风向、步道位置与树冠特征对城市滨水绿道中行人热舒适度的协同影响

《Urban Forestry & Urban Greening》：Synergistic Effects of Wind Direction, Walkway Position, and Tree Canopy Characteristics on Pedestrian Thermal Comfort in Urban Riverside Greenways

　　摘要在气候炎热潮湿的高密度城市中，城市滨水绿道作为重要的降温通道，对于缓解城市热岛效应及提升行人的热舒适度具有关键作用。然而，水体与植被之间的协同降温机制，以及它们与绿道内气流的相互作用，目前仍缺乏足够的量化研究。本研究以上海为案例，通过结合经过验证的ENVI-met模拟结果与实地测量数据，采用参数分析方法，研究了盛行风方向、步道位置以及树冠特征——尤其是叶面积密度和叶片反照率——对绿道内行人热舒适度的综合影响。研究还深入分析了基于水体的降温效应（由高比热容和蒸发潜热交换驱动）与基于植被的降温效应（由辐射遮荫和蒸腾作用驱动）之间的权衡关系，并揭示了气流如何在这些效应在绿道不同区域间的分布中起调节作用。研究结果表明：(1) 对流热传递（受盛行风方向影响）是调控空气温度的主要因素，而辐射遮荫（由树冠特征决定）则是影响生理等效温度的关键因素；(2) 热舒适度的空间分布存在一个临界点，该临界点由植被与水体的降温能力平衡决定。在本研究条件下，当树冠覆盖完整时，这一临界点的叶面积密度为1.0，叶片反照率为0.2；(3) 最佳步道位置取决于水流与植被降温效应的气流驱动下的重新分布：上风方向的水体附近更适宜设置步道，而下风方向的场景则会出现不同情况——在树冠密集、遮荫作用较强的区域，街道旁更为合适，而在树冠稀疏的区域，水边仍是最佳选择。通过综合分析这些微观物理过程，本研究提出了一种具备气候适应性的决策框架，包括决策树和参数化的树种选择矩阵，为在炎热潮湿的高密度城市中设计具有良好热舒适度的滨水绿道提供了可行的策略。

引言随着城市热岛效应的加剧以及极端高温天气的频发，户外热舒适度遭到严重威胁，这对城市宜居性与公众健康构成了重大风险（Huang等人，2025；Ma等人，2025；Zhang等人，2019）。作为典型的蓝绿基础设施，城市滨水绿道本应通过植被与水体的协同降温作用发挥降温通道的功能。但实际上却存在一种降温悖论：实地测量显示，某些滨水绿道内部的温度环境无法为行人提供足够的降温效果，甚至有些区域的温度压力高于周边城市地区（Giannakis等人，2016）。这一悖论凸显出有必要进行具有气候适应性的设计，通过优化绿道的微观空间布局来提升行人的热舒适度。尽管绿带在生态与健康方面的益处已有大量研究证明（Chiesura，2004；Gascon等人，2017；Larson等人，2016；Vert等人，2019），但针对绿道内部微观生物气象性能的研究仍然不足。现有研究大多关注蓝绿空间对周边城市环境的外部降温效应（Hathway和Sharples，2012；Jiang等人，2024；Zhou等人，2024）。例如，Zhou等人（2024）发现，水体与绿地的结合能够增强彼此的降温能力，其降温效果优于单独的蓝色或绿色景观。同样，在谢菲尔德的唐河周边进行的实地测量也表明，周边环境的布局对空气温度的影响往往大于河流本身的存在。植被茂密的河岸以及开阔的河滨空间能够在距离河岸30米处带来更强的降温效果。因此，研究者认为需要进一步研究，以提供改善城市河流降温效率的详细设计指导（Hathway & Sharples，2012）。然而，内部空间特征与行人热舒适度之间的具体关联机制仍不清晰，这些关系背后的原理也尚未明确。正如Zhang和Yu（2026）所指出的，微观尺度微气候研究更容易融入城市设计，因为它在复杂的城市决策过程中涉及的复杂性较低。因此，揭示滨水绿道微观内部空间特征之间的关联、阐明其背后的机制，并制定可操作的城市设计指南，具有重要的实际意义。但要实现这些目标，还需解决方法优化、机制解析以及知识转化等方面的关键问题。

第一个挑战在于，目前的方法在揭示滨水绿道微观尺度的物理热机制方面存在局限性。目前用于研究滨水绿道气候效应的方法主要包括实地测量、卫星遥感以及气候建模。虽然有一些研究通过实地测量来探讨滨水空间的微观气候效应，但其结果往往具有特定地点的特征，难以推广（Hathway和Sharples，2012；Junfeng和Nuo，2025）。卫星遥感方法主要通过获取地表温度和植被指数（如NDVI）来分析二者之间的关联（Wang & Ouyang，2021；Zhou等人，2024；Zhou等人，2021）。尽管这种方法能够获取大范围区域的数据，但由于分辨率较低，无法呈现微观空间细节（Bai等人，2024）。此外，仅依靠地表温度无法解释直接影响人体热舒适度的多种气象因素。要研究行人的热舒适度，空气温度、平均辐射温度、风速和相对湿度等指标更为重要（Antoniadis等人，2020；Matzarakis等人，2016）。而且，遥感研究过度依赖统计相关性，这类相关性往往缺乏明确的物理因果关系，因此难以为具体的空间干预措施提供有效指导。气候建模则能在物理机制和空间指导方面弥补上述缺陷。不过，当前模型在应用于微观尺度的滨水绿道研究时，仍存在分辨率和普适性方面的限制。现有的建模体系主要包括：(1) 中尺度气候模型（如WRF），这类模型被广泛用于研究从社区到城市尺度的城市气候；(2) 地表模型和城市冠层模型，这类模型能够模拟表面能量平衡，通常与中尺度模型相结合使用（如WRF-UCM）；(3) 基于高分辨率计算流体动力学的微气候模型，包括PALM-4U和OpenFOAM，这类模型具有更高的湍流分辨率，还有采用RANS方法的ENVI-met。在这些方法中，中尺度模型缺乏捕捉微观空间细节所需的分辨率，而像ENVI-met这样的高分辨率模型虽然细节丰富，但由于计算成本高昂，只能用于特定地点的研究，难以得出具有普遍适用性的结论。因此，亟需一种能够填补这一差距的方法，以便更有效地研究微观尺度上的热舒适度问题（Zhang，2023；Zhou等人，2025）。为了在确保结果具有普适性的同时揭示微观空间机制，将微观气候建模与理想化场景的因子实验设计相结合是一种有效方法。一些研究已采用这种综合方法来探究微观机制。例如，Sodoudi等人（2018）利用ENVI-met对理想化场景进行模拟，分析了城市绿地的配置和组成如何共同影响降温效率。类似地，Morakinyo和Lam（2016）通过模拟多种理想化场景，研究了不同环境特征对人类热舒适度的影响，他们认为选择树种不应仅依据单一参数，而应综合考虑叶面积指数、叶片垂直密度分布以及种植方式，从而实现热舒适度的最优化。

第二个挑战是，目前关于水体与绿地协同量化机制对微观尺度行人影响的研究尚不充分。作为不同的降温要素，水体与植被通过不同的机制产生降温效果（Yu等人，2024；Yu等人，2025）。水体的降温效果源于其较高的热容量、较强的蒸发能力以及较低的粗糙度（Du等人，2016；Xu等人，2010），而植被区域的降温效果则主要来自树冠对入射短波辐射的遮挡、土壤的高热量储存能力以及叶片和土壤的蒸散作用（Bowler等人，2010；Declet-Barreto等人，2013；Ma等人，2025）。当这些要素在城市滨水绿地中结合在一起时，它们之间的相互作用机制十分复杂，目前还难以准确描述。现有研究大多只是给出经验性结论：例如，Du等人（2025）发现，当绿地与水体结合时，降温效果会增强；Feng等人（2025）指出，在炎热的夏季，风向是影响滨水绿道降温效果的最重要因素；Liang等人（2024）则发现，当绿地与水体结合时，当绿化覆盖率达到34%时，降温效果最为理想。然而，这些现象背后的机制仍未被揭示。目前尚不清楚在降温过程中哪种要素起主导作用，风向又是如何影响降温效果的，以及为何会出现34%这样的绿化覆盖率阈值。因此，需要通过先进的实验设计来阐明这些经验现象背后的机制（Yu等人，2020；Zhou等人，2025）。为了解决这一问题，本研究致力于精确阐述水体与绿地在微观尺度上的协同作用机制。我们不仅关注宏观层面的关联，还试图系统地分析各种热传导过程中的权衡关系，进而确定那些直接决定行人热环境及空间设计实用性的关键数值临界点。

第三个挑战在于，抽象的景观指标与可操作的设计参数之间存在脱节。现有研究大多侧重于分析景观指标与城市热岛效应之间的数值关联。例如，Sun和Chen（2012）研究了水体所造成的城市热岛效应与四个景观指标之间的关系：水体面积、相对于城市中心的位置、景观形状指数以及周边建筑覆盖率，他们发现城市热岛效应的强度与水体面积和建筑覆盖率呈正相关，而与景观形状指数和距离城市中心的距离呈负相关。类似地，Zhou等人（2021）研究了周边建筑区和绿地布局如何影响湖泊的降温效果，他们使用了包括各景观斑块的总面积、景观覆盖百分比、最大斑块指数、聚集指数以及平均形状指数等指标。他们的研究结果表明，那些建筑覆盖率较高、聚集程度强、形状不规则且连通性好的周边建筑区，能够获得更好的降温效果，而具有类似特征的绿地则往往会削弱降温效果。尽管这些研究具有重要的科学价值，但由于它们依赖于抽象的景观指标，给设计师和规划者带来了实际应用上的困难。这些指标在现实设计中往往难以直接调整，也难以转化为具体的空间干预措施。因此，选择那些在设计过程中可以灵活调整的设计参数，对于提升研究成果在改善城市热环境方面的应用价值至关重要。

为了解决上述三个挑战，本研究采取了以下措施：(1) 以行人热舒适度为核心目标：我们采用了经过实地测量验证的微气候模型ENVI-met，模拟了1.5米高度处的关键热舒适度相关变量，包括空气温度、平均辐射温度、相对湿度以及风速。这些模拟结果随后被用作RayMan模型的输入，用以计算生理等效温度这一生物气象学指标。(2) 澄清潜在机制：本研究采用了因子实验设计，模拟了75种理想化场景，这些场景涵盖了三种盛行风方向、五种树冠特征以及五种步道位置的组合。结合基于表面能量平衡过程的分析，这种方法使我们能够研究多因素的协同效应，确定起主导作用的因素以及树冠特征的关键阈值。通过使用可控的理想化场景和因子实验设计，确保了研究结果的普适性，能够超越特定地点的限制。(3) 转化为实际设计应用：本研究所分析的三个因素都是景观建筑设计中基本且可调控的元素，这保证了研究结果的实用性。为弥合研究与实践之间的差距，研究结果被整合为实用工具，包括用于空间布局的决策树以及树种选择清单，为景观设计师提供基于证据的指导。本研究旨在回答以下问题：（1）盛行风方向、步道位置和树冠特征如何共同影响城市滨水绿道内的空气温度和潜热通量密度的空间分布？（2）水分冷却与植被冷却之间存在怎样的权衡机制？是否存在决定二者相对主导地位的树冠特征临界值？（3）如何根据由气流驱动的水分冷却与植被冷却的重新分布来优化步道的空间布局，从而在炎热潮湿的气候条件下提升行人的热舒适度？

方法与材料
本研究采用了数值模拟与实地测量的综合方法。在模拟阶段，我们分两步进行：第一步通过因子实验确定相互作用机制及主要驱动因素；第二步通过对选定场景进行更深入的模拟来找出临界阈值。首先，采用因子实验设计来模拟不同强度的风向、树冠特征和步道位置组合下的理想场景。

风向、树冠特征与步道位置的相对重要性
由于本研究中的这三个设计因素并非数值型变量，因此不宜使用常规的相关性分析来确定各因素的相对重要性。为此，我们计算了每个因素变化所导致的空气温度和潜热通量密度的最大变化幅度。图6-a显示了三个因素变化所引起的空气温度最大差异，这意味着在其他两个变量保持不变的情况下，仅改变某一因素时……

热力学耦合与空气动力学重新分配机制
我们的研究结果表明，城市滨水绿道内的热环境并非静止不变，而是受两种不同冷却机制的热力学耦合所调控——即来自水体的对流冷却和来自植被的辐射冷却。

结论
本研究对城市滨水绿道内空气动力学流动与植被遮荫的耦合机制进行了参数化研究。通过结合实地测量数据与75种因子模拟场景，我们量化了对流换热（由风驱动）与辐射遮蔽（由植被驱动）如何共同影响行人的热舒适度。研究结果揭示出一种明显的热力学权衡关系：（1）机制：盛行风方向会对……产生影响。

作者贡献声明
吴业汉：写作——审稿与编辑。王震：写作——审稿与编辑、软件应用、形式分析、数据整理。李慧东：调查、形式分析、数据整理。李颖楠：写作——审稿与编辑。李正佳：写作——审稿与编辑。张慧文：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、资源获取、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念构建。张德顺：写作——审稿与编辑、资源获取。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42571103和42171093）的支持。实地测量工作得到了中国国家自然科学基金重点项目的资助（项目编号51338007）。利用ENVI-met和RayMan进行的数值建模工作则得到了德国研究与教育部在“变化中的城市气候”([UC]2)计划框架下的支持（项目编号FKZ01LP1602A）。本研究部分内容基于……