广州地区校园行道树小气候对夏季人体热舒适度的影响研究

易 弦，曾静雯，李志阳

(1.广东农工商职业技术学院，广东 广州 510507；2.华南农业大学，广东 广州 510642)

1 引言

行道树是大学校园绿地景观的重要元素，对校园室外环境有很强的改善作用。树木通过蒸腾、蒸散、遮阴、反射等功能，能够有效改善校园室外空间小气候，提升行人的舒适感[1,2]。国内外学者基于行道树遮阴对园林小气候(温湿度、风速、太阳辐射及黑球温度等)的影响进行定量化分析，表明其调节作用与行道树的冠层覆盖紧密相关[3～5]。天空视域因子(Sky View Factor，简称SVF，是指地面某点对天空的可见程度)是重要的城市形态学参数，可用于表征城市形态和空间冠层结构[6]。SVF属于无量纲，其数值介于0～1之间，在数值上定义视觉无阻的空旷地区为1，而对于天空完全被遮蔽的地方数值为0。有研究表明当行道树的SVF从1.0降低到约0.1时，白天的空气温度可以降低约1 ℃[7]。目前，国内学者对校园行道树小气候的研究主要集中在中西北部等较为干旱地区[8,9]，针对高温高湿南方气候地区校园的研究较少。本研究以广州地区校园行道树为例，基于生理等效温度(Physiologically Equivalent Temperature，简称PET)理论，通过实地测量广州地区校园常见的5种不同行道树下小气候环境参数，计算行道树的SVF值和各测试点的PET值并进行对比，揭示广州地区校园行道树的太阳辐射强度G、黑球温度Tg、平均辐射温度Tmrt与PET之间的内在关系，为广州地区的校园行道树设计和种植提供指导依据。

2 材料与方法

2.1 试验场地和行道树选择

本研究选择位于广东省广州市增城区中新镇的广东农工商职业技术学院(113°37′N，23°17′E)作为实验场地，属于南亚热带海洋性季风气候，特点是炎热多雨，夏长冬短。年平均气温21.7 ℃，年降雨量2000 mm左右。

选择校园中栽植的大王椰子(Roystonearegia(Kunth.) O. F. Cook)、小叶榕(FicusbenjaminaLinn.)、红花羊蹄甲(BauhiniablakeanaDunn)、樟树(Cinnamomumcamphora(L.) Presl)和芒果(MangiferaindicaLinn.)为研究对象，这5种行道树是广州地区高校最常见的行道树[10]。选择树种同时满足以下条件：①树木生长良好，且同为道路设计时栽植，树龄相近；②树木的形态和生态学特征能够直观反映植物种类；③道路周围环境相似，不受其他植被或建筑遮阴的影响，下垫面及地形特征统一，路宽及树距相近。具体测试点位置如图 1所示。

图1 选点位置

2.2 试验方法

试验采用现场实测法，试验时间为2021年5月15日当天9：00～16：00进行试验测量，所选试验时间段为天气情况较热且人们活动较频繁的时间。在试验时间段内，通过试验仪器记录环境温度、相对湿度、风速、黑球温度和太阳辐射强度，每15 min记录1次数据，每个小时4次数据取平均值作为该小时特征值。根据广州市气象台的实况数据，当天白天天气晴，气温为30～35 ℃，无降水，相对湿度55%～85%，高温黄色预警信号已生效。使用便携气象站(WS30)测量环境温度(Ta)、相对湿度(RH)和风速(Va)等数据，使用衡欣AZ87783黑球湿温度计测量黑球温度(Tg)，使用CEM DT-1307太阳能功率仪测量太阳辐射强度(G)，具体仪器设备及精度如表1所示。

表1 试验仪器参数

2.3 评价指标

(1)SVF。为了便于SVF的测量和计算[11]，对SVF测量进行简化，首先采用广角镜头获取各测试点顶部遮阴覆盖空间图像，导入Photoshop软件对各空间影像进行像素化处理，统计处理后图像的无覆盖区域像素值与图像整体像素值之比即为该测试点的SVF。

(2)太阳辐射强度G。太阳辐射强度定义为点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，是表征太阳辐射强弱的物理量，单位是W/m2，在试验中通过太阳能功率仪仪器进行测定。

(3)黑球温度Tg。黑球温度定义为在辐射热环境中人或物体受辐射热和对流热综合作用时，以温度表示出来的实际感觉温度，单位为℃，在试验中通过黑球湿温度计仪器进行测定。

(4)PET。PET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，在此作为人体热舒适度的评价指标，其值可通过RayMan软件计算得出，单位为℃。

(5)平均辐射温度Tmrt。树木对人体热舒适的影响主要由平均辐射温度Tmrt引起，根据ISO-7726标准，可得Tmrt的计算公式为：

(1)

式(1)中，Tg为黑球温度，℃；Ta为环境温度，℃；Va为风速， m/s；D为黑球直径，m，本研究中D=0.04 m；ε为黑球系数，本研究中ε=0.95。

3 结果与分析

3.1各行道树的SVF值

大王椰子、樟树、红花羊蹄甲、小叶榕和芒果的SVF值分别为0.607、0.587、0.567、0.464和0.054，具体如图2所示。本文定义，当SVF小于0.1时，属于全遮阴；当SVF在0.4～0.8之间，属于半遮阴；当SVF大于0.9时，属于无遮阴。则大王椰子、樟树、红花羊蹄甲、小叶榕属于半遮阴，芒果属于全遮阴。

图2 各行道树SVF值

3.2 太阳辐射强度分析

各行道树的太阳辐射强度试验结果如图3所示。从图3可以看出，在9：00～15：00的监测时间段内，大王椰子和芒果、樟树和红花羊蹄甲之间的太阳辐射强度波动趋势较为一致，而小叶榕略为不同；大王椰子、小叶榕、樟树和红花羊蹄甲的太阳辐射强度基本处于110～174 W/m2之间，而芒果树的太阳辐射强度相对偏低，其值范围为27～63 W/m2。造成这一现象的原因在于SVF对太阳辐射的影响，芒果的SVF仅为0.054，属于全遮阴，而大王椰子、小叶榕、樟树和红花羊蹄甲的SVF范围在0.45～0.65之间，该区域SVF值属于半遮阴。试验结果表明，在全遮阴状态下(即SVF越小)，芒果对太阳辐射起到很好的格挡作用，能有效降低太阳辐射强度，该结果与Sheikh Ahmad Zaki对热带城市吉隆坡行道树的小气候影响研究结论一致[12]。

图3 各行道树的太阳辐射强度随时间变化

为了进一步考察SVF对行道树热参数的影响，对SVF和太阳辐射强度、黑球温度和平均辐射温度进行Pearson相关性分析，结果如表2所示。在置信度(双侧)为0.01时，太阳辐射和平均辐射温度的Sig.均为0.000，则说明SVF与太阳辐射和平均辐射温度呈显著正相关，且SVF与太阳辐射呈强正相关性；SVF与黑球温度无明显相关性。结果表明，在炎热的夏天，行道树的SVF越低，对太阳辐射的减弱效果越强；合理选择低SVF的行道树，能显著降低道路太阳辐射和平均辐射温度，对改善夏季室外行人的人体热舒适度有显著效果。

表2 各行道树的SVF相关性分析

3.3 行道树的PET值

将环境温度、黑球温度、风速、黑球直径和黑球系数等数值代入RayMan软件(本研究使用1.2版)计算得出各行道树的PET值。结果如图4所示。在9：00～15：00期间，各行道树的PET值呈现先升高再略微下降的趋势；PET最大值均出现在13：00左右，其中红花羊蹄甲的PET值最高，而芒果的PET值最低，原因可能在于芒果的SVF最小，从而降低了PET值。

图4 各行道树的PET值

结合图5的PET热感觉和胜利应急等级可知[13]，由于PET是表征人体热舒适度的指标，在夏季，PET值越高，人体感觉越热，PET值越低，人体感觉越冷；当PET超过35 ℃时，人体处于强热应激阶段，即人体会感觉到热，处于不舒服的状态。在夏季，各行道树白天时的PET值均超过35 ℃，容易使人体处于强热应激状态，感觉很热，故在夏季室外的行道树选型时需综合考虑遮阴和降温效果，降低行人体感温度。

图5 PET热感觉和生理应激等级

3.4 PET与各小气候要素的内在关系

利用SPSS对5种行道树的PET与各小气候因子间进行Pearson相关性分析，结果如表3所示。结果表明：在置信度(双测)为0.01时，5种行道树的PET均与环境温度、黑球温度和太阳辐射强度呈显著正相关，与相对湿度呈显著负相关，但与平均风速无明显相关关系。这一结果表明，在夏季校园里，当太阳辐射强度增加时，行道树下的环境温度和黑球温度均会呈现逐级递增的趋势，其增大幅度取决于太阳辐射强度的最大值，从而使得人在室外环境的热感受增强，即热舒适度降低；结合表2结果可知，降低SVF(即提高行道树的遮阴率)和增加环境相对湿度，均可降低行道树的PET值，改善夏季天气人在室外环境的热舒适性感受。

表3 PET与各小气候要素的Pearson相关性分析

3.5 PET和环境温度Ta、平均辐射温度Tmrt的关系

将环境温度、黑球温度、风速、黑球直径和黑球系数等数值代入式(1)，可得各行道树的平均辐射温度Tmrt。由于环境温度Ta和平均辐射温度Tmrt对PET具有显著影响，故对环境温度Ta、平均辐射温度Tmrt和PET进行曲线拟合，各行道树方程模型及方差分析结果如表4所示。

表4 PET和环境温度Ta、平均辐射温度Tmrt的模型分析

如表4结果可知，小叶榕和芒果的模型R2较高，分别为0.842和0.734，表示小叶榕和芒果的模型线性度较高；而大王椰子、樟树和红花羊蹄甲三类行道树的模型R2相对较低，表明其模型线性拟合程度较差，但仍具有一定的线性规律。

4 结论

本研究选取了广州地区校园常见的大王椰子、樟树、红花羊蹄甲、小叶榕和芒果树5种典型的行道树作为研究对象，通过对5种行道树的SVF和各气候气象参数的监测，引入热舒适评价指标PET，定量分析了5种行道树对校园绿道和行人的热舒适影响，结论如下。

(1)行道树的SVF越小，越能有效降低太阳辐射强度，对改善行人热舒适具有显著作用。试验结果表明，在全遮阴状态下，芒果(SVF=0.054)的太阳辐射强度范围为27～63 W/m2，对太阳辐射具有显著的遮挡作用。

(2)从5种行道树SVF进行Pearson相关性分析可知，SVF与太阳辐射和平均辐射温度呈显著正相关，且SVF与太阳辐射呈强正相关性；SVF与黑球温度无明显相关性。即在炎热的夏天，合理选择低SVF的行道树，能显著降低道路太阳辐射和平均辐射温度，对改善夏季室外行人的人体热舒适度有显著效果。

(3)对各行道树的PET进行Pearson相关性分析研究，在置信度(双测)为0.01时，5种行道树的PET均与环境温度、黑球温度和太阳辐射强度呈显著正相关，与相对湿度呈显著负相关，但与平均风速无明显相关关系；降低SVF(即提高行道树的遮阴率)和增加环境相对湿度，均可降低行道树的PET值，改善夏季天气人在室外环境的热舒适性感受。

(4)通过对PET和环境温度、平均辐射温度进行曲线拟合可知，各行道树的PET模型均呈线性正相关，其中小叶榕的PET模型线性度最高(R2=0.842)。由此可知，各行道树的PET随环境温度和平均辐射温度的升高而升高，即行人的热舒适度随环境温度和平均辐射温度的升高而降低。

(5)高温高湿气候地区的校园在行道树种植设计上，应结合不同行道树的PET值，按照因地制宜和“适地适树”原则进行规划设计。特别是要考虑到师生在教学区和生活区的行走路线和人流情况。校园内行道树如果SVF较高(达到0.8)，会导致行人感觉不舒适[14]。因此，建议在校园人流量大的道路种植SVF相对较低(小于0.4)的行道树，这样其茂密的枝叶能够在炎热的夏季为行人提供热舒适度相对良好的感受。