街道可视因子对夏季午后城市街道峡谷微气候和热舒适度的影响研究

郭晓晖

包志毅

吴 凡

杨诗敏

晏 海*

随着城市化的快速发展，城市原有自然下垫面被不透水表面所取代，极大地改变了城区近地面的物质和能量平衡，进而形成了特有的城市气候，引发了众多环境问题，其中，城市热岛效应作为城市气候最为显著的特征一直备受关注[1-2]。近年来，城市热环境问题已经严重威胁到居民的正常生活和身心健康，城市热岛形成的城市高温，还将增加夏季的能源消耗及污染物与温室气体的排放，严重威胁城市的生态环境和可持续发展[3-6]。随着全球气候变暖的加剧和新一轮城市化发展，城市热环境问题将更加严峻[7]。

城市街道是城市户外环境的重要组成部分，也是市民使用频率最高的城市户外公共空间之一[8-10]。城市街道热环境对行人的使用感受和建筑能耗都有极其重要的影响[11-16]。

如何切实提升街道步行舒适性，营造具有高品质的街道空间，已经成为当前城市管理者和规划设计师所面对的巨大挑战。已有研究表明，城市街道热环境主要受到街道走向、街道峡谷高宽比(H/W)及天空可视因子(Sky View Factor，SVF)等街道结构特征的影响[17-19]。天空可视因子定义为测点周围可视天空的比率，常用以表征空间的开敞程度[20]，是定义城市街道结构特征最为重要的参数之一。天空可视因子为无量纲量，介于0～1之间，其值越大，测点周围的空间就越开阔。研究表明，天空可视因子通过影响太阳辐射的进入及地面长波辐射的消散，对街道峡谷的微气候、热舒适度及能源消耗等产生影响[21-23]。

尽管天空可视因子在城市微气候中扮演着重要角色，但是在复杂的城市环境中，微气候环境还受到建筑、树木和街道走向等多方面因素的影响[24]。在城市街道研究中，建筑可视因子(Building View Factor，BVF)和树木可视因子(Tree View Factor，TVF)定义为街道上给定测点周围建筑和树木的可视部分的比率。相比传统二维的建筑覆盖率和植被覆盖率，具有三维特征的建筑可视因子和树木可视因子对街道特征的描述更为准确，可更加直观地反映街道的遮阴状况。建筑可视因子、树木可视因子和天空可视因子共同构成了街道可视因子(VFs)[25-28]。由于街道可视因子可以直观地表征城市街道的结构特征、反映街道遮阴状况，因此街道可视因子在城市规划设计和城市微气候研究中有着很好的实用价值。然而在目前的城市街道微气候研究中，鲜有使用街道可视因子综合分析街道热环境的应用。因此，本文以杭州市典型街道为例，对街道可视因子与夏季白天城市街道峡谷微气候及热舒适度的关系展开研究，以期为城市气候适应性规划设计提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区域概况与测点选择

杭州位于华东地区，为长江三角洲中心城市之一。杭州处于亚热带季风区，属亚热带季风气候，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥。全年平均气温17.8℃，平均相对湿度70.3%。在建筑气候区划上，杭州位于夏热冬冷地区。近年来，杭州高温天气频发，城市热环境问题正在制约杭州的城市发展。

本研究选取杭州上城区为研究样地，该区域地处杭州市区中部偏南，是杭州核心城区。上城区的街道多为南北和东西朝向，道路布置模式多为一板两带式，街道绿化以二球悬铃木行道树为主，街道峡谷高宽比多为0.5～2.0。经过多次实地调研，在上城区选取了4条不同高宽比(H/W)的南北(N-S)朝向街道峡谷和东西(E-W)朝向街道峡谷，并在每条街道布置一个空间开敞的测点和有行道树遮阴的测点(奇数为开敞的测点，偶数为相对遮阴较好的测点)。街道和测点选取及设置的依据为：1)街道之间距离合适，便于测量；2)街道和测点周围无明显的人为热源；3)测点布置在街道中央，避免建筑向阳和背阳的影响。街道选取和测点布置如图1所示。

图1 研究区域中的街道选取和测点布置

1.2 街道可视因子和微气候参数实测与计算

本实验使用安装了鱼眼镜头(Sigma 8mm圆周鱼眼镜头)的Cannon EOS5D MarkⅡ单反相机拍摄获取鱼眼镜头照片，并通过RayMan计算得出各测点街道可视因子。各街道的环境特征及街道可视因子如表1所示。

表1 街道峡谷特征及各测点的街道可视因子

微气候实测采用固定测量的方式，以行人高度(1.5m)对8条街道峡谷进行微气候实测。于2019年7月23—31日，选取晴朗无风的天气进行。测量时间为午后(14：00)，此时为夏季最热的时间段。使用TES-1375温湿度计测量空气温度(TA)和相对湿度(RH)，温湿度计探头用防辐射罩进行遮光处理；使用Testo-435风速仪测量风速(V)；使用AZ8778黑球温度计测量黑球温度(Tg)。实测时等仪器稳定3min后读数，每10s读取一个数据，在每个测点读数10次，以获取足够的数据样本。在此基础上，根据公式(1)计算得出平均辐射温度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)：

1.3 热舒适度指标

选取生理等效温度(Physiological Equivalent Temperature，PET)作为热舒适度的评价指标。生理等效温度综合考虑了主要气象参数、活动、衣着及个体参数对热舒适度的影响，在国内外热舒适度评价中广泛使用[29]。本实验中生理等效温度通过RayMan软件计算。

2 结果与分析

2.1 街道峡谷微气候情况

2.1.1 空气温度

图2为各测点夏季午后空气温度情况。不同街道峡谷之间空气温度差异较大，空气温度差值最大达到了2.9℃。对比各街道峡谷中行道树遮阴测点的空气温度，结果为：延安路＝将军路＞国货路＝开元路＞邮电路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。对比各街道峡谷中空间开敞测点的空气温度，结果为：延安路＞开元路＞将军路＞国货路＞邮电路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。总的来说，N-S朝向的街道峡谷中测点空气温度大部分低于E-W朝向街道峡谷中同类型的测点。然而延安路(测点7、8)中测点的空气温度却高于E-W朝向街道峡谷中同类型的测点，这主要是由于延安路空间过于开敞，缺少有效植物和建筑遮阴造成的。

图2 夏季午后各测点空气温度

2.1.2 相对湿度与风速

各街道夏季午后的相对湿度如图3所示，不同街道峡谷测点的相对湿度范围为42.8%～61.4%。行道树遮阴的测点的相对湿度波动较小，差值仅为6.8%，而空间开敞的测点之间相对湿度波动较大，差值达到了15.9%，这充分证明植物在街道峡谷中起到了调节湿度的作用。

图3 夏季午后各测点相对湿度

如图4所示，在夏季午后不同街道峡谷的测点风速差异很小，风速范围为0.7～1.2m/s，均处于软风状态(V≤2m/s)。同一街道中，开敞测点的风速均略高于相对遮阴较好的测点。

图4 夏季午后各测点风速

2.1.3 平均辐射温度

如图5所示，位于不同街道峡谷的测点的平均辐射温度波动较大，平均辐射温度差值达到了25.3℃。对比各街道峡谷中行道树遮阴测点的平均辐射温度，结果为：延安路＞将军路＞国货路＝开元路＞邮电路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。对比各街道峡谷中空间开敞测点的平均辐射温度，结果为：延安路＞开元路＞将军路＞国货路＞邮电路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。对比结果可知，N-S朝向的街道峡谷中测点平均辐射温度往往低于E-W朝向街道峡谷中同类型的测点。此外，所处空间越开敞的测点，其平均辐射温度往往越高。

图5 夏季午后各测点平均辐射温度

2.2 街道峡谷热舒适度情况

图6为各测点的生理等效温度示意图。结果表明，位于不同街道峡谷的测点的生理等效温度差异很大，差值为13.5℃，几乎所有测点都处于“很热”的热舒适状态[29]。对比各街道峡谷中行道树遮阴测点的生理等效温度，结果为：延安路＞将军路＞国货路＞开元路＝邮电路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。对比各街道峡谷中空间开敞测点的生理等效温度，结果为：延安路＞开元路＞将军路＞国货路＞邮电路＞菩提寺路＞孝女路＞青年路。在本次实验中，生理等效温度和平均辐射温度的分布特征较为一致(图5、6)，这是因为平均辐射温度是影响热舒适度的重要因子[30]，同时也表明太阳辐射对于日间街道热舒适度有着重要影响。

图6 夏季午后各测点生理等效温度

2.3 街道可视因子对空气温度的影响

图7显示了各测点街道可视因子与空气温度的线性回归分析。结果显示，天空可视因子在N-S和E-W 2种走向的街道峡谷中都与空气温度表现出极显著的正相关关系，即街道空间越开阔，街道峡谷内的空气温度越高(图7a、7d、7g)；建筑可视因子与N-S和E-W 2种朝向的街道峡谷的空气温度无明显相关性关系(7b、7e、7h)；树木可视因子与空气温度均表现出负相关关系(图7e、7f、7i)，说明树木在街道峡谷中可以起到有效降温作用。值得一提的是，树木在N-S朝向的街道峡谷中与空气温度表现为负相关关系，在E-W朝向的街道峡谷中却与空气温度呈显著负相关，在不区分街道峡谷朝向时，树木可视因子与空气温度表现出显著负相关关系(图7g)，这说明树木的降温作用在E-W朝向的街道表现得更为明显。

图7 夏季午后街道可视因子与空气温度的线性回归分析(TAall表示所有测点的空气温度；TAN-S表示N-S朝向街道峡谷测点的空气温度；TAE-W表示E-W朝向街道峡谷测点的空气温度)

2.4 街道可视因子对街道峡谷热舒适度的影响

图8显示了街道可视因子与生理等效温度的线性回归分析。由图8a、8d、8g可知，街道峡谷中的天空可视因子与生理等效温度在不同朝向的街道峡谷中都表现出极显著的正相关关系，街道峡谷空间越开敞，其热舒适度越差。街道峡谷中的建筑可视因子与生理等效温度相关性很弱(图8b、8e、8h)，说明街道峡谷内的建筑对热舒适度的影响很小。树木可视因子与生理等效温度均表现出负相关关系，说明街道峡谷内的树木可以有效提升夏季热舒适度(图8e、8f、8i)。此外，在N-S朝向的街道峡谷中，树木可视因子与生理等效温度表现出负相关关系，在E-W朝向的街道峡谷中，树木可视因子与生理等效温度却表现为极显著的负相关关系，即树木对E-W朝向街道的热舒适度提升更为明显。

图8 夏季午后街道可视因子与生理等效温度的线性回归分析(PETall表示所有测点的生理等效温度；PETN-S表示N-S朝向街道峡谷测点的生理等效温度；PETE-W表示E-W朝向街道峡谷测点的生理等效温度)

3 讨论

通过对杭州典型城市街道峡谷夏季午后微气候与热舒适度进行实测和分析发现，即使是小尺度的城市街区也存在较大的微气候差异，从而产生不同的热舒适度，其中，不同的街道几何特征对街道峡谷的热环境有着重要影响。相关研究发现，E-W朝向的街道峡谷热环境往往比N-S朝向的街道峡谷更差[24，31-32]，但本实验却出现了相反的结果，这是因为街道峡谷的开敞程度和植物的遮阴会对街道峡谷的热环境产生重要影响。例如，Shashua-Bar等在研究街道峡谷几何特征和街道朝向对行道树降温能力的影响时发现，在E-W朝向的街道峡谷中通过种植树木降低街道峡谷的开敞程度可以抵消街道朝向对热环境的影响[32]。

通过相关性分析发现，在午后，街道可视因子对街道峡谷内的微气候和热舒适度有着不同程度的影响。天空可视因子对街道峡谷热环境的影响尤为明显，天空可视因子越大，街道内温度越高，热舒适度越差，这种现象也在其他城市街道峡谷研究中得到体现[15-16，33]。此外，Qaid等提出城市街道中可视天空的位置同样重要，随着太阳轨迹的变化，在具有相同天空可视因子的街道中，太阳辐射对不同朝向的街道峡谷的影响在不同时间是不同的[27]。因此，在城市规划设计时，同样要考虑街道朝向的影响。本研究中，建筑可视因子对街道峡谷内的温度和热舒适度影响相对较小，这主要是因为本研究中的测点位于街道中央，大部分建筑不能提供直接遮阴，此外，虽然街道两侧建筑白天能拦截部分太阳辐射，减缓街道峡谷气温的升高，但其在吸收太阳辐射能后作为热源向外发射长波辐射的同时，也拦截了地面的长波辐射，进而导致街道峡谷气温升高。在这些因素的共同作用下，建筑可视因子在午后对空气温度和热舒适度的影响不明显。与之相比，树木可视因子对街道峡谷热环境的影响较为明显，树木可视因子越大，街道内树木起到遮阴作用的部分越多，树木对街道峡谷的降温作用越明显，街道峡谷内的热舒适度就越好。由此可见，行道树通过其遮阴效应对街道热环境起着重要的调节作用：通过遮阴降低街道峡谷内的辐射热量，增加的阴影区域可以显著改善街道峡谷热舒适度[34-35]。此外，本研究还发现，在不同朝向的街道峡谷内，树木的降温能力有所不同，E-W朝向的树木表现出的降温效果和提升热舒适度的能力更强。街道峡谷的朝向是引起这种现象的原因，Shashua-Bar等[36]通过Green CTTC模型探究树木的降温能力时也发现了同样的现象，树木在N-S朝向的街道可以起到降温效应，最大降温幅度为1.18℃，在E-W朝向的街道却达到了2.27℃。因此，在未来的研究中，针对特定的街道环境开展行道树与热环境的定量关系研究，可为合理选择行道树种类提供参考，并能更为有效地改善城市街道热环境和行人热舒适度。

4 结论

本研究以杭州典型城市街道峡谷为例，选取夏季晴朗无风的天气，探讨了午后街道可视因子(天空可视因子、建筑可视因子和植物可视因子)与城市街道峡谷微气候和热舒适度的关系，得出以下结论。

1)在午后，各街道峡谷不同测点间空气温度、平均辐射温度和生理等效温度差异较大，最大值与最小值的差值分别达到了2.9、25.3、15.3℃，街道峡谷内相对湿度和风速则较为稳定。N-S朝向的街道峡谷热环境往往优于E-W朝向的街道峡谷，但街道峡谷的开敞程度和植物遮阴会抵消街道朝向的影响。

2)在午后，天空可视因子是影响城市街道峡谷热环境的重要因素。无论是N-S朝向还是E-W朝向的街道峡谷，天空可视因子越高，街道峡谷内的热环境和热舒适度就越差。

3)在午后，建筑可视因子对城市街道峡谷微气候和热舒适度影响不大，而树木遮阴可以起到降低空气温度和改善热舒适度的作用。树木可视因子越高，街道内热环境和热舒适度就越佳，这种现象在E-W朝向的街道峡谷中表现得更为明显。

注：文中图片均由作者绘制。