左冰菁,程夕,王齊,黃柳菁

（福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院,福建福州350007）

街道（街谷,Street Canyon）是城市的基本單元形態(tài)[1-3],承載人類大量的工作交通活動需求,是城市的必要性場所[4],聚集大量城市居民活動產(chǎn)生的人工熱[5].雖然街道微氣候是城市微氣候的基本組成單位,在空間尺度跨度最小,但是其比城市微氣候更容易通過人為手段進行調(diào)控[6-8],因此近年來建筑學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)和風(fēng)景園林學(xué)等相關(guān)學(xué)科加入到城區(qū)尺度（0.1～1 km）的微氣候調(diào)控措施的研究當(dāng)中[9].1989 年,氣象學(xué)家首先關(guān)注城市街谷熱環(huán)境[10],通過研究城市街谷內(nèi)各表面及街谷內(nèi)空氣的能量平衡,探究街谷空間形態(tài)對于城市氣候,尤其是城市熱島的影響[2,11].研究包括街道高寬比、朝向等街道幾何形態(tài),綠化植被等設(shè)計要素與微氣候之間的內(nèi)在影響規(guī)律及相互作用.高寬比影響街道空間內(nèi)空氣溫度和地表溫度[12],對干熱地區(qū)而言這一影響作用更加顯著[13]；即使是不同氣候區(qū)城市,合適的朝向與恰當(dāng)?shù)母邔挶冉M合能夠有效改善行人的熱應(yīng)力水平[14-17],但通過喬木、建筑物懸挑等遮陽措施改善行人熱舒適作用更顯著[18-20].此后,國內(nèi)外學(xué)者相應(yīng)展開針對街谷綠化調(diào)節(jié)微氣候的研究.

大量研究證實,行道樹具有優(yōu)于城市公園內(nèi)樹種的多樣性和生長狀況,能夠很好地對抗城市環(huán)境壓力[21],其通過蒸騰、蒸散、遮擋、反射等功能,調(diào)節(jié)街道微氣候狀況、改善室外熱環(huán)境,優(yōu)化行人活動的舒適性體驗[22],尤其對改善小尺度（街區(qū)層峽）內(nèi)的微氣候環(huán)境十分重要[23-26],但通過居民對街道熱環(huán)境的適應(yīng)性來評價行道樹對居民在熱環(huán)境中感知水平的研究仍較少.本文以城市行道樹改善街道微氣候舒適性水平為連接點,討論行道樹調(diào)節(jié)能力及其作用機制,梳理其調(diào)節(jié)作用影響下與行人居民戶外熱感知的關(guān)系,總結(jié)其研究現(xiàn)狀及存在問題,對該領(lǐng)域提出新的研究展望,為城市居民福祉和城市可持續(xù)研究提供參考.

1 熱舒適評價研究歷程

微氣候與熱舒適度的研究隨熱環(huán)境研究得到發(fā)展.20 世紀(jì)20 年代以來,美國采暖制冷及空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會（ASHRAE）展開評價人體熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)的大量實驗研究[27].此后30 年,ET、CET 等以空氣溫度影響人體舒適感為主要考量標(biāo)準(zhǔn)的評價概念被陸續(xù)提出.60 年代,Fanger 等在空氣溫度的基礎(chǔ)上增加周邊環(huán)境、空氣濕度、風(fēng)環(huán)境等環(huán)境因素來建立熱舒適方程,優(yōu)化人體熱舒適度指數(shù),但此時的指標(biāo)仍未將人心理和生理及活動特征差異納入考量；此后的二節(jié)點模型、PMV-PDD 和SET 對影響因素的考量雖越來越完善,但仍適用于室內(nèi).20 世紀(jì)末至21 世紀(jì)初期,OUT_SET*、PET 模型被相繼提出,二者雖為穩(wěn)態(tài)環(huán)境模型,適用范圍廣,但仍具有局限性.2002 年,國際生物氣象學(xué)會（ISB）提出以Fiala 人體體溫調(diào)節(jié)模型和服裝模型為基礎(chǔ)的UTCI 模型,與前者最大的不同在于其為非穩(wěn)態(tài)模型,考慮了人體的熱適應(yīng)性,適用不同氣候、不同季節(jié)和不同維度地區(qū)[28].

2 行道樹調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境舒適性的驅(qū)動因素及評價方法

熱傳遞是影響街區(qū)尺度微氣候環(huán)境的主要影響因素[9],樹木通過蒸騰、蒸散、遮擋、反射等功能,有效調(diào)節(jié)街道微氣候狀況、改善室外熱舒適度.國內(nèi)外眾多學(xué)者專家基于行道樹林蔭遮蔽對街道微氣候的物理作用（溫濕度、風(fēng)速、太陽輻射及黑球溫度等）進行定量化分析,并對其進行物理和心里水平的評價,探究影響其作用水平的驅(qū)動力因素.國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究起步較晚,主要在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上進行地域上的補充研究.結(jié)果顯示：樹木冠層能夠有效降低夏季陽光直接輻射,降低冠下空氣溫度[29]和熱舒適水平[30]；樹木結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的差異對其發(fā)揮生態(tài)效益的能力更具決定性影響；生長健康并種植密集的大型喬木不僅能夠有效減輕室外熱應(yīng)力,并直接影響行人與居民的戶外步行幾率與活動類型[31].

2.1 行道樹調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境舒適性的的驅(qū)動因素

遮陽（樹冠對太陽輻射的遮擋）、蒸騰潛熱（葉片水分蒸騰降低街道內(nèi)潛熱）和對流換熱（葉表溫度與來流溫度的對流降低街道內(nèi)熱量）是行道樹對街道內(nèi)熱環(huán)境進行調(diào)節(jié)的3 種重要方式,樹冠能量平衡中占主導(dǎo)成分的是太陽得熱（約占36%）和蒸騰作用（約占51%）[32].已有研究證實室外植被的遮陽效果明顯優(yōu)于人工遮陽設(shè)施[33],尤其對夏季炎熱干旱的地區(qū),植被冠層能夠幫助減少空氣污染,提供生物多樣性棲息地[34].此外,風(fēng)環(huán)境對城市居民整體福祉有重要影響,尤其是城市規(guī)劃階段評估行人對風(fēng)環(huán)境的體驗是十分重要的內(nèi)容[35].國內(nèi)外學(xué)者對行道樹實現(xiàn)遮陽和蒸騰作用的驅(qū)動因素的探討[36-47]圍繞在微觀層面和宏觀層面：樹木本身的結(jié)構(gòu)形態(tài)（tree morphological types,TMT）和群落特征（community feature index,CFI）,見表1.

表1 城市行道樹特征參數(shù)影響街道微氣候研究簡表Tab.1 Table of the study of urban street tree characteristic parameters affecting street microclimate

由表1 可知,行道樹的調(diào)節(jié)作用與冠層覆蓋緊密相關(guān).樹冠幾何形態(tài)[36-39],樹木葉片空間分布和葉片大小、方位等決定太陽輻射穿透冠層的能力并對其進行散射,從而減少冠下太陽輻射強度、降低林蔭內(nèi)空氣溫度和地表溫度[40].在白天太陽輻射較強的時段,由于樹冠形態(tài)和葉面積密度分布的差異對熱環(huán)境的改善明顯不同,因此在總?cè)~面積相同的情況下,水平區(qū)域分布越廣的樹木能夠提供越好的改善效果[32].Couttons[37]指出樹蔭降低地表溫度的同時通過降低平均輻射溫度,降低街道空間的整體溫度并改善空氣流動.在密集的街道空間內(nèi),不同的冠層形狀也對街道通風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生影響[41].Ruzana[42]指出植物面積指數(shù)（plant area index,PAI）越大越能夠增強行道樹的微氣候調(diào)節(jié)能力.Gillner[43]通過對比不同葉面積密度（leaf area density,LAD）和葉片氣孔度（leaf stomatal conductance,LSD）發(fā)現(xiàn)行道樹覆蓋的陰影區(qū)內(nèi)空氣溫度、地表溫度和相對舒適度明顯優(yōu)于無行道樹覆蓋區(qū)域,并提出高葉面積和高蒸騰速率的樹木對降低空氣溫度更有效.天空視圖因子（sky view factor,SVF）是樹木樹冠遮蔽街道內(nèi)部天空形成天空可視開場程度的指數(shù),用于計算太陽輻射強度,樹木冠層可降低18.52%的天空可視區(qū)域[48],與其微氣候調(diào)節(jié)能力存在線性關(guān)系[45],因此能夠為街道提供有效的遮蔽作用[46].樹種間不同的TMT 差異（如樹齡、冠層形態(tài)、冠幅、樹梢結(jié)構(gòu)、葉密度、葉形等）通過產(chǎn)生不同的遮蔭效應(yīng)引起人體熱感覺變化[47].全球不同氣候區(qū)城市進行樹種差異的研究,結(jié)果證實不同樹種對室外熱環(huán)境的調(diào)節(jié)能力存在差異[48-50].群落特征指將行道樹群落視為整體,其種植模式及種植策略等對街道空間內(nèi)整體的微氣候水平產(chǎn)生的作用.王美蓮等[51]研究證實行道樹在不同種植模式下對微氣候的改善水平不同,“三板四帶”較“一板兩帶”產(chǎn)生的遮蔭、增濕效應(yīng)、調(diào)節(jié)風(fēng)環(huán)境的能力更好；封閉型的林蔭空間比半開敞的林蔭空間調(diào)節(jié)作用更顯著[52].同時,合理布置行道樹的種植位置產(chǎn)生的效益水平更高[53],種植密集的大型喬木冠層能夠明顯提高室外熱環(huán)境舒適度[31].

行道樹是為行人提供冠層覆蓋遮蔽的主要植被類型,增加植被量和冠層覆蓋是緩解熱島效應(yīng)、提高室外行人熱舒適的一個有效策略[48].明確的樹種選擇能夠讓行道樹更適應(yīng)城市環(huán)境[54],了解不同樹種可能為處在炎熱環(huán)境中的城市居民、行人提供微氣候效益的程度,對選擇樹木和更換樹木非常有益；有效的種植策略能夠幫助在規(guī)劃階段合理布置樹種和位置,使城市道路綠化系統(tǒng)產(chǎn)生更大的效益.

2.2 行道樹調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境舒適性的評價方法

適用的評價方法不僅為行道樹改善街道熱環(huán)境從定量研究提供標(biāo)準(zhǔn),也為制定改善城市熱環(huán)境和行道樹種植策略提供重要依據(jù).利用熱舒適方程對行道樹改善室外熱環(huán)境提供熱舒適的量化水平進行評價是最合理有效的評判標(biāo)準(zhǔn),但人對熱環(huán)境的感知屬性對理解城市綠色空間與熱舒適性間的關(guān)系也十分重要[55-56].因此,指數(shù)評價和熱適應(yīng)性評價是目前研究主要使用的2 種評價方法,如表2 所示.

表2 行道樹調(diào)節(jié)街道熱舒適評價方法簡表Tab.2 Table of evaluation methods for street thermal comfort with street trees

2.2.1 指數(shù)評價 等效溫度（physiological equivalent temperature,PET）和熱通用氣候指數(shù)（universal thermal climate index,UTCI）是目前研究中最常用的2 種熱舒適評價指數(shù).對比環(huán)境與人體因素發(fā)現(xiàn),PET 指數(shù)和UTCI 指數(shù)較好地考慮人體皮膚熱環(huán)境條件下的新陳代謝與著裝影響人體熱反應(yīng)的效果[28],因此國內(nèi)外研究者普遍以PET[33,42,57-58]和UTCI[59-60]指數(shù)評價行道樹的微氣候效應(yīng)下的城市熱環(huán)境水平.但UTCI 指標(biāo)更全面地考慮了人體參數(shù)和敏感性,且與PET 指數(shù)的吻合度更高,能夠?qū)Σ煌瑲夂驐l件下的熱環(huán)境進行預(yù)測和評價[61],則受到更多研究者的青睞.

2.2.2 熱適應(yīng)性評價 熱適應(yīng)性即人們對熱舒適的適應(yīng)性,包括行為適應(yīng)、心理適應(yīng)、生理適應(yīng)3 方面.熱適應(yīng)理論認(rèn)為人通過有意識或無意識地調(diào)整自身行為以適應(yīng)熱環(huán)境,行道樹在調(diào)節(jié)城市微氣候的同時,不僅立足于其產(chǎn)生的生態(tài)效益（降溫增濕、遮陽通風(fēng)等）,同時改變居民對夏季室外環(huán)境的熱感知、改善居民與行人室外步行環(huán)境質(zhì)量,從而提高城市居民外出步行與活動的幾率[62-63].

部分學(xué)者對行道樹與居民熱感知和室外活動的關(guān)系進行了驗證,證實10%的樹冠能夠有效降低1 K的平均輻射,改善行人的戶外熱感知[64].室外綠化水平影響居民室外活動,尤其能夠提高老年女性居民外出活動的水平[65]；Chinmoy[66]通過遙感光譜反射率（分辨率0.5 m）測得歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）,結(jié)合行道樹種植密度與居民的步行行為建立Logistic 回歸模型,發(fā)現(xiàn)步行幾率與樹木密度和街道網(wǎng)絡(luò)水平中間度相關(guān)；街道綠化的數(shù)量和質(zhì)量與體育休閑活動呈正相關(guān),證實街道綠化與居民健康效益之間存在運作機制[67].

行道樹是為行人提供遮蔽的主要植被類型, 通過明確的樹種選擇和有效的種植規(guī)劃能夠讓其更適應(yīng)城市環(huán)境,對比了解不同樹種為城市居民和行人在夏季提供有效的熱舒適水平差異,對城市的可持續(xù)發(fā)展和居民的健康福祉更有益.

3 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

目前,國內(nèi)外常用的對行道樹調(diào)節(jié)街道熱環(huán)境舒適性進行的研究方法主要有現(xiàn)場實測、問卷調(diào)查、經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬,見表3.

表3 行道樹調(diào)節(jié)街道熱環(huán)境舒適性研究方法簡表Tab.3 Table of research methods for street trees to regulate street thermal environment comfort

由表3 可知,在每一項具體的研究中,依據(jù)實際情況綜合其優(yōu)缺點選擇合適的研究方法,現(xiàn)場實測法和數(shù)值模擬法占比重較大.實地觀測法通過使用環(huán)境參數(shù)測量儀和專業(yè)移動氣候監(jiān)測站對多個樣點進行同步采樣,是微氣候領(lǐng)域最基礎(chǔ)和普遍應(yīng)用的研究方法,大部分研究者采用短時定點連續(xù)的方式進行觀測.由于城市微氣候環(huán)境特征復(fù)雜且街區(qū)環(huán)境多變,使用該方法可以第一時間獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場氣候資料,更好地與其他研究方法的結(jié)果進行對比驗證[9].但在具體實驗過程中,該方法易受到測試數(shù)量及范圍、測試地點、天氣因素和人為等因素影響實測數(shù)值的真實性和可靠性.

經(jīng)驗公式法的目的在于數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換,其中以計算平均輻射溫度（Mean Radient Temperature,MRT）最普遍.根據(jù)ISO-7726 標(biāo)準(zhǔn),將實測獲得的空氣溫度（Ta）、濕度（RH）、風(fēng)速（Va）及黑球溫度（Tg）帶入公式計算

式（1）中：i 為黑球系數(shù)0.95；D 為實測儀器的黑球直徑.

研究者通過計算平均輻射溫度,進行微氣候變化規(guī)律的分析研究,該值也是計算熱舒適指數(shù)PET 和UTCI 的主要數(shù)據(jù)之一.Rayman 模型的應(yīng)用極大方便了熱舒適指數(shù)的計算,利用數(shù)值算法模型量化實地氣候[68],結(jié)合環(huán)境的魚眼照片可以準(zhǔn)確地計算SVF 等相關(guān)數(shù)據(jù),其計算結(jié)果與實際觀察有較好的一致性[69].但該方法對實測數(shù)據(jù)的依賴性強,難以適用實測條件難達到且便量要素難控制的狀況[4].近年來,基于流體力學(xué)（computed fluid dynamic,CFD）模型為基礎(chǔ)的ENVI-met 軟件得到廣泛應(yīng)用,主要用于模擬城市小尺度空間內(nèi)實體表面-植物-空氣相互作用的模擬計算[7].由于其計算結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定,能夠模擬宏觀空間的微氣候,因此城市規(guī)劃設(shè)計和微氣候設(shè)計領(lǐng)域多用于預(yù)測城市熱減緩策略下的熱效應(yīng),在對城市實施具體的減緩策略之前,使用計算模型進行測試和驗證進行策略評估[70],確定緩解城市微尺度氣候措施的適用性.通過設(shè)置不同的空間解析度（0.5～10 m）和時間解析度（10 s）確定城市背景環(huán)境,模擬城市環(huán)境中實體表面-植物-空氣的相互作用,計算和輸出街區(qū)尺度微氣候環(huán)境因子溫度、風(fēng)場、濕度、輻射以及污染物[7],利用模型中已有的植物數(shù)據(jù)庫并修改樹木對象的TMT 和CFI 參數(shù),如：樹木的蒸騰速率和葉片溫度[71]、葉面積指數(shù)[72]等,建立植被模型,模擬完整的街道場景并計算樹木對微氣候的改善水平,并將熱舒適結(jié)算結(jié)果通過云圖進行可視化.探究行道樹提供微氣候效益最主要驅(qū)動因素[73]和最有效的種植策略[74],Tsoka[75]將已有的模擬研究對比后指出,利用ENVI-met 模型模擬城市綠化（樹木）評估其冷卻潛以及力對空氣、表面溫度和平均輻射改善的因素的準(zhǔn)確有效.

4 小結(jié)與展望

大量研究成果證實了行道樹對街道微氣候的改善作用不可替代, 并對居民與行人健康福祉具有正面影響,其生態(tài)效益和社會效益的相關(guān)研究已得到學(xué)界和決策者的廣泛關(guān)注.未來研究應(yīng)對行道樹的參數(shù)特征進行更全面的量化分析.目前對行道樹定量化研究多是基于其TMT 特征進行,關(guān)注其群落特征的研究還較少,在今后的研究中應(yīng)當(dāng)補充,不斷綜合各類特征參數(shù)對調(diào)節(jié)能力的影響水平.行道樹發(fā)揮生態(tài)效益的同時也產(chǎn)生一定的社會效益,目前雖然有學(xué)者開始將二者結(jié)合探討行道樹的綜合效益,但數(shù)量較少,仍需補充以完善該領(lǐng)域的研究.與國外學(xué)者的研究成果相比較而言,國內(nèi)相關(guān)研究還未積累一定的數(shù)量,亟待進一步擴展.有必要進一步展開時空動態(tài)研究,探討行道樹與城市居民福祉的動態(tài)關(guān)系.目前相關(guān)研究仍以較短時間內(nèi)收集樹木和居民行人的信息數(shù)據(jù),分析二者間的福祉關(guān)系,未來研究應(yīng)當(dāng)將城市發(fā)展過程、居民人口變化及規(guī)劃管理政策變化與行道樹生長、規(guī)劃潛力等結(jié)合,為城市規(guī)劃管理提出合理建議和科學(xué)依據(jù).