广州珠江沿岸不同下垫面区域热环境分析
杜翔宇，李 琼
（华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州 510640）
摘 要：本文现场实测了广州珠江沿岸不同测点的空气温湿度、风速、太阳辐射等热环境参数，分析了城市河流沿岸不同下垫面上空的热环境状况，并使用WBGT和TSVmodel分析其热安全及舒适性。研究表明，河流风在白天较夜间更强，有树荫的绿地在较高太阳辐射强度下也能保持较好热舒适，适当的树木间隔有利于风速的增加。论文也为滨河区域景观设计提供了建议。
关键词：城市河流；热环境；WBGT；TSVmodel
基金项目：广东省自然科学基金（2015A030306035）；中国博士后科学基金面上项目（2014M560662）；全国“香江学者”计划（XJ2013017）；广州市“珠江科技新星”专项（2014J2200065）；亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题（2014ZC15） 。
0 引言
河流在城市规划和布局中有重要影响，不仅具有航运、景观、资源等功能，更对周边环境的温湿度、通风、大气质量等微气候因素，发挥着重要的调节作用。随着城市热岛强度的进一步加剧，河流作为改善高温天气的天然冷源逐渐受到各研究领域的重视，尤其对城市规划发展意义深远[1]。国内外逐渐重视城市河流对热环境的改善作用，首尔Cheonggye河在取消河流上方水泥沥青覆盖后，河流上方平均气温降低0.4℃[2]；英国某住区中向河流开敞的街道与近河流端有建筑阻挡的街道相比，降温范围大30m[3]；上海将黄浦江陆家嘴一带沿岸改造成市民临水活动空间，利用河流改善公共活动场所的热湿环境，同时满足景观需求[4]。城市河流堤岸设计一般为近自然植物群落造景及滨水景观和城市环境相融合两种方法，而后者更为常见，更好兼顾经济社会效益，如亲水平台、公园绿地、广场等公共场地，是利用河流对热环境的改善作用来创造健康舒适的室外活动空间的有效方法[5]。广场、绿地类型的河流周边下垫面缺少高大建筑，对河流风的削减作用小，可使河流对微气候的影响范围向内陆延伸，是河流与城市建筑群之间的良好过渡区域，因此对该类型下垫面的研究具有现实意义。
本文通过现场实测的方法获取热环境参数，并用湿球黑球温度（WBGT）和经验指标TSVmodel对热环境进行评价，探究广州珠江沿岸不同下垫面类型的室外热气候特征，为河流沿岸景观设计及改造提供建议。
1 研究方法
1.1 现场实测
本文选取广州市天河区珠江新城临江带状公园为实测区域，并分别将测点布置于无遮阳硬质铺装广场（测点A）、无遮阳草地（测点B）、有树荫草地（测点C）三类下垫面，测点距离河岸均为50m（见图1）。实测时间为2017年7月13日10:00~20:30，取样间隔为1min。实测内容包括空气温度、湿度、风速、黑球温度、太阳辐射强度。由于测点B在实测过程中均无建筑物及树木等物体遮挡，因此可大致认为其太阳辐射强度与测点A相一致。本实测使用仪器如表1所示，温湿度记录仪安置于白色百叶防辐射罩中并用三角支架固定在离地约1.5m的人行高度，上部安置有热指数仪，太阳辐射计置于水平地面。
图1 实测区域及测点布置
1.2 热环境评价指标
一般而言，室外热环境的优劣受气温、相对湿度、风速、太阳辐射等自然因素的综合影响，而热舒适是与自然因素和个体因素（如服装热阻、新陈代谢率等）都相关的评价指标。目前，WBGT已被相关评价体系和标准作为室外热安全评价指标，国内也有不少相关研究，张磊和孟庆林[6]经过实测和相关性分析，得出了适用于广州地区基于干球温度、相对湿度和太阳辐射的WBGT回归方程：
表1 实测仪器一览表
式中：Ta为空气干球温度（℃）；RH为相对湿度（%）；SR为总太阳辐射照度（W/m2）。本文利用式（1）计算各测点WBGT的逐时值大小。然而上述WBGT计算公式并未考虑风速对热环境的影响，因此引入对湿热地区城市室外空间热舒适有较好预测力的经验指标TSVmodel，其计算模型如下[7]：
式中：Ta为空气温度（℃）；V为风速（m/s）；G为太阳辐射强度（W/m2）。
2 实测结果
实测过程中，测试区域天气情况大致为10:00~15:00晴到多云，15:00~19:00以多云为主，且云层较厚，19:00后为夜间。图2为三个测点的逐分钟空气温度和太阳辐射强度变化曲线，由图可知三个测点均在午后13:50前后达到空气温度最高值，分别为35.34℃（A）、34.49℃（B）、33.89℃（C），在15:00前测点A与测点C平均温差约为1.1℃，测点B气温大致介于前两者中间；15:00后，由于太阳辐射减弱，三个测点气温均有明显下降，测点A和C的平均温差减小至0.7℃；19:00后在没有太阳辐射影响下，B点气温迅速变化至与C点气温基本一致，测点A气温依然高出0.4℃，这是由于广场的硬质铺装下垫面的蓄热能力较强。无遮阳草地的气温对太阳辐射强度变化较敏感，15:30~16:00太阳辐射减弱，B点气温降低至与C点接近，而17:10太阳辐射的增强又使得B点气温略有回升。
图2 三个测点太阳辐射强度及空气温度变化曲线
三个测点的各时间段平均风速如表2所示。从中可见，三个测点的平均风速在白天时段均明显高于夜间时段。这是由于在太阳辐射作用下陆地升温较快，水陆之间温差增大，促进河流风的形成，而夜间无太阳辐射，陆地温度减小，与河流温差减小，因此河流风减弱。测点B在整个实测过程中平均风速最大，而最空旷的测点A在15:00之后以及全时间段中平均风速均最小。由于广州夏季盛行东南风，测试区域的来流风向主要为河流吹向陆地，测点B虽然不处于空旷的广场，但其上风向恰好经过广场，保证了空气流动，避免了风速衰减，另一方面，测点B、C周围都疏密不同地种有景观乔木，成为空气流通过程中的屏障，减小了流动面积，当流体流量一定时，流通面积越小，流速越大，因此位于人行高度的测点B、C相比测点A风速偏高，但C处的树木密度较大，一定程度上加强了对风的阻挡作用，使得风速偏低。
表2 三个测点各时间段平均风速
利用各测点的气温、相对湿度和太阳辐射强度代入式（1）求得对应时间的WBGT如图3所示。根据ISO标准7243推荐的WBGT阈值，考虑人们夏季着装（服装热阻0.5clo），在休闲状态下（代谢率M<117W/m2），相应的人体安全WBGT限值为32~33℃，而夏季人体舒适WBGT为30℃以下[8]。由图4可知，三个测点均低于热安全WBGT限制，最高值31.42℃出现在测点A，在10:20~15:00期间，测点A、B的WBGT较接近，均超过热舒适范围，且接近热安全限值，不适宜进行户外活动，而测点C在全时间段均处于热舒适范围，但13:30~14:00测点C处短暂的太阳直射（约750W/m2）使WBGT到达热舒适临界值。在太阳辐射强度较大的情况下，河流沿岸有无遮阳区域之间WBGT平均值相差约1.84℃，高于对应的平均气温差1.1℃；在多云天气下，WBGT差值可缩小至0.46℃，低于对应的平均气温差0.7℃。
图3 三个测点WBGT及TSVmodel变化曲线
经验指标TSVmodel的正常（舒适）区域为-0.5~+0.5（如图4绿色区域），+1表示稍暖，+2表示暖，+3表示热。测点B、C仅在15:00~16:00气温回落和风速增大时达到舒适区，测点C大部分时间是“稍暖”状态，当太阳辐射增强时迅速变成“暖”状态（13:30~14:00）。WBGT和TSVmodel随时间的变化趋势大致相同，相比之下，TSVmodel的热舒适评价更为严苛，对太阳辐射强度的变化更敏感。在19:00后无太阳辐射作用，气温与15:00~16:00时间段相当，但三个测点依然处于“稍暖”状态，是由于对应时间段的风速比白天小，使TSVmodel值无法达到舒适区域。
3 结论
河流沿岸作为人们休闲娱乐运动的绝佳场所，其热环境时刻影响着活动人群的舒适健康。本文通过实测得到珠江沿岸典型室外活动区域三种下垫面的相关热环境参数，并通过WBGT和TSVmodel指标对环境的热安全性和热舒适性进行定量评价，得出的主要结论如下：
河流风在白天较夜间更强，由于在太阳辐射作用下陆地升温较快，水陆之间温差增大，促进河流风的形成，而夜间无太阳辐射，陆地温度减小，与河流温差减小，因此河流风减弱。
在较强太阳辐射下，无遮阳广场和草地上空热安全与热舒适指标较接近，且明显高于有树荫的草地，容易超出热舒适区域；在较弱或没有太阳辐射下，无遮阳草地上空的空气温度能较快恢复至与有树荫草地相一致，但广场上空空气温度下降较困难。因此在热环境优化设计中，可在广场增设人工遮阳构件或间隔栽种遮阳效果好的乔木，也可采用蓄热性小或透水的材料作地面铺装。
合理的树木种植间隔可以在一定程度上改善河流周边的风环境，实现对风向的引导和对风速的加强，从而改善热舒适，但过密的树木带来良好遮阳效果的同时却降低风速，对风向下游的场地包括开阔广场的风场造成重要影响，因此建议河流沿岸的绿地种植树冠层底部高于行人活动空间的树种，并保证一定种植间距。
参考文献
[1] 蒋志祥. 水体与周边植被对城市区域热湿气候影响的动态模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.
[2] Kim T H,Ryoo S B,Baik J J. Does the restoration of an inner-city stream in Seoul affect local thermal environment?[J].Theoretical and Applied Climatology,2008,92:239–248.
[3] Hathway E A,Sharples S. The interaction of rivers and urban form in mitigating the Urban Heat Island effect: A UK case study[J].Building and Environment，2012,58:14–22.
[4] 周建东,黄永高. 我国城市滨水绿地生态规划设计的内容与方法[J].城市规划. 2007,31(10):63–68.
[5] 胡云卿. 城市河流水环境区域生态景观建设系统研究[A]. 中国城市规划学会、南京市政府.转型与重构——2011中国城市规划年会论文集[C].中国城市规划学会、南京市政府,2011.13.
[6] 张磊,孟庆林,赵立华,等. 室外热环境评价指标湿球黑球温度简化计算方法[J].重庆建筑大学学报，2008,(05):108–111+117.
[7] 李坤明,张宇峰,赵立华,等. 热舒适指标在湿热地区城市室外空间的适用性[J].建筑科学，2017,(02):15–19+166.
[8] 陈睿智,董靓. 湿热气候区风景园林微气候舒适度评价研究[J]. 建筑科学，2013,(08):28–33.
注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期《2017全国通风技术年会论文集》中。
版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。