街谷行道树种植对环境热舒适度的影响及适应性设计研究进展*

吴昌广 樊 萱 肖乾坤 郭雅耘 成雅田 WU Changguang, FAN Xuan, XIAO Qiankun, GUO Yayun, CHENG Yatian

0 引 言

在全球气候变暖与城市热岛效应的双重影响下，城市地区高温事件发生的强度、频率和持续时间均显著增加，直接导致居民热不适[1-2]。街道峡谷（街谷）是由街道与相邻两侧建筑物围合而成的线性开敞空间，承载了居民的交通出行与日常生活等重要功能[3-4]。街谷作为城市户外空间的基本构成单元，其热环境质量的改善对室外公共空间活力提升有极重要的影响。行道树种植对街谷近地微气候和热舒适度有明显改善作用，被作为城市园林部门应对高温健康胁迫、提升街谷热环境的重要策略[5]。如何充分发挥行道树对街谷环境热舒适度的提升潜力成为诸多学者和规划设计师关注的热点。

街谷行道树对人体热舒适度的影响具有复杂的调控机制，其主要通过树冠对太阳辐射的遮挡、反射作用[6-8]和树木叶片的蒸腾作用[9-11]调控街谷热环境因子，进而影响人体与环境之间的对流换热、潜热蒸发、热辐射等热平衡过程（图1）。研究表明，树木叶片的疏密程度和冠幅大小显著影响树冠拦截和吸收辐射的强度以及蒸腾冷却能力[12-13]，同时，树高也会显著影响平均辐射温度的降幅[14]，进而影响街谷热舒适度的改善。然而，行道树种植形成的连续树冠会导致街谷内部空气流动性变差，从而对热舒适度产生一定的负面影响[14-15]。此外，街谷空间形态如高宽比、走向等通过影响太阳辐射和内部通风改变行道树的热舒适度改善效益[16-21]。可以看出，行道树种植对街谷热环境的调节具有复杂机理，热舒适度的增加或减少取决于树木个体形态特征、绿带空间配置模式以及街谷几何形态等各种因子间的相互作用。

图1 行道树对街谷热环境的调控机制及人体与环境间的热平衡过程Fig.1 regulation mechanisms of trees on thermal environment in the streetcanyon and process of heat balance between human bodyandenvironment

由于不同地域城市街谷环境的复杂性和常用绿化树种的差异，需要通过评价街谷空间形态与行道树配植方式对热舒适度的协同影响，科学制定与特定街谷环境相适应的行道树种植设计策略，以最大化发挥行道树的生态效益。近年来，“街谷行道树种植对热舒适度影响”相关学术研究取得了丰硕成果。本文对这类研究成果进行系统梳理，综述了当前街谷行道树配植方式对热舒适度调控研究的概貌，总结了街谷行道树对热舒适度调控的影响因素，剖析目前研究存在的局限和需重点解决的关键问题并探讨未来研究的趋向，以期为后续工作提供相关借鉴与启示。

1 行道树配植方式对街谷热舒适度调控研究的总体概貌

基于Web of Science核心合集和中国知网(CNKI)数据库，本文分别使用((TS=“street*”) AND TS=(“thermal comfort”or“microclimate*”or“heat stress”)) AND TS=(“tree*”or“greenery”or“plant*”)和SU%=（‘街谷’+‘街道’）*（‘热舒适’+‘热环境’）*（‘行道树’+‘绿化’）为检索式获取2000—2022年间的街谷行道树与环境热舒适度关联性研究，共得到395篇文献。通过判读与筛选得到了核心文献42篇，并对研究要素、研究方法、气候区、热舒适指标等内容进行分类统计。由表1可见，该领域研究可划分为以下三个主题：行道树树木个体形态对热舒适度的调控、行道树绿带空间配置与街谷热舒适度整体提升的关联性，以及适应不同街谷空间形态的行道树种植设计策略。相关研究主要集中在亚热带湿润气候区和温带海洋性气候区，对其他气候区涉及较少。热舒适指标以生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature, PET）、通用热气候指数（Universal Thermal Climate Index, UTCI）为主。

表1 行道树对街谷环境热舒适度调控研究的主题、要素、方法、气候区和热舒适指标①Tab.1 topics, elements, methods, climate zone, thermal comfort indices of research on the outdoor thermal comfort by street canyon trees

从不同主题来看，一是重点探讨研究区域具有代表性的街谷中树木个体形态特征对环境热舒适度的调控作用，其主要通过树木叶面积衡量不同树种的热舒适度提升潜力。在此基础上，相关学者进一步探讨冠幅、冠形、分枝点高度等形态特征对街谷热舒适度的影响规律，为行道树树种选择提供依据。二是聚焦于探索种植间距、排列方式、绿化覆盖率等行道树绿带空间配置参数对环境热舒适度的影响，旨在为行道树配置模式提供指引。三是综合评估不同走向、不同高宽比街谷（浅街谷（H/W≤0.5）、规则街谷（0.5 ＜H/W＜＜2）、深街谷（H/W≥2）[60-62]）中行道树绿化设计方案对热舒适度的改善效益，进而提炼适应局地环境特征的行道树种植设计策略。

从研究方法来看，现场测量通过在不同地区典型街谷行道树冠下设置监测点，获得相应时间地点的空气温度、相对湿度、黑球温度、风速等热舒适度相关小气候因子数据，同时测量行道树树冠特征参数与街谷形态参数，利用统计学分析探讨某一特征因子对街谷热舒适度的影响规律[22]。缩尺尺度外场实验是在室外建立等比例缩小的城市理想街谷模型，通过精确控制植被和街谷参数，研究了在非稳态真实气象条件下实验变量对街谷热环境的影响机理[23]。数值模拟在利用现场观测数据验证模型准确性的基础上，通过设置多情景方案模拟评估行道树种植设计模式对环境热舒适度的影响，从而提出面向街谷热舒适度改善的设计策略[24-25]。可以看出，数值模拟是最常用的研究方法，但不同研究方法间可互为补充以提高研究结果的准确性。

2 街谷行道树对环境热舒适度调控的影响因素

2.1 树木个体形态

行道树树木叶面积是调控街谷环境热舒适度的主要驱动因素，其优化效益通常随着树木叶面积的增加而提升[7]，当树木叶面积过小，树冠遮荫作用不足以抵消对气流的阻碍作用则会对热舒适度产生负面影响。赵敬源和刘加平[26]模拟了不同LAI的行道树对西安规则街谷环境热舒适度的影响，结果表明LAI大于3的行道树可显著改善街谷的热舒适度，而LAI小于1的行道树会导致局部热舒适度恶化。近年来，在LAI的基础上有研究提出LAD[27]，以更精细地描述树冠垂直方向上不同冠层高度的叶面积差异。莫拉金约和拉姆（Morakinyoa T E ＆ Lam Y M）[27]在香港的模拟研究指出，PET的降幅会因LAD分布差异而不同，行道树叶片分散分布比集中分布具有更好的热舒适度改善效益。

调节行道树树高、冠幅和冠形等形态参数可以增加树木遮荫和改善街谷通风，进而提高其热舒适度改善潜力[28-29]。一项香港的数值模拟研究比较了8种具有不同LAI和树高的行道树在规则街谷中的热舒适度改善效果，指出较低LAI的树种可通过降低树高以增加树木对太阳辐射的衰减作用，从而改善热舒适度[30]。孔玲（Kong L）等[33]在香港构建12种树木模型，模拟分析不同树种个体特征差异对热舒适度的调控作用，结果指出具有较大冠幅和LAI、较低树高的行道树更能有效改善浅街谷环境热舒适度。李贤静（Lee H）等[31]在德国弗莱堡通过模拟研究发现，行道树冠幅由5 m增加至7 m时，浅街谷平均PET最高降低6.4 ℃。不同冠形也会影响行道树的热舒适改善潜力，圆柱形树冠比相同高度和冠幅的球形树冠和锥形树冠更能有效地提升热舒适度[32]。

综合考虑树木叶面积、冠幅和树高等多种个体形态特征因子是行道树配植过程中科学选择树种的关键。部分研究以植物面积指数（Plant Area Index，PAI）来表征树冠整体特征，PAI定义为综合考虑叶、枝、果和花等所有树冠物理要素的树冠垂直投影的估计值，被认为更适合用于分析树木的热舒适度改善潜力[34]。萨努西（Sanusi R）等[35]在澳大利亚墨尔本实地测量三条南北向街谷中具有不同叶片和树冠特征的行道树冠下小气候因子，指出高PAI的树种更有利于PET改善，而当行道树PAI相似时，树木冠形、冠幅和叶片形态的差异对街谷热舒适度的影响不显著。

2.2 绿带空间配置

行道树种植间距、排列方式对街谷环境热舒适度改善也起着重要作用[36-38]。王宇鹏和阿克巴里（Wang Y ＆ Akbari H）[39]在加拿大蒙特利尔的模拟研究表明，与不连续种植模式相比，行道树连续种植模式更有助于街谷环境热舒适度提升，当树冠间距减小50%，规则街谷平均辐射温度降低9 ℃。帕克（Park C Y）等[40]进一步探讨了行道树冠幅与种植间距对街谷热舒适的协同影响，发现当种植间距由11 m减小至3 m时，冠幅为10 m的行道树使街谷MRT降低0.6 ℃，而冠幅为3 m的行道树使MRT降低达11.2 ℃，表明小冠幅行道树在减小种植间距时热舒适度改善效果更显著。此外，优化行道树绿带布局能通过影响太阳对街谷空间的直射范围和街谷内风场分布显著提升热舒适度。研究表明，与街谷中央种植行道树相比，两侧种植行道树对热舒适度改善效果更好[27]。

适当增加街谷绿化覆盖率可以对环境热舒适度产生积极影响[41-42]。在希腊雅典，绿化覆盖率从7.8%增加至50%可使规则街谷平均PET降低8.2 ℃[43]。在埃及开罗的研究同样发现，50%绿化覆盖率提供了最优的热舒适度改善效益[44]。黄卓迪（Huang Z）等[45]在武汉浅街谷中通过现场观测与问卷调查发现，中、低乔木覆盖率（52.05%、38.61%）区域的行人热感觉无显著差异，仅在高乔木覆盖率（94.16%）下热舒适度得到显著改善。然而，绿化覆盖率大小与其改善效果间并非呈线性关系，过度增加绿化覆盖率反而导致PET升高。欧阳婉璐（Ouyang W）等[46]在香港以2%为增幅，模拟分析了不同绿化覆盖率下规则街谷中的平均PET，结果表明在绿化覆盖率由18%增加至20%时出现最大PET降幅，而覆盖率大于30%后，PET不再显著下降，指出最佳绿化覆盖率范围为20%～30%。博切内克（Bochenek A D）等[47]在波兰罗兹通过模拟研究发现，与无树相比，10%的绿化覆盖率较19%的绿化覆盖率更有利于改善规则街谷环境热舒适度。可以看出，相关研究结论在不同气候区具有较大差异，行道树配植时需进一步确定相应气候区最佳绿化覆盖率的范围。

2.3 街谷空间形态

行道树对环境热舒适度的调控作用会受到街谷空间形态的影响，最优树种选择和空间配置因街谷高宽比和走向而异[48-51]。大多数研究表明，深街谷中行道树的热舒适度改善效益并不明显[52-53]。莫拉金约（Morakinyo T E）等[54]在香港的研究发现在深街谷种植LAI分别为1.83和3.55的树木时具有相似的PET，增加树木叶面积对深街谷热舒适度无显著提升，而在浅街谷中则相反[55]。李贤静（Lee H）等[31]研究发现，浅街谷（H/W=0.5）中增加绿化覆盖率产生的平均PET降幅显著大于深街谷（H/W=2.0）。

谭铮（Tan Z）等[56]在香港进一步模拟研究了不同走向街谷最优的行道树布局模式，结果表明行道树种植在东西走向街谷的两侧、南北走向街谷的西侧等太阳辐射量更大的位置可以更好地改善热舒适度。郭晓晖等[57]在杭州利用具有三维特征的树木可视因子（Tree View Factor，TVF）表征绿化覆盖程度，发现增加TVF对热舒适度的改善效果在东西走向街谷中更显著。德国弗莱堡的模拟研究表明，由于临街建筑的遮阳效果，东西走向深街谷北侧较南侧更需要通过种植行道树改善人行道热舒适度[31]。而南半球城市由于太阳高度角的差异得出了相反的结论，库茨（Coutts A M）等[58]在澳大利亚墨尔本的研究指出行道树种植在东西走向街谷南侧更优。此外，行道树绿带与临街建筑之间的距离也会对环境热舒适度产生影响，一项模拟研究表明在哈尔滨南北走向街谷中，行道树绿带种植在靠近街谷中央的位置时热舒适度改善效果最优，而东西走向的街谷则需要靠近临街建筑种植[59]。可以看出，由于各地区纬度差异导致太阳高度角不同，需要综合考虑街谷走向和相应地区太阳辐射方位以确定最优行道树布局位置。

3 改善街谷热舒适度的适应性行道树配植设计

基于对亚热带湿润气候区研究成果的总结梳理，总结了不同高宽比街谷中的行道树种植设计策略（表2）。对于浅街谷，应充分考虑冠大荫浓的树种，并采用树冠连续的种植模式以增强遮荫作用。规则街谷中行道树在提供遮荫同时减少对空气流通的阻碍，采用不连续种植进一步应提高街谷空间通风潜力。深街谷中由于两侧建筑的遮挡可选择树冠较小的树种，保持一定的种植间距，促进空气流通。由于不同地区适用的行道树种存在较大差异，因此在应用过程中需要建立当地的绿化植物数据库，并结合植物个体形态参数将通用的树木形态对应到实际树种。同时，考虑到不同类型街谷中的太阳辐射量和方位，应采取合适的树冠间距和行道树布局方式以实现行道树对街谷环境热舒适度的改善作用。

表2 典型街谷空间形态下的行道树种植设计策略（亚热带湿润气候区）Tab.2 design strategies of street tree planting under typical spatial forms of street canyons (Cfa)

由于气候区间的差异和街谷空间的复杂性，最佳的行道树种植设计策略需要结合局地环境特征具体分析。因此，为更好地发挥行道树绿化改善街谷热环境的生态效益，本文构建了一套面向街谷环境热舒适度提升的行道树种植设计方案生成与优化方法框架（图2）。该框架包括基础资料、设计程序、模拟平台3大模块，其中基础资料收集和模拟平台构建为行道树种植设计提供了有力的数据支撑和技术方法。设计程序分为树种选择、空间配置、评估优化、方案生成4个步骤。首先，针对树木热舒适调节潜力受区域气候背景、树木个体特征、街谷空间形态影响导致最优树种难以确定的科学问题，对不同形态的树木热舒适度调节＜潜力开展情景模拟分析，得到适应不同街谷空间形态的最优树木个体特征组合模式及其树种库。其次，结合街道功能类型的景观、遮荫需求确定行道树种植间距和排列布局，形成行道树种植设计初步方案。最后对上述绿化种植设计方案进行热舒适度模拟评估，判断街谷热舒适度评估结果是否满足在时间和空间占比方面的相应标准，并通过不断优化生成行道树种植设计最终方案。

图2 改善热舒适度的街谷行道树种植设计方案生成流程与技术框架Fig.2 process and technical framework for street tree planting design program generation for thermal comfort improvement in street canyons

4 研究展望

综合来看，目前关于街谷行道树对热舒适度影响的研究较为丰富，形成了较为完善的研究方法。但街谷环境复杂，行道树种植对热舒适度的改善效益受多种因素影响，研究结论与街谷绿化种植设计实践的衔接度较低，缺乏综合考虑多种因子协同效应的探索。为科学化系统化地发挥行道树的热舒适度改善效益，结合本文的设计方法框架，未来研究可从以下3个方面展开更深入的探讨。

第一，建立响应区域气候特征的街谷行道树配植设计模式。既有研究多关注单一要素对行道树热舒适度改善效果的影响，缺乏对要素间协同作用的考量，无法对行道树种植设计要素进行系统性统筹安排。未来应综合考虑城市行道树、街谷空间形态与区域气候条件之间的协同影响，揭示街谷空间形态参数、行道树个体特征与布局参数的交互作用和相对重要性，建立适应区域气候特征下最优热舒适度改善潜力的行道树布局模式、个体特征组合模式及对应的树种库，从而为城市街谷绿化提供更为直接的参考。

第二，构建城市街谷空间热舒适度模拟评估导则。利用数值模拟技术预测环境热舒适度已经成为国内外研究及应用趋势，但数值模拟过程操作复杂且专业性强，目前还未形成标准化的评估导则为设计师提供对方案评估-分析-反馈的技术流程。为确保在实践应用过程中数值模拟评估结果的准确性，未来应建立适用于城市街谷空间的热舒适模拟评估计算技术规程，从数值模型选择、计算域大小设定、边界条件设置、模拟时段选择等方面制定统一的专项评估要求。

第三，制定城市街谷空间热舒适度评价标准。现有研究多利用瞬时或平均热舒适度量化行道树对街谷环境热舒适度的调控作用，忽略其在时间和空间上的差异性，并未考虑不同气候区、不同功能类型的街谷空间热舒适度需求。未来应在参照不同气候区下热舒适度评价指标与热感觉标尺对应关系的基础上，得到各模拟方案的中性热感觉空间范围占比与时长占比，并根据不同功能类型街谷中的需求确定城市街谷空间热舒适度阈值范围，从而为前期设计方案评估提供科学的评价标准。

注释：

① 根据柯本气候分类系统，Cfa：亚热带湿润气候；Cfb：温带海洋性气候；Cwa:亚热带季风性湿润气候；Aw：热带草原气候；Af：热带雨林气候；Bwh：热带沙漠气候；Bwk：凉爽沙漠气候；Dfa：热夏型温带湿润气候；Dfb：温带大陆性气候；Dwa：暖温带大陆性气候；LAI：叶面积指数 Leaf area index；LAD：叶面积密度 Leaf area density；CM：冠形 Crown morphology；CW：冠幅 Crown width；HT：树高 Height of tree；TH：枝下高 Trunk height；CS：间距 Canopy spacing; PA：排列Plant arrangement；GCR：绿化覆盖率 Green Coverage ratio；FM：现场测量Field measurement；NS：数值模拟Numerical simulation；室外缩尺度比例模型Scaled outdoor experiments；PET：生理等效温度，Physiological Equivalent Temperature；UTCI:通用热气候指数，Universal Thermal Climate Index；MRT：平均辐射温度，Mean Radiation Temperature；SET：标准有效温度，Standard Effective Temperature；WBGT：湿黑球温度The Wet-Bulb Globe Temperature；THI：温湿度指数，Temperature humid index；括号中数字表示文献的数量：The numbers in parentheses are the number of references。

图表来源：

图1-2: 作者绘制

表1-2: 作者绘制