上海城市开放空间夏季热舒适度及访客热偏好研究

肖慧蓉 毕 星 刘宇晗 王 萌 武彩燕 李俊祥*

（1.上海交通大学设计学院，上海 200240；2.华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241）

城市户外开放空间如街道绿地、公园等能有效缓解城市热环境，增加公民参与户外活动，提高身心健康。为了探究城市热环境对城市居民热舒适度的影响，以上海市中心的典型城市公园及其周围街道绿地为研究对象，通过气象观测、问卷调查、生理等效温度等指标评估上海市开放空间的热舒适度，校准上海市居民的中性温度、中性温度范围以及热可接受范围，明晰上海市居民的热偏好。结果表明：（1）气温、湿度和黑球温度与居民夏季热感觉存在正相关关系，其中黑球温度相关性最强，风速与热感觉呈负相关关系；（2）绝大部分居民希望通过提升开敞空间的风速改善热环境，提升热舒适度；（3）与无遮阴的街边广场相比，有遮阴但狭窄的街边人行道开放空间热舒适投票更低；（4）上海市夏季户外的中性温度为26.8℃，中性温度范围为23.3～30.3℃，热可接受范围为22.5～34.0℃。研究结果对气候友好型城市开敞空间的设计具有参考价值。

城市户外空间；热舒适；生理等效温度；城市热岛；热偏好

全球城市化率2018年已达55%，即55%的人口居住在城市地区[1]。城市化过程加剧了城市热岛效应，对人群健康造成巨大威胁[2]。而城市绿地和公园可以有效缓解城市热岛效应[3-4]，对降低城市高温和热浪对人群健康的影响发挥着重要作用，但是景观组成和配置不同的城市公园，在缓解城市热岛效应方面发挥着不同的作用[4]。城市开放空间的微观气象条件，如气温、风速和太阳辐射，影响游客的舒适度及其行为，因此改善开放空间的气象条件，提高户外环境的质量，从而吸引更多的人使用开放空间是可持续城市规划的目标之一[5]。探究城市公园不同景观对人群热舒适度及访客热偏好差异，可以有效提高开放空间质量并促进其利用率，研究结果可对未来健康城市的规划建设提供理论依据。

环境温度是影响居民健康的重要环境因素之一[6]。气温与人口死亡率、发病率、住院率之间呈现“U”“V”“J”形关系[7]，说明存在气温阈值，当气温高于或低于阈值温度时都会对人类健康产生影响。在公共健康研究中，气温和表观温度是表征人体热暴露水平的常用指标[8-9]，但这两个指标未考虑人体与环境温度之间的热量交换。温度湿度指数[10]和湿球温度指数[11]等是表示人体活动时所产生的热量与散发的热量之间平衡关系的指标，可以有效表征温度对人体舒适度的影响以及人体对热环境的满意度[12]，然而这两个指标缺乏考虑生理因素和行为因素对人体热舒适度的影响。生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature，PET）由Hoppe于1999年首次提出[13]，是综合考虑人体在户外环境活动的行为因素及心理因素时，所产生的热量与散发的热量之间平衡关系的物理量，是衡量人体热舒适度的重要生物气象指标[8,14-16]。中性温度是人类在室外环境时感到舒适（既不冷也不热）时的室外温度[12,17]；以最适PET定义的中性温度，可反映人体在室外环境中对热舒适度的要求[18]。因此，探究PET与人体热舒适度之间的关系，明确PET的中性温度及中性温度范围，对于当地气象健康预报预警具有参考价值。

前人关于绿地空间对人体热舒适度影响的研究，大多通过对比城市街道行道树下或公园林阴树下与露天环境的小气候来实现[19]。城市公园中不同景观对人体热舒适度的影响是否表现出差异，以及表现出怎样的差异，尚不清楚。上海市作为中国最早进入城市化的城市之一，快速城市化导致了严重的热岛效应[20-21]，近二十年来热浪频率和强度显著增加[22]。地处上海市中心城区黄浦区的蓬莱公园，是市区内人流量较大、景观异质性较高的公园，空间类型丰富，周围以商业街道和住宅社区为主，人群年龄段覆盖范围较广。探究夏季蓬莱公园不同景观对人体热舒适度的影响具有典型性，研究结果对今后居民开放空间使用，城市规划和更新、健康城市建设具有参考价值。

文章基于评价PET所需的多种气象指标、室外热环境评价指标体系问卷，计算公园内树阴、凉亭、草地以及街道行道树等不同景观空间的热舒适度指标，旨在探讨夏季高温期间城市居民的热舒适度、气象和绿地访问偏好。

1 研究区概况

上海市地处长江入海前的冲积平原上（30°40′-31°53′N，120°51′-122°12′E），属于典型的北亚热带季风气候，气候温和湿润，春秋较短，冬夏较长。2021年末，上海行政区划面积6 340.5 km2，常住人口2 489.43万人，上海市人均公园绿地面积仅8.8 m2[39]，人口稠密，绿地不足，市内建筑密度高、空间异质性大。上海黄浦区蓬莱公园毗邻南浦大桥，交通便利，占地面积2.72 hm2，其中绿地1.28 hm2。蓬莱公园三面被居民区包围，周围的社区是商业街道和住宅社区的混合体，周围人群包括了老、中、青、幼各年龄段。

本研究选取蓬莱公园的三处景观：公园大树（Park Tree，PT）、公园凉亭（Park Building，PB）、公园草地（Park Grass，PG），并选取了一号门外街道环境的两处对照景观：街道有树阴（简称街道有阴，Street Tree，ST），街道无树阴（简称街道无阴，Street Non-tree，SNT）。测点位置如图1所示，测点描述见表1。

图1 野外观测点位置Fig.1 Location of field observationsites

2 研究方法和实验设计

2.1 室外热环境气象观测

气象观测日期为2022年8月23-25日，在上述测点同步观测气象指标，观测时间为每天10:00-20:00，气象观测仪器的高度为1.1 m，气温和相对湿度用HOBO-S-THB-M002采集，风速用S-WSET-A采集，太阳辐射用S-LIB-MOO3采集、黑球温度用HEAT-index-8778采集。所有气象因子的采集频率均为每分钟一次，数据分析时整合为逐小时数据。

2.2 热舒适主观感受问卷调查

本研究调查问卷中热舒适度的评价是基于ISO 10551:1995热环境的人体工程学、中国修改版GBT 18977-2003设计，使用主观判断量表评估室外热环境。室外主观热评价主要包括：热感觉投票（Thermal Sensation Vote，TSV），按照美国采暖，制冷与空调工程师学会（ASHRAE）评分量表分为五级，即0为适中，1为有点热，2为比较热，3为热，4为非常热；热舒适投票（Thermal Comfort Vote，TCV），使用五级量表，即-2为非常不舒适，-1为不舒适，0为适中，1为舒适，2为非常舒适。气象偏好投票包括热偏好投票（Thermal Preference Vote，TPV）、湿度偏好投票（Humidity Preference Vote，HPV）、风速偏好投票（Wind Preference Vote，WPV）、太阳辐射偏好投票（Solar Radiation Preference Vote，SPV），均用三级量表，用-1代表更高/更强/更湿、0表示不变、1代表更低/更弱/更干。访客的热可接受投票为二级量表，即-1为可接受，1为不可接受。

问卷调查包括4部分内容：即受访者基本信息、对热舒适度的综合评价、热环境改善意见，以及着装情况。第一部分基本信息包括问卷时间、地点、受访者性别、年龄、旅行目的，社会背景（例如在上海的居住时间）；第二部分包括受访者过去20 min内的活动类型、在当前空间的热感觉、热舒适度、热可接受度、小气候期望值；第三部分包括热环境改善意见和热适应行为；第四部分则是着装情况。

考虑到人群对当地气候的适应性，本研究所选取的问卷调查对象均为当地居民或在上海生活至少一年以上，并且在该测点停留时长超过20 min。热舒适度问卷调查对象为在上述开放空间内活动的访客，问卷调查时间为每天10:00-16:00。

2.3 热指标计算和统计分析

平均辐射温度（Mean Radiant Temperature，Tmrt）定义为在一个假想的箱体中，从人体到箱体表面的辐射传热，等效于向实际温度不均匀的箱体表面传热。平均辐射温度是计算PET值的输入参数，实际情况中若无法测得太阳辐射数据，则可通过黑球温度换算得到平均辐射温度，再计算PET[23]，计算见公式（1）。式中，Tg为黑球温度（℃）；Ta为气温（℃）；Va为风速（m/s）；D为球体直径，本研究取值0.05 m；Ɛ为辐射系数，本研究设置为0.95。

PET用雷曼软件（Rayman Pro）计算，输入气温、相对湿度、风速、平均辐射温度或太阳辐射值，以及人的热生理数据（活动和服装），即可得到PET值[13,24]。问卷调查中的着装信息需根据ASHRAE（ASHRAE 2017）和ISO 7730（ISO 7730 2005）对服装热阻的规定，根据受访者性别、身高、活动代谢信息，计算服装热阻值，并将其服装及运动水平转换为热阻值和代谢率，作为Rayman软件中热生理数据的输入参数。

中性PET值是当热感觉投票率为0时，PET值的取值。中性温度范围是当热感觉投票率在-0.5到0.5之间时的PET值范围。本研究通过线性回归建立PET与热感觉投票率之间的关系。

热可接受范围是评估室外环境舒适状况的有效参数之一，根据ASHRAE Standard 55的定义，在典型应用中，热可接受范围表示90%以上的受访者认为热环境可以接受时，对应的PET[12]。本研究计算人群对每1 ℃PET区间的热不接受率，并与PET做回归分析，当热不可接受率为10%时对应的PET为热可接受范围的极限。采用斯皮尔曼相关性来分析户外气象要素和人群热感觉投票之间的关系。上述分析和模型计算通过Minitab 2021软件完成。

3 结果分析

3.1 城市开放空间的热环境分析

各测点的气象要素从大到小排序如下。风速：街道有阴＞街道无阴＝公园草地＞公园大树＞凉亭。空气温度：街道无阴＞公园草地＞街道有阴＞公园大树＞凉亭。黑球温度：街道无阴＞公园草地＞街道有阴＞公园大树＞凉亭。相对湿度：公园大树＞凉亭＞公园草地＞街道有阴＞街道无阴。总的来说，不同的景观空间内各气象参数的值都略有不同，但凉亭下的空气温度值远低于其他测点（图2）。

图2 开放空间上各测点的气象要素观测值Fig.2 The observation values of each meteorological parameters on each site in open space

3.2 志愿者的基本属性

在问卷调查部分，共回收140份问卷，其中有效问卷136（男性71，女性65）份。调查时间内受访者的活动类型统计结果表明，81%的受访者进行低强度活动，其中40%为散步，23%为静坐，18%为站立，17%的受访者进行中强度运动，2%的受访者进行跑步、快走等高强度活动。受访者的年龄组成较为丰富，儿童组（≤12岁）、青少年组（13～29岁）、中青年组（30～59岁）和老年组（≥60岁）的占比分别为8%、31%、32%和29%。男性受访者年龄介于6岁和96岁之间，平均身高为170.4 cm，平均体重为65.7 kg；女性受访者年龄介于7岁和75岁之间，平均身高为159.8 cm，平均体重为55.6 k（g表2）。上海户籍的受访者占比为89.7%，其他受访者分别来自全国7个省/直辖市（安徽7人，北京2人，山东、山西、河南、温州和重庆各1人）。志愿者性别、体重、身高分析见表2。

表2 志愿者性别、体重、身高分析Tab.2 Analysis of gender, weight and height of volunteers

受访者在上海市夏季的服装热阻为0.41 clo，其中男性0.39 clo，女性0.44 clo，女性在夏季的服装热阻值总体大于男性，街道处的受访者（男性0.444 clo，女性0.500 clo）比公园内的受访者（男性0.36 clo，女性0.404 clo）穿衣指数更高（图3）。

图3 公园内测点和街道测点（左图）及所有志愿者服装热阻箱式图（右图）Fig.3 The boxplot of clothing insulation for the volunteers in the park, street (left column), and their total (right column)

3.3 居民室外热感觉和热舒适投票分析

上海市户外气象要素和热感觉投票TSV的斯皮尔曼相关性分析结果表明，在夏季，空气温度（ρ=0.389，P＜0.05）、相对湿度（ρ=0.399，P＜0.05）和黑球温度（ρ=0.413，P＜0.05）与访客的热感知呈正相关，是显著影响访客热感知的气象因素，风速与热感觉呈负相关（ρ=-0.147，P＜0.05）。

研究期间各测点受访者的热感觉投票与热舒适投票结果表明（图4）：公园内，公园大树测点的受访者对于“适中”的投票最多（56.8%），没有受访者认为此处“非常热”；街道有阴处各量级投票较为均衡，街道有阴测点的受访者对于“非常热”的投票最多（16.7%），且对于“适中”的投票与街道无阴点位相同（图4-a）。

图4 不同开放空间内访客的热感觉和热舒适度投票占比Fig.4 Proportion of thermal sensation vote and thermal comfortvote from visitorsin different open spaces

本次问卷调查中，没有受访者选择“2-非常舒适”这一量级，只有-2-非常不舒适、-1-不舒适、0-适中、1-舒适4个量级，热舒适度投票结果如图4-b所示。“舒适”的投票比例依次为公园大树（27%）、凉亭（21.9%）、草地（21.7%）、街道有阴（16.7%）和街道无阴（9.4%）；“非常不舒适”投票占比依次为草地（8.7%）、街道有阴（8.3%）、公园大树（8.1%）、凉亭（6.3%）和街道无阴（3.1%），表明在遮阴较好的空间，人们的舒适感普遍较高，在无遮阴的测点，有绿色地被植物的空间舒适度较高。热感觉投票与热舒适投票之间存在显著的线性关系（R²=0.9377）（图5）。

图5 热感觉投票与热舒适投票之间的关系Fig.5 Relationship between thermal sensation vote and thermal comfort vote

气象要素偏好统计结果显示，增大风速期望的受访者占比依次为街道无遮阴（84.4%）、街道有遮阴（83.3%）、公园大树（75.7%）、凉亭（75%）和草地（69.6）。降低气温期望的受访者占比，草地最高（91.3%）、街道有遮阴最低（66.7%），其余点位几乎无差别（78%）。大部分的受访者表示希望太阳辐射强度更低，风速更高、气温更低、而湿度保持不变（图6）。

图6 气象因子偏好投票.a-太阳辐射偏好；b-风偏好；c-湿度偏好；d-气温偏好Fig.6 Proportion of meteorological factors’ preference vote.a-SPV; b-WPV; c-HPV, and d-TPV

3.4 上海市居民的热基准

热感觉投票率与PET值之间存在线性关系（图7-a）。拟合直线的斜率为0.1425，表明每单位热感觉投票率约对应7 ℃的PET区间。当热感觉投票率为0时，即游客热感觉中性区域，对应的中性温度为26.8 ℃，中性温度范围为23.3～30.3 ℃。本研究计算了每1℃的PET区间内对应的受访者不满意百分比，发现PET与受访者不满意百分比之间存在二次多项式关系（图7-b），受访者在户外空间的PET可接受范围为22.5 ～ 34℃。

图7 PET与热感觉投票率和热不可接受百分比之间的关系Fig.7 Relationship between PET and thermal sensation vote and thermal unacceptable rate

3.5 开放空间访客的热适应及空间改善措施建议

热适应行为的调查结果发现，夏季在面对热应激时选择“喝冷饮”和“转移至树阴下”的受访者占比最多，两种措施的占比都为27%，希望转移至建筑阴影处的受访者占24%（图8）。空间改善措施的问卷调查结果显示，47%的受访者认为应该在出入口、广场、草地等空间增种乔木，31%的受访者表示应该加盖人工构造遮阴或者建筑物，14%的受访者表示应该种植灌木和草本，6%的受访者表示可以更换铺装（图8）。

图8 开放空间内受访者热适应行为（左）及空间改善建议（右）Fig.8 Thermal adaptative behavior of respondents (left ) and their suggestions to improve open spaces (right)

4 讨论

4.1 景观空间微气象要素对访客热舒适度的影响

城市开放空间的微气候条件，是影响人类舒适度和行为的重要因素。城市开放空间的微气候（如气温、风速和太阳辐射）差异，主要受到景观类型（不透水面和植被等）的组成和配置[25]、下垫面的铺装材料[26]、空间开放程度，以及公共设施的布局形式等多种因素的影响。例如，本研究中凉亭和公园大树测点，由于其周边的空间半围合，空间内有乔木和灌木的阻挡，但遮阴效果优良，因此，该空间内平均风速较低，而相对湿度最高。街道有阴测点的平均风速最大，是由于该测点一侧是不透风的围墙，处在较狭窄的人行道边，且无低矮灌木的阻挡。在气象偏好调研中，希望增大风速的受访者平均占比达到77.6%，这表明提升微环境的通风条件是上海夏季户外开放空间的设计中需要考虑的要素。因此，在开放空间微景观设计时可考虑适当减少高大乔木的种植密度，减少高密度小型灌木围篱或隔离带，并增加其通透度，以增大风速，提高热舒适度。

公园大树下“舒适”的投票比例最高，这是由于该测点及附近区域有数量较多且均匀分布的成熟香樟树，树与树之间的距离适中，可容纳此地的游客进行聚集、交谈等社交性活动，并配备少量健身器械供居民进行使用。因此，尽管与凉亭相比，该测点的气温（30.9℃）、相对湿度（79.1%）、黑球温度值（31.1℃）更高，总体PET值（32.1℃）也更高，但仍然是5个测点中“舒适”投票占比最高的测点。

街道无阴测点尽管气温、太阳辐射较高，风速较低，但其“非常不舒适”投票占比却最低，可能是由于此处的相对湿度最低（71.6%），不会产生高温高湿的闷热感，给行人带来一定程度的舒适体感。而街道有阴测点尽管此处有大树阴蔽，风速最高（0.08 m/s），“非常不舒适”投票占比位居第二，可能是由于该测点所在人行道狭窄，且一侧为封闭式围墙，行人直接受到街道交通噪声的影响，因此，降低了该测点的声学舒适度，从而间接导致热舒适度较低[27]。

4.2 访客的中性PET和提升热舒适度的适应性对策

PET能较好地反映城市建筑几何形态[28]、气象条件和太阳辐射热负荷的综合影响，并量化人体的户外生理热舒适度。此外，人体热舒适度还因地理位置与适应性而异[29-30]。前人的研究给出了上海市秋冬季节的户外热舒适度的中性温度范围为15～29℃[31]，这一温差范围与热带地区的中国台湾日月潭（26～30℃）[32]和巴西库亚巴（23.0 ～34.6℃）[33]、干旱地区的伊朗乌尔米亚（17.8～27℃）、温带地区的中国天津（11～24℃）[35]，以及中/西欧（18～23℃）[36]相比，要宽得多。本研究给出了上海市居民夏季的PET中性温度为26.8℃，中性温度范围为23.3～30.3℃，可为上海居民夏季高温期间居民户外健康防护与热舒适度提升提供参考。

由于户外空间中可以改变空间热环境的交互式设施（如遮阳伞、立体雾化器等）较为有限，人们更倾向于调节自身的适应性行为（改变着装或位置等）来提高热舒适性。本研究结果表明，夏季开放空间中的访客希望通过补充水分摄入、喝冷饮降低体温，以及减少直接的太阳辐射等方式来减缓炎热天气带来的热不适。空间改善措施问卷调研结果显示，近半数的受访者表示需要在开放空间中增植乔木，利用乔木的蒸腾作用和遮阴来降温遮阳，从而提升树阴下活动的访客的热舒适度。因此，开放空间的设计和管理者可以通过增植遮阴效果好的乔木、增建休憩用景观建筑，以及在园内配置免费饮用水、零售点或自动售货机等措施，多方位提升开放空间的热环境缓解的能力建设，为访客提供热适应能力创造条件，从而吸引居民更多地走向户外空间，提高开放空间的使用率。此外，有研究表明，冬季人们会更希望所在开放空间能有阳光照射[26]。因此，还需要重视常绿树种与落叶树种的搭配，以便在夏季提供遮阴降温，而冬季增加日光照射和取暖。

4.3 研究的不足之处

本文研究尚存不足之处：（1）问卷调查的回收样本数量较少，这直接导致了回归方程的决定系数较低；（2）本研究只在一个典型公园及其周边开放空间开展研究，在代表性景观类型中尚缺少广场、水体等；（3）本研究选取的观测时间是夏季高温时期，非高温期间没有观测。因此，未来的研究需要增加问卷调查的样本量，进一步增加城市环境和城市公园的类型，增设对非高温期间的观测和调研，得到更全面的，具有代表性的观测结果。

5 结论

本文研究了上海典型城市公园及其周边街道的景观开敞空间的户外热舒适度，调查了开敞空间使用者的主观热感知，明晰了上海市居民的户外热基准。得出如下结论：（1）气温、湿度和太阳辐射是影响居民热感知的主要因素，三者与居民热感知呈正相关关系，其中太阳辐射是影响居民热感觉最主要的因素，而风速与居民热感觉呈负相关关系；（2）上海市夏季户外的PET的中性温度为26.8℃，中性温度范围为23.3～30.3℃，热可接受范围为22.5～34.0℃；（3）居民热感觉与热舒适投票之间存在显著的线性关系（R2=0.94），热舒适投票受到居民热感觉投票的影响。

注：文中图表均由作者自绘。

致谢：

感谢上海交通大学设计学院建筑学系赖达祎副教授提供小气候观测设备、兰丽教授提供黑球温度计。曹璐、高宇童、张扬岑、邢超杭、吴炯、庄铭皓等协助野外观测和问卷调查，一并致谢。