城市滨水带环境小气候与空间断面关系研究以上海苏州河滨水带为例

刘滨谊 林俊

城市滨水带环境小气候与空间断面关系研究以上海苏州河滨水带为例

刘滨谊 林俊

以上海市苏州河西岸滨水带典型地段为试验地，开展了环境物理数据测试，包括：试验设计、试验地和时间选取、以及试验数据获取，分析比较各测点数据与城市气象站数据。基于初步测试数据，专门研究了滨水带坡面形式、植被空间结构、乔木覆盖郁闭度、沿河灌木高度4个要素的空间布局形态对于滨水带环境小气候影响的环境物理规律。进一步，基于这些基本的客观规律，研究探讨了面向夏季上海市滨水带环境小气候适应性的风景园林设计策略。

风景园林；小气候；城市滨水带；空间断面；现场实测；小气候适应性设计

修回日期：2015-03-25

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，并对人类居住环境产生重大影响，与之伴生的城市环境问题不断凸显，如通风不良、空气污浊、干湿变化异常、城市热岛效应加剧等等。风景园林是改善城市小气候环境的直接因素［1］。通过风景园林要素改善户外环境微小气候，在气候适应性设计中具有关键的作用［2］。城市滨水带是城市重要的通风廊道［3］，滨水带与河流构成的“水-绿”复合结构能够缓解城市热岛［4］，对城市小气候起着重要的调节作用。目前关于城市滨水带小气候的研究，主要集中在街区尺度下（105m2-107m2）河流对周边城市环境的气候调节作用［5］或者不同宽度河流（滨水带）对小气候调节效能的差异［6-7］等方向。对于滨水带内部环境的小气候研究虽然近年已经开始，但仍主要集中在植被种类配置方面［8］，涉及滨水带“空间形态”，尤其是“空间断面”对小气候影响的研究目前尚未见诸报道。本研究作为国家自然科学基金重点项目《城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究》（51338007）的子课题，旨在通过实测不同滨水带空间设计要素对环境小气候的影响，以空间断面为引领，探求城市滨水带空间与小气候之间的关系，并为改善小气候的滨水带规划设计提供启示与依据。

1 滨水带空间断面“三元”构成示意图

1 实测试验

1.1 试验设计

滨水带空间断面由地形、植被、水体3部分构成，各部分相应地可细分为若干设计要素（图1）。本试验通过环境小气候实测，专门研究了滨水带坡面形式、植被空间结构、乔木覆盖郁闭度、沿河灌木高度共4个要素的空间布局形态对环境小气候的影响，旨在探求上海城市滨水带小气候要素与空间断面的关系。

目前，主流的热舒适度评价方法如平均辐射温度（MRT）、标准有效温度（SET）、生理等效温度（PET），所使用的物理环境要素主要包括空气温度、相对湿度、风速以及太阳辐射度［9］，因此本试验选取这四者作为实测的小气候要素。与室内环境不同，时刻变化的风与太阳辐射是影响室外热舒适的主要因素，因此在试验结果分析中会予以重点关注。

选取研究范围内典型断面9个，根据拟测内容，选取典型测点11个（图2），对距地面1.5m高度的空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射度4个气象要素进行实测（图3）。测点现场布置情况见表1，测点（断面）与实测比较的具体内容见表2。

1.2 试验地

选取的试验地为上海市普陀区长寿路街道苏州河西岸滨水带（图2）。研究区域内的河道南北走向（与正南北呈18°角），河道宽约45m，长约426.6m。西岸滨水绿带宽约18-20m，占地面积约7 678m2，绿化覆盖率约84%。河道两岸均为高层居住建筑，两岸建筑间距约113.6m，H/W=0.35 （H为两岸建筑高度，W为两岸建筑间距）。

试验基地位于北纬31°14'36.79"，东经121°25'30.29"，处于夏热冬冷气候区，气候特征表现为夏季炎热、冬季寒冷，春秋较短，夏冬较长。年平均气温17℃， 1月气温最低，月平均气温4℃，极端最低气温-12.1℃（1893年1月19日）；7、8月气温最高，月平均气温为28℃，极端最高气温40.8℃（2013年8月7日）。年平均风速3.17m/s，夏季盛行风向为东南偏东，冬季盛行风向为西北偏北。

1.3 试验时间

测试时间为2014年7-8月份晴朗少云的3天，每天测试时间为8：00—18：00。测试仪器每隔10分钟记录一次小气候数据。

1.4 测试仪器

测试仪器采用美国生产的Watchdog小型气象站，具备自记功能，共11台。温度测定范围为-32-100℃，精度为±0.6℃；相对湿度测定范围为10-100% （5-50℃时） ，精度为±3%；风速测定范围为0-241km/h，精度为±5%；太阳辐射度测定范围为0-1500walts/ m2，精度为±5%。

2 测试河段及测点布置图

表1 测点现场布置照片

表2 测点及比较分析的内容

表3 各测点与城市气象站平均温差（℃）

表4 测点及城市气象站空气温度最大值首次出现时刻

表5 测点2、5、6小气候要素的多重比较Scheffe

1.5 难点与应对

由于仪器的灵敏度较高，周边的人群汇聚与触碰均会对测量数据的准确性有较大影响，因此避免行人对仪器的干扰成为测试过程中现实存在的难点。应对的方法为课题组成员不间断轮流巡视，每15分钟换班一次，遇到行人对仪器有干扰行为需立即制止，在炎热的夏季，对课题组成员是极大的考验。

在夏季，阵雨的出现较为频繁，在有阵雨的时段温、湿度及太阳辐射的变化较为剧烈，将影响实测数据的分析。应对的方式按实际情况分为两种，一是阵雨持续时间较短（≤1h）、降雨强度较小（≤2.5mm/h，中国气象上的降水等级为小雨）的情况，在后续的数据处理中将该时段剔除即可；二是降雨时间较长、雨量较大的情况，则需另选晴朗少云的一天补测数据。

1.6 城市气象参数

上海城市气象数据来源为位于上海虹桥机场的城市气象站，每30分钟记录一次。测试的3天，除了2014年8月3日中午12：30-13：30出现短时阵雨，其余的气象条件基本相近。

2.测试结果及分析

2.1 城市滨水带各测点与城市气象站比较分析

测试的3天中，11个测点全天的空气温度与城市气象站的走势基本一致，呈中间高两边低的单峰折线（图4），比较特殊的是2014年8月3日在12：30-13：30之间出现短时阵雨。

3天的测试中，除测点6外，各测点的日平均温度均小于城市气象站（表3），日平均温度最小值出现在测点7处，比城市气象站低1.4℃。

对比各测点与城市气象站空气温度最大值首次出现的时刻（表4），结果显示各测点最高温的首次出现时间相较于城市气象站均有所推迟。测试的3天中，城市气象站的最高温首次出现在12：00左右，而各测点最高温首次出现时刻比城市气象站平均推迟1.8小时出现。

实测结果表明，城市中的河流与滨水绿带在夏季可以有效地降低空气温度，并推迟最高温的出现时刻，缩短高温的时长，在一定程度上缓解夏季城市热岛。

2.2 坡面形式对小气候要素的影响

坡面形式为处理地形竖向关系的方式，是限定空间的要素，主要包括台地、台阶、坡地三类。本对比组在其他空间构成要素相近的前提下，比较台地（断面2）、坡地（断面5）和台阶（断面6）三种坡面形式条件下的滨水带小气候要素，探究坡面形式对小气候的影响。

对比测点2、5、6三日平均气温（图5）并对3个测点3日空气温度值进行多重比较（Scheffe，P=0.05）（表5），结果表明，测点2（台地）与测点5（坡地）气温无显著差异，而两者与测点6的气温均存在显著性差异，测点6（台阶）的气温在三者中最高，可见台阶在降温方面的效益最差。

3 苏州河典型断面及测试仪器布置示意图

4 各测点与城市气象站三天空气温度的日间变化图

5 测点2、5、6空气温度比较

6 测点2、5、6相对湿度比较

7 测点2、5、6平均风速比较

对比测点2、5、6三日平均相对湿度（图6）并对3个测点3日相对湿度值进行多重比较（Scheffe，P=0.05）（表5），结果表明，测点2（台地）与测点5（坡地）相对湿度值无显著差异，而两者与测点6（台阶）的相对湿度均存在显著性差异，其中测点6（台阶）的相对湿度在三者中最低。可见，台阶的增湿效益在三者中最差。

风速的随机性较大，但从总体上来说，3个测点中，测点2（台地）的风速最大（图7）。通过对测点2、5、6三天的平均风速值的多重比较（Scheffe，P=0.05）（表5），结果表明，测点5（坡地）与测点6（台阶）的风速无显著差异，而两者与测点2（台地）的风速则均存在显著性差异，其中测点2（台地）的风速在3个测点中最大，可见台地的导风效果最强。

2.3 植被空间结构对小气候要素的影响

园林绿地中的物流和能流数量的大小，决定于植物叶片面积总量的大小。以叶面积为主要标志的绿量，是影响绿地生态效益的重要指标。本对比组中以乔灌草的绿量比作为参数，探究植被绿量及其空间分布对滨水带小气候的影响。本试验中植物群落的调查采用《生态学实验与实习》［10］中的植物群落调查方法。绿量计算采用陈自新等［11］关于绿量计算的回归模型进行。各断面所在样地的绿量及乔灌草绿量比见表6。

比较测点6、7、9三日平均空气温度（图8），同时对照3个测点所在样地的绿量情况（表6），可见，绿量与空气温度存在负相关，即绿量越大，空气温度越低，并且与硬质的铺装相比，草坡降温效果较为明显。

对测点6、7、9三日平均相对湿度进行比较（图9）排序，由高到低依次为：测点7（乔-灌-草）＞测点9（乔-草）＞测点6（乔）。对测点6、7、9三日相对湿度值进行多重比较（Scheffe，P=0.05），结果如表7所示，3个测点的相对湿度存在显著性差异。可见，植被空间结构越复杂，增湿效果越强。

表6 各断面所在绿地的绿量及乔灌草绿量比

表7 测点6、7、9小气候要素差异的多重比较Scheffe

表8 测点5、7、8小气候要素差异的多重比较Scheffe

表9 测点1、3、7小气候要素差异的多重比较Scheffe

表10 上海地区树高低于3m且耐修剪的灌木品种汇总

对测点6、7、9三日平均风速进行比较（图10）排序，由大到小依次为：测点9（乔-草）＞测点6（乔）＞测点7（乔-灌-草）。可见，草对风速影响不大，而大灌木（或小乔）减弱风速的效果非常显著。对测点6、7、9的3日平均风速值的多重比较（Scheffe，P=0.05）（表7），结果表明，3个测点的平均风速存在显著差异。可见，植被空间结构对风速有直接影响，并且植被空间结构越复杂、乔灌木绿量越大，对风速减弱效果越明显。

对测点6、7、9三日平均太阳辐射度进行比较（图11）排序，由大到小依次为：测点6（乔）＞测点7（乔-灌-草）＞测点9（乔-草），并且对测点6、7、9三日的太阳辐射度进行多重比较（Scheffe，P=0.05）中，结果（表7）显示，3个测点的太阳辐射度差异显著。对照3个断面的绿量及乔灌草比例（表6），结果表明乔木绿量与所接收的太阳辐射相关性最强，乔木的绿量越大，测点所接收的太阳辐射度越小。

2.4 乔木覆盖郁闭度对小气候要素的影响

乔木覆盖郁闭度是衡量断面空间顶平面覆盖程度的一个重要指标。本对比组在其他空间构成要素相近的前提下，选取了3个不同郁闭度条件的样地中的断面，探求不同郁闭度对小气候要素的影响。断面5-5、7-7、8-8所在样地的郁闭度分别为0.42、0.77、0.58。

对测点5、7、8三日平均空气温度进行比较，气温由高到低依次为：测点5（郁闭度0.42）＞测点8（郁闭度0.58）＞测点7（郁闭度0.77）（图12）。可见，实测结果符合郁闭度越大，气温越低的规律，郁闭度与气温存在一定的负相关。

8 测点6、7、9空气温度比较

9 测点6、7、9相对湿度比较

10 测点6、7、9平均风速比较

11 测点6、7、9太阳辐射度比较

12 测点5、7、8空气温度比较

13 测点5、7、8太阳辐射度比较

14 测点1、3、7平均风速比较

通过对测点5、7、8三天的太阳辐射度的多重比较（Scheffe，P=0.05）（表8），结果显示，在郁闭度差值较大的情况下，以下规律较为明显，即郁闭度越小，接收的太阳辐射量越大。对比测点5在13：00前后的太阳辐射量变化情况（图13）及乔木覆盖区域在断面中的分布，可见，太阳辐射的接收量达到最大的时刻（上午或下午），一定程度上取决于乔木的空间布局（西侧或东侧）。

2.5 沿河灌木高度对小气候要素的影响

3 个测点全天平均风速由大到小依次为：测点3（H灌木 =0.5m）＞测点1（H灌木 =2.8m）＞测点7（H灌木 =3.6m）（图14）。沿河灌木对风速有一定的减弱效果，灌木越高，风速减弱效果越明显。通过对测点1、3、7三天的平均风速值的多重比较（Scheffe，P=0.05）（表9），结果表明，测点1（ H灌木 =2.8m）与测点3（H灌木 =0.5m）的平均风速无显著性差异，而两者与测点7（H灌木=3.6m）的平均风速则均存在显著性差异，断面7的平均风速在三者中最低。可见，沿河灌木的高度与风速的关系并非简单的线性关系，不能完全排除受到灌木疏密程度的影响，需进一步研究。

通过测试结果来看，鉴于沿河灌木高度对滨水带中的气温、相对湿度、太阳辐射不存在直接影响，此处不再赘述。

3 对夏季上海城市滨水带小气候适应性空间设计的探讨

3.1 选取适宜的滨水坡面形式

实测结果表明，不同坡面形式对小气候的影响存在差异，降温增湿方面，台阶的效益最差，台地与坡地差别不大；在引导风的方面，台地与气流的接触面积最小，对气流的阻力小，因此台地引导风最有效，而台阶与坡道差别不大。

15 三种坡面形式的降温增湿效益对比示意图

16 三种坡面形式的导风效率对比示意图

因此在滨水带的规划设计中，从降温增湿方面来看，应尽量选择坡地或台地，减少硬质铺装的台阶（图15）；从导风效率方面来看，沿河无灌木或小乔木阻挡的台地可结合观景平台进行设计，为使用者提供一个感受河风的适宜空间（图16）。

3.2 建立乔-灌-草组成的合理复层种植结构

实测结果表明，植被空间结构对滨水带的4个小气候要素均有显著的影响， 建立乔-灌-草组成的合理复层种植结构（即通过乔-灌-草合理搭配提高单位面积的绿量），是夏季滨水带小气候适应性规划设计的关键。

从降温作用来看，乔-草与乔-灌-草结构优于单一的乔木，而处于乔木覆盖下的灌木并非降温的主导要素；从增湿效果来看，效能由强到弱依次为：乔-灌-草＞乔-草＞乔，可见结构越复杂，增湿效果越明显；从导风能力来看，灌木的绿量对风速影响较大，灌木的绿量与高度越大，风速减弱效果越明显；从减少太阳辐射来看，乔木绿量是最关键的影响因素。

综合以上要素得出，在改善夏季滨水带小气候的规划设计中，应优先选择乔-草这类植被结构，其既能有效控制太阳辐射量、降低空气温度，又能引导河道风，增加空气对流，提高舒适度。同时，已有研究从生态效能（包括温湿调节）等方面对乔灌草的最佳绿量比进行了研究，陈自新等（1998）［12］指出园林绿化所用乔木（株）、灌木（株）、草坪（m2）、绿地（m2）最适合比例应不少于1：6：21：29，换算成乔灌与草的绿量比为1.45［13］。然而，已有研究并未提出针对滨水带这一特定园林绿地类型的最佳乔灌草绿量比例。在本次实测中乔灌草绿量比例为0.53：0：0.47的样地无论在降温增湿还是导风效应方面都有较好的效果，因此这个乔灌草绿量比可以初步作为滨水带植被配置的参考值。在后续研究中，还将继续测试多组不同乔灌草绿量比例的样地的环境小气候，探索改善夏季小气候效应最佳的乔灌草绿量比，以期为滨水带规划设计提供定量化的植被配置依据。

3.3 提高乔木覆盖郁闭度

乔木覆盖郁闭度是衡量断面空间顶平面覆盖程度的一个重要指标。实测结果表明郁闭度与太阳辐射的关联最强，并成负相关。在改善夏季滨水带小气候的规划设计中，提高郁闭度是降低太阳辐射度与空气温度，增加相对湿度的一个有效手段。

根据Leisuk对植物环境的分类，乔木冠层可分为如图17所示的5种基本类型［14］。在绿量（叶面积总量）一定的前提下，（b）、（c）、（e）树冠及叶面积的分布情况对热环境的改善效果要好于（a）、（d），即乔木水平区域面积越大（郁闭度越高），地表所接收的热辐射越小，对温湿度调节效能越好。因此在绿量要求一定的情况下，应当优先选取（b）、（c）、（e）3种冠层类型的乔木，以提高郁闭度，改善夏季滨水带小气候。

17 乔木冠层几何模式

3.4 控制沿河灌木高度

实测结果表明，灌木越高，风速减弱效果越明显。因此，在改善夏季滨水带小气候的规划设计中，为利于引导河道风进入滨水带内部，应优先选择较为低矮的灌木品种，并且在后期的维护中对沿河灌木进行定时修剪，使其树高保持在3m以下。在上海地区58种常用灌木中，选取树高低于3m且较耐修剪的品种，共有12个灌木品种符合要求（表10），可为滨水带灌木配置提供参考。

4 结论与讨论

实测结果表明，不同的滨水带空间断面设计对小气候的改善作用存在差异，其中滨水带坡面形式、植被空间结构、乔木覆盖郁闭度、沿河灌木高度4个设计要素均对滨水带环境小气候产生影响。

合理的城市滨水带空间断面设计可以在一定程度上改善夏季炎热的环境小气候：（1）优先选取坡地或台地，减少硬质铺装的台阶，利于降温增湿；可增设无遮挡的观景台地，引导河道风。（2）优先选择乔-草这类植被空间结构，控制太阳辐射量、降低空气温度的同时引导河道风，提高舒适度。同时0.53：0：0.47这个乔灌草绿量比例较为适用于滨水带这一特定环境，可初步作为滨水带植被配置的参考值。（3）优先选取冠层水平面积大的乔木，增加树荫空间，控制地表所接收的热辐射，降低气温。（4）优先选择较为低矮的灌木品种，并且在后期的维护中对沿河灌木进行定时修剪，使其树高保持在3m以下。根据要求筛选出的上海地区12个常用灌木品种（表10），可为滨水带灌木配置提供参考。

本次测试作为国家自然科学基金重点项目《城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究》的初步测试研究，仅对三类九种城市风景园林类型中的一种进行了现场实测。实测过程中出现的难点与应对为下一步研究积累了经验，所获得的初步成果为形成城市风景园林小气候适应性设计方法提供了基础。

同时，本次试验也存在诸多不足，仅考察了南北走向河道及滨水绿带，且仅考虑了4种断面设计要素，具有局限性，后续研究中应对多样的河道类型均有所探讨，且还需将河道宽度、绿带宽度等设计要素纳入到研究范畴。

注释：

图17引自Shudo H， Sugiyama J. A Study on Temperature Distribution Influenced by Various Land Uses［J］. Energy and buildings， 1997，（26）：199-205.文中其余图表均为作者自绘。

［1］刘滨谊，匡纬.城市风景园林小气候空间单元物理环境与感受信息数字化模拟研究：中国首届数字景观国际研讨会［C］.南京：东南大学，2013.

［2］张琳，刘滨谊，林俊.城市滨水带风景园林小气候适应性设计初探［J］.中国城市林业，2014，（4）：36-39.

［3］邱巧玲.城市空气输送通道的布置与节约城市建设用地关系的研究［J］.中国园林，2008，（10）：76-81.

［4］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（10）：14-22.

［5］齐静静，刘京，郭亮.大型城市河流对城市气候影响的实测研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，（10）：56-59.

［6］纪鹏，朱春阳，李树华.城市河道绿带宽度对空气温湿度的影响［J］.植物生态学报，2013（1）：37-44.

［7］纪鹏，朱春阳，李树华.城市中不同宽度河流对滨河绿地四季温湿度的影响［J］.湿地科学，2013，（2）：240-245.

［8］翟宝黔，李留振.河岸带不同植被的小气候对光照强度的影响［J］.四川林业科技，2010，（6）：61-63.

［9］Chen L， Ng E. Outdoor thermal comfort and outdoor activities： A review of research in the past decade［J］. Cities，2012，29（2）：118-125.

［10］杨持.生态学实验与实习［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［11］陈自新，苏雪痕，刘少宗.北京城市园林绿化生态效益的研究（2）［J］.中国园林，1998，（2）：49-52.

［12］陈自新，苏雪痕，刘少宗.北京城市园林绿化生态效益的研究（5）［J］.中国园林，1998（5）：57-60.

［13］吴菲，李树华，刘剑.不同绿量的园林绿地对温湿度变化影响的研究［J］.中国园林，2006，（7）：56-60.

［14］Shudo H， Sugiyama J. A Study on Temperature Distribution Influenced by Various Land Uses［J］.Energy and buildings，1997，（26）：199-205.

Study on Relationship between Microclimate and Space Section of Urban Waterfront Green Belt
A Case Study of Riverfront Green Belt in Suzhou and Shanghai

LIU Bin-yi LIN Jun

In this paper， a typical urban waterfront green belt located in the west bank of Suzhou River in Shanghai was chosen to carry out an environmental physics data test including test design， test field and time selection ，data acquisition and analysis. Based on preliminary data， impacts of four space section design elements（ i.e. terrain form， vegetation structure， tree canopy density， height of shrub） on microclimate was analyzed. Furthermore， microclimate adaptive design strategies were proposed for urban waterfront landscape in Shanghai in summer.

Landscape Architecture； Microclimate； Urban Waterfront Green Belt； Space Section； Field Measurement； Microclimate Adaptive Design

国家自然科学基金重点项目（51338007）：城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论和方法研究

TU986

A

1673-1530（2015）06-0046-09

10.14085/j.fjyl.2015.06.0046.09

2014-10-07

刘滨谊/博士/国务院学位办风景园林硕士专业学位指导委员会委员，全国高校风景园林专业教育指导委员会副主任委员，同济大学建筑与城市规划学院景观学系风景园林学科专业委员会主任、教授、博士生导师/同济大学风景科学研究所所长/中国风景园林学会常务理事、上海风景园林学会副理事长、美国风景园林师协会荣誉会员（上海200092）

林俊/同济大学建筑与城市规划学院景观学系硕士生（上海200092）

Fund Item： Significant Project for National Natural Science Fund（51338007）： Research on Microclimate Responsive Design Theory and Method of Landscape Architecture in Livable Urban Environment