基于夏季小氣候效應的杭州街道適應性設計策略研究

楊小樂 金荷仙 彭海峰 陳楚文

當今城市建設向高密度、窄通道、高層結構的特大型城市發展。隨著地塊尺寸縮小、城市密度增加、城市綠化區域不斷被擠占，導致城市空間熱輻射平衡、地面建筑間的對流換熱、區域上空熱對流和城市發熱性造成了顯著的變化[1]，即形成嚴重的城市熱島效應[2]。街道是城市居民必不可少的戶外活動空間，營建健康舒適的小氣候環境是提升街道空間使用率的重要途徑[3]，其中遮陰效應、溫濕效應、負氧離子效應對城市局部氣候皆有顯著改善作用[4]。城市街道與建筑環境相輔相成，其氣候影響因素的研究脫離不了對城市建筑布局及空間的理解，故而國內主要由西安建筑科技大學董蘆笛教授牽頭的小氣候課題組為代表參與研究[5-10]。除西安對城市街道小氣候有較為系統詳盡的研究外，也有較多學者投身其中。邵鈺涵便對氣流、溫度、濕度、遮陽和污染物5個影響因子對街道小氣候的作用進行綜述，得到空間類型及景觀要素對小氣候因子而言極為重要[11]。城市不同類型街道小氣候的研究對于城市規劃設計具有極其重要的意義，但仍處于不斷探索補充階段，對于可實際運用于城市街道的小氣候適應性設計策略仍需進一步定量化完善。

本研究以空間典型性和人群使用率為原則，選擇杭州市典型街道文一西路和古墩路進行小氣候實測，結合Rayman1.2模型探討夏季街道不同類型空間的人體舒適度差異，提出基于小氣候效應的街道空間適應性設計策略。其結果對城市街道空間建設具有較強的參考價值。

1 研究區概況

研究區位于杭州市西湖區文一西路和古墩路交叉口路段，屬亞熱帶季風區，春秋短冬夏長，夏季濕潤炎熱，是新四大火爐城市之一。據2014年《杭州城市綠化景觀》統計[12]，杭州主干道路以“四板五帶式”為主，其次為“三板四帶式”“一板兩帶式”。

東西向文一西路呈雙向八車道，四板五帶式。臨街建筑以六層住宅為主，一層皆為商業用房，北側人行道設騎樓，街道高寬比（H/W）約0.43。兩側機非分隔綠帶皆為喬（香樟）—灌—草復層結構；機動車道中央分隔綠帶以草—灌結構為主，輔以落葉小喬木；人行道南側無行道樹，北側種落喬黃山欒樹（Koelreuteria bipinnata var.integrifoliola）。南北向古墩路呈雙向四車道，三板四帶式。臨街建筑以六層住宅為主，東側一層為商業用房，南側設居住區鐵藝圍欄，街道高寬比（H/W）約0.49。兩側皆有人行道行道樹及機非分隔綠帶，未設機動車道中央分隔綠帶。根據街道朝向、界面、空間類型等要素選取測點1、2（圖1、2）。

2 實驗方法

實驗于2017年8月24、27—28日3個晴朗無風的典型氣象日進行，其中25、26日突發雷陣雨暫停測量，測量三日整體天氣相近，基本可視為連續3天；實測時間選為08：00—18：00（表1、2）。采用定點移動式觀測法[13]，即每隔1h對垂直地面1.5m處的各小氣候因子進行手持測定。觀測時疏散周圍人群并停止對話交流，儀器距離胸前一臂長并保持平穩約3min，待氣候因子穩定后讀取并記錄，取3天均值作為分析用數據。

3 結果與分析

3.1 太陽輻射強度分析

太陽輻射強度測量值與遮陰嚴密程度存在直接關系，即遮陰越嚴密，太陽輻射強度越低。夏季，由于喬木冠層枝葉茂盛，加之局部時段建筑遮陰，文一西路和古墩路多測點、多時段均處于遮陰之下，其太陽輻射值與無遮陰區域相比存在明顯差異。由于文一西路機動車道中央測點4于測量時段皆無遮陰，故將其定為無遮陰對照點。無遮陰對照點于正午12：00達到所有測點日峰值949.1W/m2，且全天趨勢變化最為明顯（圖3）。

文一西路測點1～3、5、6太陽輻射強度受建筑、行道樹遮陰而顯著降低，其中測點1、2、3、5由于行道樹冠層遮陰較為嚴密，整體日太陽輻射強度變化小，變化趨勢接近；測點6于上午時段因建筑遮陰導致其太陽輻射強度變化與測點1～3、5相近，但13：00后由于缺少行道樹及建筑遮陰，引起太陽輻射強度反向增大，至15：00—18：00間與無遮陰測點4的太陽輻射強度相接近。古墩路測點7～12的太陽輻射強度日變化相較文一西路更為復雜，上下午時段差異明顯，最高值于測點9的13：00達 882.6W/m2。

據夏季太陽陰影時段變化發現，遮蔽物投影變化呈西—北—東圓周形變化。東西向文一西路兩側對應測點的太陽輻射值基本一致，僅南側人行道空間因無行道樹遮陰于午后處于強太陽輻射狀態。由于太陽東升西落，南北向古墩路人行道的太陽輻射強度主要受建筑遮陰影響，非機動車道主要受行道樹遮陰影響，結果與人行道空間基本一致。結果表明，遮陰能夠有效降低太陽輻射強度，且對南北向道路的太陽輻射熱具有較大影響，往往上午時段西界面的太陽輻射值高于東界面，反之中下午時段則低于東界面，與劉濱誼對上海城市街道的研究成果一致[14]。

3.2 空氣溫度分析

文一西路測點1～6日變化趨勢相近，其中無遮陰測點4空氣溫度明顯高于其余測點，并于13：00達文一西路日最高溫40.7℃，測點1則基本處于較低溫水平，于08：00達測量時段最低溫30.8℃。古墩路日最高溫出現于測點9（40.9℃），且測點8、9在13：00—16：00時間段內因太陽斜射而導致快速增溫。就測點1～12空氣溫度整體日變化而言，上午增溫速率相較下午降溫速率更為明顯，其中測點4增溫最快，測點1因擁有絕佳的建筑及行道樹遮陰，空氣溫度減弱程度最為明顯（圖4）。

通過兩條街道空氣溫度整體水平發現，東西向文一西路整體略高于南北向古墩路。一是由于東西向道路受太陽東升西落的影響小，二是文一西路為“四板五帶式”結構，相對古墩路“三板四帶式”結構更為開闊，受光時間更長，導致降溫變化緩慢。就街道兩側界面空氣溫度整體水平而言，東西向道路兩側差異較小，其空氣溫度變化基本取決于建筑及行道樹遮陰的差異；而南北向道路兩側差異明顯，且存在因太陽東升西落引起的時段性規律變化，故炎熱夏季，南北向道路上午東側、下午西側的街道氣溫減弱作用最為明顯。

3.3 相對空氣濕度分析

測點1～12相對空氣濕度日變化趨勢基本呈“U”字形，且其最小值出現于13：00—16：00內。測點4于13：00達最低相對空氣濕度值37.7%，與日最高溫度出現時間及測點一致，表明相對空氣濕度與空氣溫度有一定負相關性（圖5）。

1 文一西路測點圖Wenyi West Road measuring points map

2 古墩路測點圖Gudun Road measuring points map

3 文一西路及古墩路太陽輻射強度日變化Daily variation of solar radiation in Wenyi West Road and Gudun Road

4 文一西路及古墩路空氣溫度日變化Daily variation of air temperature in Wenyi West Road and Gudun Road

表1 實驗儀器及測量內容Tab.1 Experimental equipment and measurement content

表2 測量日基本情況Tab.2 Basic conditions of measurement days

東西向文一西路8：00—13：00相對空氣濕度呈緩慢下降狀態，13：00—14：00達到極值，14：00后得到回升，但回升速度略慢于上午下降速度。古墩路和文一西路相對空氣濕度整體日變化趨勢相似，極值達到時間段略晚于文一西路，與空氣溫度日變化結果一致。就相對空氣濕度日變化而言，文一西路降至最低值所用時間更短，速率更快。

文一西路南北界面相對空氣濕度有一定區別，而古墩路東西界面變化趨勢相近，差異較小。文一西路北界面相對空氣濕度整體水平相較南界面更高，主要由于南界面相比北界面缺少行道樹遮陰，相對空氣濕度降幅快，加之北界面臨街住宅建筑略高于南界面建筑，空間相對郁閉，整體空氣濕度降幅較為緩慢。

3.4 風速風向分析

測點1～12全天風速變化趨勢復雜，基本無明顯規律可循（圖6）。東西向文一西路平均風速整體略強于南北向古墩路，測點4～6尤為明顯。可初步得到，街道空間的風速強弱取決于街道朝向與當日盛行風向的關系。

5 文一西路及古墩路相對空氣濕度日變化趨勢Daily variation of relative air humidity in Wenyi West Road and Gudun Road

6 文一西路及古墩路平均風速日變化趨勢Daily variation of average wind speed in Wenyi West Road and Gudun Road

7 測點1～12 PET熱感覺和生理應激等級占比The proportion of PET thermal sensation and physiological stress levels of measuring points 1～12

表3 文一西路及古墩路不同界面及類型不舒適感受統計Tab.3 Different interfaces and types of uncomfort statistics in Wenyi West Road and Gudun Road

4 夏季街道人體舒適度分析

人體舒適度是以人體與近地空間內大氣之間的熱交換原理為基礎，從氣象角度評價人類在不同氣候條件下的身體舒適感的一項生物氣象指標[15]。劉敏等研究表明在炎熱的夏季，影響人體舒適度的主要因素是空氣溫度和相對空間濕度。Rayman模型主要用于分析小氣候舒適度指標—生理等效溫度（PET）[16]，導入各測點小氣候數據—空氣溫度、相對空氣濕度、太陽輻射強度、風速，選定夏季服裝熱阻為0.5clo，人體條件為性別男、身高175cm、體重70kg、年齡35歲，新陳代謝率為80W/m2[17]，并輸入準確的日期時間、地理位置以計算PET。PET能夠體現人體能量與室外空間長波輻射通量間的平衡關系，是最適合于評價公共空間人體舒適度的指標之一[18]。

計算測點1～12三天每一測量時間段的PET值，并將其分為9類生理應激等級，即熱感覺程度[17]。據計算，08：00—18：00測點1～12的PET數值均高于23.0，故炎熱夏季PET越低，人體感受越舒適；且具有冠層即喬木遮陰的街道空間比不具冠層的空間更舒適[17]。將強熱應激及極端熱應激作為不舒適指標，統計3天PET（圖7）可得測點4不舒適時段最長，占總測量時間段的87.9%，為12個測點中最不舒適街道空間，主要由于該測點無建筑或喬木冠層遮陰，且處機動車道中央，受汽車尾氣影響嚴重，故舒適度遠比其他測點差；其次不舒適測點為5、8～11，皆占總測量時段的50%左右，且全為機非分隔綠帶測點，可見機非分隔綠帶測點由于兩側頻繁經過的機動車、非機動車而導致舒適度下降；所有測點中最佳舒適空間為測點1，全時段達到中熱應激等級以下，08：00時段達到微熱應激等級，其建筑及喬木冠層遮陰給予了測點1 所在文一西路北界面人行道良好的街道環境。

測點4位于文一西路機動車道中央，雖整體計算PET值時納入計算，但由于其所處位置無行人受用，空間使用者基本為駕駛封閉車輛的人員，故在比較戶外人體舒適度時，剔除測點4 的比較，僅將其PET數值作為參照組。統計東西向文一西路與南北向古墩路不同界面及類型舒適感受（表3）可得，文一西路不舒適感受占比遠小于古墩路。究其原因主要是古墩路熱及炎熱感受時段較長，大大拉高了古墩路整體不舒適感。顯而易見，于炎熱夏季人們更愿意行走在人行道行道樹樹蔭底下，或兩側建筑的騎樓底下，以盡量緩解不舒適感。

不同朝向道路兩側界面的PET指標也存在一定區別（表3），這主要取決于兩側街道空間、遮陰情況等不同影響因素，并非道路朝向導致。文一西路北界面環境舒適度遠優于南界面，強熱或極端熱應激等級僅占南界面的1/4，主要由于北界面建筑及行道樹遮陰能夠有效降低太陽輻射強度，并減緩空氣溫度升幅及相對空氣濕度降幅，提升人體熱舒適度；而古墩路東西界面無論人行道空間還是機非分隔綠帶空間，PET數值均相似，即街道界面對人體舒適度的影響較為接近。

5 城市街道小氣候適應性設計策略分析

通過對杭州市文一西路和古墩路小氣候實測數據和人體舒適度結果分析，發現街道朝向、界面、植物結構及種類是影響城市街道小氣候環境的重要因素，故本研究從該3項要素探討杭州街道小氣候適應性設計策略，旨在為同類型城市街道空間建設提供一定借鑒與依據。

1）街道朝向的控制。杭州整體主導風與東西向接近，穩定性微氣候視角下，東西向街道略優于南北向街道。街道朝向是影響空間遮陰率及通風狀況的最直接因素，利用城市主導風與街道走向的關系可明顯改善通風效果，提升戶外空間人體舒適度。當街道朝向與城市主導風趨于一致時，整體風速經街道峽谷而得到增強，能夠增大空氣熱交換，起到降溫效果，從而緩解夏季炎熱的不舒適感受。

2）街道界面的差異性設計。城市街道界面極大程度上影響了遮陰時段及類型。通過對不同界面的日陰影變化分析，可提出兩方面實施策略：①人為增建遮陰空間，縮小街道界面小氣候環境差異。②選擇綠色人行空間建筑材料。城市街道環境極大程度是為步行人群所服務的，對此可采用植物或建筑材料以緩和溫度變化，如將卵石樹池替換成綠植樹池、選擇具有較高太陽反射指數（SRI）的淺色涂料作為墻面材料[13]等方式。

3）城市街道綠化主要包括行道樹、機非分隔綠帶及機動車道中央分隔綠帶。植物的覆蓋作用可最高降低建筑墻體及屋頂表面溫度11～25℃[14]，可見綠化在城市公共空間小氣候環境中的重要性。城市街道植物設計主要通過行道樹選擇、植物結構、垂直綠化3方面來闡述：①行道樹樹種選擇。要實現夏季提供良好遮陰、冬季提供陽光直射取熱，在人行道空間種植的行道樹可選擇落葉樹種，在機非分隔綠帶種植的行道樹則可選擇常綠樹種。常綠與落葉喬木相結合的種植方式，既避免了景觀上的單一枯燥，也滿足了夏季遮陰、冬季光照的環境要求，并能營建較為舒適的城市街道空間。②植物結構復層化。植物結構可分為橫向的綠化帶結構及豎向的配置結構。一般在喬—灌—草復層結構的情況下，其空間綠量較大，綠化覆蓋率較高，可有效緩和小氣候因子日變化。③垂直綠化的增設。對于城市街道而言，通過墻面綠化、屋頂綠化來增加綠化覆蓋率，可有效緩和溫濕度日變化，緩解夏季極端熱感受。

6 結論與展望

根據對杭州市街道小氣候的實測分析和人體舒適度評價研究所得的結果，提出街道空間小氣候適應性設計策略。首先，在城市規劃之初，應盡可能設定朝向與城市主導風向平行或接近的街道。其次，通過人為增建遮陰空間、采用植物或綠色建筑材料、增設道路中央界面景觀以區別不同朝向道路的界面設計。最后，當人行道種植落葉喬木、機非分隔綠帶種植常綠喬木，并設置5條綠帶（人行道行道樹×2+機非分隔綠帶×2+機動車道中央分隔綠帶），盡可能選用喬—灌—草復層配置結構，增設垂直綠化（墻面及屋頂綠化）時，能夠提升綠化覆蓋率，滿足夏季遮陰、冬季光照的環境要求，從而營建舒適健康的城市街道空間。

城市街道環境中，街道朝向及界面、建筑物、植被、下墊面、天空可視度等組成要素的變化均可對小氣候產生重大影響。良好舒適的城市街道活動空間可促進人群流動，延長停留時間，提升城市整體環境質量。借助街道空間小氣候研究總結城市街道走向與整體城市規劃之間的關系，并針對性設計街道兩側界面，以創建最佳的街道環境。回顧研究全程，城市街道小氣候的相關研究仍需在理論、實測、實踐3方面做進一步深入研究。理論上，應逐步構建中國城市小氣候的系統性研究框架，拓展研究內容，深入挖掘研究切入點為后期同類型學者提供更充分的文獻依據。實測上，可通過智能化、精確化、大數據化的方式進行操作，以豐富研究內容。實踐上，結合小氣候量化理論及適應性設計策略，運用于城市街道建設案例，并于建成后進行使用后評價分析及實地小氣候因子測定，以驗證小氣候環境營造的價值。

注釋：

文中圖表均由作者自繪。其中表2溫度、濕度及風速風向數據來自中國天氣官方網站；日出日中日落時間取兩實測街道交叉口經緯度所在時間，數據來自中國天氣官方網站。