校园行道树对夏季室外行人热舒适的影响研究

许 敏

洪 波*

姜润声

城市道路绿化是缓解城市热负荷的重要措施之一[1-2]。研究表明行道树在提升城市环境、减少能源消耗和缓解城市热岛等方面有着积极作用[3-4]。行道树可以改善道路周围的微气候、提升道路空间热环境，具体表现在降低空气温度、增加空气湿度、减弱太阳和地面辐射，以及改善通风等方面[5-7]。

针对行道树对城市环境的研究降温效果已在不同气候区开展[8]。美国印第安纳州伯明顿、澳大利亚墨尔本、新加坡和印度班加罗尔等地的相关研究表明行道树遮阴区域比无遮阴区域的空气温度分别低0.1、0.9、1.1和5.6℃[9-12]。行道树可以有效降低城市街道空气温度，且温度降低与树冠覆盖率密切相关[13]。行道树冠层遮阴主要由冠型、冠层深度、叶面积分布、树木间距、栽培和灌溉方式等决定[14]。不同特征(如树龄、冠型、冠幅、树梢结构、叶密度、叶色、叶质和叶形等)的行道树会产生不同的遮阴覆盖效应，引起人体热感觉变化[15]。枝叶密集的铁力木(Mesua ferrea)比响盒子树(Hura crepitans)对树冠下方的热辐射改善效果明显。较大的叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)能促进树木的蒸腾作用从而降低环境空气温度[5]。英国榆(Ulmus procera)和悬铃木(Platanusxacerifolia)的街道的小气候环境优于栽植桉树(Eucalyptus robusta)的街道，且这3种行道树的微气候调节能力随着植物面积指数(Plant Area Index，PAI)增大而增加[16]。

道路绿化通过影响道路周围的微气候，进而改善行人的热舒适[17]。热舒适是指：“对热环境感到满意的意识状态”[18]。空气温度、相对湿度、风速和太阳辐射等是影响人体热舒适的主要因素[19-21]。此外，道路的走向、高宽比也能影响行人的热舒适[17]。有无树木遮阴往往导致树木对城市的生物气候条件、平均辐射温度(Mean Radiant Temperature，Tmrt)和生物气象热指数产生不同的影响[22]。树木遮阴能显著降低生理等效温度(Physiological Equivalent Temperature，PET)，改善人体热舒适，且不同树种及其种植形式的改善效果存在差异[23]。街道绿化通过形成树荫对行人热舒适产生影响，10%的树冠遮盖可以使街道的Tmrt降低约1K[19]。在高宽比和走向相同的情况下，无行道树的街道的行人不舒适时间更长[20]。树冠覆盖率较高的树木对南北走向街道的微气候改善效果低于东西走向街道[21]。Georgi & Dimitriou利用不舒适指数(Discomfort Index，DI)比较了树下遮阴区域与阳光照射道路之间的热舒适差异，表明有遮阴区域的Ta和DI均比阳光下低3.1℃，且不同树种Ta和DI存在差异[23]。

综上可见，相关的研究已开展了道路绿化对行人热舒适影响的研究，但这些研究多集中于夏热冬暖区或夏热冬冷区，针对寒冷地区的相关研究较少[24-27]。由于居民心理、生理的差异，以及热经历和热期望的不同，不同气候区的居民热感知差异较大[28]。因此，本研究通过对寒冷地区不同行道树树荫和阳光下的气象参数的测量，运用通用热气候指数(Universal Thermal Climate Index，UTCI)分析不同行道树种下的室外热环境和行人热舒适的差异，并通过红外热成像仪测定行道树叶表面温度，分析行道树叶表面温度和行人热舒适的关系。以期为基于室外热舒适评价的寒冷地区城市街道树种选择提供理论基础和技术指导。

1 研究方法

1.1 实验场地

选择西北农林科技大学校园为实测场地(118°5′N，34°15′E)。根据柯本气候分类，该校园地处位置属于温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，气候温和，雨量适中[24]。6—8月为夏季，炎热多雨，12—翌年2月为冬季，寒冷干燥。夏季平均空气温度为26℃，平均最高温度和最低温度范围分别为29.6～31.7℃和17.2～22.4℃。全年平均相对湿度在57.2%～77.4%之间。太阳辐射强度 8月最强，为578.8W·m-2。该校园占地面积173.33hm2，道路绿化采用“一树一路”的设计方式(每条道路栽植一种行道树)，为开展不同行道树对行人室外热舒适的影响研究提供了理想场地。

选取校园内分别栽植银杏、鹅掌楸、悬铃木、苦楝(Melia azedarach)、臭椿(Ailanthus altissima)、三角槭(Acer buergerianum)和白玉兰的7条道路进行分析。这些树种也是该地区最常见的城市绿化行道树[29]。树种选择满足：1)树木生长良好，且同为道路设计时栽植，树龄相近；2)树木的形态和生态学特征能够直观反映植物种类；3)道路周围环境相似，不受其他植被或建筑遮阴的影响，下垫面及地形特征统一，路宽及树距相近。7条道路中，苦楝路、玉兰路、臭椿路和三角槭路为南北走向(N-S)，悬铃木路、银杏路和鹅掌楸路为东西走向(E-W)(图1)。

1.2 实地测试

分别监测每条行道树树荫和阳光下的空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、风速(Va)、黑球温度(Tg)和太阳辐射强度(G)。空气温度和相对湿度数据采用HOBO气象站进行采集，分别用风速计(Kestrel 5500，Nielsen-Kellerman Co.USA)、热指数仪(HD32.2 WBGT Index，Delta OHM，Italy)和太阳辐射自记仪(Pyranometer TBQ-2)记录环境中的风速、黑球温度和太阳辐射强度(表1)。记录间隔均为1min，仪器高度为距离地平面1.5m。参照前人的研究[14]，以阳光下的测点作为参照点，与被测行道树的距离不超过50m，树荫下的测点安置在午时降温最显著的行道树路的中间位置(图2)。所有行道树的测试在8月内完成。测试日的天气状况为晴好无风，选择一天中较热且人们活动较频繁的时间段10：00—16：00进行测试。同时，用红外热成像仪(Testo 885，Germany)拍摄行道树热成像照片，记录行道树表面的温度。热成像图片的拍摄要求拍摄者距离被测树木20m，顺着太阳的照射方向拍摄完整树木。此外，各行道树的树下的天空可视因子(Sky View Factor，SVF)通过拍摄鱼眼照片获取。照片拍摄时，将树干看成4个面——朝向道路的面、远离道路的面、两树之间的面，以及在朝向道路的面的树冠下方朝上拍摄半球形照片。根据太阳轨迹，对于南北方向的道路，分别拍摄东西两侧受试行道树的鱼眼照片；对于东西方向的道路，则只拍摄南侧行道树的鱼眼照片。7种行道树的鱼眼照片和SVF值如图3所示。

1.3 热指数

UTCI是基于人体能量平衡开发的用于室外热环境评价的指标，为基于“Fiala”多节点人体生理学和热舒适模型。该模型综合考虑了人体因环境变化而对衣物的调整和人体不同部位的衣物热阻分布，以及因风速引起的衣物热阻和水蒸气蒸发能力，使得该指标对任何季节、气候和尺度的热环境都适用[30]。利用RayMan2.1计算道路空间的UTCI值[30]。

图2 实地测试示意图

图3 7种行道树的鱼眼照片及SVF值

2 结果与讨论

2.1 道路空间热环境

树木对人体热舒适的影响主要由平均辐射温度(Tmrt)引起。为了研究7种行道树对城市道路空间热环境的改善效果，研究分析了阳光和树荫下Ta和Tmrt的变化。根据ISO 7726标准，Tmrt的计算公式为：

其中，Tg为黑球温度(℃)；Ta为空气温度，Va为风速(m/s)；D为黑球直径(m)(本研究中D＝0.05m)；ε为黑球系数(本研究中ε＝0.95)。

与阳光下相比，树荫下的Ta和Tmrt均有不同程度降低。悬铃木对Ta的降低能力最强(ΔTa=-1.5℃)。银杏、苦楝、白玉兰、鹅掌楸、三角槭和臭椿的降温能力依次减弱。银杏对Tmrt降低作用最明显(ΔTmrt=-35.2℃)，其次是三角槭、白玉兰、悬铃木、鹅掌楸、苦楝和臭椿(表2)。表明行道树的形态特征和种类的差异导致对热舒适的改善效应不同，且该降低作用与道路走向无关，这与Shahidan等的研究结果一致[6]。

测试时间段内，道路周围及树荫下的空气温度均呈上升趋势，银杏和白玉兰周围的热环境较差，Ta和Tmrt均较高。树荫下热环境较好的是悬铃木，这与其相对较凉爽的周围环境有关。银杏改善树荫下热环境效果最显著。此外，所有行道树的平均辐射温度的降低效果均在12：00—14：00内表现最佳(图4)。

2.2 道路空间热舒适

不同行道树对行人热舒适的影响主要由树木遮阴效果所决定[14]。树木遮阴主要取决于冠层大小、形状以及叶面积分布。树木通过影响太阳辐射穿透量而改变树下热环境，进而影响行人热舒适[31]。天空可视因子(SVF)代替LAI和PAI等作为定量树木遮阴程度的指标，已在相关研究中使用[32-33]。为了验证道路空间SVF与行人热舒适的关系，本研究使用UTCI分析不同行道树改善室外热舒适的效果。根据测量的阳光下和遮阴下的气象数据及个人参数，运用RayMan模型分别计算阳光下热舒适指标的数值(UTCIs)与遮阴下的热舒适指标的数值(UTCIsh)，并求二者差值的平均值(ΔUTCI)，用下式表示：

表1 气象参数测量所使用的仪器

表2 不同行道树树荫下和阳光下气象因子差值

图4 阳光下和树荫下的Ta(4-1)和Tmrt(4-2)变化

图5 ΔUTCI与SVF之间的关系

其中，ΔUTCI为阳光下通用热气候指数与遮阴下通用热气候指数的差值；UTCIs为在阳光下的通用热气候指数；UTCIsh为遮阴环境下的通用热气候指数；n为数据个数(本研究中n＝1 080)。

行道树对道路空间行人室外热舒适的改善效果与其SVF呈强线性关系(R2=0.8415)。SVF增大，树木改善热舒适的效果减弱，且该改善作用与街道走向无明显关系(图5)，该结果与Lin等的研究结果一致[34]。

银杏在降低行人街道人体室外热应力方面的效果最显著，ΔUTCI为9.44℃，其SVF最小，仅0.025。其次是白玉兰(SVF＝0.052)和三角槭(SVF＝0.058)，ΔUTCI分别为8.99和8.95℃。臭椿的改善效果最差(SVF＝0.112，ΔUTCI＝6.21℃)。SVF越大，穿过树冠到达行人体表和地面的太阳辐射越多，导致树荫下行人热舒适较差[35]。

悬铃木树荫下的UTCI平均值在测试时间内最低，白玉兰和苦楝的树下UTCI平均值相对较高。尽管银杏树具有最优的降低树下热环境及提高人体室外热舒适的能力，但由于14：00—16：00其周围环境较热，导致UTCI值偏高(图6)。因此，该时间段银杏树下的热环境仍处于不舒适范围，而悬铃木树下的热舒适度则相对较高。以上结果表明，为了营造舒适的道路环境，要结合周围热环境状况合理选择树种，在较热的小气候环境中栽植热缓解能力更强的树种。

分析测试时间段内7种行道树改善热舒适效果随时间的变化，银杏在大部分时间均表现出较优的改善热舒适的效果，尤其是10：00—13：00。但在13：00—14：00，银杏的热缓解作用低于白玉兰，由于白玉兰叶片较大，午后太阳光倾斜射入地面，与植被叶片之间形成夹角，较大的叶片能够反射更多的太阳辐射量，阻止光线射向地面，提高了树下行人热舒适。臭椿改善热舒适的效果相对较弱，主要受低SVF和小叶片的影响，穿过树冠到达人体皮肤表面的辐射通量多，热舒适感较差。尤其是在13：30后，太阳辐射由于倾斜入射至地面，导致树下辐射量与阳光下辐射量差值减小，且这种趋势随着时间的推移更加明显，ΔUTCI降低速率增大。结果表明，不同行道树种对人体室外热舒适的影响效果与街道走向无明显关系(图7)。

2.3 叶表面温度与热舒适

图6 行道树树荫下每小时UTCI平均值

图7 行道树对热舒适的改善效果随时间的变化

图8 7种行道树的叶表面温度

树木表面温度反映了树木对光的截取能力，且对树荫下的行人热舒适有显著影响[36]。图8为10：00和16：00时7种行道树的叶表面热成像图及叶表面温度。通过计算每2h所包含的3个整点所测得的叶表面温度的平均值作为该时间段内树木的平均叶表面温度，与对应的2h时间间隔内树下的UTCI平均值进行相关性分析。结果表明，树木的叶表面温度与UTCI呈线性正相关(R2=0.8083)，说明树下热舒适度的高低与植物表面温度密切相关(图9)。植物表面温度主要受叶片对光辐射的吸收率的影响，植物单叶对光辐射的吸收率在34%～60%之间，不同树种因叶片大小和其他叶片性状的不同而导致对光辐射的吸收率不同，对太阳辐射吸收力强的树木，其叶周围温度相对较高，导致树荫下的热舒适性减弱。公式为：

3 结论

本研究选取校园内白玉兰、银杏、三角槭、苦楝、鹅掌楸、臭椿和悬铃木7种典型的行道树，通过对树荫和阳光下气象参数的监测，运用热舒适评价指标UTCI，定量分析了行道树种的形态特征对行人室外热舒适的影响，结论如下。1)行道树改善行人热舒适作用明显，且树木形态特征差异导致树种对城市热环境的改善效应不同。悬铃木具有最强的降低Ta能力，依次是银杏、苦楝、白玉兰、鹅掌楸、三角槭和臭椿。银杏对Tmrt的降低效果最明显，其次是三角槭、白玉兰、悬铃木、鹅掌楸、苦楝和臭椿。2)行道树对行人街道人体室外热舒适的改善效果主要受SVF的影响，SVF越大，树木的改善热舒适效果越弱。银杏在降低人体室外热应力方面的效果最显著，其次是白玉兰和三角槭，臭椿的改善效果最弱。3)夏季树木的Tls与UTCI呈线性正相关，树荫下行人热舒适随叶表面温度的升高而降低。

综上可见，行道树覆盖率、树高、树冠形状、冠幅渗透率、树干和分支点结构以及叶片的大小和形状对周围道路空间的行人热舒适有影响，且不同的区域环境特征和树木生长条件下该影响效果有明显差异。今后的道路绿化设计应根据不同的区域小气候环境选择合适的行道树种。同时在行道树的修剪过程中，要将树冠形状、树干和分支点等要素和小气候环境结合起来。另一方面，今后的研究应建立不同区域、不同种类的行道树对道路空间行人热舒适的改善作用参数化数据库，从改善道路空间热舒适的角度更加系统、科学地指导道路绿化的树种选择。

图9 树荫下UTCI与叶表面温度之间的关系

致谢：感谢西北农林科技大学风景园林艺术学院硕士研究生闫珊珊、米家熠、秦红巧、安乐、牛佳琦、周蕴涵、贺晓云和崔雪等对数据收集提供的帮助。