树冠空间占用对不同高宽比街道行人热环境的影响

2023-05-31林定吴俊刘亚敏朱牧

福州大学学报（自然科学版） 2023年3期

林定,吴俊,刘亚敏,朱牧

(1.福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福建福州 350108;2.国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京 102205)

0 引言

随着经济发展,居民住宅越来越趋于集中分布,形成建筑物较密集的大大小小的街区,建筑物之间的街道是人们户外活动的重要场所,其热环境易受建筑物分布、植被等因素影响[1].近年来,国内外学者围绕城市热岛问题,开展许多改善行人热舒适度以缓解热不适的工作[2-4].小气候是指由于下垫面结构和性质不同,造成热量和水分收支差异,而在小范围内形成一种与大气候不同特点的气候.热环境是指由太阳辐射、气温、相对湿度等物理因素组成的作用于人,影响人的冷热感和健康的环境[5].本研究的行人小气候指行人高度的小气候,行人热环境指行人小气候中与热相关的物理量,主要是空气温度、湿度和风速.

现有研究表明,增加植被覆盖率可降低地表温度,适当提高绿地面积,可缓解城市热环境[6-7];其中,树木具有蒸腾和遮荫双重作用,在改善热环境、调节微气候方面发挥着重大作用[8-9].Vaz等[10]发现树木带来的冷却效果与树冠覆盖的面积之间呈现正相关.Tan等[11]发现在建筑物高密的亚热带城市中种植树木,至少可使气温降低0.3 ℃.Ma等[12]研究树木覆盖率与街道局地环境之间的关系,指出增加树木覆盖率是缓解行人热不适的重要策略,在街道纵横比(aspect ratio,AR,H/W)低的开放空间,增加树木覆盖率可使行人生理等效温度降低 0.5～8.7 ℃.Chen等[13]通过规模化的户外实验研究南北朝向的3种纵横比街道内树木对热环境的影响,结果表明纵横比会影响树木引起的街道小气候变化,当AR =1时,增加植被覆盖率,可获得更好的降温效果,当AR=2时,树木的冷却作用最强,当AR=3时,由于建筑阴影的影响占主导地位,树木对气温的冷却作用不明显.然而,在全球变暖的背景下,无论街谷的深度和方向如何,种植更多的绿色植物都一直被大力倡导.

现有研究表明,绿化密度和配置、主要气象条件、树木对温度(空气和表面)的降低和热舒适度的改善程度各不相同[11,14-15].一般而言,树木相关参数对气温的“冷却”贡献顺序为树冠大小>叶面积指数>树冠形状>叶子颜色[16].植物蒸腾降温的影响远小于遮阳降温,街道的高宽比和走向形成不同的建筑阴影,将显著影响树木的行人小气候效应.但对于街道的走向不同、树木的布局不同,如何影响街道行人小气候并在多大程度上产生影响,尚未有详细的文献报道.本研究在浅、中、深3种不同纵横比特征的街道中,开展树冠的不同大小对行人气温影响的数值计算,为更好地缓解热岛效应,改善街道行人小气候寻求适宜的树木绿化措施.

1 材料与方法

1.1 真实街谷植树现状下的行人热环境模拟与验证

图1 研究区及其3D模型Fig.1 Study area and its 3D model

表1 真实街道的几何参数和数值计算输入的条件参数

采集2020-05-17至2020-05-23期间A、B两街道内的行人高度处(距地面1.5 m高)气温数据,观测位置如图1(a)所示,观测时间为每日的8:00—9:00、11:30—12:30、15:00—16:00,每隔20 min记录一次数据.对比分析A、B街道各测点的观测值与数值计算的模拟值,计算其相关系数(R2)和均方根误差(root mean square deviation,RMSD),即

(1)

式中:tm为调研记录的实际温度,℃;ts为模拟计算的温度,℃;N为数据量.

计算结果如图2所示,表明气温的实测值和模拟值存在较强的线性关系[20],RMSD在可接受的范围内[21].因此,可认为数值模拟结果相对可靠,即本研究数值计算采用的初始条件和边界条件的设置是合理的、可靠的.

图2 气温的模拟数据与实测数据的相关性Fig.2 Correlation between measured and simulated data

1.2 3种街谷AR值下树冠大小影响行人热环境的案例设计

在不同形态结构(AR)的街道中,树冠容量如何影响行人小气候,其影响规律是否相似?为了回答这个问题,本研究在真实街道几何形态的基础上(街道A,AR=0.36,NE-WS;街道B,AR=1.39,N-S),保持树木种植的空间布局,通过建筑物高度的相似性缩放获得两个街道的3种AR值,形成浅街谷(02)[22-23],并构建对应的三维模型.其中,A街道的3组AR值分别为0.36、1.44、2.16,B街道的3组AR值为0.70、1.39、2.78.根据《城市道路绿化规划与设计规范(CJJ 75—1997)》[24],设计如表2所示树冠容量差异化配置方案,从最小值(无树木的空街谷,作为无偏比较的参照)到最大值(树冠的地面垂直投影形成连续树荫);树冠空隙率(canopy gap ratio,CGR)为负值表明街道内两相邻树木树冠枝叶交错.街谷内树冠的空间占比(tree’s canopy ratio,TCR),计算公式为

(2)

表2 案例设计

表2中案例组(1)的参数是对真实街道植树现状的观测获得的,结合实测数据对数值计算初始条件和边界条件设置的合理性,以及数值计算结果的可靠性进行验证;组(2)为无树木种植的空街道,是为了在不同朝向和AR值的街道中开展树木对行人小气候影响的无偏比较;组(3)是保持真实树木空间布局下的树冠差异实验的对照组,冠高和冠宽的组合案例,代表了大多数可能的树冠形态;树木的种植位置如图3(a)所示,树冠参数改变如图3(b)所示,株距8 m来自真实街道的植树株距.

图3 街道内树冠的差异化配置Fig.3 Street tree canopy configuration

2 实验结果与讨论

2.1 街道自身几何形态带来的热环境的差异

街道的几何形态是造成行人热环境差异的主要因素,无树木的空街谷内行人高度的气温和风速的计算结果如图4所示,随着街谷AR值的变化,行人风热环境也随之变化,从3个时刻(8:00、12:00、16:00)的计算结果可见: 真实街道在无植树情况下,A街道(AR=0.36)行人气温在一天中任何时刻都高于B街道(AR=1.39),这是由于A街道较宽,B街道较为狭窄且建筑较为密集,对阳光有更好的遮挡作用.

图4 A、B区域街道无树木案例温度、风速分布Fig.4 Distribution of temperature and wind speed in treeless streets A and B

由于朝向不同,A(NE-WS)、B(N-S)两街道的行人气温在空间上分布存在差异.上午,A的浅街谷行人气温在靠近建筑的东侧区域较低,随着AR值增大,街道内气温分布趋于一致;B的浅街谷行人气温在靠近西南角路口的位置较低,随着AR值增大,由中心轴线向东西两侧逐渐分布均匀.中午,A街道行人气温在靠近建筑的东侧区域较低,越靠近迎风路口位置,温度越高;B街道行人气温则在东西两侧相对均匀地分布.下午,A街道在迎风路口处气温较高,随着AR值增大,高温区由中心轴线向东西两侧逐渐均匀分布,B街道行人高温区则集中在迎风路口处.

随着AR值增加,两个走向的街道内行人温度和风速都随之减小.行人高度的气温和风速变化值同时呈现随街谷AR值增大而下降的趋势,即从浅街谷到中街谷的变化幅度大于从中街谷到深街谷的变化幅度.尤其是中午,A街道随着AR值增大,降温强度高于B,抵消了树冠遮荫带来的好处,使得A街道的统计图中出现类似于阈值的绿化率.即冠宽到一定程度,树木才有降温作用.

2.2 树木对街道行人热环境的改变

2.2.1温差的空间分布

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图5～6为A、B两区域有树木案例与无树木案例之间的模拟差异C的分布.图中,正值表示升温效果,负值表示降温,红色点表示树木的种植位置,从左至右,树冠的TCR值逐渐增大.

图5 与无树木温差(A区域街谷)Fig.5 Air temperature difference with no trees(street A)

图6 与无树木温差(B区域街谷)Fig.6 Air temperature difference with no trees(street B)

图5(a)和图6(a)分别为A、B浅街谷种植树木与无树木的行人气温差异分布图,树木能降低A、B浅街谷的行人气温.具体地,上午,树木的种植使A、B街道行人气温总体上升高,升温的幅度随着TCR值的增大而增大.中午,植树街道中行人气温降低,降温区域主要分布在种树区域,降温幅度和降温范围随着TCR值的增加而增大.下午,树木使街道内总体气温降低,随着TCR的增加,街道降温幅度增大.

图5(b)、(c)和图6(b)、(c)分别为A、B街道对应的中、深街谷内部植树带来的行人气温差异分布.可以看出: 对于A、B街道的中、深街谷而言,树木导致行人气温在上午升高,但会降低中午和下午的气温.总之,树木的降温作用随着AR值的增大而减小,其可能原因是,随着AR值增大,建筑的遮荫效用随之增大,削减了树木的遮荫效果.可见,随着街谷越来越深,树木改善行人气温的小气候效应将逐渐失去,从这个角度而言,深街谷植树意义不大.

2.2.2行人热环境差异与树冠体积空间占比的关系