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福州东西向深街谷内树致行人夏季热环境差异

日期:2023-03-25 12:41:28     作者:林定    浏览:2    
核心提示:初始气象条件采用福州市气象站2021年7月12日的气象数据,其余模拟参数设置如表1所示。可以认为本文对福州的热环境模拟是合理的、准确的。
摘要:夏季东西走向的街道因长时间暴露于日照形成最不舒适的行人环境,树木可提供树荫降低气温但也阻碍了局地通风,然而,植树对行人热环境的综合影响尚不清楚。针对城市高密度街区(LCZ2类型)中东西走向的街道,开展行道树绿化差异对行人热环境综合影响的定量计算与分析。结果表明:1)树木对行人热环境的影响是非线性的,且在夏季白天不同时段呈不同规律,街道树木覆盖率与树致平均行人气温差异值之间存在如下关系:上下午非线性关系强烈,中午则接近线性关系;

2)当树木覆盖率小于50%时,树致行人气温降低的梯度大,每增加10%树木覆盖率,行人高度平均气温最高约降低0.26℃;树木覆盖率超过50%以后,植树带来的热效益改善值减小,而且影响的时间窗口趋于中午附近(11:00—14:30);3)东西向街道内的各种植树方案都对行人热环境产生正面影响,当树冠相互接触形成连续树荫时,树致改善效应接近饱和,继续提高种植密度反而会产生负面影响。考虑城市用地紧张,建议东西走向的街道,采用可形成连续树荫的50%左右覆盖率的行道树绿化,以获得舒适的行人小气候。
 
随着全球城市化进程加快,建筑物越来越密集曰,高容积率与高建筑密度改变了城市地裘的热量平衡X27,高温热浪事件成为城市面临的主要极端天气灾害之一,城市热岛效应已经成为城市生态问题中最严峻的问题之一[3]。城市热岛效应严重影响了城市能源消耗四、空气质量[5]以及城市居民的身体健康[[6]和热舒适度f}l夏季高温天气加剧了城市热岛效应的强度,使居民不得不承受高温热浪时期持续的热胁迫。通常,城市道路窄且两侧建筑高大,纵横比H/W(建筑高度/道路宽度)较大,从城市冠层角度看,街道具有“深峡谷”特点,也被称为街谷或街峡。

由于强烈依赖周围的建筑环境,城市高温热浪事件的影响范围裘现出明显的空间不均衡性,在街道尺度上差异悬殊,存在短距离上“凉爽”和“闷热”邻街的现象。街道作为居民日常生活的重要活动场所f87,其热环境决定着居民的生活质量。现有文献指出,街谷热环境主要受其几何形态、植被、水体等因素的影响[9],除建筑以外,改善街谷热效应的措施中,绿化树木是最有效的热缓解措施[10]。
 
城市绿化方面的研究已逐步从认识绿化带来的环境益处,转移到如何预测和优化绿化带来的降温潜力上[11]。树木在调节城市热环境方面发挥着重大作用[12-13],不仅可以通过蒸腾作用降低温度,其遮阴效果也改变了街道内部的天空视图因子(SkyViewFactor,SVF),从而影响街道内部表面受到太阳辐射的大小。树木可视因子(TreeViewFactor,TVF)对街道峡谷热环境具有重要影响,树木可视因子越高,街道内热环境和热舒适度越佳[14-15]。Tan等[16]发现在亚热带高密度城区种植树木,至少可以使空气温度下降0.5℃。

Ouyang等[17]研究不同城市密度下不同树木覆盖率(TreeCoverageRatio,TCR)(0~30%)的降温效果,结果表明:无论建筑密度如何,当树木覆盖率达到20%~30%,降温效果最好。Morakinyo等[18]在研究香港高密度城区(建筑密度为44%)中树木的降温效果时发现,降温幅度随着树木覆盖率的增加而增加,当树木覆盖率从0增加到30%,温度最高降低1.0℃。Wu等[19]使用ENVI-met模拟树木覆盖率对北京典型高层住宅区行人高度处气温的影响,发现树木覆盖率每增加10%,空气温度下降0.22℃。Ziter等[20]通过实测发现,树木的覆盖率与降温之间存在非线性关系,当树木覆盖率在0~40%之间时,降温效果不明显;而当树木覆盖率超过40%时,降温效果明显。Aboelat等[21]模拟了不同树木覆盖率(30%、50%)对开罗高密度建成区(建筑密度65%)热环境的影响,结果表明,增加树木覆盖率,可以增强降温效果,30%的树木覆盖率使平均气温降低了0.2K,而50%的树木覆盖率使气温降低了0.4K。Ariane等[22]利用ENVI-met模拟了开阔低层建筑区域内8种不同树冠覆盖率(0~30%)的场景,发现树冠覆盖率与气温降低之间存在线性关系,树冠覆盖率每增加1%,气温就降低0.14℃。

Kevin等[23]通过调查各种树木在开阔空间以及高密度建筑环境下对城市微气候的影响,发现种植在高密度建筑环境中的树木在改善行人热舒适度方面比开阔空间中的树木更有效,进一步指出,具有大树冠、短树干和茂密树叶的树木能更有效地降低城市平均辐射温度。植树将改变街道风况,通常是阻碍气流并降低街道内外空气的交换效率,典型深街谷内不均匀植树比均匀种植更有利于街谷中部行人呼吸面空气的流动[24]。树木通过多种物理过程(遮阴,阻风和蒸湿等)影响行人呼吸高度的城市气候,对小气候和空气质量的影响很复杂,现有文献的研究结论存在不少分歧,甚至是相互矛盾的意见。如Amir[25]和Amirhosein[26]等指出,树木并不能给街道降温,增加树木覆盖率可能会使得街道内空气温度上升。王庆等[27]在研究社区公园健身设施场地的景观小气候的人体舒适度时,指出景观特征因素互相制约,一味增加绿量不一定能增加舒适度,此外,增加大量大冠幅乔木的种植并不能改善小气候,太低或太高都会降低舒适度。
 
综上所述,树木对街道内行人热环境的影响差异悬殊,高度依赖于周围建筑环境,东西走向的街道因日照时间长,更容易在夏季白天引发热胁迫,形成最不舒适的行人环境。本文针对亚热带城市(以福州为例)典型密集中层建筑(LocalClimateZone2,LCZ2)中的东西走向街道,使用三维小气候模型ENVI-met[28],模拟行道树绿化差异对行人小气候(热环境为主)的影响,试图揭示树致行人热环境的变化规律,为优化城市绿化设计策略、提高树木绿化的热效益提供科学依据。
 
1研究方法
 
1.1实验场地

福州东西向深街谷内树致行人夏季热环境差异
 
福州市位于北纬25°15′~26°39′,东经118°08′~120°31′,属典型的亚热带季风气候,夏长冬短,夏季以偏南风为主,最热月是7—8月,平均气温为33~37℃,常出现热岛效应,夏季高温热浪事件频发。根据WUDAPT方法[29],构建福州市的局地气候分区地图,如图1-1所示,市区土地利用用地类型中LCZ2类型所占比例最大,为福州市典型类型区域,通过道路聚类,本文选取了佳友巷内一条东西朝向的街谷作为研究区域,以剔除建筑阴影对行人热环境的影响,而聚焦于树木绿化措施所产生影响。

街道长240m,宽14m,区域内建筑密度(K)约为41.94%,平均建筑高度()约为26m,式中,Sbuilding为研究区域内建筑物的占地面积;Sinterest为研究区域总面积;Hi为建筑物i的高度;Si为建筑物i的占地面积;W为街道的宽度。平均纵横比(AR,即街谷高度与宽度的比值)约为2.1,计算公式如下。
 
1.2研究路线



福州东西向深街谷内树致行人夏季热环境差异
 
 
如图2所示,首先,开展研究区域现状的数值模拟与现场实测的验证工作,以确保本文模拟模型所使用边界条件的正确性。然后,以空街谷(没有树木)作为参照,设计一组树木绿化措施不同(覆盖率为50%~85%)的实验案例,模拟并分析不同树木种植策略对街道行人热环境的影响。
 
1.3基于ENVI-met的街谷热环境模拟

福州东西向深街谷内树致行人夏季热环境差异
 
如图1-2所示,在佳友巷内布置了4个分别位于街道峡谷两端以及中部的监测点,从7:50—19:10(2021年7月12—13日),连续2d使用Kestrel5500测量仪器,每10min记录一次1.5m行人高度处的街谷内的空气温度、相对湿度。

福州东西向深街谷内树致行人夏季热环境差异
 
利用ENVI-met(V4.4.6)建立街道三维模型,如图3-1所示,根据小组前期开展的工作[30],采用2m×2m×3m的网格分辨率;获得大小为140×130×20个网格的计算域,如图3-2所示。根据现场调研数据,建立对应尺寸的植物模型,其示意图如图3-2所示;场景中建筑物的属性采用空心混凝土砖块模型,街道内部的地面材质设置为沥青,初始气象条件采用福州市气象站2021年7月12日的气象数据,其余模拟参数设置如表1所示。
 
1.4模拟模型的验证
 
为避免实测数据中的噪声对模型验证造成的影响,采用时间序列分析的移动平均滤波器(MovingAverageFilter)对采集的实测数据进行去噪处理。将街道4个测点去噪后的观测值(1.5m高度处)与数值计算的模拟值进行对比分析,计算相关系数(R2)以及均方根误差(RMSE)。计算结果如图4所示,温度、湿度的R2均在0.8以上,可见模拟值与测量值之间存在较强的线性关系[31],各测点的误差参数RMSE在可接受的范围内[32],可以认为本文对福州的热环境模拟是合理的、准确的。
 
1.5案例设计
 
数值计算的模拟案例主要包括3类情景。
 
1)不包含树木的三维街道模型(Spa-Nt),对真实街谷进行观测,并收集相关的地理信息数据,构建仅包含建筑物数据的三维街道模型,计算不含树木的街谷小气候(行人呼吸高度的气温、风速、湿度),作为对植树方案进行对比分析的参考。
 
2)现状案例(Spa-st),对真实街谷中的树木进行现场观测,行道树以榕树和杧果树为主,种植位置主要位于街道东端,株距范围在4~9m之间,冠幅分布在4~8m的范围内,树高在10m以内,根据调研数据在ENVI-met中建立树木三维模型,计算在现有树木绿化条件下的街谷小气候(行人呼吸高度的气温、风速、湿度)。收集真实街谷在夏季高温热浪期间的现场观测数据(主要是距地面1.5m处的气温、相对湿度、风速)和气象站发布的天气数据,对比分析数值计算结果和实测数据的相关性,验证数值计算采用的初始条件和边界条件设置的合理性。

福州东西向深街谷内树致行人夏季热环境差异
 
3)根据《城市道路绿化规划与设计规范》[33]的相关约定,采用不同的种植株距,构建4种绿化方案(树木覆盖率不同),株距分别为4m(Spa-4)、6m(Spa-6)、8m(Spa-8)、10m(Spa-10),树木布局方式采用福州市常见的一版两带式[34],如图3-3所示,计算不同绿化方案下的街谷小气候(行人呼吸高度的气温、风速、湿度),以无树街谷为参照,分析树致行人热环境差异的变化规律。
 
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