街谷行道樹種植對環境熱舒適度的影響及適應性設計研究進展*

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

0 引 言

在全球氣候變暖與城市熱島效應的雙重影響下，城市地區高溫事件發生的強度、頻率和持續時間均顯著增加，直接導致居民熱不適[1-2]。街道峽谷（街谷）是由街道與相鄰兩側建筑物圍合而成的線性開敞空間，承載了居民的交通出行與日常生活等重要功能[3-4]。街谷作為城市戶外空間的基本構成單元，其熱環境質量的改善對室外公共空間活力提升有極重要的影響。行道樹種植對街谷近地微氣候和熱舒適度有明顯改善作用，被作為城市園林部門應對高溫健康脅迫、提升街谷熱環境的重要策略[5]。如何充分發揮行道樹對街谷環境熱舒適度的提升潛力成為諸多學者和規劃設計師關注的熱點。

街谷行道樹對人體熱舒適度的影響具有復雜的調控機制，其主要通過樹冠對太陽輻射的遮擋、反射作用[6-8]和樹木葉片的蒸騰作用[9-11]調控街谷熱環境因子，進而影響人體與環境之間的對流換熱、潛熱蒸發、熱輻射等熱平衡過程（圖1）。研究表明，樹木葉片的疏密程度和冠幅大小顯著影響樹冠攔截和吸收輻射的強度以及蒸騰冷卻能力[12-13]，同時，樹高也會顯著影響平均輻射溫度的降幅[14]，進而影響街谷熱舒適度的改善。然而，行道樹種植形成的連續樹冠會導致街谷內部空氣流動性變差，從而對熱舒適度產生一定的負面影響[14-15]。此外，街谷空間形態如高寬比、走向等通過影響太陽輻射和內部通風改變行道樹的熱舒適度改善效益[16-21]。可以看出，行道樹種植對街谷熱環境的調節具有復雜機理，熱舒適度的增加或減少取決于樹木個體形態特征、綠帶空間配置模式以及街谷幾何形態等各種因子間的相互作用。

圖1 行道樹對街谷熱環境的調控機制及人體與環境間的熱平衡過程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環境的復雜性和常用綠化樹種的差異，需要通過評價街谷空間形態與行道樹配植方式對熱舒適度的協同影響，科學制定與特定街谷環境相適應的行道樹種植設計策略，以最大化發揮行道樹的生態效益。近年來，“街谷行道樹種植對熱舒適度影響”相關學術研究取得了豐碩成果。本文對這類研究成果進行系統梳理，綜述了當前街谷行道樹配植方式對熱舒適度調控研究的概貌，總結了街谷行道樹對熱舒適度調控的影響因素，剖析目前研究存在的局限和需重點解決的關鍵問題并探討未來研究的趨向，以期為后續工作提供相關借鑒與啟示。

1 行道樹配植方式對街谷熱舒適度調控研究的總體概貌

基于Web of Science核心合集和中國知網(CNKI)數據庫，本文分別使用((TS=“street*”) AND TS=(“thermal comfort”or“microclimate*”or“heat stress”)) AND TS=(“tree*”or“greenery”or“plant*”)和SU%=（‘街谷’+‘街道’）*（‘熱舒適’+‘熱環境’）*（‘行道樹’+‘綠化’）為檢索式獲取2000—2022年間的街谷行道樹與環境熱舒適度關聯性研究，共得到395篇文獻。通過判讀與篩選得到了核心文獻42篇，并對研究要素、研究方法、氣候區、熱舒適指標等內容進行分類統計。由表1可見，該領域研究可劃分為以下三個主題：行道樹樹木個體形態對熱舒適度的調控、行道樹綠帶空間配置與街谷熱舒適度整體提升的關聯性，以及適應不同街谷空間形態的行道樹種植設計策略。相關研究主要集中在亞熱帶濕潤氣候區和溫帶海洋性氣候區，對其他氣候區涉及較少。熱舒適指標以生理等效溫度（Physiological Equivalent Temperature, PET）、通用熱氣候指數（Universal Thermal Climate Index, UTCI）為主。

表1 行道樹對街谷環境熱舒適度調控研究的主題、要素、方法、氣候區和熱舒適指標①Tab.1 topics, elements, methods, climate zone, thermal comfort indices of research on the outdoor thermal comfort by street canyon trees

從不同主題來看，一是重點探討研究區域具有代表性的街谷中樹木個體形態特征對環境熱舒適度的調控作用，其主要通過樹木葉面積衡量不同樹種的熱舒適度提升潛力。在此基礎上，相關學者進一步探討冠幅、冠形、分枝點高度等形態特征對街谷熱舒適度的影響規律，為行道樹樹種選擇提供依據。二是聚焦于探索種植間距、排列方式、綠化覆蓋率等行道樹綠帶空間配置參數對環境熱舒適度的影響，旨在為行道樹配置模式提供指引。三是綜合評估不同走向、不同高寬比街谷（淺街谷（H/W≤0.5）、規則街谷（0.5 ＜H/W＜＜2）、深街谷（H/W≥2）[60-62]）中行道樹綠化設計方案對熱舒適度的改善效益，進而提煉適應局地環境特征的行道樹種植設計策略。

從研究方法來看，現場測量通過在不同地區典型街谷行道樹冠下設置監測點，獲得相應時間地點的空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、風速等熱舒適度相關小氣候因子數據，同時測量行道樹樹冠特征參數與街谷形態參數，利用統計學分析探討某一特征因子對街谷熱舒適度的影響規律[22]。縮尺尺度外場實驗是在室外建立等比例縮小的城市理想街谷模型，通過精確控制植被和街谷參數，研究了在非穩態真實氣象條件下實驗變量對街谷熱環境的影響機理[23]。數值模擬在利用現場觀測數據驗證模型準確性的基礎上，通過設置多情景方案模擬評估行道樹種植設計模式對環境熱舒適度的影響，從而提出面向街谷熱舒適度改善的設計策略[24-25]。可以看出，數值模擬是最常用的研究方法，但不同研究方法間可互為補充以提高研究結果的準確性。

2 街谷行道樹對環境熱舒適度調控的影響因素

2.1 樹木個體形態

行道樹樹木葉面積是調控街谷環境熱舒適度的主要驅動因素，其優化效益通常隨著樹木葉面積的增加而提升[7]，當樹木葉面積過小，樹冠遮蔭作用不足以抵消對氣流的阻礙作用則會對熱舒適度產生負面影響。趙敬源和劉加平[26]模擬了不同LAI的行道樹對西安規則街谷環境熱舒適度的影響，結果表明LAI大于3的行道樹可顯著改善街谷的熱舒適度，而LAI小于1的行道樹會導致局部熱舒適度惡化。近年來，在LAI的基礎上有研究提出LAD[27]，以更精細地描述樹冠垂直方向上不同冠層高度的葉面積差異。莫拉金約和拉姆（Morakinyoa T E ＆ Lam Y M）[27]在香港的模擬研究指出，PET的降幅會因LAD分布差異而不同，行道樹葉片分散分布比集中分布具有更好的熱舒適度改善效益。

調節行道樹樹高、冠幅和冠形等形態參數可以增加樹木遮蔭和改善街谷通風，進而提高其熱舒適度改善潛力[28-29]。一項香港的數值模擬研究比較了8種具有不同LAI和樹高的行道樹在規則街谷中的熱舒適度改善效果，指出較低LAI的樹種可通過降低樹高以增加樹木對太陽輻射的衰減作用，從而改善熱舒適度[30]。孔玲（Kong L）等[33]在香港構建12種樹木模型，模擬分析不同樹種個體特征差異對熱舒適度的調控作用，結果指出具有較大冠幅和LAI、較低樹高的行道樹更能有效改善淺街谷環境熱舒適度。李賢靜（Lee H）等[31]在德國弗萊堡通過模擬研究發現，行道樹冠幅由5 m增加至7 m時，淺街谷平均PET最高降低6.4 ℃。不同冠形也會影響行道樹的熱舒適改善潛力，圓柱形樹冠比相同高度和冠幅的球形樹冠和錐形樹冠更能有效地提升熱舒適度[32]。

綜合考慮樹木葉面積、冠幅和樹高等多種個體形態特征因子是行道樹配植過程中科學選擇樹種的關鍵。部分研究以植物面積指數（Plant Area Index，PAI）來表征樹冠整體特征，PAI定義為綜合考慮葉、枝、果和花等所有樹冠物理要素的樹冠垂直投影的估計值，被認為更適合用于分析樹木的熱舒適度改善潛力[34]。薩努西（Sanusi R）等[35]在澳大利亞墨爾本實地測量三條南北向街谷中具有不同葉片和樹冠特征的行道樹冠下小氣候因子，指出高PAI的樹種更有利于PET改善，而當行道樹PAI相似時，樹木冠形、冠幅和葉片形態的差異對街谷熱舒適度的影響不顯著。

2.2 綠帶空間配置

行道樹種植間距、排列方式對街谷環境熱舒適度改善也起著重要作用[36-38]。王宇鵬和阿克巴里（Wang Y ＆ Akbari H）[39]在加拿大蒙特利爾的模擬研究表明，與不連續種植模式相比，行道樹連續種植模式更有助于街谷環境熱舒適度提升，當樹冠間距減小50%，規則街谷平均輻射溫度降低9 ℃。帕克（Park C Y）等[40]進一步探討了行道樹冠幅與種植間距對街谷熱舒適的協同影響，發現當種植間距由11 m減小至3 m時，冠幅為10 m的行道樹使街谷MRT降低0.6 ℃，而冠幅為3 m的行道樹使MRT降低達11.2 ℃，表明小冠幅行道樹在減小種植間距時熱舒適度改善效果更顯著。此外，優化行道樹綠帶布局能通過影響太陽對街谷空間的直射范圍和街谷內風場分布顯著提升熱舒適度。研究表明，與街谷中央種植行道樹相比，兩側種植行道樹對熱舒適度改善效果更好[27]。

適當增加街谷綠化覆蓋率可以對環境熱舒適度產生積極影響[41-42]。在希臘雅典，綠化覆蓋率從7.8%增加至50%可使規則街谷平均PET降低8.2 ℃[43]。在埃及開羅的研究同樣發現，50%綠化覆蓋率提供了最優的熱舒適度改善效益[44]。黃卓迪（Huang Z）等[45]在武漢淺街谷中通過現場觀測與問卷調查發現，中、低喬木覆蓋率（52.05%、38.61%）區域的行人熱感覺無顯著差異，僅在高喬木覆蓋率（94.16%）下熱舒適度得到顯著改善。然而，綠化覆蓋率大小與其改善效果間并非呈線性關系，過度增加綠化覆蓋率反而導致PET升高。歐陽婉璐（Ouyang W）等[46]在香港以2%為增幅，模擬分析了不同綠化覆蓋率下規則街谷中的平均PET，結果表明在綠化覆蓋率由18%增加至20%時出現最大PET降幅，而覆蓋率大于30%后，PET不再顯著下降，指出最佳綠化覆蓋率范圍為20%～30%。博切內克（Bochenek A D）等[47]在波蘭羅茲通過模擬研究發現，與無樹相比，10%的綠化覆蓋率較19%的綠化覆蓋率更有利于改善規則街谷環境熱舒適度。可以看出，相關研究結論在不同氣候區具有較大差異，行道樹配植時需進一步確定相應氣候區最佳綠化覆蓋率的范圍。

2.3 街谷空間形態

行道樹對環境熱舒適度的調控作用會受到街谷空間形態的影響，最優樹種選擇和空間配置因街谷高寬比和走向而異[48-51]。大多數研究表明，深街谷中行道樹的熱舒適度改善效益并不明顯[52-53]。莫拉金約（Morakinyo T E）等[54]在香港的研究發現在深街谷種植LAI分別為1.83和3.55的樹木時具有相似的PET，增加樹木葉面積對深街谷熱舒適度無顯著提升，而在淺街谷中則相反[55]。李賢靜（Lee H）等[31]研究發現，淺街谷（H/W=0.5）中增加綠化覆蓋率產生的平均PET降幅顯著大于深街谷（H/W=2.0）。

譚錚（Tan Z）等[56]在香港進一步模擬研究了不同走向街谷最優的行道樹布局模式，結果表明行道樹種植在東西走向街谷的兩側、南北走向街谷的西側等太陽輻射量更大的位置可以更好地改善熱舒適度。郭曉暉等[57]在杭州利用具有三維特征的樹木可視因子（Tree View Factor，TVF）表征綠化覆蓋程度，發現增加TVF對熱舒適度的改善效果在東西走向街谷中更顯著。德國弗萊堡的模擬研究表明，由于臨街建筑的遮陽效果，東西走向深街谷北側較南側更需要通過種植行道樹改善人行道熱舒適度[31]。而南半球城市由于太陽高度角的差異得出了相反的結論，庫茨（Coutts A M）等[58]在澳大利亞墨爾本的研究指出行道樹種植在東西走向街谷南側更優。此外，行道樹綠帶與臨街建筑之間的距離也會對環境熱舒適度產生影響，一項模擬研究表明在哈爾濱南北走向街谷中，行道樹綠帶種植在靠近街谷中央的位置時熱舒適度改善效果最優，而東西走向的街谷則需要靠近臨街建筑種植[59]。可以看出，由于各地區緯度差異導致太陽高度角不同，需要綜合考慮街谷走向和相應地區太陽輻射方位以確定最優行道樹布局位置。

3 改善街谷熱舒適度的適應性行道樹配植設計

基于對亞熱帶濕潤氣候區研究成果的總結梳理，總結了不同高寬比街谷中的行道樹種植設計策略（表2）。對于淺街谷，應充分考慮冠大蔭濃的樹種，并采用樹冠連續的種植模式以增強遮蔭作用。規則街谷中行道樹在提供遮蔭同時減少對空氣流通的阻礙，采用不連續種植進一步應提高街谷空間通風潛力。深街谷中由于兩側建筑的遮擋可選擇樹冠較小的樹種，保持一定的種植間距，促進空氣流通。由于不同地區適用的行道樹種存在較大差異，因此在應用過程中需要建立當地的綠化植物數據庫，并結合植物個體形態參數將通用的樹木形態對應到實際樹種。同時，考慮到不同類型街谷中的太陽輻射量和方位，應采取合適的樹冠間距和行道樹布局方式以實現行道樹對街谷環境熱舒適度的改善作用。

表2 典型街谷空間形態下的行道樹種植設計策略（亞熱帶濕潤氣候區）Tab.2 design strategies of street tree planting under typical spatial forms of street canyons (Cfa)

由于氣候區間的差異和街谷空間的復雜性，最佳的行道樹種植設計策略需要結合局地環境特征具體分析。因此，為更好地發揮行道樹綠化改善街谷熱環境的生態效益，本文構建了一套面向街谷環境熱舒適度提升的行道樹種植設計方案生成與優化方法框架（圖2）。該框架包括基礎資料、設計程序、模擬平臺3大模塊，其中基礎資料收集和模擬平臺構建為行道樹種植設計提供了有力的數據支撐和技術方法。設計程序分為樹種選擇、空間配置、評估優化、方案生成4個步驟。首先，針對樹木熱舒適調節潛力受區域氣候背景、樹木個體特征、街谷空間形態影響導致最優樹種難以確定的科學問題，對不同形態的樹木熱舒適度調節＜潛力開展情景模擬分析，得到適應不同街谷空間形態的最優樹木個體特征組合模式及其樹種庫。其次，結合街道功能類型的景觀、遮蔭需求確定行道樹種植間距和排列布局，形成行道樹種植設計初步方案。最后對上述綠化種植設計方案進行熱舒適度模擬評估，判斷街谷熱舒適度評估結果是否滿足在時間和空間占比方面的相應標準，并通過不斷優化生成行道樹種植設計最終方案。

圖2 改善熱舒適度的街谷行道樹種植設計方案生成流程與技術框架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

綜合來看，目前關于街谷行道樹對熱舒適度影響的研究較為豐富，形成了較為完善的研究方法。但街谷環境復雜，行道樹種植對熱舒適度的改善效益受多種因素影響，研究結論與街谷綠化種植設計實踐的銜接度較低，缺乏綜合考慮多種因子協同效應的探索。為科學化系統化地發揮行道樹的熱舒適度改善效益，結合本文的設計方法框架，未來研究可從以下3個方面展開更深入的探討。

第一，建立響應區域氣候特征的街谷行道樹配植設計模式。既有研究多關注單一要素對行道樹熱舒適度改善效果的影響，缺乏對要素間協同作用的考量，無法對行道樹種植設計要素進行系統性統籌安排。未來應綜合考慮城市行道樹、街谷空間形態與區域氣候條件之間的協同影響，揭示街谷空間形態參數、行道樹個體特征與布局參數的交互作用和相對重要性，建立適應區域氣候特征下最優熱舒適度改善潛力的行道樹布局模式、個體特征組合模式及對應的樹種庫，從而為城市街谷綠化提供更為直接的參考。

第二，構建城市街谷空間熱舒適度模擬評估導則。利用數值模擬技術預測環境熱舒適度已經成為國內外研究及應用趨勢，但數值模擬過程操作復雜且專業性強，目前還未形成標準化的評估導則為設計師提供對方案評估-分析-反饋的技術流程。為確保在實踐應用過程中數值模擬評估結果的準確性，未來應建立適用于城市街谷空間的熱舒適模擬評估計算技術規程，從數值模型選擇、計算域大小設定、邊界條件設置、模擬時段選擇等方面制定統一的專項評估要求。

第三，制定城市街谷空間熱舒適度評價標準。現有研究多利用瞬時或平均熱舒適度量化行道樹對街谷環境熱舒適度的調控作用，忽略其在時間和空間上的差異性，并未考慮不同氣候區、不同功能類型的街谷空間熱舒適度需求。未來應在參照不同氣候區下熱舒適度評價指標與熱感覺標尺對應關系的基礎上，得到各模擬方案的中性熱感覺空間范圍占比與時長占比，并根據不同功能類型街谷中的需求確定城市街谷空間熱舒適度閾值范圍，從而為前期設計方案評估提供科學的評價標準。

注釋：

① 根據柯本氣候分類系統，Cfa：亞熱帶濕潤氣候；Cfb：溫帶海洋性氣候；Cwa:亞熱帶季風性濕潤氣候；Aw：熱帶草原氣候；Af：熱帶雨林氣候；Bwh：熱帶沙漠氣候；Bwk：涼爽沙漠氣候；Dfa：熱夏型溫帶濕潤氣候；Dfb：溫帶大陸性氣候；Dwa：暖溫帶大陸性氣候；LAI：葉面積指數 Leaf area index；LAD：葉面積密度 Leaf area density；CM：冠形 Crown morphology；CW：冠幅 Crown width；HT：樹高 Height of tree；TH：枝下高 Trunk height；CS：間距 Canopy spacing; PA：排列Plant arrangement；GCR：綠化覆蓋率 Green Coverage ratio；FM：現場測量Field measurement；NS：數值模擬Numerical simulation；室外縮尺度比例模型Scaled outdoor experiments；PET：生理等效溫度，Physiological Equivalent Temperature；UTCI:通用熱氣候指數，Universal Thermal Climate Index；MRT：平均輻射溫度，Mean Radiation Temperature；SET：標準有效溫度，Standard Effective Temperature；WBGT：濕黑球溫度The Wet-Bulb Globe Temperature；THI：溫濕度指數，Temperature humid index；括號中數字表示文獻的數量：The numbers in parentheses are the number of references。

圖表來源：

圖1-2: 作者繪制

表1-2: 作者繪制