气象台·台风网（http://typhoon.nmc.cn/web.html）发布信息整理。