哈尔滨典型行道树夏季热舒适效应及形态特征调节机理

赵晓龙 李国杰 高天宇

ZHAO Xiao-long LI Guo-jie GAO Tian-yu

研究

哈尔滨典型行道树夏季热舒适效应及形态特征调节机理

赵晓龙 李国杰 高天宇

ZHAO Xiao-long LI Guo-jie GAO Tian-yu

选取哈尔滨市4条典型步行街列植行道树为研究对象，对其夏季日间微气候效应进行了定量化研究，并结合雷曼模型拟合出其热舒适度PET值，比较了不同行道树对人体热舒适度的影响，最后分析了树木形态特征对微气候的调节机理。结果表明：在夏季里，行道树树木对微气候具有显著的调节能力，可调节温度范围约为0.3～2.5℃，最大可增湿约8.45%，降低太阳辐射强度最高可达91.39%，并对风速具有明显的衰减作用。最后通过SPSS数据统计分析软件分析树木形态特征与微气候因子的相关性分析，显示它们之间具有显著的相关性，即树木形态特征（树高、树冠距地高度、冠幅、冠层密度）对微气候因子、人体热舒适度具有显著的调节作用。

风景园林；行道树；实地测量；热舒适度；形态特征；调节机理

1 引言

随着城市热岛效应的加剧，微气候的调节效应已逐渐引起学界的关注[1-4]。城市步行街作为城市景观空间基本形式之一，无论其功能的使用还是对生态的影响都在城市中发挥着重要作用，因此微气候环境的优劣对城市发展有着重要的影响。城市街道中行道树对微气候的调节存在显著的影响，特别是以行人使用为主的城市步行街道，行道树更是在微气候调节和优化行人热舒适度方面发挥着重要作用。

在城市绿化建设方面，由于环境的恶化，绿化对城市微气候的调节效应开始引起人们的重视，近年来，关于绿化种类、数量、种植方式以及植物形态特征等对微气候环境的改善策略与影响机制逐渐增多。克莱姆（Klemm）等[5]研究了街道内行道树植物形态特征中树冠覆盖率对微气候和热舒适的影响，结论显示街道内每提升10%的大型树木树冠覆盖率，就能对降低微气候1K的平均辐射温度。吉尔纳（Gillner）[6]研究了树木叶面积指数对若干微气候因子的调节能力，结果表明，每增加一个单位的叶面积指数，就可以降低大约4.63K的地表温度，并且相较于其他树种，当地的椴树（Tiliatuan szyszy）和榛子树（Corylus heterophylla）在降低空气温度和地表温度方面具有更强的调节能力。张铮[7]研究了不同道路绿化形式对街道微气候中空气温湿度、太阳辐射强度、风速的影响，在对比实测数据与行道树植物形态特征后发现，行道树树冠对微气候影响非常显著。李英汉等[8]研究了不同植物冠层格局对微气候温湿度的影响，发现对温湿度调节能力最强的植物是乔木。晏海[9]通过研究城市公园绿地小气候环境发现，树木群落冠层特征（叶面积指数、冠层覆盖度、天空可视因子）对微气候存在显著的调节效应。前人针对植物与微气候之间的研究大多集中在树木树冠对微气候因子以及微气候调节能力等方面，而对树木形态特征与微气候之间关系的研究还不是很完善。

探究行道树植物形态特征（树高、冠幅、冠幅密度、树冠距地高度）与微气候调节的内在相关性，并引入微气候热舒适度作为衡量其影响优劣的评价标准，可将景观空间要素与人的行为感受有效串联起来，从而科学、直观地反映出行道树对微气候的调节机制，为城市微气候的改善做出贡献。本文以哈尔滨市为例，实测比对步行街行道树常用树种的PET调节效应，为优选对人体热舒适度调节效应最佳的树种提供依据，并对行道树植物形态特征对微气候的调节机制进行相关性分析。

2 研究方法

2.1 调节效应实地测试

本文于2015年夏季实地测量了哈尔滨4条典型步行街列植行道树的微气候参数（图1），分析其变化规律，并拟合出人体热舒适度指标PET，以探讨步行街道行道树对人体热舒适度的调节效应。在相关学者研究的基础上[10]，测试对象选择为哈尔滨市最具代表性且使用频率较高的行道树树种：银中杨（Populus alba 'Berolinensis'）、旱柳（Salix matsudana）、榆树（Ulmus pumila）、糖槭（Acer saccharum）。

实验测点位于哈尔滨市内的4条典型步行街道：哈尔滨工业大学校园无名街、复华街、复兴街、中央大街，行道树排列方式均为列植，其中哈尔滨工业大学校园无名街行道树树种为旱柳、复华街行道树树种为银中杨、复兴街行道树树种为榆树、中央大街行道树树种为糖槭。共设置5个观测点，其中4个分别位于4条街道内行道树阴影下，另外1个作为对照点位于哈尔滨工业大学校园前广场。虽然4个测试点距离较远，但为尽量保持测试数据的精准性，所选取4条典型街道的边界条件（如朝向、高宽比）基本保持一致。

测试仪器、测试参数及精度如表1所示，测试仪器均架设在1.5m高的三脚架上，采样时间设定为1分钟采集数据一次。Testo-435使用温湿度风速集合探头，其精度和测量范围可适用于非极端气候下的室外微气候数据。行道树的树高、冠幅、树冠距地高度采用博世DLE 70激光测距仪进行测量，冠层密度则使用佳能圆形鱼眼镜头测试获得。测试日期为8月12-14日，每日的测试周期为上午8:00至下午17:00，测试数据取每10分钟的平均值，此外，为保证数据的准确性，采用人工记录的方法，每间隔1个小时记录一次测量数据，以便于数据的校准和参考。

表1 测量参数及仪器Tab.1 Measurement parameters and instruments

表2 雷曼模型数据录入表Tab.2 Rayman-model data entry table

2.2 雷曼模型模拟

本文热舒适度的评价指标采用生理等效温度PET作为城市步行街道户外空间人体热舒适度的评价指标，该指标不仅考虑了主要的微气候因子（温度、湿度、风速、太阳辐射强度）对人体热舒适的影响，还考虑人的活动量、衣服热阻、人的个体物理参数等对人体热舒适的影响，详细参数设置见表2，相比于其他评价指标，PET相对更适用于室外空间的热舒适度评价，其公示可以简化为[11]：

PET=（代谢能量+所获太阳辐射量+所获地球辐射量）-（蒸发热损耗+对流热损耗+地面辐射散射）

通过实测获取环境中温度、湿度、风速、太阳辐射强度等微气候数据后，可利用雷曼模型（Rayman model）对实测数据进行模拟计算分析，得出该时间段的人体热舒适度PET。本文采用雷曼模型1.2版本对人体热舒适度PET进行计算，在计算之前需要录入时间数据、地理数据、气候数据、个人数据、衣着活动数据等5个方面的信息（表2）。

3 实验结果与分析

3.1 夏季温度调节效应

图2数据表明，在夏季日4条街道中无名街温度峰值最大，出现在16:00，其峰值为27.6℃，比峰值最低的复华街要高0.5℃，同时无名街的日平均温度也最高，为26.1℃，比日平均温度最低的复华街要高0.3℃。与对照点空气温度相比，无名街最高可降低温度2℃，最低可降低温度为0.5℃，复华街最高可降低温度2.4℃，最低可降低温度为1℃，复兴街最高可降低温度2.4℃，最低可降低温度为0.5℃，中央大街最高可降低温度2.5℃，最低可降低温度为0.7℃。因此，整体比较可以看出，街道中的行道树，降温能力最强的是银中杨，其次是糖槭、榆树，而旱柳降温能力最差。

3.2 湿度

图3显示在4条街道中，银中杨和糖槭的增湿强度要明显强于旱柳和榆树，4条街道中湿度峰值最大的为银中杨，出现在13:00，其峰值为39.64%，其次是糖槭，出现在13:00，其峰值为39%，榆树的峰值出现在16:00，为36.5%，旱柳的峰值出现在17:00为36.25%；银中杨的日平均湿度为35.84%，糖槭为35.46%，榆树为34.66%，旱柳为34.9%；与对照点对比来看，银中杨最大增湿强度为7.35%，糖槭为8.45%，榆树为7%，旱柳为6.62%。因此，整体来看，街道中行道树增湿能力银中杨和糖槭相对较强，基本相同，其次是榆树，而增湿能力最弱的是旱柳。

3.3 风速

在对街道行道树风速进行测量时，应尽量确保测试环境的统一，保证周边无行人或车辆等人为的干扰，以降低所获数据的误差。对比实验数据发现，旱柳的日平均风速为1.07m/s，银中杨的日平均风速为0.839m/s，榆树日平均风速为0.764m/s，糖槭日平均风速为1.23m/s，所有的街道行道树风速均小于对照点风速。结果表明：行道树对风速有明显的衰减作用，这个与过去学者的研究结论相一致[12]。在夏季，风速的增加有助于空气的流通，提高环境中人的舒适性，所以就实际测量数据结果来看，对风环境影响相对最佳的是行道树是糖槭，其次旱柳、银中杨、榆树（图4）。

3.4 太阳辐射强度

在日间，太阳辐射强度的峰值出现在中午12：00，随后开始降低，而此段时间内，单株行道树对太阳辐射强度的减弱程度存在着明显差异。太阳辐射的减弱强度可通过布鲁诺[13]的计算方程计算得出：

考虑时间间隔，AT表示太阳辐射的减弱百分比，Ssun表示阳光下太阳辐射仪收集总入射能量的值，Ssh表示树荫下太阳辐射仪收集的总入射能量的值。

4条街道中行道树阴影下的太阳辐射强度变化曲线基本保持一致，并呈平稳变化趋势，全天波动不剧烈。整体上看，相比旱柳和榆树，相同时间段内银中杨与糖槭对太阳辐射的遮挡效果要明显优于前两者。11:00～13:00是太阳辐射强度最高的时段，4种行道树对太阳辐射强度的减弱程度也达到最大，银中杨减弱强度最大值出现在12:00，约为853w/m2，糖槭减弱强度出现在13:00，最大值约为809 w/ m2，旱柳减弱强度出现在11:00，最大值约为808 w/m2，榆树减弱强度出现在12:00，最大值约为835 w/m2；4种行道树对太阳辐射强度减弱强度最小值均出现在17:00，分别是：银中杨35 w/m2、糖槭38 w/m2、旱柳48 w/m2、榆树42 w/m2。银中杨的日间平均太阳辐射减弱强度为91.39%，糖槭为90.48%，榆树为88.27%，旱柳为86.77%，因此，综合比较减少太阳辐射强度和日平均太阳辐射减弱强度来看，行道树对太阳辐射减弱能力强弱顺序依次是银中杨、糖槭、榆树、旱柳（图5）。

3.5 热舒适度

4条步行街的热舒适度PET值变化曲线基本趋于一致，并且与对照点相比，可发现街道行道树对人的热舒适度调节效果非常显著，依据热舒适度PET的8个等级来看，对照点的生理应激等级在全天内一直处于中度热应激和强热应激等级，而通过街道行道树的调节，街道内的热舒适度一直处于无热应激的等级。对照点的日平均热舒适度PET值为32.5℃，人们会感觉比较温暖，而4条步行街中，日平均热舒适度PET均在20℃左右，最高的是行道树为旱柳的步行街，为21.6℃，最低的是行道树为糖槭的步行街，为20.8℃。综合比较来看，4条步行街行道树对人的热舒适度的调节效果均比较良好，差异不是很明显，而对比温度最高的11:00～14:00时段，糖槭对人的热舒适度调节最佳，其次是银中杨、榆树、旱柳（图6）。

4 行道树植物形态特征对热舒适度调节机制分析

行道树的植物形态特征主要包括树木的高度、树冠距地高度、冠幅、冠层密度等要素（图7），植物形态特征与微气候因子之间存在某种内在调节机制，本文采用SPSS数据统计分析方法对行道树植物形态特征与微气候因子之间相互关系做进一步的深入研究，了解其内在调节机制对选择绿化树种改善人的热舒适度具有重要意义。

4.1 树高（Height）

通过SPSS中树高与各个微气候因子的相关性可知（表3），树高与温度湿度、太阳辐射强度存在显著的负的线性关系，且树高对温度的影响最为显著。4种实测行道树中，榆树的树木高度最高，假设树冠相等的情况下，可在街道中形成最大的阴影覆盖，但4种实测行道树中，虽然树木高度较高，但由于其冠幅较小，在地面形成遮盖面积有限，因此树木高度对微气候的影响需要结合树木的树冠冠幅而定，同树种情况下，树高与冠幅呈一定的正的线性关系，因此这也侧面说明了成木的微气候调节能力要强于幼木。

表3 行道树形态特征与微气候因子相关分析Tab. 3 Morphological characteristics of street trees and microclimate correlation analysis

4.2 树冠距地高度（Height of canopy to ground）

树冠距地高度与温度、湿度、太阳辐射强度、风速具有显著的负的线性关系，树冠距地高度对温度影响最为显著，相比于其他3个树木植物形态特征因子，树冠高度与风速有明显的线性关系。在实测4种行道树中，榆树树冠距地高度最高，但由于其树冠小，树木高大，因此热舒适环境相比于其他树木最差，而糖槭树树冠距地高度最小，风环境影响最大。由此可以推断得知，树冠距地高度与风环境既存在显著的相关性，同时树冠距地高度越低，对测试点1.5m处的风速影响越大，进而对人体热舒适度改善效果越明显。

4.3 冠幅（Crown width）

冠幅与温度、湿度、太阳辐射强度呈负的线性关系，与风速不具有显著的相关性，且冠幅对温度的影响最大。由于测试高度位于1.5m处，而行道树树冠高度远均大于该高度，所以该高度处风速受树冠特征（冠幅、冠层密度）影响不大。在4种实测行道树中，银中杨的冠幅约为10m，旱柳约为8m，榆树约为6m，糖槭约为8m，因此，假设太阳入射角一定的情况下，银中杨、旱柳、糖槭可在街道上形成阴影覆盖面积要大于榆树，这也是以上3种树木在夏季热舒适度优于榆树的重要原因之一。就树冠冠幅对微气候调节的调节效应而言，树冠冠幅越大，其在夏季调节微气候的能力越强，特别是对温度的影响，但这一说法是建立在树冠冠幅密度（树冠透光率）相同的前提下，而4种行道树中，银中杨、糖槭对热舒适度影响最佳，两种树木的冠幅也相对较大，可在街道中形成有效的遮蔽，其遮盖程度要优于树冠较小的榆树，因此，冠幅大小是影响微气候热舒适度的重要因素之一。

4.4 冠层密度（Canopy density）

冠层密度与温度、湿度、太阳辐射强度存在显著的负的线性关系，特别是冠层密度对太阳辐射强度的调节效应最为显著。树木的冠层密度，表示树木对天空遮蔽的程度，也可用天空视野因子来表示，其受树木的叶面积指数、叶倾角等多因素影响，如图8所示。4种实测树木中，银中杨的冠层密度为91.39%，旱柳为86.77%，榆树为88.27%，糖槭为90.48%，由于地面的热源主要来自于太阳辐射，所以树木对太阳辐射的遮挡与反射对微气候环境的调节起到了至关重要的作用，这也是致使银中杨、糖槭成为4个树种中热舒适度调节效应最佳的根本原因，由此，树冠冠层密度是树木对微气候调节效应强弱的重要内因。

综上所述，行道树植物形态特征（树高、树冠距地高度、冠幅、冠层密度）与温度、湿度、太阳辐射均成负相关，只有树冠距地高度与风速呈正相关，因此，从热舒适度角度出发进行行道树选择时，应综合考虑以上植物形态特征因子对微气候环境的影响，就微气候调节效应选择行道树种时，在树高一定的情况下，冠幅和冠层密度较大的银中杨、糖槭热舒适度最佳，因此应首选冠幅大、冠层密度高的树木作为行道树树种。

5 结论

在夏季，哈尔滨4种典型行道树对微气候及热舒适度的具有显著的调节作用，不同的树种对微气候因子及热舒适度的调节能力也存在差异，降温能力排序为：银中杨＞糖槭＞榆树＞旱柳；增湿能力排序为：银中杨＞糖槭＞榆树＞旱柳；风环境影响排序为：糖槭＞旱柳＞银中杨＞榆树；太阳辐射减弱强度排序为：银中杨＞糖槭＞榆树＞旱柳；对热舒适度调节能效排序为：糖槭＞银中杨＞榆树＞旱柳。

行道树对步行街人体热舒适度的调节效应非常显著，不同树种的调节能力也有所差异，其中对热舒适度调节能力最佳的糖槭树日间最大可降低PET指数达11.7℃，这对于哈尔滨炎热的夏季来说，这种调节程度可以有效地改善行人在步行街中的热舒适感受。

通过对行道树微气候因子与形态特征的相关性分析，结果可表明各个因子之间与形态特征存在显著的相关性。行道树的高度、冠幅、冠层密度对温湿度、太阳辐射强度调节明显，树木越高，冠幅和冠层密度越大，则树下的温度越低，湿度越高，并且相同形态下，树冠高度距地越高，对人体高度的风环境影响越小，对热舒适度调节的能力越差。因此，从热舒适的角度出发，在选择行道树时，树木高大，树冠大且枝叶茂密，树冠距地高度低的树木会在夏季营造出更加宜人的热舒适环境。

由于本文受限于理论与实验条件，仍存在一定的局限性，如在实验对象、实验场地的选择上并没有达到理想状态，实验对象仅选用哈尔滨使用相对频率较高的树种，而实验场地在实测时会受外界因素一些干扰，也会对实验数据带来影响产生一定的误差。哈尔滨相对于国内其他城市而言，寒地气候特征也具有一定的代表性，本文研究时段开展在夏季，而对于哈尔滨冬季的研究还有待进一步开展，以逐步形成和完善哈尔滨行道树的微气候调控体系的建立。

（References）：

[1]刘滨谊, 林俊. 城市滨水带环境小气候与空间断面关系研究——以上海苏州河滨水带为例[J]. 风景园林, 2015,(6):46-54.

LIU Binyi, LIN Jun.Study on Relationship between Microclimate and Space Section of Urban Waterfront Green Belt: A Case Study of Riverfront Green Belt in Suzhou and Shanghai[J]. Landscape Architecture, 2015,(6):46-54.

[2]Brown R D. Ameliorating the effects of climate change: Modifying micro-climates through design[J]. Landscape and Urban Planning, 2011, 100(4): 372-374.

[3]刘滨谊, 梅欹, 匡纬. 上海城市居住区风景园林空间小气候要素与人群行为关系测析[J]. 中国园林, 2016, 32(1):5-9. LIU Bin-yi; MEI Yi; KUANG Wei. Experimental Research on Correlation between Microclimate Element and Human Behavior and Perception of Residential Landscape Space in Shanghai[J].Chinese Landscape Architecture, 2016, 32(1):5-9.

[4]董芦笛, 樊亚妮, 李冬至,等. 西安城市街道单拱封闭型林荫空间夏季小气候测试分析[J]. 中国园林, 2016, 32(1):10-17.

DONG Lu-di;FANYa-ni;LIDong-zhi;DUAN Wen-jia. An Analysis of Summer Microclimate Survey for Crown Dome Space under Two-row Crown-closure Alee-trees on Urban Street in Xi'an[J]. Chinese Landscape Architecture, 2016, 32(1):10-17.

[5]Klemm W, Heusinkveld B G, Lenzholzer S, et al. Street greenery and its physical and psychological impact on thermal comfort[J].Landscape & Urban Planning, 2015:87–98.

[6]Gillner S, Vogt J, Tharang A, et al. Role of street trees in mitigating effects of heat and drought at highly sealed urban sites[J]. Landscape and Urban Planning, 2015, 143: 33-42.

[7]张铮. 哈尔滨市道路绿化结构与改善小气候功能的研究[D]. 哈尔滨:东北林业大学,2007.

ZHANG Zheng. Study on Structure of Road Greening and the Improvement of Microclimate in Harbin[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2007.

[8]李英汉, 王俊坚, 陈雪. 深圳市居住区绿地植物冠层格局对微气候的影响[J]. 应用生态学报, 2011, 22(2):343-349.

LI Ying-han, WANG Jun-jian, CHEN Xue, ect. Effects of green space vegetation canopy pattern on the microclimate in residential quarters of Shenzhen City[J]. Journal of Applied Ecology,2011, 22(2):343-349.

[9]晏海. 城市公园绿地小气候环境效应及其影响因子研究[D]. 北京:北京林业大学, 2014.

YAN Hai. Study on Microclimate Environment Effect and Its Influencing Factors of Urban Park Greenland[D]. Beijing :Beijing Forestry University, 2014.

[10]陈翠翠.哈尔滨市区道路植物配置对策的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2009.

CHEN Cui-cui.A Study on the Countermeasures of Road Plant Arrangement in Harbin Urban Area[D]. Harbin:Northeast Forestry University, 2009.

[11]Brown R D, Gillespie T J. Microclimatic landscape design: creating thermal comfort and energy efficiency[M]. J. Wiley & Sons, 1995.

[12]董慧龙,杨文斌,王林和.单一行带式乔木固沙林内风速流场和防风效果风洞实验[J]. 干旱区资源与环境, 2009, 23(7):110-116.

DONG Huilong, YANG Wenbin, WANG Linhe, etc.Wind break effects and wind velocity flow 0field of one-lineshelterbel[J]. Arid Land Resources and Environment, 2009, 23(7):110-116.

[13] Bueno-Bartholomei C L, Labaki L C. How much does the change of species of trees affect their solar radiation at tenuation[C].International Conference on Urban Climate.2003, (5): 267-270.

Thermal Comfort Effects and Morphological Characteristics of Typical Street Trees in Summer in Harbin

This paper selects the street trees planted in row along four typical pedestrian streets in Harbin as research subject and conducts a quantitative study on its daytime microclimatic effect in summer. Then, the PET value of its thermal comfort degree is fitted out by combining the Rayman-model. After comparing the influences on thermal comfort of human body which exerted by different street trees, the paper analyzes the effects of tree morphological characteristics on microclimate. Results show that the street trees have significant adjustment capability on microclimate in summer with an approximate adjustable temperature range from 0.3-2.5℃. The humidity increment could reach 8.45%, and the solar radiation intensity could reduce 91.39% with obvious attenuation effect on wind speed. Finally the correlation between tree morphological characteristics and microclimatic factors is analyzed through the SPSS data statistical analysis software which reveals the significant correlation that tree morphological characters (tree height, crown height, crown width and canopy density) have significant adjustment effects on microclimate factors and human thermal comfort.

Landscape Architecture; Street Trees; Field Measurements; Thermal Comfort; Morphological Characteristics; Adjustment Mechanism

TU986

A

1673-1530（2016）12-0074-07

10.14085/j.fjyl.2016.12.0074.07

2016-06-27

国家自然科学基金重点项目（课题编号51438005）:严寒地区城市微气候调节原理与设计方法研究；黑龙江省科技攻关项目（GZ15A510）:寒地景观特征与运动模式互动模型建构

Funding Items: National Natural Science Foundation of China: Theory and Design Method for cold areas of the city micro-climate regulation(Project No. 51438005) KeyTechnologies of Heilongjiang Province: Construction of Interactive Model of Landscape Characteristics and Movement Patterns in Cold Regions(GZ15A510)

赵晓龙/1971年生/哈尔滨人/哈尔滨工业大学建筑学院景观系教授、博士生导师、景观系系主任/哈尔滨工业大学建筑学院/黑龙江省寒地景观科学与技术重点实验室/研究方向为可持续景观规划设计（哈尔滨 150001）

ZHAO Xiao-long was born in Harbin in 1971. He is the professor, doctoral tutor, dean of Landscape Faculty of School of Architecture in Harbin Institute of Technology, School of Architecture in Harbin Institute of Technology, and he works in the Key Laboratory of Landscape Science and Technology in Cold Regions of Heilongjiang Province. His main research interests are sustainable landscape planning and design (Harbin 150001).李国杰/1989年生/包头人/哈尔滨工业大学建筑学院/黑龙江省寒地景观科学与技术重点实验室/哈尔滨工业大学建筑学院景观系硕士生（哈尔滨 150001）

LI Guo-jie was born in Baotou in 1989. He is a master in Landscape Architecture Faculty of School of Architecture in Harbin Institute of Technology. And he works in the Key Laboratory of Landscape Science and Technology in Cold Regions of Heilongjiang Province(Harbin 150001).高天宇/1984年生/哈尔滨人/哈尔滨工业大学建筑学院景观系博士生（哈尔滨 150001）

GAO Tian-yu was born in Harbin in 1984. He is a PhD candidate in Landscape Architecture Faculty of School of Architecture in Harbin Institute of Technology(Harbin 150001).

修回日期：2016-09-05