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上海城市街道小气候要素与绿化布局关系测析——以徐汇区、杨浦区为例

张德顺 薛凯华 王振 曹玮 马椿栋

引用本文:
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上海城市街道小气候要素与绿化布局关系测析——以徐汇区、杨浦区为例

    作者简介: 张德顺,教授,博士生导师。主要研究方向:园林植物与风景园林规划设计。Email:zds@tongji.edu.cn 地址:200092 上海市杨浦区四平路1239号 同济大学建筑与城市规划学院.
  • 中图分类号: S731.2

Determination and analysis of the relationship between microclimate elements and greening structures in the city streets of Shanghai: taking Xuhui District and Yangpu District as examples

图(10)表(5)
计量
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-12
  • 录用日期:  2019-01-02
  • 网络出版日期:  2019-04-30

上海城市街道小气候要素与绿化布局关系测析——以徐汇区、杨浦区为例

    作者简介: 张德顺,教授,博士生导师。主要研究方向:园林植物与风景园林规划设计。Email:zds@tongji.edu.cn 地址:200092 上海市杨浦区四平路1239号 同济大学建筑与城市规划学院
  • 1. 同济大学建筑与城市规划学院,高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室,上海 200092
  • 2. 上海地产(集团)有限公司,上海 200125
  • 3. 扬州大学园艺与植物保护学院,江苏 扬州,225009

摘要: 目的阐述小气候要素与街道绿化布局的对应关系,指导城市街道绿化空间的适应性设计。方法基于街道绿化布局因素分类进行小气候要素的相关分析。对太阳辐射、空气温度和风速等小气候要素进行测析,探索小气候要素与街道绿化垂直结构的关系。结果(1)街道绿荫覆盖率与小气候要素的作用关系:绿荫覆盖率越高,对太阳辐射的削减效率越好,当覆盖率达到90%以上时,效果最为显著;绿荫覆盖率越高,降温效应的规律特征越显著,但过高的绿荫覆盖使得街道空间闭塞,导致其降温效应反而有所降低;绿荫覆盖率在90%以上的街道绿化对风速削减效率比覆盖率为50% ~ 70%高出21%以上。(2)街道绿化复层结构与小气候要素的作用关系:复层垂直结构中,结构越复杂,绿化量越大,所能发挥的太阳辐射削减效率越高,其总体对太阳辐射的平均削减效率为88.78%;复层垂直结构的日平均降温效率为8.69%;乔−灌−草在一天的自然周期内,对风速的削弱效率相对最好,乔−灌其次,乔−草再次,灌−草最弱;复层结构的日平均风速削减效率在77.61%左右。(3)垂直绿量比与小气候要素的作用关系:乔灌木所占总绿量的比值与太阳辐射削减效率呈现正相关性;乔灌木所占比例越高,平均降温效率也越高;在一天的自然周期内,当乔灌与草比例越接近时,对风速的削弱效率越好。结论基于街道绿化布局与小气候要素的关系,提出了调控街道绿化构成对提升小气候舒适度的技术对策:(1)为营造舒适的街道夏季小气候,宜保持70 ~ 90%的绿荫覆盖率;(2)通过适度的绿化复层结构增加遮荫和通风,但要避免过于复杂以至影响正常通风;(3)科学配比垂直绿量,综合考虑夏季绿荫覆盖率和冬季增温要求,通过种植落叶乔木并保持乔灌木占街道绿化中50%以上。

English Abstract

  • 近百年来,大量气象观测资料表明,地球气候正经历一次以全球性变暖为主要特征的显著变化,并对人居环境产生重大影响。在全球气候变化的大背景下,中国的快速城市化使得城市居民面临越来越多的环境胁迫,尤其是城市气候恶化的负向影响与人们追求健康舒适的户外空间之间的矛盾越发突出。在这样的时代与社会背景下,开展对城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法的研究有极为重要的意义。作为这一系统的核心构成之一,城市街道小气候要素与绿化布局的关系探索,是“街道”这一类型园林规划调控的载体,尤其是与人体舒适度密切相关的小气候变量包括热环境(日光照射、周围物体表面辐射、空气温度)、湿环境(相对湿度)和风环境(风速、风向)等[12]。研究表明在室外遮阳条件下,在空气温度为25.5 ~ 30.4 ℃、相对湿度为40% ~ 60%、风速为0 ~ 5.4 km/h时,人体处于热舒适状态[3]。在城市小气候范围内,街道绿化作为一种“天然空调”,可以通过削弱日光照射、吸收周边建筑表面辐射、蒸发散热、冷却空气、遮阳庇荫以及疏导风速等作用来改善小气候环境[4],提高人体热舒适度。

    • 根据绿荫覆盖率、绿化树种、植物搭配类型、街道走向、街道结构、铺装覆盖率等空间特征,选择上海市中心城区徐汇区和杨浦区(表12)3条绿化板式为一板二带的街道上5个路段进行小气候测定。针对不同的立地生境进行3组实验,每组实验在尽量保持外部环境一致情况下,研究单一变量对小气候的影响,其中,实验 I是绿荫覆盖率对小气候的影响,实验 II是绿化复层结构对小气候的影响,实验 III是垂直绿量比对小气候的影响。

      表 1  实验 I道路基础信息

      Table 1.  Basic information of road in test I

      样地编号
      Sample plot No.
      街道名称
      Street name
      街道起讫
      Street start and end
      街道结构
      Street structure
      街道走向
      Street orientation
      绿荫覆盖率
      Green coverage rate
      绿化树种
      Greening species
      A1复兴中路
      Middle Fuxing
      Road
      陕西南路−嘉善路
      South Shaanxi Road-Jiashan Road
      2车道 + 2非机
      2 drive ways + 2 non-motor vehicle lanes
      东西(东北−西南)
      East-west
      (northeast-southwest)
        50% ~ 70%悬铃木
      Platanus orientalis
      B1复兴中路
      Middle Fuxing
      Road
      汾阳路−宝庆路
      Fenyang Road-Baoqing Road
      2车道 + 2非机2
      drive ways + 2 non-motor vehicle lanes
      东西(东北−西南)
      East-west
      (northeast-southwest)
        70% ~ 90%悬铃木
      P. orientalis
      C1复兴中路
      Middle Fuxing
      Road
      襄阳南路−汾阳路
      South Xiangyang Road-Fenyang Road
      2车道 + 2非机2
      drive ways + 2 non-motor vehicle lanes
      东西(东北−西南)
      East-west
      (northeast-southwest)
        > 90%悬铃木
      P. orientalis

      表 2  实验II和实验III道路基本信息

      Table 2.  Basic information of road in test II and test III

      实验编号
      Test No.
      影响因素
      factors
      对照组
      Control group
      样地编号
      Sample plot No.
      A2B2C2D2E2F2G2
      实验
      IITest II
      绿化垂直结构
      Vertical structure of greening
      无植物
      Unplanted
      单乔
      Tree
      单灌
      Shrub
      单草
      Lawn
      乔−灌
      Tree-shrub
      乔−草
      Tree-lawn
      灌−草
      Shrub-lawn
      乔−灌−草
      Tree-shrub-lawn
      实验编号
      Test No.
      影响因素
      factors
      对照组
      Control group
      样地编号
      Sample plot No.
      A3B3C3D3
      实验
      IIITest III
      绿化垂直绿量
      Vertical green quantity of greening
      无植物
      Unplanted
      绿量1
      Green quantity 1 (QG-1)
      绿量2
      Green quantity 2 (QG-2)
      绿量3
      Green quantity 3 (QG-3)
      绿量4
      Green quantity 4 (QG-4)
    • 实验I、实验II测试场地植物的绿荫覆盖率、平均胸径、平均树高、平均冠幅、平均枝下高、平均株距、叶面积指数和郁闭度见表34。实验 III中垂直绿量比统计见表5

      表 3  实验 I行道树信息

      Table 3.  Street tree information of test I

      样地编号
      Sample plot No.
      行道树树种
      Street tree species
      CR/%ADBH/cmATH/mACD/mAUBH/mARS/mLAICD/%
      A1悬铃木 Platanus orientalis50 ~ 7036.811.65.92.18.70.9049.13
      B1悬铃木 P. orientalis70 ~ 9036.112.45.62.57.91.3668.35
      C1悬铃木 P. orientalis> 9034.913.26.02.38.52.6688.57
      注:CR为绿荫覆盖率,ADBH为平均胸径,ATH为平均树高,ACD为平均冠幅,AUBH为平均枝下高,ARS为平均株距,LAI为叶面积指数,CD为郁闭度。下同。Notes: CR: green coverage rate; ADBH: average diameter at breast height; ATH: average tree height; ACD: average canopy diameter; AUBH: average under branch height; ARS: average row-spacing; LAI: leaf area index; CD: crown density. The same below.

      表 4  实验 II行道树信息

      Table 4.  Street tree information of test II

      测量因子Measuring factorCR/%ADBH/cmATH/mACD/mAUBH/mARS/mLAICD/%
      值Value70 ~ 9026.110.88.92.86.31.2869.76

      表 5  实验 III行道树信息

      Table 5.  Street tree information of test III

      样地编号
      Sample plot No.
      乔木
      Tree
      灌木
      Shrub
      草本地被
      Lawn
      乔木绿量
      Tree QG/m2
      灌木绿量
      Shrub QG/m2
      草被绿量
      Lawn QG/m2
      乔、灌、草绿量比
      Ratio of tree-
      shrub-lawn
      乔灌与草绿量比
      Ratio of tree
      and shrub -lawn
      A3棕榈
      Trachycarpus fortune
      云南黄馨
      Jasminum mesnyi
      麦冬
      Ophiopogon japonicus
      165.317.2739.51:0.1:4.471:4
      B3棕榈
      T. fortune
      七叶树
      Aesculus chinensis
      小叶黄杨
      Buxus sinica var. parvifolia
      麦冬
      O. japonicus
      301.834.9598.41:0.1:1.981:2
      C3水杉
      Metasequoia glyptostroboides
      棕榈
      T. fortune
      鸡爪槭
      Acer palmatum
      小叶黄杨
      Trachycarpus fortune
      麦冬
      O. japonicus
      结缕草
      Zoysia japonica
      345.1132.2469.31:0.38:1.351:1
      D3香樟
      Cinnamomum camphora
      棕榈
      T. fortune
      金边黄杨
      Euonymus japonicus 'Aureo-marginatus'
      麦冬
      O. japonicus
      结缕草
      Z. japonica
      854.697.1513.41:0.11:0.62:1
      注:样地范围为15 m × 15 m。Note: the sample plot scale is 15 m × 15 m.
    • 测试使用美国产WatchDog 2900ET小型气象站,对太阳辐射、空气温度、风速进行监测,测试间隔为10 min,测试时间为08:00—19:00,共66个数据采集时间点。采用LAI-2200冠层分析仪,计算叶面积指数和树冠下天空可见因子/冠层开度(DIFN),每个样地测定3次取平均值。根据公式CD = 1 − DIFN,计算各样地郁闭度值。测试点在距离地面1.5 m处,并在无绿荫覆盖处设对照实验,与实验组同步测定。实验组布点采用对称网格布点法(图1),一般20 m左右在街道两侧对称布置实测点。

      图  1  布点示意图

      Figure 1.  Test site design

    • 为评价街道绿化平面布局各参数对小气候要素的影响作用,尤其是在降温、太阳辐射削减方面的效应,对实测数据进行平均降温率、平均增湿率和平均太阳辐射削减率的计算处理,公式如下:

      ${\bar X} = \frac{1}{{66}}\mathop \sum \limits_{i = 1}^{66} \left( {\frac{{{x_i} - {x_{{\rm{ck}}}}}}{{{x_i}}}} \right) \times 100{\rm{\% }}$

      式中:xi为实验组小气候数值,xck为对照组小气候数值。

    • 通过方案设计与实测比较,分析各小气候要素变化与街道绿荫覆盖率之间的关系。选择同样街道结构、街道走向、绿化树种、绿化板式类型、硬质铺装率,但绿荫覆盖率不同的A1、B1、C1 样地的实测数据进行分析。

    • 通过太阳辐射削减率日变化曲线(图2)可以发现,A1、B1、C1 曲线在正午12:00前较为接近,且均维持在80%以上的削减率;之后开始进入降低状态,在13:20左右均会出现明显的低谷值,分别为73.69%、68.47%和61.70%;之后又逐渐上升,尤其是C1削减效率可恢复至80%及更高水平,而A1和B1则相对接近,在75%及以下。用此可见,较高的绿荫覆盖率对太阳辐射的削减效果更突出,但在一天中太阳辐射达到最高强度后,街道绿化对太阳辐射的削减会出现饱和,从而导致削减效率明显降低,而具有90%以上绿荫覆盖率的街道则对这种饱和效果有更好的恢复性反应。

      图  2  3组样地太阳辐射削减率日变化图

      Figure 2.  Diurnal variations in reducing rate of solar radiation in the 3 sample plots

    • 通过降温率日变化曲线(图3)可以发现:A1、B1、C1的降温率最高值分别为4.02%、6.7%和6.97%;B1、C1降温率曲线明显位于A1上方,且B1、C1曲线走势较明显地体现出先增后降的规律,而A1曲线则较为平坦。由此可见,绿荫覆盖率越高,其降温效应的规律特征越显著。当3组降温率曲线在高峰时间段内,一般中间会出现一个低谷状态,这个时间大多出现在当日太阳光照最强的时间段内,这可能和行道树本身的光合作用有关。当太阳光照强度达到最大后,植物处于自我保护的生理机制中,其叶片气孔关闭,光合作用趋缓或暂停,因此对太阳光能的吸收减少,从而导致降温率曲线中这一低谷状态出现。

      图  3  3组样地降温率日变化图

      Figure 3.  Diurnal variations of cooling rate in the 3 sample plots

    • 分析日平均风速变化率(图4)可以发现:当街道绿化的绿荫覆盖率大于90%时,其对风速的削减效率最高,覆盖率在70% ~ 90%时其次,覆盖率在50% ~ 70%时相对较弱。这一结果表明,绿荫覆盖率能对风速削减的效率产生直接影响,绿荫覆盖率在90%以上的街道绿化,其对风速削减效率比覆盖率为50% ~ 70%时高出21%以上,所以较密实的行道树树冠,更多的叶面积总量能起到较好的阻风和导风效应,但是过高的绿荫覆盖率使得街道空间相对封闭,不利于内外部空气的交换。因此,综合考虑其对气流变化的影响效率,保持合适的覆盖率,定期对行道绿化进行修剪和整理,对营造舒适的街道气流环境有显著作用。

      图  4  3组样地日平均风速变化率对比图

      Figure 4.  Comparisons of mean wind speed change rate in 3 sample plots

    • 通过方案设计与实测比较,选择街道绿化空间栽培群落垂直结构为乔−灌、乔−草、灌−草和乔−灌−草4组样地及对照组的实测数据,分析各小气候要素变化与街道绿化垂直结构要素中的复层结构之间的关系。

    • 图5所示:在13:30前,各复层植物太阳辐射削减率较相似,之后进入下降状态,并分别在13:40和14:50达到低谷,分别为乔−灌(67.48%)出现在14:50,乔−草(77.38%)出现在14:00,灌−草(57.02%)出现在13:40;经过削减效率的低谷后曲线逐渐回升,其中乔−灌和乔−草恢复至午前水平,而灌−草组曲线则在恢复至86.92%这一高点后又进入下降状态。复层结构对太阳辐射的每日平均减弱幅度为295.96 W/m2,高出单层结构18.29 W/m2,可见灌−草组由于缺少乔木配置,其辐射削减效率的变化幅度较大,尤其是在周边硬质材料对太阳辐射开始进入较强的反射和释放状态后,其削减率明显不佳。

      图  5  4组样地太阳辐射削减率日变化图

      Figure 5.  Diurnal variations in reducing rate of solar radiation in the 4 sample plots

    • 根据图6所示,乔−灌、乔−草和乔−灌−草高峰值出现的时间点在13:00,灌−草组则出现在12:20。可见,配置有乔木的复层结构相较其他组对降温效率高峰值所对应时间点有近40 min的推迟作用,且对该值有一定提升作用。复层结构对每日平均空气温度的减弱值为2.67 ℃左右。从整体走势观察,在13:00前,各组相对接近,但之后灌−草组下降幅度较大,与其他各组逐渐拉开差距,说明在中午至傍晚时间段内,即气温由高降低的过程中,灌−草结构的降温效率与其他3种结构存在较大差距。

      图  6  4组样地降温率日变化图

      Figure 6.  Diurnal variations of cooling rate in the 4 sample plots

    • 根据图7所示,绿化各组的日风速均在0.04 ~2.22 m/s之间,对照组则在1.67 ~ 7.67 m/s之间,灌−草组的波动最大,乔−灌组和乔−灌−草组波动最小,说明在没有乔木时风速较大,有乔木时灌木对风速的影响大于草。

      图  7  4组样地风速日变化图

      Figure 7.  Diurnal variations of wind speed in the 4 sample plots

    • 通过方案设计与实测比较,分析各小气候要素变化与垂直绿量比之间的关系。其中采用《生态学实验与实习》[5]中方法进行群落调查和陈自新等[6]关于绿量计算的回归模型计算绿量。

    • 图8可以看出:各组数据曲线由上而下基本按照绿量4、绿量3、绿量2和绿量1组的顺序排列;各组曲线在08:00—10:30、15:00—17:30两个时间段内都不同程度地出现了低谷状态。各组曲线在前一时间段的低谷值分别为47.58%、71.29%、76.26%和86.97%;在后一时间段的低谷值分别为59.06%、69.31%、61.73%和78.34%。除绿量1组外,其余3组在上午时间段的削减率低谷值均高于下午时间段,可见太阳光照在中午到达最强值后,乔、灌木所占比例越高,也就是说草被所占比例越低,其对太阳辐射饱和性反应越好,即表现为对太阳辐射削减效率的低谷值越高。

      图  8  4组样地太阳辐射削减率日变化图

      Figure 8.  Diurnal variations in reducing rate of solar radiation in the 4 sample plots

    • 图9所示,各组曲线高峰值均出现在13:50。从整体走势观察,在13:10左右,绿量2组曲线与绿量3组曲线有交叉点,在该时间点前,绿量3组曲线处于绿量2上方,之后两组曲线位置出现对调。可见在中午至傍晚时间段,即气温由高降低的过程中,在乔灌与草的比例低于1:1、高于1:4的区间内,降温效率相较这两个边界比例的绿量类型,反而更高;绿量4曲线较明显处于下方,可见乔灌木比例占主导后,其降温效率优势较为显著。

      图  9  4组样地降温率日变化图

      Figure 9.  Diurnal variations of cooling rate in the 4 sample plots

    • 图10可知,实验组风速在0.09 ~ 1.76 m/s之间,而对照组则在1.67 ~ 7.67 m/s区间波动。绿量1组风速变化较大,说明乔灌与草比例为1:4时,其风速在一天周期内较普遍大于其余3组,风速最高值相较其他3组也更高;而当乔灌与草比例接近1:1时,其风速最高值为所有组中最低,高于或低于该比例的各组风速最高值均相对较高。由此可见,各垂直绿量比对风速最高值有一定影响作用,且当乔灌木与草本地被比例较均衡时,风速整体水平较为稳定且最高值较低 [7,9]

      图  10  4组样地风速日变化图

      Figure 10.  Diurnal variations of wind speed in the 4 sample plots

    • 太阳辐射方面:较高的绿荫覆盖率对太阳辐射的削减效果更突出,具有90%以上绿荫覆盖率的街道对该种饱和效果有更好的恢复性反应。街道的绿荫覆盖率越高,其对太阳辐射的削减效率越好,当覆盖率达到90%以上时,效果最为显著。

      空气温度方面:绿荫覆盖率越高,其降温效应的规律特征越显著。降温率曲线在高峰时间段内中间会出现一个低谷状态;过高的绿荫覆盖使得街道空间闭塞,导致其降温效应反而有所降低。

      空气流动方面:绿荫覆盖率在90%以上的街道绿化其对风速削减效率比覆盖率为50% ~ 70%高出21%以上,但过高的绿荫覆盖率使得街道空间相对封闭,不利于内外部空气的交换。

    • 太阳辐射方面:复层垂直结构中,结构越复杂,绿化量越大,所能发挥的太阳辐射削减效率越高,其总体对太阳辐射的平均削减效率为88.78%。

      空气温度方面:气温由高降低的过程中,灌−草结构的降温效率与其他3种结构存在较大差距。复层垂直结构的日平均降温效率为8.69%。

      空气流动方面:乔−灌−草在一天的自然周期内,在对风速的削弱效率方面相对最好,乔−灌其次,乔−草再次,灌−草最弱;复层结构的日平均风速削减效率在77.61%左右。

    • 太阳辐射方面:太阳光照在中午到达最强值后,乔灌木所占比例越高,其对太阳辐射饱和性反应越好。乔灌木所占总绿量的比值与太阳辐射削减效率呈现正相关性。

      空气温度方面:气温由高降低的过程中,在乔灌与草的比例低于1:1高于1:4的区间内,降温效率相较这两个边界比例的绿量类型,反而更高。乔灌木比例占主导后,其降温效率优势较为显著。乔灌木所占比例越高,其平均降温效率也越高。

      空气流动方面:在一天的自然周期内,当乔灌与草比例越接近时,该垂直结构对风速的削弱效率方面相对越好。

    • 街道小气候适应性绿化布局的规划对策:(1)为营造舒适的街道夏季小气候,宜保持70 ~ 90%的绿荫覆盖率;(2)通过适度的绿化复层结构增加遮荫和通风,但要避免过于复杂以至影响正常通风;(3)科学配比垂直绿量,综合考虑夏季绿荫覆盖率和冬季增温要求,通过种植落叶乔木并保持乔灌木占街道绿化中50%以上。

参考文献 (9)

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