西安城市街道“單拱”型林蔭街谷空間冬季微氣候測試分析

樊亞妮

董蘆笛*

城市街道是城市空間的重要組成部分，既承擔(dān)了交通運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，又為城市居民提供了公共生活活動的場所[1]，也是人、氣候、建筑相互作用的集中區(qū)域[2]。良好的街道空間品質(zhì)不僅能夠?yàn)槌鞘袔碛鋹偟牟叫畜w驗(yàn)、舒暢的感覺和放松的狀態(tài)[3]，還能夠促進(jìn)人們更多地參與戶外活動和交往[4]，提升人體的健康水平。后疫情時代，城市空間需要具備健康服務(wù)功能，已成為基本要求，健康街道成為存量規(guī)劃及健康城市背景下的街道發(fā)展新模式[5]。

改善街道物理環(huán)境、提升熱舒適和熱健康水平、創(chuàng)造熱健康環(huán)境，成為街道空間風(fēng)景園林微氣候設(shè)計(jì)研究的重要內(nèi)容和目標(biāo)，也是構(gòu)成健康城市和街道環(huán)境的重要評價指標(biāo)[6]。城市街道空間熱環(huán)境是室外動態(tài)熱環(huán)境，是在街道空間形態(tài)和太陽輻射、風(fēng)、濕等氣象條件共同作用下，通過動態(tài)熱過程產(chǎn)生的街谷微氣候環(huán)境。城市街道空間形態(tài)是由行道樹林蔭空間與城市街谷空間共同構(gòu)成的林蔭街谷空間形態(tài)，讓空間形態(tài)要素、風(fēng)景園林要素和太陽輻射、風(fēng)、濕等氣象條件一起做“功”，改善城市戶外微氣候環(huán)境和冬夏兩季街道戶外熱舒適狀況，對創(chuàng)造街道熱健康環(huán)境有重要意義。

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者主要針對空間形態(tài)對微氣候的影響、空間微氣候動態(tài)熱過程機(jī)制、空間熱舒適評價及分區(qū)展開大量研究工作。相關(guān)研究表明城市街道空間微氣候舒適性耦合了空間要素、氣候要素與人的舒適感受[7]，街道空間要素中的街道走向、高寬比、林冠覆蓋率、林冠形態(tài)、行道樹位置、空間界面是影響街道空間微氣候設(shè)計(jì)的變化要素[8-9]；人體舒適感受是影響街道空間微氣候設(shè)計(jì)的評價要素[10]。在微氣候動態(tài)熱過程和形成機(jī)制分析中，通過建立三維街谷能量交換模型進(jìn)行動態(tài)模擬，提出街谷內(nèi)空氣的動態(tài)熱過程是個復(fù)雜的熱濕耦合過程，并對街谷內(nèi)太陽輻射的日過程和各圍合界面的熱作用進(jìn)行了分析[11]。通過實(shí)測和數(shù)值模擬，對微氣候熱舒適空間進(jìn)行量化分區(qū)，將街道微氣候熱舒適與其空間形態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以此為依據(jù)提出相應(yīng)的街道空間形態(tài)優(yōu)化策略[12-13]。既往研究中對寒冷地區(qū)城市街道空間冬季微氣候及熱舒適的研究較少，且多以住區(qū)道路為研究對象，環(huán)境相對簡單，未考慮行道樹對冬季街道空間的熱作用影響。此外，數(shù)值模擬研究呈現(xiàn)結(jié)果的可讀性不強(qiáng)，不易直接作為規(guī)劃設(shè)計(jì)的參考。

本研究以中緯度寒冷地區(qū)西安老城區(qū)城市生活性道路為對象，分別對東西走向和南北走向的街道林蔭空間進(jìn)行微氣候?qū)崪y，抓住其冬季濕度低、風(fēng)速小的氣候特征，太陽輻射、溫度和行道樹樹冠主為要影響因子，分析街道空間冬季微氣候變化規(guī)律，以及街道空間界面熱作用形成機(jī)制和加熱效率，在此基礎(chǔ)上，對街道空間進(jìn)行“相對熱舒適”分區(qū)和形態(tài)特征對應(yīng)，提出寒冷地區(qū)冬季不同走向街道空間的微氣候調(diào)控建議，尋找服務(wù)熱健康的微氣候熱舒適改善途徑和策略。

1 窄街道“單拱”型林蔭街谷空間概念界定

1.1 林蔭街谷空間形態(tài)類型

根據(jù)街道兩側(cè)有無建筑及建筑的圍合程度，街道空間可分為封閉型、半封閉型和開敞型；基于街道空間行道樹的種植方式和樹冠相交程度，可分為“單拱”型林蔭空間、“單行”型林蔭空間；行道樹樹冠層又將林蔭街谷在垂直方向上分為了冠層以上和冠層以下兩部分[14]。在上述“單拱”和“單行”的分類基礎(chǔ)上，由道路的斷面結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了林蔭空間的組合形式可分為封閉型拱廊“林蔭隧道”空間和開敞型行列式“林蔭峽谷”空間。

1.2 林蔭街谷空間形態(tài)參數(shù)

窄街道，即城市支路，是城市中寬度最小的城市交通干道，多為生活性道路，數(shù)量最多、分布最廣，是典型街道空間形態(tài)之一。西安城市支路寬度為20～30m，多為單幅路一板兩帶雙車道，道路兩側(cè)種植行道樹，設(shè)置人行道，兩側(cè)建筑物多為6層以下的多層建筑或小于24m的高層建筑裙房。本研究將街道寬度能夠與行道樹林冠形成封閉圍合的“單拱”林蔭空間界定為窄街道，將街道寬度大于城市支路的街道界定為寬街道，能夠與行道樹樹冠形成“連續(xù)拱”“兩行”“多行”和“混合式”等多種形式的林蔭街谷。

街谷空間，即街道峽谷空間，由Nicholson于1975年提出，指的是狹窄街道與其兩側(cè)連續(xù)排布建筑形成的特殊大氣邊界層下墊面形式。街谷空間的概念隨后得到了延伸，是指城市中道路及周邊的建筑形成的城市大氣邊界層下墊面中的狹長低谷[15]，即“U”型空間，一般用高寬比和對稱性表示特征。街谷的高寬比H/W≈1，且兩側(cè)建筑界面無較大開口的街道峽谷稱為理想街谷[14]；H/W>1時，“U”型空間斷面呈垂直方向的長方形，稱深街谷；H/W<1時，呈水平方向的長方形，稱淺街谷。研究通過對西安城市街道的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，窄街道的高寬比(H/W)在0.8～1.2之間，接近H/W≈1，因其“U”型空間斷面呈方形，故將其界定為方街谷，高寬比(H/W)>1.2為深街谷，高寬比(H/W)<0.8為淺街谷。

林蔭空間，是由夏季行道樹樹冠遮陽而形成的空間類型。2行行道樹的樹冠相連，兩側(cè)樹干和頂部相連樹冠共同構(gòu)成一條林蔭拱廊，稱為“單拱”型林蔭空間。西安城市街道大多種植行道樹形成林蔭空間，90%的行道樹采用落葉大喬木[16]，滿足冬夏兩季的熱舒適調(diào)節(jié)需求。夏季葉冠形成林蔭空間，樹冠覆蓋面積大，遮陰效果好；冬季落葉形成枝干空間，陽光透射效果好。西安的行道樹優(yōu)勢種是國槐，也是市樹和傳統(tǒng)鄉(xiāng)土樹種，在11月中旬開始落葉，葉片自然脫落后進(jìn)入休眠期，停止生長減緩代謝，來年4月中旬發(fā)芽?！皢喂啊毙土质a空間是窄街道2行行道樹組合的基本空間模式，也是窄街道最常見林蔭空間模式。夏季遮陽林蔭空間在冬季行道樹落葉后，樹冠變成枝冠，不再起遮陽作用，成為冬季透陽“枝冠空間”，滿足冬夏兩季的熱舒適調(diào)節(jié)需求。

街道走向，西安城市街道基本為正南正北棋盤網(wǎng)格狀分布，街道走向主體為南北走向和東西走向，少量街道為東北-西南走向和西北-東南走向。晴天日照條件下，南北向街道東西兩側(cè)上下午有日照變化，東西向街道南北兩側(cè)日照不變，南側(cè)全天沒有日照，北側(cè)全天有。東北-西南走向和西北-東南走向街道日照模式接近南北走向街道。

街道空間界面，由街道的地面、兩側(cè)建筑的街墻和行道樹的枝冠構(gòu)成。空間界面對街道空間起圍合作用，同時，也是街道空間的加熱器。白天日照區(qū)的空間界面將太陽直射短波輻射轉(zhuǎn)化長波輻射快速加熱空氣，陰影區(qū)的空間界面吸收天空散射輻射，不能快速加熱空氣。

街道空間圍合度，是指在街谷中被林蔭兩側(cè)的建筑界面圍合的程度，四面封閉，成為“單拱”全封閉型林蔭街谷空間，兩側(cè)或單側(cè)無建筑界面圍合封閉的為“單拱”半封閉型林蔭街谷空間。圍合度越高，越能夠限制空氣內(nèi)部與外部的對流，從而減緩換熱交換過程，起到保溫的作用；圍合度越高，空間越封閉，對日照遮擋越多，影響街谷內(nèi)太陽輻射的進(jìn)入量和分布時段區(qū)域。

街道走向、高寬比、空間界面、空間圍合度、林蔭空間類型等空間形態(tài)參數(shù)，對窄街道方街谷型林蔭街道空間微氣候產(chǎn)生影響，形成了其特有熱舒適空間分布變化規(guī)律。

1.3 “單拱”封閉型林蔭街谷空間

城市街道“單拱”封閉型林蔭街谷空間，是由西安城市支路20～30m寬的窄街道，高寬比0.8～1.2的方街谷和行道樹單拱林蔭空間構(gòu)成的。研究選取在夏季遮陽降溫作用良好的南北向和東西向2組“單拱”封閉型林蔭街谷空間，進(jìn)行冬季微氣候?qū)崪y，將街道冬季日照、空氣溫度與空間形態(tài)要素、戶外人體熱舒適相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行耦合性分析和空間評價，揭示冬季行道樹落葉后枝冠空間對街道微氣候的影響作用。

2 熱健康環(huán)境與相對熱舒適區(qū)劃分

2.1 熱舒適與熱健康環(huán)境

環(huán)境溫度的變化有利于人體健康[17]。不斷變化的環(huán)境在長期地刺激人體，是人體適應(yīng)能力增強(qiáng)或減弱的關(guān)鍵。人體的生理調(diào)節(jié)能力隨著外界熱刺激的變化而增加其能力，提高了對熱環(huán)境的適應(yīng)能力。

熱舒適是對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)，不舒適是產(chǎn)生舒適的前提，包含對舒適的期望。熱舒適是相對于熱不舒適而存在的，是在動態(tài)熱環(huán)境中由不舒適到舒適的轉(zhuǎn)變過程，在穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境中不存在。動態(tài)熱環(huán)境中，人體處于不同熱狀態(tài)時，冷刺激和熱刺激的作用不同。當(dāng)人體溫度高于中性溫度時，冷刺激會引起人體的舒適或愉悅反應(yīng)，當(dāng)人體溫度低于中性溫度時，熱刺激會引起舒適或愉悅反應(yīng)[18]。

健康熱環(huán)境，指當(dāng)一個具有適當(dāng)熱刺激的熱環(huán)境能夠提高人體適應(yīng)力和免疫力等功能，并且人體的生理功能各項(xiàng)指標(biāo)都在正常范圍內(nèi)。處于健康熱環(huán)境中的人體健康狀況，被稱為熱健康[19]。熱健康包括熱舒適和熱不舒適的內(nèi)容和相對轉(zhuǎn)化過程，即人在同一空間中經(jīng)歷熱環(huán)境的動態(tài)熱刺激變化，或是人在同一時間段中經(jīng)歷不同熱環(huán)境的熱刺激變化，達(dá)到人體不斷調(diào)整熱適應(yīng)狀態(tài)。

基于健康熱環(huán)境的空間調(diào)控策略，就是創(chuàng)造“不舒適”“舒適”和“愉悅”空間區(qū)域的交替分布，產(chǎn)生“相對熱舒適”的過程體驗(yàn)，增加人體熱適應(yīng)力的鍛煉。

2.2 西安冬季氣候與熱感覺

寒冷地區(qū)西安城市氣候體現(xiàn)了中緯度地區(qū)冷暖干濕四季分明、冬冷夏熱的暖溫帶大陸性半干旱半濕潤氣候特點(diǎn)。夏季炎熱多雨，伏旱突出，多雷雨大風(fēng)；冬季寒冷、風(fēng)小、多霧、少雨雪，冬季氣溫變化在10～15℃之間，濕度小，風(fēng)速低?；?016—2018年的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，冬季按142d計(jì)，有太陽日照的天氣約占42～61d，其中晴天約30d，陰天和雨雪天約83～96d，其中雨雪天約26d。最冷月1月平均氣溫-1.2～0℃。西安城市空間冬季氣溫日變化范圍在-10～15℃之間，溫差變化在10～15℃之間，白天基本在0℃以上，夜晚在0℃以下。中國建筑氣候分區(qū)將西安城市氣候劃分為寒冷地區(qū)，是基于對建筑內(nèi)部空間采暖的要求，而城市戶外氣候呈現(xiàn)的主要特征是冬冷夏熱。太陽直射輻射是在戶外環(huán)境中的人體直接得熱途徑，風(fēng)和濕度主要影響戶外人體的失熱速率，在濕度小、風(fēng)速低的狀況下，太陽直射輻射成為街道空間中對人體熱舒適的主要影響因素。

UTCI指數(shù)適用于室外空間熱舒適和人體健康的研究應(yīng)用[20]。通用熱氣候指數(shù)(UTCI)是基于多節(jié)點(diǎn)模型的氣候舒適度評價系統(tǒng)。UTCI模型包含了服裝模型和Fiala模型構(gòu)成，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾龋琔TCI更加關(guān)注人體的熱量平衡過程，可以直接計(jì)算等效溫度。為了適應(yīng)冬季測試的溫度變化區(qū)間(-10～14℃)，依據(jù)UTCI劃分的10等級人體感知溫度等級標(biāo)準(zhǔn)[21-22]，將(9～26℃)舒適等級細(xì)分為(9～18℃)涼舒適、(18～26℃)暖舒適(表1)。

表1 西安城市人體感知溫度等級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 街谷微氣候與相對熱舒適區(qū)域劃分

西安冬季氣溫日變化溫度線跨越通用熱氣候指數(shù)(UTCI)等效溫度中的(9～18℃)涼舒適、(0～9℃)輕微冷脅迫、(-13～0℃)中度冷脅迫3個溫度區(qū)間。冬季氣溫大部分時間都低于體感溫度(9～26℃)舒適度以下，人體熱感覺總體都是“冷”，戶外氣溫條件的基本熱感覺可以定義為天氣氣溫?zé)岣杏X“冷天”(不舒適)，氣溫的高低隨一天的時段發(fā)生變化。提高人體熱舒適感，需要通過平衡身體的熱量產(chǎn)生速率、衣服的保溫值(熱阻性能)、環(huán)境溫度3個因素可以達(dá)到溫暖舒適的狀態(tài)。由于戶外熱環(huán)境條件一直處于動態(tài)變化過程中，不能保持穩(wěn)定熱舒適狀態(tài)，人體始終處于變化的動態(tài)熱平衡狀態(tài)，人體熱舒適感提升改善也只能是環(huán)境相對熱舒適感的提升?？臻g環(huán)境中氣溫相對比周邊區(qū)域高，能夠提升人體的溫暖感，這樣的區(qū)域可以被稱為環(huán)境氣溫?zé)岣杏X“暖區(qū)”(舒適)。在能曬到太陽的日照區(qū)，人體可以直接獲得太陽直射輻射熱量，快速增加熱量，獲得曬太陽的愉悅熱舒適感，這樣的區(qū)域可以被稱為“日曬”(愉悅)熱感覺。冬季戶外人體熱舒適感可分3種類型：1)天氣“氣溫”基本熱感覺的“冷”(不舒適)；2)相對周邊環(huán)境氣溫高的“暖”(舒適)；3)太陽直射下產(chǎn)生“日曬”愉悅熱感覺的“日曬”(愉悅)。

西安冬季氣溫升降變化基本規(guī)律是：升溫、快降和慢降3個階段。日出開始升溫，14：00—15：00達(dá)到最高溫度，之后開始快速降溫，日落以后進(jìn)入緩慢降溫階段至第二天日出前。街谷空間微氣候變化受到界面熱作用，影響氣溫升降3個階段的變化，使空氣得熱失熱速率、高低氣溫值和時段發(fā)生了改變，空間熱環(huán)境因太陽位置和高度角變化，可能出現(xiàn)隨時間變化的空間差異變化、多樣化分布。

冬季街谷“相對熱舒適”的區(qū)域劃分，即“冷區(qū)”(不舒適區(qū))、“暖區(qū)”(舒適區(qū))、“日曬區(qū)”(愉悅區(qū))，將街谷空間的人體熱舒適評價轉(zhuǎn)化成為對街谷空間的“空間-時段”熱舒適區(qū)域的評價。冬季只有在晴天太陽直射作用下，街道空間才會出現(xiàn)日照和溫暖區(qū)域，分別對應(yīng)街道空間中能夠感受到冬季曬太陽的“日曬區(qū)”，以及環(huán)境氣溫相對周邊高的“暖區(qū)”。而“暖街”代表街谷整體熱舒適水平高，同時具有“不舒適”“相對環(huán)境舒適”和“日曬愉悅舒適”不同程度的熱舒適感受?！袄浣帧贝斫止日w環(huán)境的氣溫低，具有“冷”不舒適感。

3 冬季實(shí)測概況與測試內(nèi)容

3.1 測試方法

街道空間熱環(huán)境測試方法采用剖面立體矩陣布點(diǎn)測試。冬季測試方法同2015年夏季測試，均采用道路空間橫斷面立體矩陣布點(diǎn)，分別在道路中央，路兩側(cè)2個樹干中心，路兩側(cè)樹冠外緣(靠墻)處立5根9m高桿，按高度0.05、1.5、2.5、9m分層布置溫濕度測點(diǎn)。

測試儀器采用溫濕度記錄儀和太陽輻射儀。溫濕度記錄采用望云山多通道溫濕度記錄儀，溫度測量范圍-25～85℃，濕度測量范圍0～99.9%RH，濕度測量精度為±3%RH。太陽輻射測量采用TBQ-2L太陽總輻射表，測量范圍為0～2 000w/m2，測量精度為±5%。

3.2 冬季測試日西安城市氣象狀況

冬季測試日2016年1月15日，全天日照，晴轉(zhuǎn)多云，最高溫度6℃，最低溫度-7℃，東北風(fēng)，微風(fēng)，最小相對濕度32%，最大相對濕度89%，太陽總輻射量在正午12：00時達(dá)到512w/m2。

日照時間依據(jù)西安本地時間進(jìn)行計(jì)算，為了和實(shí)測及氣象臺站的數(shù)據(jù)時間統(tǒng)一，均轉(zhuǎn)換為北京時間進(jìn)行標(biāo)注。通過太陽高度角計(jì)算得出2016年1月15日日出北京時間為7：50(西安時間6：57)，日中北京時間為12：53(西安時間12：00)，日落北京時間為17：57(西安時間17：04)。

3.3 微氣候測試內(nèi)容

1)測試一：全日照開敞硬質(zhì)地面氣溫線。

測試點(diǎn)選在青年路街東段無遮陽開敞空間的硬質(zhì)鋪裝場地，測試1.5m高度處全日照開敞硬質(zhì)地面氣溫(全日照氣溫線)(圖1-2)。

圖1 青年路、雙仁府街谷平面圖、剖面圖及鳥瞰圖

2)測試二：南北向枝冠街谷空間熱環(huán)境。

雙仁府街南北走向長362m，寬24～27m，車行道6m，兩側(cè)行道樹帶各1.5m寬，兩邊外側(cè)人行道各8～10m寬，地面全部硬質(zhì)覆蓋。沿街兩側(cè)為6～7層居民樓，高度約18～21m，上部以建筑山墻面為主，底層臨街為連續(xù)商鋪。街道行道樹均為國槐，胸徑24～33cm，樹高9～15m，冬季落葉冠幅為6～8m，枝下高2.2～3.0m，株距5～6m，行道樹樹冠覆蓋率65%，冬季落葉枝冠覆蓋率45%(圖1-1)，槐樹落葉后形成的枝冠空間基本尺寸不變。選取北段剖面位置，采取剖面立體矩陣布點(diǎn)法，測試南北向枝冠街谷空間熱環(huán)境。

3)測試三：東西向枝冠街谷空間熱環(huán)境。

青年路街東西走向長409m，寬18～23m，中間車行道寬6m，兩側(cè)行道樹帶各1.5m寬，兩邊外側(cè)人行道各3m寬，道路紅線至臨街建筑街墻的距離在5m以內(nèi)，寬度不等。地面全部硬質(zhì)覆蓋。西段沿街建筑多為6～7層的辦公樓和居民樓，高度約18～20m，底層有部分商業(yè)店鋪。行道樹均為國槐，胸徑24～33cm，樹高9～15m，冠幅6～8m，枝下高2.2～3.0m，株距5～6m，夏季行道樹葉冠覆蓋率69%，冬季落葉枝冠覆蓋率50%(圖1-2)。選取西段剖面位置，采取剖面立體矩陣布點(diǎn)法，測試東西向枝冠街谷空間熱環(huán)境。

4 測試數(shù)據(jù)結(jié)果與分析討論

4.1 街谷日氣溫變化空間分布

經(jīng)實(shí)測對比發(fā)現(xiàn)，全日照氣溫線是街谷氣溫變化的上線氣溫線，氣象站氣溫線是街谷氣溫變化的下限氣溫線。街谷陰影區(qū)實(shí)測氣溫組合成為街谷最低溫度線。東西向街谷封閉段街谷下部均為陰影區(qū)，氣溫變化整體基本一致。白天升溫段9：00—15：00、峰段15：00—17：30時氣溫與下線峰值溫度接近，白天夜晚降溫段17：30—9：00時氣溫與上線氣溫接近。街谷上部北側(cè)日照區(qū)升溫速率逐漸變高，靠近北墻接近上線氣溫。東西向街谷半封閉型段街谷均為日照區(qū)，白天升溫段8：15—14：45時，地面和上部枝冠氣溫高于上線氣溫5～7℃波動，枝冠下部氣溫接近上線氣溫上下2℃波動。

南北向街谷上午西側(cè)日照區(qū)、中午地面日照區(qū)、下午東側(cè)日照區(qū)，內(nèi)部氣溫差異大。東側(cè)白天升溫段8：15—12：00時氣溫達(dá)到峰值高于上線氣溫2～3℃、峰段12：00—14：45時，西側(cè)白天升溫段8：15—14：45時氣溫在上線下線間波動、無峰段，東西兩側(cè)白天夜晚降溫段14：45—8：15時，氣溫基本一致高于上線氣溫1～2℃(圖2)。

圖2 南北向“單拱”全封閉型雙仁府街谷剖面水平冬季氣溫變化

4.2 街谷空間界面的熱作用

1)街谷空間界面的熱作用狀況體現(xiàn)在，空間界面加熱作用與界面日照時間、戶外太陽入射角高度正相關(guān)，西墻東墻半天日照、地面全天日照狀況下獲得太陽總輻射量峰值基本一致，但峰值時間不同，西墻上午為9：30時、東墻下午15：00時、地面中午12：00時，南墻全天日照狀況下獲得太陽總輻射量峰值是地面的一倍，峰值時間中午12：00時。有日照時枝冠加熱作用與地面、墻面接近，對街谷1.5m處空氣的加熱作用受空氣接觸面積影響，為“地面>墻面”，墻體和枝冠主要加熱街谷上部空氣。

2)地面熱作用，是指在太陽直射輻射下地面是空氣的主要加熱器。太陽直射全日照下作用最強(qiáng)，白天能將氣溫提升14℃，升高一個舒適區(qū)間(圖2)。在南北向街谷中，日照時間縮短，日照地面面積減半，依然能夠升溫6℃(圖3)。東西向街谷的地面全天陰影中，沒有發(fā)揮加熱作用，街谷處于白天最低溫狀態(tài)。由于地面的蓄熱能力強(qiáng)，夜晚的散熱作用可將夜晚最低溫度提升5℃。

圖3 南北向“單拱”全封閉型雙仁府街谷剖面垂直高度冬季氣溫變化

3)枝冠空間熱作用，是指在太陽直射輻射下枝干也是空氣的主要加熱器。單拱形枝冠連續(xù)密集均勻分布在街谷上空，枝干柱狀表面多角度分枝，可以全時段接受角度變化的太陽直射陽光，充分吸收熱量，對空氣的加熱速度快，枝冠高度分布在高度6m以上，對街谷上部的空氣加熱作用極強(qiáng)(圖3-1)，對樹下高1.5m處的加熱作用減弱。東西向街谷的地面全天陰影中，枝冠沒有太陽直射作用，失去對空氣的加熱作用(圖4-2、5)。

圖4 東西向“單拱”全封閉型青年路西段街谷剖面豎向冬季氣溫變化

4)街墻熱作用，是指街墻的空氣加熱作用，主要是由街墻的角度決定的。東西向街谷中北墻面向正南，太陽直射輻射下，加熱作用超過地面(圖5)，升溫快，持續(xù)高氣溫；陰影中的南墻，沒有作用。南北向街谷中的西墻和東墻(圖3)，加熱作用效果比地面強(qiáng)，但遠(yuǎn)不如北墻。

圖5 東西向“單拱”全封閉型青年路西段街谷剖面水平冬季氣溫變化

5)空間界面的圍合作用，是指全日照開敞空間枝冠的兩側(cè)沒有街墻圍合，枝冠氣溫高升溫快，而高1.5m處氣溫僅在全日照氣溫線上下波動。南北向街谷兩側(cè)街墻圍合，雖然只有半側(cè)街的日照，有日照西側(cè)高1.5m處氣溫整體高于全日照地線(圖3)；無日照東側(cè)整體低于全日照地線，而高于白天低溫線。街谷空間圍合度熱效應(yīng)，封閉空間遮擋日照，影響街谷內(nèi)太陽輻射的進(jìn)入量和分布時段區(qū)域，對東西向街谷影響大；其次，影響街谷內(nèi)部氣溫的波動幅度，氣溫波動幅度由小到大的影響順序?yàn)椤胺忾]<半封閉<開敞”。

4.3 南北向枝冠街谷空間熱環(huán)境

1)南北向枝冠街谷空間熱環(huán)境特征為：“暖街-日照東西墻兩側(cè)交替變化”模式，即街谷兩側(cè)街墻交替產(chǎn)生日照陰影，形成街谷自遮陽日照區(qū)東西側(cè)轉(zhuǎn)移變化模式，氣溫區(qū)間在0～9℃的輕微冷脅迫區(qū)。

2)街谷空間溫度場和日照陰影空間時段變化特征為：氣溫日變化區(qū)間是以街谷最低溫度線和全日照低溫線2條溫度線為基準(zhǔn)變化，白天氣溫變化時間節(jié)點(diǎn)為日出(7：50)、地面有日照(10：45)、日中(12：00)、地面無日照(15：00)、日落(17：57)。上午西側(cè)為日照區(qū)，東側(cè)為陰影區(qū)，正午均為全日照區(qū)，下午東側(cè)為日照區(qū)、西側(cè)為陰影區(qū)。溫度場水平分布變化特征：分4個日照“空間-時段”變化，上午7：50—10：45“日照西墻西樹”西側(cè)升溫時段，東側(cè)緩慢，兩側(cè)溫差大；中午10：45—15：00“日照地面雙樹”東側(cè)升溫時段，12：00后兩側(cè)氣溫接近；下午15：00—17：57“日照東墻東樹”降溫平峰時段，兩側(cè)氣溫基本一致；夜晚17：57—7：50“日落夜晚”降溫時段，兩側(cè)氣溫接近，在低溫線以上波動。溫度場垂直分布變化特征：街谷氣溫白天由高處9m至低處0.05m，呈氣溫高至低的梯度變化。西側(cè)高9m枝冠處最高氣溫可達(dá)14℃時，地面0.05m處為7℃；東側(cè)高9m枝冠處最高氣溫可達(dá)9℃時，地面0.05m處為5℃。

3)熱舒適區(qū)域評價：南北向街谷成為“暖街”，氣溫變化區(qū)間在0～9℃的輕微冷脅迫區(qū)，整體相對氣溫高，相對熱感覺有“暖”舒適感。白天氣溫變化狀況為西側(cè)高東側(cè)低，上午和中午升溫時段溫差6℃，下午降溫時段溫差1℃；夜晚氣溫西側(cè)低東側(cè)高，兩側(cè)溫差小，溫差1～2℃?！袄渑眳^(qū)域和“日曬”區(qū)域分布呈現(xiàn)出，上午時段(7：50—10：45)西側(cè)是“暖區(qū)陽面”，東側(cè)是“冷區(qū)陰面”，中午時段(10：45—15：00)街道地面和行道樹枝冠在全日照下，街道整體是“暖街陽面”，下午時段(15：00—17：57)西側(cè)是“暖區(qū)陰面”，東側(cè)是“暖區(qū)陽面”，上下午時段冷暖區(qū)和陰陽面交替。

4.4 東西向枝冠街谷空間熱環(huán)境

1)東西向枝冠街谷空間熱環(huán)境特征為：“冷街-日照北墻單側(cè)陰冷不變”模式，即日照全時段南墻和街道地面在街谷自遮陽陰影區(qū)，北樹枝冠頂部有日照，北墻全日段日照只有墻面日照高度位置的上下變化，形成街谷空間全天陰影不變模式。氣溫區(qū)間在0～9℃的輕微冷脅迫區(qū)。

2)街谷空間溫度場和日照陰影空間時段變化特征：氣溫日變化區(qū)間是以街谷最低溫度線為基準(zhǔn)，線上波動。白天氣溫變化時間節(jié)點(diǎn)有日出(7：50)、樹冠頂日照(11：10)、樹冠全陰影(15：00)、日落(17：57)。在北墻和北樹日照時段，街谷空間北側(cè)上部氣溫比下部略高1～2℃(圖4-1、4-2)。

3)熱舒適區(qū)域評價：東西向街谷成為“冷街”，氣溫變化區(qū)間在0～6℃的輕微冷脅迫區(qū)，整體具有“冷”不舒適感。白天、夜晚氣溫差值變化狀況為整街溫度基本一致，比低溫線略高1℃。街谷空間沒有相對熱舒適的“暖區(qū)”和愉悅熱舒適的“陽面”(圖4-1、4-2)。

4.5 參數(shù)指標(biāo)影響

1)街道走向?qū)⒔止瓤臻g日照區(qū)域的“空間-時段”模式分為南北向“變化”和東西向“不變”2個類型?！白兓蹦Ｊ浇止葹榕?，兩側(cè)有暖區(qū)和陽面，“不變”模式為冷街，單側(cè)可能有暖區(qū)和陽面。

2)高寬比控制了街谷空間的日照“空間-時段”的分布。

3)林蔭空間類型中單拱形行道樹的枝冠相連，均勻覆蓋街谷的上空，接受日照的時間長短決定對空氣的加熱作用大小，在陰影區(qū)的枝冠沒有加熱空氣的作用。

4)界面圍合度控制空氣的流動方式和熱量流失的多少，影響街谷空間氣溫的升高速度和高低。

5 結(jié)論

城市街道空間是城市重要的戶外公共生活空間，需要改善冬夏季熱舒適環(huán)境條件，減少不利氣候條件對戶外活動產(chǎn)生熱傷害影響，同時，應(yīng)使街道空間具有健康熱環(huán)境的功能。改善日照條件，在街道空間中創(chuàng)造交替分布的多樣化“相對熱舒適”微氣候空間，能夠使在街道空間活動的人體處于動態(tài)熱適應(yīng)過程，鍛煉人體熱適應(yīng)能力，提升免疫力。

本研究案例西安城市窄街道方街谷“單拱”型林蔭空間，已具備夏季熱舒適環(huán)境條件，需要改善冬季微氣候環(huán)境。通過街道空間形態(tài)的局部調(diào)整，可以改善冬季街道微氣候環(huán)境熱舒適性，鍛煉和增強(qiáng)人體動態(tài)熱適應(yīng)能力。相應(yīng)的空間調(diào)控策略為：1)東西向街谷南北側(cè)建筑界面間隔退讓，減小街谷空間斷面的高寬比，增加街谷北側(cè)的“日曬區(qū)”間隔分布，南側(cè)建筑界面分段落地開口，增加街谷南側(cè)的“日曬區(qū)”；2)南北向街谷東西側(cè)建筑界面分段落地開口，增加街谷兩側(cè)的“日曬區(qū)”?？尚纬刹煌呦蚪值纼蓚?cè)“相對熱舒適”區(qū)域全部時段的交替分布。

西安城市氣候具有四季分明、夏熱冬冷、半干旱半濕潤，夏季炎熱多雨，冬季寒冷、少雨雪、多霧的特點(diǎn)。本研究提出的冬季街道空間微氣候調(diào)控策略，對西安城市氣候代表的建筑氣候區(qū)劃中的寒冷地區(qū)具有一定適應(yīng)性，主要分布地區(qū)在西安、鄭州以北，蘭州以東，銀川、大同、北京以南的西北和華北部分地區(qū)。

注：文中圖片均由課題組成員繪制。