許 敏

洪 波*

姜潤聲

城市道路綠化是緩解城市熱負荷的重要措施之一[1-2]。研究表明行道樹在提升城市環(huán)境、減少能源消耗和緩解城市熱島等方面有著積極作用[3-4]。行道樹可以改善道路周圍的微氣候、提升道路空間熱環(huán)境，具體表現(xiàn)在降低空氣溫度、增加空氣濕度、減弱太陽和地面輻射，以及改善通風等方面[5-7]。

針對行道樹對城市環(huán)境的研究降溫效果已在不同氣候區(qū)開展[8]。美國印第安納州伯明頓、澳大利亞墨爾本、新加坡和印度班加羅爾等地的相關(guān)研究表明行道樹遮陰區(qū)域比無遮陰區(qū)域的空氣溫度分別低0.1、0.9、1.1和5.6℃[9-12]。行道樹可以有效降低城市街道空氣溫度，且溫度降低與樹冠覆蓋率密切相關(guān)[13]。行道樹冠層遮陰主要由冠型、冠層深度、葉面積分布、樹木間距、栽培和灌溉方式等決定[14]。不同特征(如樹齡、冠型、冠幅、樹梢結(jié)構(gòu)、葉密度、葉色、葉質(zhì)和葉形等)的行道樹會產(chǎn)生不同的遮陰覆蓋效應，引起人體熱感覺變化[15]。枝葉密集的鐵力木(Mesua ferrea)比響盒子樹(Hura crepitans)對樹冠下方的熱輻射改善效果明顯。較大的葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)能促進樹木的蒸騰作用從而降低環(huán)境空氣溫度[5]。英國榆(Ulmus procera)和懸鈴木(Platanusxacerifolia)的街道的小氣候環(huán)境優(yōu)于栽植桉樹(Eucalyptus robusta)的街道，且這3種行道樹的微氣候調(diào)節(jié)能力隨著植物面積指數(shù)(Plant Area Index，PAI)增大而增加[16]。

道路綠化通過影響道路周圍的微氣候，進而改善行人的熱舒適[17]。熱舒適是指：“對熱環(huán)境感到滿意的意識狀態(tài)”[18]?？諝鉁囟?、相對濕度、風速和太陽輻射等是影響人體熱舒適的主要因素[19-21]。此外，道路的走向、高寬比也能影響行人的熱舒適[17]。有無樹木遮陰往往導致樹木對城市的生物氣候條件、平均輻射溫度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)和生物氣象熱指數(shù)產(chǎn)生不同的影響[22]。樹木遮陰能顯著降低生理等效溫度(Physiological Equivalent Temperature，PET)，改善人體熱舒適，且不同樹種及其種植形式的改善效果存在差異[23]。街道綠化通過形成樹蔭對行人熱舒適產(chǎn)生影響，10%的樹冠遮蓋可以使街道的Tmrt降低約1K[19]。在高寬比和走向相同的情況下，無行道樹的街道的行人不舒適時間更長[20]。樹冠覆蓋率較高的樹木對南北走向街道的微氣候改善效果低于東西走向街道[21]。Georgi & Dimitriou利用不舒適指數(shù)(Discomfort Index，DI)比較了樹下遮陰區(qū)域與陽光照射道路之間的熱舒適差異，表明有遮陰區(qū)域的Ta和DI均比陽光下低3.1℃，且不同樹種Ta和DI存在差異[23]。

綜上可見，相關(guān)的研究已開展了道路綠化對行人熱舒適影響的研究，但這些研究多集中于夏熱冬暖區(qū)或夏熱冬冷區(qū)，針對寒冷地區(qū)的相關(guān)研究較少[24-27]。由于居民心理、生理的差異，以及熱經(jīng)歷和熱期望的不同，不同氣候區(qū)的居民熱感知差異較大[28]。因此，本研究通過對寒冷地區(qū)不同行道樹樹蔭和陽光下的氣象參數(shù)的測量，運用通用熱氣候指數(shù)(Universal Thermal Climate Index，UTCI)分析不同行道樹種下的室外熱環(huán)境和行人熱舒適的差異，并通過紅外熱成像儀測定行道樹葉表面溫度，分析行道樹葉表面溫度和行人熱舒適的關(guān)系。以期為基于室外熱舒適評價的寒冷地區(qū)城市街道樹種選擇提供理論基礎和技術(shù)指導。

1 研究方法

1.1 實驗場地

選擇西北農(nóng)林科技大學校園為實測場地(118°5′N，34°15′E)。根據(jù)柯本氣候分類，該校園地處位置屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，氣候溫和，雨量適中[24]。6—8月為夏季，炎熱多雨，12—翌年2月為冬季，寒冷干燥。夏季平均空氣溫度為26℃，平均最高溫度和最低溫度范圍分別為29.6～31.7℃和17.2～22.4℃。全年平均相對濕度在57.2%～77.4%之間。太陽輻射強度 8月最強，為578.8W·m-2。該校園占地面積173.33hm2，道路綠化采用“一樹一路”的設計方式(每條道路栽植一種行道樹)，為開展不同行道樹對行人室外熱舒適的影響研究提供了理想場地。

選取校園內(nèi)分別栽植銀杏、鵝掌楸、懸鈴木、苦楝(Melia azedarach)、臭椿(Ailanthus altissima)、三角槭(Acer buergerianum)和白玉蘭的7條道路進行分析。這些樹種也是該地區(qū)最常見的城市綠化行道樹[29]。樹種選擇滿足：1)樹木生長良好，且同為道路設計時栽植，樹齡相近；2)樹木的形態(tài)和生態(tài)學特征能夠直觀反映植物種類；3)道路周圍環(huán)境相似，不受其他植被或建筑遮陰的影響，下墊面及地形特征統(tǒng)一，路寬及樹距相近。7條道路中，苦楝路、玉蘭路、臭椿路和三角槭路為南北走向(N-S)，懸鈴木路、銀杏路和鵝掌楸路為東西走向(E-W)(圖1)。

1.2 實地測試

分別監(jiān)測每條行道樹樹蔭和陽光下的空氣溫度(Ta)、相對濕度(RH)、風速(Va)、黑球溫度(Tg)和太陽輻射強度(G)?？諝鉁囟群拖鄬穸葦?shù)據(jù)采用HOBO氣象站進行采集，分別用風速計(Kestrel 5500，Nielsen-Kellerman Co.USA)、熱指數(shù)儀(HD32.2 WBGT Index，Delta OHM，Italy)和太陽輻射自記儀(Pyranometer TBQ-2)記錄環(huán)境中的風速、黑球溫度和太陽輻射強度(表1)。記錄間隔均為1min，儀器高度為距離地平面1.5m。參照前人的研究[14]，以陽光下的測點作為參照點，與被測行道樹的距離不超過50m，樹蔭下的測點安置在午時降溫最顯著的行道樹路的中間位置(圖2)。所有行道樹的測試在8月內(nèi)完成。測試日的天氣狀況為晴好無風，選擇一天中較熱且人們活動較頻繁的時間段10：00—16：00進行測試。同時，用紅外熱成像儀(Testo 885，Germany)拍攝行道樹熱成像照片，記錄行道樹表面的溫度。熱成像圖片的拍攝要求拍攝者距離被測樹木20m，順著太陽的照射方向拍攝完整樹木。此外，各行道樹的樹下的天空可視因子(Sky View Factor，SVF)通過拍攝魚眼照片獲取。照片拍攝時，將樹干看成4個面——朝向道路的面、遠離道路的面、兩樹之間的面，以及在朝向道路的面的樹冠下方朝上拍攝半球形照片。根據(jù)太陽軌跡，對于南北方向的道路，分別拍攝東西兩側(cè)受試行道樹的魚眼照片；對于東西方向的道路，則只拍攝南側(cè)行道樹的魚眼照片。7種行道樹的魚眼照片和SVF值如圖3所示。

1.3 熱指數(shù)

UTCI是基于人體能量平衡開發(fā)的用于室外熱環(huán)境評價的指標，為基于“Fiala”多節(jié)點人體生理學和熱舒適模型。該模型綜合考慮了人體因環(huán)境變化而對衣物的調(diào)整和人體不同部位的衣物熱阻分布，以及因風速引起的衣物熱阻和水蒸氣蒸發(fā)能力，使得該指標對任何季節(jié)、氣候和尺度的熱環(huán)境都適用[30]。利用RayMan2.1計算道路空間的UTCI值[30]。

圖2 實地測試示意圖

圖3 7種行道樹的魚眼照片及SVF值

2 結(jié)果與討論

2.1 道路空間熱環(huán)境

樹木對人體熱舒適的影響主要由平均輻射溫度(Tmrt)引起。為了研究7種行道樹對城市道路空間熱環(huán)境的改善效果，研究分析了陽光和樹蔭下Ta和Tmrt的變化。根據(jù)ISO 7726標準，Tmrt的計算公式為：

其中，Tg為黑球溫度(℃)；Ta為空氣溫度，Va為風速(m/s)；D為黑球直徑(m)(本研究中D＝0.05m)；ε為黑球系數(shù)(本研究中ε＝0.95)。

與陽光下相比，樹蔭下的Ta和Tmrt均有不同程度降低。懸鈴木對Ta的降低能力最強(ΔTa=-1.5℃)。銀杏、苦楝、白玉蘭、鵝掌楸、三角槭和臭椿的降溫能力依次減弱。銀杏對Tmrt降低作用最明顯(ΔTmrt=-35.2℃)，其次是三角槭、白玉蘭、懸鈴木、鵝掌楸、苦楝和臭椿(表2)。表明行道樹的形態(tài)特征和種類的差異導致對熱舒適的改善效應不同，且該降低作用與道路走向無關(guān)，這與Shahidan等的研究結(jié)果一致[6]。

測試時間段內(nèi)，道路周圍及樹蔭下的空氣溫度均呈上升趨勢，銀杏和白玉蘭周圍的熱環(huán)境較差，Ta和Tmrt均較高。樹蔭下熱環(huán)境較好的是懸鈴木，這與其相對較涼爽的周圍環(huán)境有關(guān)。銀杏改善樹蔭下熱環(huán)境效果最顯著。此外，所有行道樹的平均輻射溫度的降低效果均在12：00—14：00內(nèi)表現(xiàn)最佳(圖4)。

2.2 道路空間熱舒適

不同行道樹對行人熱舒適的影響主要由樹木遮陰效果所決定[14]。樹木遮陰主要取決于冠層大小、形狀以及葉面積分布。樹木通過影響太陽輻射穿透量而改變樹下熱環(huán)境，進而影響行人熱舒適[31]。天空可視因子(SVF)代替LAI和PAI等作為定量樹木遮陰程度的指標，已在相關(guān)研究中使用[32-33]。為了驗證道路空間SVF與行人熱舒適的關(guān)系，本研究使用UTCI分析不同行道樹改善室外熱舒適的效果。根據(jù)測量的陽光下和遮陰下的氣象數(shù)據(jù)及個人參數(shù)，運用RayMan模型分別計算陽光下熱舒適指標的數(shù)值(UTCIs)與遮陰下的熱舒適指標的數(shù)值(UTCIsh)，并求二者差值的平均值(ΔUTCI)，用下式表示：

表1 氣象參數(shù)測量所使用的儀器

表2 不同行道樹樹蔭下和陽光下氣象因子差值

圖4 陽光下和樹蔭下的Ta(4-1)和Tmrt(4-2)變化

圖5 ΔUTCI與SVF之間的關(guān)系

其中，ΔUTCI為陽光下通用熱氣候指數(shù)與遮陰下通用熱氣候指數(shù)的差值；UTCIs為在陽光下的通用熱氣候指數(shù)；UTCIsh為遮陰環(huán)境下的通用熱氣候指數(shù)；n為數(shù)據(jù)個數(shù)(本研究中n＝1 080)。

行道樹對道路空間行人室外熱舒適的改善效果與其SVF呈強線性關(guān)系(R2=0.8415)。SVF增大，樹木改善熱舒適的效果減弱，且該改善作用與街道走向無明顯關(guān)系(圖5)，該結(jié)果與Lin等的研究結(jié)果一致[34]。

銀杏在降低行人街道人體室外熱應力方面的效果最顯著，ΔUTCI為9.44℃，其SVF最小，僅0.025。其次是白玉蘭(SVF＝0.052)和三角槭(SVF＝0.058)，ΔUTCI分別為8.99和8.95℃。臭椿的改善效果最差(SVF＝0.112，ΔUTCI＝6.21℃)。SVF越大，穿過樹冠到達行人體表和地面的太陽輻射越多，導致樹蔭下行人熱舒適較差[35]。

懸鈴木樹蔭下的UTCI平均值在測試時間內(nèi)最低，白玉蘭和苦楝的樹下UTCI平均值相對較高。盡管銀杏樹具有最優(yōu)的降低樹下熱環(huán)境及提高人體室外熱舒適的能力，但由于14：00—16：00其周圍環(huán)境較熱，導致UTCI值偏高(圖6)。因此，該時間段銀杏樹下的熱環(huán)境仍處于不舒適范圍，而懸鈴木樹下的熱舒適度則相對較高。以上結(jié)果表明，為了營造舒適的道路環(huán)境，要結(jié)合周圍熱環(huán)境狀況合理選擇樹種，在較熱的小氣候環(huán)境中栽植熱緩解能力更強的樹種。

分析測試時間段內(nèi)7種行道樹改善熱舒適效果隨時間的變化，銀杏在大部分時間均表現(xiàn)出較優(yōu)的改善熱舒適的效果，尤其是10：00—13：00。但在13：00—14：00，銀杏的熱緩解作用低于白玉蘭，由于白玉蘭葉片較大，午后太陽光傾斜射入地面，與植被葉片之間形成夾角，較大的葉片能夠反射更多的太陽輻射量，阻止光線射向地面，提高了樹下行人熱舒適。臭椿改善熱舒適的效果相對較弱，主要受低SVF和小葉片的影響，穿過樹冠到達人體皮膚表面的輻射通量多，熱舒適感較差。尤其是在13：30后，太陽輻射由于傾斜入射至地面，導致樹下輻射量與陽光下輻射量差值減小，且這種趨勢隨著時間的推移更加明顯，ΔUTCI降低速率增大。結(jié)果表明，不同行道樹種對人體室外熱舒適的影響效果與街道走向無明顯關(guān)系(圖7)。

2.3 葉表面溫度與熱舒適

圖6 行道樹樹蔭下每小時UTCI平均值

圖7 行道樹對熱舒適的改善效果隨時間的變化

圖8 7種行道樹的葉表面溫度

樹木表面溫度反映了樹木對光的截取能力，且對樹蔭下的行人熱舒適有顯著影響[36]。圖8為10：00和16：00時7種行道樹的葉表面熱成像圖及葉表面溫度。通過計算每2h所包含的3個整點所測得的葉表面溫度的平均值作為該時間段內(nèi)樹木的平均葉表面溫度，與對應的2h時間間隔內(nèi)樹下的UTCI平均值進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，樹木的葉表面溫度與UTCI呈線性正相關(guān)(R2=0.8083)，說明樹下熱舒適度的高低與植物表面溫度密切相關(guān)(圖9)。植物表面溫度主要受葉片對光輻射的吸收率的影響，植物單葉對光輻射的吸收率在34%～60%之間，不同樹種因葉片大小和其他葉片性狀的不同而導致對光輻射的吸收率不同，對太陽輻射吸收力強的樹木，其葉周圍溫度相對較高，導致樹蔭下的熱舒適性減弱。公式為：

3 結(jié)論

本研究選取校園內(nèi)白玉蘭、銀杏、三角槭、苦楝、鵝掌楸、臭椿和懸鈴木7種典型的行道樹，通過對樹蔭和陽光下氣象參數(shù)的監(jiān)測，運用熱舒適評價指標UTCI，定量分析了行道樹種的形態(tài)特征對行人室外熱舒適的影響，結(jié)論如下。1)行道樹改善行人熱舒適作用明顯，且樹木形態(tài)特征差異導致樹種對城市熱環(huán)境的改善效應不同。懸鈴木具有最強的降低Ta能力，依次是銀杏、苦楝、白玉蘭、鵝掌楸、三角槭和臭椿。銀杏對Tmrt的降低效果最明顯，其次是三角槭、白玉蘭、懸鈴木、鵝掌楸、苦楝和臭椿。2)行道樹對行人街道人體室外熱舒適的改善效果主要受SVF的影響，SVF越大，樹木的改善熱舒適效果越弱。銀杏在降低人體室外熱應力方面的效果最顯著，其次是白玉蘭和三角槭，臭椿的改善效果最弱。3)夏季樹木的Tls與UTCI呈線性正相關(guān)，樹蔭下行人熱舒適隨葉表面溫度的升高而降低。

綜上可見，行道樹覆蓋率、樹高、樹冠形狀、冠幅滲透率、樹干和分支點結(jié)構(gòu)以及葉片的大小和形狀對周圍道路空間的行人熱舒適有影響，且不同的區(qū)域環(huán)境特征和樹木生長條件下該影響效果有明顯差異。今后的道路綠化設計應根據(jù)不同的區(qū)域小氣候環(huán)境選擇合適的行道樹種。同時在行道樹的修剪過程中，要將樹冠形狀、樹干和分支點等要素和小氣候環(huán)境結(jié)合起來。另一方面，今后的研究應建立不同區(qū)域、不同種類的行道樹對道路空間行人熱舒適的改善作用參數(shù)化數(shù)據(jù)庫，從改善道路空間熱舒適的角度更加系統(tǒng)、科學地指導道路綠化的樹種選擇。

圖9 樹蔭下UTCI與葉表面溫度之間的關(guān)系

致謝：感謝西北農(nóng)林科技大學風景園林藝術(shù)學院碩士研究生閆珊珊、米家熠、秦紅巧、安樂、牛佳琦、周蘊涵、賀曉云和崔雪等對數(shù)據(jù)收集提供的幫助。