城市山地公园行人太阳辐射暴露的时空分析

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Spatiotemporal Analysis of Pedestrian Solar Radiation Exposure in Urban Mountain Parks

　　

摘要
城市公园是居民重要的休闲空间，因此这些空间中的人体热暴露问题引起了广泛关注。尽管树冠在调节太阳辐射方面起着重要作用，但在山地公园休闲空间中，行人尺度太阳辐射暴露的时空变化在地形和植被共同影响下仍缺乏足够了解。为解决这一空白，本研究聚焦于中国杭州的一座城市山地公园，结合基于鱼眼图像的各向异性太阳辐射模型与 ENVI-met 模拟，系统分析了坡向、坡度和植被密度对邻近空间太阳辐射场和行人辐射暴露的影响。结果经现场测量、理论计算和模拟数据验证，能够相对准确地评估每小时六向太阳辐射强度以及人体吸收的太阳辐射。进一步分析表明，天空视场角 (SVF)、坡度坡向和植被结构共同决定了行人的太阳辐射暴露，其中冠层连续性是减少辐射输入的关键因素。结果还显示，城市山地公园对六向太阳辐射的最大影响距离延伸至约两倍树高。这些发现为评估山地公园行人热暴露和优化遮荫设计提供了科学依据，也为气候适应性公园设计和城市微气候研究提供了参考。

引言
绿色基础设施 (GI) 作为一种基于自然的适应城市气候策略 [1]，可以通过冠层遮荫 [2]、蒸散发 [3,4] 和地表反照率 [5,6] 等机制调节城市能量平衡，从而改变局地微气候条件。在这些机制中，GI 对入射太阳短波辐射的拦截、反射和重新分配是控制行人户外热暴露的关键物理过程 [[7], [8], [9], [10]]。因此，不同类型绿色基础设施调节太阳辐射的机制近年来已成为重要的研究焦点 [11,12]。探究这些过程对于进一步阐明 GI 的微环境调节机制以及最大化其对人居住区热质量的潜在效益具有相当重要的理论意义 [13]。
在各种类型的 GI 中，城市公园被广泛视为热缓冲空间 [14,15]。它们不仅在边界内产生显著的公园冷岛 (PCI) 效应，还能对周边区域产生冷却作用 [16]。这些效应的量级和空间范围共同受公园规模、树冠覆盖率、植被配置及周边建成环境特征等因素影响 [11,17,18]。其中，冠层密度作为关键调节变量 [19]。先前研究表明，叶面积指数 (LAI) 每增加一个单位，PCI 效应的强度可增加约 0.31°C [20]。然而，在夏季白天，行人热暴露更多由辐射热负荷而非仅由空气温度决定，平均辐射温度 (Tmrt) 被广泛用作量化行人所经历的综合辐射环境的关键指标 [21,22]。更密的冠层能更有效地减少穿透到地面和人体表面的短波辐射 [23]。即使在同一公园内，阳光直射处和遮荫处的 Tmrt 也可能相差数十摄氏度 [24]。因此，表征行人实际经历的短波辐射场对于理解和改善城市公园的热环境性能至关重要。
冠层遮荫是植被调节城市太阳辐射环境的主要机制之一 [23,25]。树冠主要通过拦截入射短波辐射来减轻行人的太阳暴露，从而减少到达人体的辐射通量并降低 Tmrt [21]。这并非“遮荫”与“无遮荫”的静态二元条件，而是由冠层结构控制的辐射衰减连续过程。透过冠层的太阳辐射通常遵循比尔 - 朗伯定律：随着 LAI 增加，植被密度上升，冠层孔隙度下降，冠层透过率逐渐降低 [[26], [27], [28], [29]]。因此，树冠衰减太阳辐射的效率并非固定，而是随林分密度、冠层连续性和空间配置而变化。在街道峡谷的研究中，通常使用规则排列的树木种植来分析树木间距、冠层连续性与行人尺度太阳辐射暴露之间的关系 [[30], [31], [32]]。随着树木间距减小，冠层遮荫逐渐从离散局部斑块转变为连续或半连续遮荫带，从而增强对入射短波辐射的拦截 [33,34]。然而，在山地公园中，倾斜地形进一步改变了太阳入射角、表面光照条件和行人暴露位置 [35]，使得树木种植密度对辐射衰减效率的影响更为复杂。因此，本研究将坡面上的树木布局转化为规则间距配置，并使用树木间距密度 (TSD) 来表征不同间距安排下的种植紧密程度 [36]，以便在受控空间条件下分析植被密度变化如何调节行人对太阳辐射的暴露。
地形几何形状可以根本重塑局地辐射平衡 [37,38]。在山地城市公园中，自然植被往往与适应坡度的步道和观景台等休闲设施交织在一起 [39]，导致辐射环境和行人热暴露模式与街道、广场或平坦绿地显著不同。坡向和坡度通过改变太阳入射角、表面法线方向和局地遮荫条件来调节入射短波辐射的强度及时空分布 [[40], [41], [42]]。现有研究表明，坡向主要控制坡面上下向短波辐射 (DSR) 峰值的时间，而坡度和坡向共同决定其量级。在北半球，南坡和东坡在早晨接受的 DSR 显著高于北坡和西坡 [43]。
当地形引起的辐射变化与冠层介导的反射、散射、吸收和遮荫过程叠加时，会形成高度异质的局地辐射场 [44,45]。然而，关于地形与辐射相互作用的现有定量研究大多局限于基于地形的太阳辐射模拟，并往往依赖空间分辨率较粗的遥感数据 [41,[46], [47], [48]]。因此，对坡面绿化模式与辐射衰减耦合如何影响人体辐射暴露的关注不足。
分析由复杂地形和植被共同效应塑造的辐射场存在相当的方法论挑战，而 ENVI-met 和 RayMan 等三维城市微气候模型为估算人体辐射暴露提供了可行方法 [[49], [50], [51]]。然而，其应用大多局限于相对平坦的城市形态 [52,53]。它们表示地形起伏和冠层结构耦合的林区坡面上短波辐射传递路径的能力仍检验不足。此外，由于人体在不同方向辐射下的有效投影面积具有方向依赖性，稳健的人体辐射暴露评估需要明确考虑入射辐射的方向性。因此，六向短波辐射加权方法提供了一种更准确的方法 [49,54,55]。为了减少异质表面条件下辐射计算的复杂性，基于鱼眼图像的各向异性半球辐射模型已被用于量化遮挡环境中的太阳短波辐射 [56]。该方法可以从单张图像中同时提取天空视场角 (SVF) 和冠层遮挡指标，并估算不同方向和倾斜角平面上的辐射通量。与粗分辨率遥感方法不同，它能够捕捉林区坡面的遮挡效应。
总之，现有关于植被遮荫和行人太阳辐射暴露的研究大多依赖现场实验、遥感反演或基于 GIS 的空间分析。这些研究主要关注描述植被覆盖、遮荫分布与热环境改善之间的空间相关性，而对短波辐射在冠层拦截、透射、反射及地形引起的重新分配过程中的物理机制关注不足。同时，以往研究大多集中于城市峡谷中街道树的线性种植模式，而山地公园中坡面上更常见的集群种植模式仍缺乏充分检查。特别是，在坡度、坡向和太阳入射角共同作用下，集群树木的空间密度如何影响短波辐射衰减效率仍缺乏系统理解。因此，有必要从短波辐射的物理过程入手，并纳入可控制的 TSD 指标，以揭示山地坡面集群树木减少行人太阳辐射暴露的机制。
本研究聚焦于山地城市公园的休闲空间。通过整合现场辐射观测、数值计算和高分辨率 ENVI-met 微气候模拟，构建了一个量化太阳短波辐射的地形整合框架，并试图解决以下研究问题：
(1) 地形因素、坡向和坡度如何调节坡面周围太阳短波辐射的时空分布？
(2) TSD 如何影响山地城市公园中坡面邻近空间的太阳辐射衰减效率？
(3) 基于夏季典型日太阳短波辐射的日变化特征，如何科学布置城市山地公园的休闲空间以减少访客的热暴露风险？

章节片段
方法
由于山地环境的复杂性，本研究结合实验测量与数值模拟，分析不同坡向的林坡在炎热夏季条件下如何影响邻近休闲空间中行人的太阳辐射暴露。
本研究包括以下三个部分：太阳辐射测量与场地信息收集；理论辐射计算、实验验证以及林地的模拟验证

实验与模拟验证
不同坡向坡面周围监测点测量的六向短波辐射显示出显著的时空异质性 (图 8)。总体而言，大部分地点的 SDSRI 在 09:00 至 15:00 保持在相对较高水平，并在 17:00 后迅速下降。其中，西坡和北坡上的一些点表现出较高的辐射强度。在东坡，高值主要出现在早晨，记录到的最高峰值为 2047 W/m2 在

TSD 对 SDSRI 的影响
本研究显示 TSD 主要通过控制冠层遮挡的空间连续性来影响 SDSRI。与裸坡情景相比，林坡降低了大多数采样点的 SDSRI，但辐射衰减量在空间位置间存在差异。直接在冠层下遮荫空间的衰减最强，而树间空间对 TSD 变化的敏感性最高。在冠层下空间仍观察到衰减效应

结论
本研究以杭州吴越文化公园为研究地点，通过整合现场观测、基于鱼眼图像的计算和 ENVI-met 数值模拟，系统调查了炎热夏季条件下坡向、坡度和植被配置对休闲空间短波太阳辐射暴露的影响。结果表明，城市山地公园近地面空间的六向短波辐射表现出显著

CRediT 作者贡献声明
周旭文：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。
齐凤：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，形式分析，概念化。
张泰龙：可视化，验证，软件，形式分析。
李子洋：可视化，软件，调查。
陈亦龙：资源，项目管理，资金获取。
周旭文 | 齐凤 | 张泰龙 | 李子洋 | 陈亦龙
浙江农林大学园林学院，中国杭州 311300