吳昌廣 樊 萱 肖乾坤 郭雅耘 成雅田 WU Changguang, FAN Xuan, XIAO Qiankun, GUO Yayun, CHENG Yatian

0 引 言

在全球氣候變暖與城市熱島效應(yīng)的雙重影響下，城市地區(qū)高溫事件發(fā)生的強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時間均顯著增加，直接導(dǎo)致居民熱不適[1-2]。街道峽谷（街谷）是由街道與相鄰兩側(cè)建筑物圍合而成的線性開敞空間，承載了居民的交通出行與日常生活等重要功能[3-4]。街谷作為城市戶外空間的基本構(gòu)成單元，其熱環(huán)境質(zhì)量的改善對室外公共空間活力提升有極重要的影響。行道樹種植對街谷近地微氣候和熱舒適度有明顯改善作用，被作為城市園林部門應(yīng)對高溫健康脅迫、提升街谷熱環(huán)境的重要策略[5]。如何充分發(fā)揮行道樹對街谷環(huán)境熱舒適度的提升潛力成為諸多學(xué)者和規(guī)劃設(shè)計師關(guān)注的熱點(diǎn)。

街谷行道樹對人體熱舒適度的影響具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，其主要通過樹冠對太陽輻射的遮擋、反射作用[6-8]和樹木葉片的蒸騰作用[9-11]調(diào)控街谷熱環(huán)境因子，進(jìn)而影響人體與環(huán)境之間的對流換熱、潛熱蒸發(fā)、熱輻射等熱平衡過程（圖1）。研究表明，樹木葉片的疏密程度和冠幅大小顯著影響樹冠攔截和吸收輻射的強(qiáng)度以及蒸騰冷卻能力[12-13]，同時，樹高也會顯著影響平均輻射溫度的降幅[14]，進(jìn)而影響街谷熱舒適度的改善。然而，行道樹種植形成的連續(xù)樹冠會導(dǎo)致街谷內(nèi)部空氣流動性變差，從而對熱舒適度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響[14-15]。此外，街谷空間形態(tài)如高寬比、走向等通過影響太陽輻射和內(nèi)部通風(fēng)改變行道樹的熱舒適度改善效益[16-21]?？梢钥闯?，行道樹種植對街谷熱環(huán)境的調(diào)節(jié)具有復(fù)雜機(jī)理，熱舒適度的增加或減少取決于樹木個體形態(tài)特征、綠帶空間配置模式以及街谷幾何形態(tài)等各種因子間的相互作用。

圖1 行道樹對街谷熱環(huán)境的調(diào)控機(jī)制及人體與環(huán)境間的熱平衡過程Fig.1 regulation mechanisms of trees on thermal environment in the streetcanyon and process of heat balance between human bodyandenvironment

由于不同地域城市街谷環(huán)境的復(fù)雜性和常用綠化樹種的差異，需要通過評價街谷空間形態(tài)與行道樹配植方式對熱舒適度的協(xié)同影響，科學(xué)制定與特定街谷環(huán)境相適應(yīng)的行道樹種植設(shè)計策略，以最大化發(fā)揮行道樹的生態(tài)效益。近年來，“街谷行道樹種植對熱舒適度影響”相關(guān)學(xué)術(shù)研究取得了豐碩成果。本文對這類研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，綜述了當(dāng)前街谷行道樹配植方式對熱舒適度調(diào)控研究的概貌，總結(jié)了街谷行道樹對熱舒適度調(diào)控的影響因素，剖析目前研究存在的局限和需重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題并探討未來研究的趨向，以期為后續(xù)工作提供相關(guān)借鑒與啟示。

1 行道樹配植方式對街谷熱舒適度調(diào)控研究的總體概貌

基于Web of Science核心合集和中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫，本文分別使用((TS=“street*”) AND TS=(“thermal comfort”or“microclimate*”or“heat stress”)) AND TS=(“tree*”or“greenery”or“plant*”)和SU%=（‘街谷’+‘街道’）*（‘熱舒適’+‘熱環(huán)境’）*（‘行道樹’+‘綠化’）為檢索式獲取2000—2022年間的街谷行道樹與環(huán)境熱舒適度關(guān)聯(lián)性研究，共得到395篇文獻(xiàn)。通過判讀與篩選得到了核心文獻(xiàn)42篇，并對研究要素、研究方法、氣候區(qū)、熱舒適指標(biāo)等內(nèi)容進(jìn)行分類統(tǒng)計。由表1可見，該領(lǐng)域研究可劃分為以下三個主題：行道樹樹木個體形態(tài)對熱舒適度的調(diào)控、行道樹綠帶空間配置與街谷熱舒適度整體提升的關(guān)聯(lián)性，以及適應(yīng)不同街谷空間形態(tài)的行道樹種植設(shè)計策略。相關(guān)研究主要集中在亞熱帶濕潤氣候區(qū)和溫帶海洋性氣候區(qū)，對其他氣候區(qū)涉及較少。熱舒適指標(biāo)以生理等效溫度（Physiological Equivalent Temperature, PET）、通用熱氣候指數(shù)（Universal Thermal Climate Index, UTCI）為主。

表1 行道樹對街谷環(huán)境熱舒適度調(diào)控研究的主題、要素、方法、氣候區(qū)和熱舒適指標(biāo)①Tab.1 topics, elements, methods, climate zone, thermal comfort indices of research on the outdoor thermal comfort by street canyon trees

從不同主題來看，一是重點(diǎn)探討研究區(qū)域具有代表性的街谷中樹木個體形態(tài)特征對環(huán)境熱舒適度的調(diào)控作用，其主要通過樹木葉面積衡量不同樹種的熱舒適度提升潛力。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步探討冠幅、冠形、分枝點(diǎn)高度等形態(tài)特征對街谷熱舒適度的影響規(guī)律，為行道樹樹種選擇提供依據(jù)。二是聚焦于探索種植間距、排列方式、綠化覆蓋率等行道樹綠帶空間配置參數(shù)對環(huán)境熱舒適度的影響，旨在為行道樹配置模式提供指引。三是綜合評估不同走向、不同高寬比街谷（淺街谷（H/W≤0.5）、規(guī)則街谷（0.5 ＜H/W＜＜2）、深街谷（H/W≥2）[60-62]）中行道樹綠化設(shè)計方案對熱舒適度的改善效益，進(jìn)而提煉適應(yīng)局地環(huán)境特征的行道樹種植設(shè)計策略。

從研究方法來看，現(xiàn)場測量通過在不同地區(qū)典型街谷行道樹冠下設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，獲得相應(yīng)時間地點(diǎn)的空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、風(fēng)速等熱舒適度相關(guān)小氣候因子數(shù)據(jù)，同時測量行道樹樹冠特征參數(shù)與街谷形態(tài)參數(shù)，利用統(tǒng)計學(xué)分析探討某一特征因子對街谷熱舒適度的影響規(guī)律[22]?？s尺尺度外場實(shí)驗(yàn)是在室外建立等比例縮小的城市理想街谷模型，通過精確控制植被和街谷參數(shù)，研究了在非穩(wěn)態(tài)真實(shí)氣象條件下實(shí)驗(yàn)變量對街谷熱環(huán)境的影響機(jī)理[23]。數(shù)值模擬在利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置多情景方案模擬評估行道樹種植設(shè)計模式對環(huán)境熱舒適度的影響，從而提出面向街谷熱舒適度改善的設(shè)計策略[24-25]?？梢钥闯觯瑪?shù)值模擬是最常用的研究方法，但不同研究方法間可互為補(bǔ)充以提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 街谷行道樹對環(huán)境熱舒適度調(diào)控的影響因素

2.1 樹木個體形態(tài)

行道樹樹木葉面積是調(diào)控街谷環(huán)境熱舒適度的主要驅(qū)動因素，其優(yōu)化效益通常隨著樹木葉面積的增加而提升[7]，當(dāng)樹木葉面積過小，樹冠遮蔭作用不足以抵消對氣流的阻礙作用則會對熱舒適度產(chǎn)生負(fù)面影響。趙敬源和劉加平[26]模擬了不同LAI的行道樹對西安規(guī)則街谷環(huán)境熱舒適度的影響，結(jié)果表明LAI大于3的行道樹可顯著改善街谷的熱舒適度，而LAI小于1的行道樹會導(dǎo)致局部熱舒適度惡化。近年來，在LAI的基礎(chǔ)上有研究提出LAD[27]，以更精細(xì)地描述樹冠垂直方向上不同冠層高度的葉面積差異。莫拉金約和拉姆（Morakinyoa T E ＆ Lam Y M）[27]在香港的模擬研究指出，PET的降幅會因LAD分布差異而不同，行道樹葉片分散分布比集中分布具有更好的熱舒適度改善效益。

調(diào)節(jié)行道樹樹高、冠幅和冠形等形態(tài)參數(shù)可以增加樹木遮蔭和改善街谷通風(fēng)，進(jìn)而提高其熱舒適度改善潛力[28-29]。一項香港的數(shù)值模擬研究比較了8種具有不同LAI和樹高的行道樹在規(guī)則街谷中的熱舒適度改善效果，指出較低LAI的樹種可通過降低樹高以增加樹木對太陽輻射的衰減作用，從而改善熱舒適度[30]?？琢幔↘ong L）等[33]在香港構(gòu)建12種樹木模型，模擬分析不同樹種個體特征差異對熱舒適度的調(diào)控作用，結(jié)果指出具有較大冠幅和LAI、較低樹高的行道樹更能有效改善淺街谷環(huán)境熱舒適度。李賢靜（Lee H）等[31]在德國弗萊堡通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，行道樹冠幅由5 m增加至7 m時，淺街谷平均PET最高降低6.4 ℃。不同冠形也會影響行道樹的熱舒適改善潛力，圓柱形樹冠比相同高度和冠幅的球形樹冠和錐形樹冠更能有效地提升熱舒適度[32]。

綜合考慮樹木葉面積、冠幅和樹高等多種個體形態(tài)特征因子是行道樹配植過程中科學(xué)選擇樹種的關(guān)鍵。部分研究以植物面積指數(shù)（Plant Area Index，PAI）來表征樹冠整體特征，PAI定義為綜合考慮葉、枝、果和花等所有樹冠物理要素的樹冠垂直投影的估計值，被認(rèn)為更適合用于分析樹木的熱舒適度改善潛力[34]。薩努西（Sanusi R）等[35]在澳大利亞墨爾本實(shí)地測量三條南北向街谷中具有不同葉片和樹冠特征的行道樹冠下小氣候因子，指出高PAI的樹種更有利于PET改善，而當(dāng)行道樹PAI相似時，樹木冠形、冠幅和葉片形態(tài)的差異對街谷熱舒適度的影響不顯著。

2.2 綠帶空間配置

行道樹種植間距、排列方式對街谷環(huán)境熱舒適度改善也起著重要作用[36-38]。王宇鵬和阿克巴里（Wang Y ＆ Akbari H）[39]在加拿大蒙特利爾的模擬研究表明，與不連續(xù)種植模式相比，行道樹連續(xù)種植模式更有助于街谷環(huán)境熱舒適度提升，當(dāng)樹冠間距減小50%，規(guī)則街谷平均輻射溫度降低9 ℃。帕克（Park C Y）等[40]進(jìn)一步探討了行道樹冠幅與種植間距對街谷熱舒適的協(xié)同影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)種植間距由11 m減小至3 m時，冠幅為10 m的行道樹使街谷MRT降低0.6 ℃，而冠幅為3 m的行道樹使MRT降低達(dá)11.2 ℃，表明小冠幅行道樹在減小種植間距時熱舒適度改善效果更顯著。此外，優(yōu)化行道樹綠帶布局能通過影響太陽對街谷空間的直射范圍和街谷內(nèi)風(fēng)場分布顯著提升熱舒適度。研究表明，與街谷中央種植行道樹相比，兩側(cè)種植行道樹對熱舒適度改善效果更好[27]。

適當(dāng)增加街谷綠化覆蓋率可以對環(huán)境熱舒適度產(chǎn)生積極影響[41-42]。在希臘雅典，綠化覆蓋率從7.8%增加至50%可使規(guī)則街谷平均PET降低8.2 ℃[43]。在埃及開羅的研究同樣發(fā)現(xiàn)，50%綠化覆蓋率提供了最優(yōu)的熱舒適度改善效益[44]。黃卓迪（Huang Z）等[45]在武漢淺街谷中通過現(xiàn)場觀測與問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中、低喬木覆蓋率（52.05%、38.61%）區(qū)域的行人熱感覺無顯著差異，僅在高喬木覆蓋率（94.16%）下熱舒適度得到顯著改善。然而，綠化覆蓋率大小與其改善效果間并非呈線性關(guān)系，過度增加綠化覆蓋率反而導(dǎo)致PET升高。歐陽婉璐（Ouyang W）等[46]在香港以2%為增幅，模擬分析了不同綠化覆蓋率下規(guī)則街谷中的平均PET，結(jié)果表明在綠化覆蓋率由18%增加至20%時出現(xiàn)最大PET降幅，而覆蓋率大于30%后，PET不再顯著下降，指出最佳綠化覆蓋率范圍為20%～30%。博切內(nèi)克（Bochenek A D）等[47]在波蘭羅茲通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，與無樹相比，10%的綠化覆蓋率較19%的綠化覆蓋率更有利于改善規(guī)則街谷環(huán)境熱舒適度。可以看出，相關(guān)研究結(jié)論在不同氣候區(qū)具有較大差異，行道樹配植時需進(jìn)一步確定相應(yīng)氣候區(qū)最佳綠化覆蓋率的范圍。

2.3 街谷空間形態(tài)

行道樹對環(huán)境熱舒適度的調(diào)控作用會受到街谷空間形態(tài)的影響，最優(yōu)樹種選擇和空間配置因街谷高寬比和走向而異[48-51]。大多數(shù)研究表明，深街谷中行道樹的熱舒適度改善效益并不明顯[52-53]。莫拉金約（Morakinyo T E）等[54]在香港的研究發(fā)現(xiàn)在深街谷種植LAI分別為1.83和3.55的樹木時具有相似的PET，增加樹木葉面積對深街谷熱舒適度無顯著提升，而在淺街谷中則相反[55]。李賢靜（Lee H）等[31]研究發(fā)現(xiàn)，淺街谷（H/W=0.5）中增加綠化覆蓋率產(chǎn)生的平均PET降幅顯著大于深街谷（H/W=2.0）。

譚錚（Tan Z）等[56]在香港進(jìn)一步模擬研究了不同走向街谷最優(yōu)的行道樹布局模式，結(jié)果表明行道樹種植在東西走向街谷的兩側(cè)、南北走向街谷的西側(cè)等太陽輻射量更大的位置可以更好地改善熱舒適度。郭曉暉等[57]在杭州利用具有三維特征的樹木可視因子（Tree View Factor，TVF）表征綠化覆蓋程度，發(fā)現(xiàn)增加TVF對熱舒適度的改善效果在東西走向街谷中更顯著。德國弗萊堡的模擬研究表明，由于臨街建筑的遮陽效果，東西走向深街谷北側(cè)較南側(cè)更需要通過種植行道樹改善人行道熱舒適度[31]。而南半球城市由于太陽高度角的差異得出了相反的結(jié)論，庫茨（Coutts A M）等[58]在澳大利亞墨爾本的研究指出行道樹種植在東西走向街谷南側(cè)更優(yōu)。此外，行道樹綠帶與臨街建筑之間的距離也會對環(huán)境熱舒適度產(chǎn)生影響，一項模擬研究表明在哈爾濱南北走向街谷中，行道樹綠帶種植在靠近街谷中央的位置時熱舒適度改善效果最優(yōu)，而東西走向的街谷則需要靠近臨街建筑種植[59]?？梢钥闯?，由于各地區(qū)緯度差異導(dǎo)致太陽高度角不同，需要綜合考慮街谷走向和相應(yīng)地區(qū)太陽輻射方位以確定最優(yōu)行道樹布局位置。

3 改善街谷熱舒適度的適應(yīng)性行道樹配植設(shè)計

基于對亞熱帶濕潤氣候區(qū)研究成果的總結(jié)梳理，總結(jié)了不同高寬比街谷中的行道樹種植設(shè)計策略（表2）。對于淺街谷，應(yīng)充分考慮冠大蔭濃的樹種，并采用樹冠連續(xù)的種植模式以增強(qiáng)遮蔭作用。規(guī)則街谷中行道樹在提供遮蔭同時減少對空氣流通的阻礙，采用不連續(xù)種植進(jìn)一步應(yīng)提高街谷空間通風(fēng)潛力。深街谷中由于兩側(cè)建筑的遮擋可選擇樹冠較小的樹種，保持一定的種植間距，促進(jìn)空氣流通。由于不同地區(qū)適用的行道樹種存在較大差異，因此在應(yīng)用過程中需要建立當(dāng)?shù)氐木G化植物數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合植物個體形態(tài)參數(shù)將通用的樹木形態(tài)對應(yīng)到實(shí)際樹種。同時，考慮到不同類型街谷中的太陽輻射量和方位，應(yīng)采取合適的樹冠間距和行道樹布局方式以實(shí)現(xiàn)行道樹對街谷環(huán)境熱舒適度的改善作用。

表2 典型街谷空間形態(tài)下的行道樹種植設(shè)計策略（亞熱帶濕潤氣候區(qū)）Tab.2 design strategies of street tree planting under typical spatial forms of street canyons (Cfa)

由于氣候區(qū)間的差異和街谷空間的復(fù)雜性，最佳的行道樹種植設(shè)計策略需要結(jié)合局地環(huán)境特征具體分析。因此，為更好地發(fā)揮行道樹綠化改善街谷熱環(huán)境的生態(tài)效益，本文構(gòu)建了一套面向街谷環(huán)境熱舒適度提升的行道樹種植設(shè)計方案生成與優(yōu)化方法框架（圖2）。該框架包括基礎(chǔ)資料、設(shè)計程序、模擬平臺3大模塊，其中基礎(chǔ)資料收集和模擬平臺構(gòu)建為行道樹種植設(shè)計提供了有力的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)方法。設(shè)計程序分為樹種選擇、空間配置、評估優(yōu)化、方案生成4個步驟。首先，針對樹木熱舒適調(diào)節(jié)潛力受區(qū)域氣候背景、樹木個體特征、街谷空間形態(tài)影響導(dǎo)致最優(yōu)樹種難以確定的科學(xué)問題，對不同形態(tài)的樹木熱舒適度調(diào)節(jié)＜潛力開展情景模擬分析，得到適應(yīng)不同街谷空間形態(tài)的最優(yōu)樹木個體特征組合模式及其樹種庫。其次，結(jié)合街道功能類型的景觀、遮蔭需求確定行道樹種植間距和排列布局，形成行道樹種植設(shè)計初步方案。最后對上述綠化種植設(shè)計方案進(jìn)行熱舒適度模擬評估，判斷街谷熱舒適度評估結(jié)果是否滿足在時間和空間占比方面的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并通過不斷優(yōu)化生成行道樹種植設(shè)計最終方案。

圖2 改善熱舒適度的街谷行道樹種植設(shè)計方案生成流程與技術(shù)框架Fig.2 process and technical framework for street tree planting design program generation for thermal comfort improvement in street canyons

4 研究展望

綜合來看，目前關(guān)于街谷行道樹對熱舒適度影響的研究較為豐富，形成了較為完善的研究方法。但街谷環(huán)境復(fù)雜，行道樹種植對熱舒適度的改善效益受多種因素影響，研究結(jié)論與街谷綠化種植設(shè)計實(shí)踐的銜接度較低，缺乏綜合考慮多種因子協(xié)同效應(yīng)的探索。為科學(xué)化系統(tǒng)化地發(fā)揮行道樹的熱舒適度改善效益，結(jié)合本文的設(shè)計方法框架，未來研究可從以下3個方面展開更深入的探討。

第一，建立響應(yīng)區(qū)域氣候特征的街谷行道樹配植設(shè)計模式。既有研究多關(guān)注單一要素對行道樹熱舒適度改善效果的影響，缺乏對要素間協(xié)同作用的考量，無法對行道樹種植設(shè)計要素進(jìn)行系統(tǒng)性統(tǒng)籌安排。未來應(yīng)綜合考慮城市行道樹、街谷空間形態(tài)與區(qū)域氣候條件之間的協(xié)同影響，揭示街谷空間形態(tài)參數(shù)、行道樹個體特征與布局參數(shù)的交互作用和相對重要性，建立適應(yīng)區(qū)域氣候特征下最優(yōu)熱舒適度改善潛力的行道樹布局模式、個體特征組合模式及對應(yīng)的樹種庫，從而為城市街谷綠化提供更為直接的參考。

第二，構(gòu)建城市街谷空間熱舒適度模擬評估導(dǎo)則。利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測環(huán)境熱舒適度已經(jīng)成為國內(nèi)外研究及應(yīng)用趨勢，但數(shù)值模擬過程操作復(fù)雜且專業(yè)性強(qiáng)，目前還未形成標(biāo)準(zhǔn)化的評估導(dǎo)則為設(shè)計師提供對方案評估-分析-反饋的技術(shù)流程。為確保在實(shí)踐應(yīng)用過程中數(shù)值模擬評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，未來應(yīng)建立適用于城市街谷空間的熱舒適模擬評估計算技術(shù)規(guī)程，從數(shù)值模型選擇、計算域大小設(shè)定、邊界條件設(shè)置、模擬時段選擇等方面制定統(tǒng)一的專項評估要求。

第三，制定城市街谷空間熱舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有研究多利用瞬時或平均熱舒適度量化行道樹對街谷環(huán)境熱舒適度的調(diào)控作用，忽略其在時間和空間上的差異性，并未考慮不同氣候區(qū)、不同功能類型的街谷空間熱舒適度需求。未來應(yīng)在參照不同氣候區(qū)下熱舒適度評價指標(biāo)與熱感覺標(biāo)尺對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，得到各模擬方案的中性熱感覺空間范圍占比與時長占比，并根據(jù)不同功能類型街谷中的需求確定城市街谷空間熱舒適度閾值范圍，從而為前期設(shè)計方案評估提供科學(xué)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

注釋：

① 根據(jù)柯本氣候分類系統(tǒng)，Cfa：亞熱帶濕潤氣候；Cfb：溫帶海洋性氣候；Cwa:亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候；Aw：熱帶草原氣候；Af：熱帶雨林氣候；Bwh：熱帶沙漠氣候；Bwk：涼爽沙漠氣候；Dfa：熱夏型溫帶濕潤氣候；Dfb：溫帶大陸性氣候；Dwa：暖溫帶大陸性氣候；LAI：葉面積指數(shù) Leaf area index；LAD：葉面積密度 Leaf area density；CM：冠形 Crown morphology；CW：冠幅 Crown width；HT：樹高 Height of tree；TH：枝下高 Trunk height；CS：間距 Canopy spacing; PA：排列Plant arrangement；GCR：綠化覆蓋率 Green Coverage ratio；FM：現(xiàn)場測量Field measurement；NS：數(shù)值模擬Numerical simulation；室外縮尺度比例模型Scaled outdoor experiments；PET：生理等效溫度，Physiological Equivalent Temperature；UTCI:通用熱氣候指數(shù)，Universal Thermal Climate Index；MRT：平均輻射溫度，Mean Radiation Temperature；SET：標(biāo)準(zhǔn)有效溫度，Standard Effective Temperature；WBGT：濕黑球溫度The Wet-Bulb Globe Temperature；THI：溫濕度指數(shù)，Temperature humid index；括號中數(shù)字表示文獻(xiàn)的數(shù)量：The numbers in parentheses are the number of references。

圖表來源：

圖1-2: 作者繪制

表1-2: 作者繪制