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(lèi)大量的工作交通活動(dòng)需求,是城市的必要性場(chǎng)所[4],聚集大量城市居民活動(dòng)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(guò)人為手段進(jìn)行調(diào)控[6-8],因此近年來(lái)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(guò)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(duì)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(jì)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(duì)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(guò)喬木、建筑物懸挑等遮陽(yáng)措施改善行人熱舒適作用更顯著[18-20].此后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者相應(yīng)展開(kāi)針對(duì)街谷綠化調(diào)節(jié)微氣候的研究.

大量研究證實(shí),行道樹(shù)具有優(yōu)于城市公園內(nèi)樹(shù)種的多樣性和生長(zhǎng)狀況,能夠很好地對(duì)抗城市環(huán)境壓力[21],其通過(guò)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(dòng)的舒適性體驗(yàn)[22],尤其對(duì)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(guò)居民對(duì)街道熱環(huán)境的適應(yīng)性來(lái)評(píng)價(jià)行道樹(shù)對(duì)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(shù)改善街道微氣候舒適性水平為連接點(diǎn),討論行道樹(shù)調(diào)節(jié)能力及其作用機(jī)制,梳理其調(diào)節(jié)作用影響下與行人居民戶(hù)外熱感知的關(guān)系,總結(jié)其研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題,對(duì)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(píng)價(jià)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(lái),美國(guó)采暖制冷及空氣調(diào)節(jié)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）展開(kāi)評(píng)價(jià)人體熱舒適度標(biāo)準(zhǔn)的大量實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(lái)建立熱舒適方程,優(yōu)化人體熱舒適度指數(shù),但此時(shí)的指標(biāo)仍未將人心理和生理及活動(dòng)特征差異納入考量；此后的二節(jié)點(diǎn)模型、PMV-PDD 和SET 對(duì)影響因素的考量雖越來(lái)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(guó)際生物氣象學(xué)會(huì)（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(shù)調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境舒適性的驅(qū)動(dòng)因素及評(píng)價(jià)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(shù)木通過(guò)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(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者專(zhuān)家基于行道樹(shù)林蔭遮蔽對(duì)街道微氣候的物理作用（溫濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射及黑球溫度等）進(jìn)行定量化分析,并對(duì)其進(jìn)行物理和心里水平的評(píng)價(jià),探究影響其作用水平的驅(qū)動(dòng)力因素.國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究起步較晚,主要在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行地域上的補(bǔ)充研究.結(jié)果顯示：樹(shù)木冠層能夠有效降低夏季陽(yáng)光直接輻射,降低冠下空氣溫度[29]和熱舒適水平[30]；樹(shù)木結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的差異對(duì)其發(fā)揮生態(tài)效益的能力更具決定性影響；生長(zhǎng)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(hù)外步行幾率與活動(dòng)類(lèi)型[31].

2.1 行道樹(shù)調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境舒適性的的驅(qū)動(dòng)因素

遮陽(yáng)（樹(shù)冠對(duì)太陽(yáng)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(duì)流換熱（葉表溫度與來(lái)流溫度的對(duì)流降低街道內(nèi)熱量）是行道樹(shù)對(duì)街道內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)的3 種重要方式,樹(shù)冠能量平衡中占主導(dǎo)成分的是太陽(yáng)得熱（約占36%）和蒸騰作用（約占51%）[32].已有研究證實(shí)室外植被的遮陽(yáng)效果明顯優(yōu)于人工遮陽(yáng)設(shè)施[33],尤其對(duì)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(duì)城市居民整體福祉有重要影響,尤其是城市規(guī)劃階段評(píng)估行人對(duì)風(fēng)環(huán)境的體驗(yàn)是十分重要的內(nèi)容[35].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)行道樹(shù)實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)和蒸騰作用的驅(qū)動(dòng)因素的探討[36-47]圍繞在微觀層面和宏觀層面：樹(shù)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(jiàn)表1.

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

由表1 可知,行道樹(shù)的調(diào)節(jié)作用與冠層覆蓋緊密相關(guān).樹(shù)冠幾何形態(tài)[36-39],樹(shù)木葉片空間分布和葉片大小、方位等決定太陽(yáng)輻射穿透冠層的能力并對(duì)其進(jìn)行散射,從而減少冠下太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、降低林蔭內(nèi)空氣溫度和地表溫度[40].在白天太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)段,由于樹(shù)冠形態(tài)和葉面積密度分布的差異對(duì)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(shù)木能夠提供越好的改善效果[32].Couttons[37]指出樹(shù)蔭降低地表溫度的同時(shí)通過(guò)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(dòng).在密集的街道空間內(nèi),不同的冠層形狀也對(duì)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(qiáng)行道樹(shù)的微氣候調(diào)節(jié)能力.Gillner[43]通過(guò)對(duì)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(shù)覆蓋的陰影區(qū)內(nèi)空氣溫度、地表溫度和相對(duì)舒適度明顯優(yōu)于無(wú)行道樹(shù)覆蓋區(qū)域,并提出高葉面積和高蒸騰速率的樹(shù)木對(duì)降低空氣溫度更有效.天空視圖因子（sky view factor,SVF）是樹(shù)木樹(shù)冠遮蔽街道內(nèi)部天空形成天空可視開(kāi)場(chǎng)程度的指數(shù),用于計(jì)算太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,樹(shù)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?yàn)榻值捞峁┯行У恼诒巫饔肹46].樹(shù)種間不同的TMT 差異（如樹(shù)齡、冠層形態(tài)、冠幅、樹(shù)梢結(jié)構(gòu)、葉密度、葉形等）通過(guò)產(chǎn)生不同的遮蔭效應(yīng)引起人體熱感覺(jué)變化[47].全球不同氣候區(qū)城市進(jìn)行樹(shù)種差異的研究,結(jié)果證實(shí)不同樹(shù)種對(duì)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(shù)群落視為整體,其種植模式及種植策略等對(duì)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(shí)行道樹(shù)在不同種植模式下對(duì)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(kāi)敞的林蔭空間調(diào)節(jié)作用更顯著[52].同時(shí),合理布置行道樹(shù)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(shù)是為行人提供冠層覆蓋遮蔽的主要植被類(lèi)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(gè)有效策略[48].明確的樹(shù)種選擇能夠讓行道樹(shù)更適應(yīng)城市環(huán)境[54],了解不同樹(shù)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(duì)選擇樹(shù)木和更換樹(shù)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(shù)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(shù)調(diào)節(jié)室外熱環(huán)境舒適性的評(píng)價(jià)方法

適用的評(píng)價(jià)方法不僅為行道樹(shù)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(shù)種植策略提供重要依據(jù).利用熱舒適方程對(duì)行道樹(shù)改善室外熱環(huán)境提供熱舒適的量化水平進(jìn)行評(píng)價(jià)是最合理有效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),但人對(duì)熱環(huán)境的感知屬性對(duì)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(píng)價(jià)和熱適應(yīng)性評(píng)價(jià)是目前研究主要使用的2 種評(píng)價(jià)方法,如表2 所示.

表2 行道樹(shù)調(diào)節(jié)街道熱舒適評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)表Tab.2 Table of evaluation methods for street thermal comfort with street trees

2.2.1 指數(shù)評(píng)價(jià) 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(píng)價(jià)指數(shù).對(duì)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(guó)內(nèi)外研究者普遍以PET[33,42,57-58]和UTCI[59-60]指數(shù)評(píng)價(jià)行道樹(shù)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(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)[61],則受到更多研究者的青睞.

2.2.2 熱適應(yīng)性評(píng)價(jià) 熱適應(yīng)性即人們對(duì)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(guò)有意識(shí)或無(wú)意識(shí)地調(diào)整自身行為以適應(yīng)熱環(huán)境,行道樹(shù)在調(diào)節(jié)城市微氣候的同時(shí),不僅立足于其產(chǎn)生的生態(tài)效益（降溫增濕、遮陽(yáng)通風(fēng)等）,同時(shí)改變居民對(duì)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(dòng)的幾率[62-63].

部分學(xué)者對(duì)行道樹(shù)與居民熱感知和室外活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證,證實(shí)10%的樹(shù)冠能夠有效降低1 K的平均輻射,改善行人的戶(hù)外熱感知[64].室外綠化水平影響居民室外活動(dòng),尤其能夠提高老年女性居民外出活動(dòng)的水平[65]；Chinmoy[66]通過(guò)遙感光譜反射率（分辨率0.5 m）測(cè)得歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）,結(jié)合行道樹(shù)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(shù)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(dòng)呈正相關(guān),證實(shí)街道綠化與居民健康效益之間存在運(yùn)作機(jī)制[67].

行道樹(shù)是為行人提供遮蔽的主要植被類(lèi)型, 通過(guò)明確的樹(shù)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(duì)比了解不同樹(shù)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(duì)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(guó)內(nèi)外常用的對(duì)行道樹(shù)調(diào)節(jié)街道熱環(huán)境舒適性進(jìn)行的研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、問(wèn)卷調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬,見(jiàn)表3.

表3 行道樹(shù)調(diào)節(jié)街道熱環(huán)境舒適性研究方法簡(jiǎn)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(xiàng)具體的研究中,依據(jù)實(shí)際情況綜合其優(yōu)缺點(diǎn)選擇合適的研究方法,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法和數(shù)值模擬法占比重較大.實(shí)地觀測(cè)法通過(guò)使用環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x和專(zhuān)業(yè)移動(dòng)氣候監(jiān)測(cè)站對(duì)多個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)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(shí)定點(diǎn)連續(xù)的方式進(jìn)行觀測(cè).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(shí)間獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)氣候資料,更好地與其他研究方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[9].但在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,該方法易受到測(cè)試數(shù)量及范圍、測(cè)試地點(diǎn)、天氣因素和人為等因素影響實(shí)測(cè)數(shù)值的真實(shí)性和可靠性.

經(jīng)驗(yàn)公式法的目的在于數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換,其中以計(jì)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(shí)測(cè)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(jì)算

式（1）中：i 為黑球系數(shù)0.95；D 為實(shí)測(cè)儀器的黑球直徑.

研究者通過(guò)計(jì)算平均輻射溫度,進(jìn)行微氣候變化規(guī)律的分析研究,該值也是計(jì)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(jì)算,利用數(shù)值算法模型量化實(shí)地氣候[68],結(jié)合環(huán)境的魚(yú)眼照片可以準(zhǔn)確地計(jì)算SVF 等相關(guān)數(shù)據(jù),其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀察有較好的一致性[69].但該方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴(lài)性強(qiáng),難以適用實(shí)測(cè)條件難達(dá)到且便量要素難控制的狀況[4].近年來(lái),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(shí)體表面-植物-空氣相互作用的模擬計(jì)算[7].由于其計(jì)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(jì)和微氣候設(shè)計(jì)領(lǐng)域多用于預(yù)測(cè)城市熱減緩策略下的熱效應(yīng),在對(duì)城市實(shí)施具體的減緩策略之前,使用計(jì)算模型進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證進(jìn)行策略評(píng)估[70],確定緩解城市微尺度氣候措施的適用性.通過(guò)設(shè)置不同的空間解析度（0.5～10 m）和時(shí)間解析度（10 s）確定城市背景環(huán)境,模擬城市環(huán)境中實(shí)體表面-植物-空氣的相互作用,計(jì)算和輸出街區(qū)尺度微氣候環(huán)境因子溫度、風(fēng)場(chǎng)、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(kù)并修改樹(shù)木對(duì)象的TMT 和CFI 參數(shù),如：樹(shù)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(chǎng)景并計(jì)算樹(shù)木對(duì)微氣候的改善水平,并將熱舒適結(jié)算結(jié)果通過(guò)云圖進(jìn)行可視化.探究行道樹(shù)提供微氣候效益最主要驅(qū)動(dòng)因素[73]和最有效的種植策略[74],Tsoka[75]將已有的模擬研究對(duì)比后指出,利用ENVI-met 模型模擬城市綠化（樹(shù)木）評(píng)估其冷卻潛以及力對(duì)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(shí)了行道樹(shù)對(duì)街道微氣候的改善作用不可替代, 并對(duì)居民與行人健康福祉具有正面影響,其生態(tài)效益和社會(huì)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(lái)研究應(yīng)對(duì)行道樹(shù)的參數(shù)特征進(jìn)行更全面的量化分析.目前對(duì)行道樹(shù)定量化研究多是基于其TMT 特征進(jìn)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(bǔ)充,不斷綜合各類(lèi)特征參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)能力的影響水平.行道樹(shù)發(fā)揮生態(tài)效益的同時(shí)也產(chǎn)生一定的社會(huì)效益,目前雖然有學(xué)者開(kāi)始將二者結(jié)合探討行道樹(shù)的綜合效益,但數(shù)量較少,仍需補(bǔ)充以完善該領(lǐng)域的研究.與國(guó)外學(xué)者的研究成果相比較而言,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究還未積累一定的數(shù)量,亟待進(jìn)一步擴(kuò)展.有必要進(jìn)一步展開(kāi)時(shí)空動(dòng)態(tài)研究,探討行道樹(shù)與城市居民福祉的動(dòng)態(tài)關(guān)系.目前相關(guān)研究仍以較短時(shí)間內(nèi)收集樹(shù)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(lái)研究應(yīng)當(dāng)將城市發(fā)展過(guò)程、居民人口變化及規(guī)劃管理政策變化與行道樹(shù)生長(zhǎng)、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).