上海城市开敞空间小气候适应性设计基础调查研究

刘滨谊 / LIU Bin-yi
张德顺 / ZHANG De-shun
张琳 / ZHANG Lin
匡纬 / KUANG Wei

摘要：作为“城市宜居环境风景园林小气候适应性设计理论与方法研究”课题的基础实验工作，以寻找风、湿、热等小气候 要素与开敞空间布局间的关联特性为研究目的，以夏热冬冷地区上海市为研究对象，以1 000~100 000m2为研究尺度，对广场、滨 水带和街道的风速、风向、相对湿度、空气温度及太阳辐射等小气候要素进行了实测。分析测试数据，研究广场空间平面布局 及竖向、滨水带空间断面形式、街道空间形态与小气候要素之间的量化关系，进一步提出以调节改善小气候为导向的风景园林 规划设计的技术对策。

关键词：风景园林；小气候要素；基础调查；广场；滨水带；街道

Abstract: This research is a part of basic field investigation of the project “Microclimate Responsive Design Theory and Method of Landscape Architecture in Urban Livable Environment”, and aims to find out the correlation between microclimate elements—wind, humidity and thermal—and landscape space layout through measuring microclimate variables, including wind speed and direction, relative humidity, air temperature, and solar sunlight, for three types of open spaces—square, waterfront, and street (1 000-100 000m2)— in Shanghai City, China, where the weather is hot in summer and cold in winter. Through data analysis, the study explores the quantitative relationship of landscape space layout of square and street spaces and landscape section of waterfront with microclimate elements, and puts forward landscape planning and design strategies which are oriented to microclimate improvement.

Key words: landscape architecture; microclimate; field investigation and measurement; square space; waterfront; street

在全球气候变化的大背景中，小尺度范围的环境气候与人居更为密 切。风景园林能否在城市人居环境小气候改善中发挥作用？风景园林环境 与小气候诸因素存在着怎样的关联？依据这种联动关系，是否可以通过风 景园林规划设计达到调节改善人居环境小气候的目的?这是风景园林学科 具有突破性的研究领域。

据此，由同济大学与西安建筑科技大学合作的“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”国家自然科学基金重点项目申请， 于2013年成功获准。项目研究围绕城市风景园林小气候系统功效、空间要 素与空间形态结构、气候适宜性3个核心问题的耦合，从理论、方法、技术及案例调查验证4个方面展开(图1)。其研究内容涉及城市风景园林小气 候基础理论、设计方法、关键技术集成，设计导则与评价指标体系四大部 分。拟选取中国东南(夏热冬冷地区)和西北(寒冷地区)两大气候区域中3类 9种空间建立案例示范，综合实践验证。3类空间分别为：一类广场类建筑 密集区(包括5hm2以上、1~5hm2、1hm2以下3种规模)、二类街道/滨水区 类带状空间(包括城市主干道、城市次干道、城市滨水带3种)以及3类城市 居住类街区(包括居住区、小区、组团3种类型)[1]。本文介绍了该重点项目 子课题“小气候要素与风景园林空间布局间关联特性基础调查”的初步研究成果。

2014年7—9月，同济大学课题组选取上海市区的广场、滨水带、街 道空间进行了基础调查，对小气候影响变量中的风速、风向、相对湿度、 空气温度及太阳辐射进行了实测记录。

实验设备：美国产小型气象站Watchdog，每10min自记一次。测试 内容：距地面1.5m高度处风速、风向、相对湿度、空气温度及太阳辐射 度。测试时长：每点3天。测试日气象状况：晴朗、少云。

1 上海城市广场小气候要素与空间竖向及平面布局关系测定

1.1 观测点设置及其环境特征

实验目的：初步了解各小气候要素变化与广场空间平面布局、竖向间 的关系。

实测对象：上海创智天地广场。创智天地广场位于杨浦区创智天地产业园区内，占地面积约8 400m2。广场东北—西南走向(北偏东62°)，长 约140m，宽约60m，整体为下沉空间，最大高差达5m。广场由高20m 的商业写字楼三面围合，H/W=0.33(H为广场南北两侧建筑高度，W为南北两侧建筑间距) 。

实测过程：在广场空间竖向及平面结构性和特征点处布置测点(图2)。测试时间：7月23日、7月26日及8月4日，每日8：00—21：00。

1.2 实验结果与分析

1.2.1 广场各测点与上海城市气象站数据比较

实测结果显示：3日中，广场各测点日平均空气温度均高于当日上海城市气象站数据，最大差值达3.7℃，峰值最大差值达4.2℃(表1)；广场上各测点到达峰值时间均早于气象站，最多提前约3小时10分钟(表2)。结 果表明：测试广场夏季空气温度偏高，高温持续时间较长，在一定程度上加剧了城市热岛效应。

1.2.2 广场4种空间单元小气候要素变化比较分析

根据广场空间下垫面与覆盖类型，将其分为4种空间单元：无覆盖草坪空间、无覆盖硬质铺装空间、植物覆盖硬质铺装空间及建筑覆盖硬质铺装空间。实验结果显示：4种空间单元日平均空气温度(图3)由高到低依次为，无覆盖硬质铺装空间＞无覆盖草坪空间＞植物覆盖硬质铺装空间＞建 筑覆盖硬质铺装空间。其中，8：00—19：30无覆盖硬质铺装空间平均 空气温度最高，19：30—21：00则为植物覆盖空间平均空气温度最高， 建筑覆盖空间在整个测试时段均处于最低。结果表明，太阳辐射是影响空 气温度的主要原因，相同光照条件下，无覆盖硬质下垫面空气温度高于草坪；日落后风速是影响空气温度的主因，植物覆盖空间通风效果低于其他空间单元类型，因此，空气温度偏高。

1.2.3 广场竖向高程与小气候要素变化的关系分析

测点⑧⑨⑩位于广场西南草坡上，各测点垂直间距为2m。实验结果显示：3个测点日平均相对湿度(图4)由高到低依次为，测点⑧＞测点⑨＞ 测点⑩；日平均风速(图5)由高到低依次为，测点⑧＞测点⑨＞测点⑩。

结果表明，广场西南草坡，相对湿度随高程降低而下降，风速随高程降低 而减弱。此次实测结果与已有研究结果一致[2]。

1.2.4 广场坡向与小气候要素变化的关系分析

对比西南向斜坡、东北向斜坡、平地3组小气候数据，结果显示(图6)：8：00—14：00，空气温度与地表温度由高到低依次为东北向斜坡＞平地＞ 西南向斜坡，主要由于太阳位于东侧，东北向坡接收太阳辐射量大。东北向 斜坡空气温度与平地、西南向斜坡最大温差约0.49℃、1.48℃；东北向斜坡 地表温度与平地、西南向斜坡最大温差约3.84℃、1.67℃。

14：00—18：00，太阳由东往西移动，西南向坡接收太阳辐射量 较大，空气温度与地表温度由高到低依次为西南向斜坡＞平地＞东北向 斜坡。西南向斜坡空气温度与平地、东北向斜坡最大温差约0.39℃、 1.1℃；西南向斜坡地表温度与平地、东北向斜坡最大温差约1.02℃、13.72℃。18：00—21：00，空气温度与地表温度由高到低依次为西南 向斜坡＞平地＞东北向斜坡，计算可知，平地接收太阳辐射总量小于西南 向斜坡约346.67W/m2、大于东北向斜坡约2 951.5W/m2。结果表明：日 间斜坡空气温度和地表温度与太阳方位角相关，夜间空气温度、地表温度与太阳辐射总量相关。

1.3 对夏季上海城市广场规划设计的启示

1)选取适宜的广场下垫面类型。

在夏季广场小气候适宜性设计中，通过降低广场地表温度来降低空气温度。其中，改变广场铺装材料，以改变小气候下垫面类型，是一种有效途径。

2)增加建筑和植物遮荫面积。

太阳辐射是影响日间广场空气温度的主要原因[3]，实测结果显示，建筑遮阴降温效果优于植物遮阴，但植物能有效调节空气湿度，具有生态效能。在广场设计中，改变广场周围建筑物的围合关系能有效增加由建筑产 生的阴影面积，避免太阳直射，是降低空气温度有效手段之一；增加落叶 阔叶乔木特别是冠幅较大的乔木来提供遮荫，根据植物蒸腾速率规律进行合理配置，不仅可以降低空气温度，还可以调节空气湿度，属于综合改善 夏季广场小气候的生态化途径。

3)有效引导风向、改变风速。

广场走向与城市主导风向一致时有利于气流疏导，增大空气流速及场地热交换，降低空气温度。在中国南方地区，广场设计应以改善夏季小气 候热环境为主要目的，走向应尽量与城市夏季主导风向一致，并保持此方 向空间通透。

4)合理营造广场竖向空间。

广场下沉空间是良好的避风场所，可有效降低周围高层建筑形成的风影效应和峡谷效应，但不利于广场夏季散热，因而应合理处理下沉广场的高差 或减少下沉广场的设置。特别对于中国南方地区，为有利于广场夏季散热， 其竖向应增加微地形隆起变化，在北向斜坡设置活动场地[4]，营造凉爽空间。

2 上海城市滨水带小气候要素与空间断面关系测定

2.1 观测点设置及其立地特征

实验目的：探求滨水带空间断面形式与小气候要素变化关系。 实测对象：上海市苏州河光复西路段西岸滨水绿带。苏州河光复西路段，河道南北走向(与正南北呈18°)，研究范围内河道宽约45m，长 约426.6m，西岸滨水绿带宽约18~20m，植被覆盖率约84%。河道两岸 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)。

实测过程：选取研究范围内典型断面9个，在断面特征点处布置测点11个(图7)。实测时间：7月22 日、7月24日及8月3日，每日8：00—18：00。

2.2 实验数据与分析结果

2.2.1 苏州河滨水带各测点与上海城市气象站数据比较

表3可见测点日平均温度(除测点⑥)均低于当日城市气象站数据，最大差值约1.4℃。表4可见各测点最高温首次出现时间相比城市气象站均有所推迟，平均推迟时间为1.8h。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，缩短高温时长，在一定程度上缓解夏季城市热岛。

2.2.2 植被空间结构对小气候的影响

以乔灌草绿量比为参数，试验地植物群落现状见表5，绿量依照陈自新等[5]提出的回归模型进行计算，各断面所在样地的绿量及乔灌草绿量比见表6。 将测点⑥⑦⑨3日平均空气温度进行比较(图8)，并与绿量表(表6)对照，可见，植物绿量与空气温度呈负相关，绿量越大，空气温度越低，降温效果越明显。 将测点⑥⑦⑨3日平均相对湿度进行比较(图9)排序，可见，测点⑦(乔—灌—草)＞测点⑨(乔—草)＞测点⑥(乔)。结果表明植被空间结构越复杂，增湿效果越明显。 将测点⑥⑦⑨3日平均风速进行比较(图10)排序，可见，测点⑨(乔—草)＞测点⑥(乔)＞测点⑦(乔—灌—草)。结果表明，草坪对风速影响较小；叶面积总量较大的大灌木(高度3~3.5m)或小乔木降 低风速效果显著。结果表明，植被空间结构对风速有直接影响，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。

将测点⑥⑦⑨3日平均太阳辐射强度进行比较(图11)排序，可见，测点⑥(乔)＞测点⑦(乔—灌— 草)＞测点⑨(乔—草)。结合绿量及乔灌草比例，可知，乔木绿量与所接收的太阳辐射量相关性最强， 乔木绿量越大，测点所接收的太阳辐射强度越小。

2.2.3 其他断面设计要素对小气候的影响

实验还实测研究了坡面形式、乔木郁闭度、临河灌木高度对小气候的影响，结果如下。

1)不同坡面形式对小气候的影响存在差 异，降温增湿方面，草坪台地与草坪坡地优 于硬质台阶；风的引导方面，草坪台地优于 草坪坡地及硬质台阶。

2)乔木郁闭度与太阳辐射、空气温度呈 负相关，与相对湿度呈正相关，与风速关联性较低。乔木的空间布局将直接影响太阳辐 射强度最大值出现的时间。

3)临河灌木具有降低风速的作用，灌木 越高，风速减弱越明显，但两者间非简单的 线性关系。

2.3 对夏季上海城市滨水带规划设计的启示

1)建立合理的乔灌草复层群落种植结构。

植被空间结构对滨水带小气候具有显著 影响，建立合理的乔—灌—草复层群落种植 结构，是夏季滨水带小气候适宜性规划设计 的措施之一。在植物配置过程中可优先考虑 乔─草结构，既能有效控制太阳辐射量、降 低空气温度，又能引导河道风进入滨水绿带中，增加空气对流，提高舒适度[6-7]。

2)提高乔木郁闭度。

实测可见，乔木郁闭度与太阳辐射强度呈负相关，提高郁闭度是降低太阳辐射度与 温度，增加湿度的有效手段之一。

3)选取适宜的坡面形式。

为满足夏季降温增湿要求，应尽量选择草坡、草坪台地或木质台地，减少硬质铺装 的使用；滨河无灌木(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 感受河风的游憩空间[8]。

3 上海城市街道小气候要素与空间形 态关系测定

3.1 观测点设置及其环境特征

实验目的：初步了解各小气候要素变化 与街道空间形态间的关系。

实测对象：上海市金陵东路及与之邻 接的广西南路、浙江南路。金陵东路位于黄 浦区，为城市干道，东北—西南走向(东西 走向偏北35°)，宽度为15m，两侧建筑高 度约为15~17m，基本无行道树覆盖；广西 南路、浙江南路与金陵东路正交，为城市次 干道，东南—西北走向，宽度分别为9m，15m。研究区域内道路长度金陵东路约为200m，广西南路100m，浙江南路50m。 实测过程：根据路段走向、街道两侧建筑形态和街道界面选取特征点布置测点(图12，表7)。测试时间：8月26日、8月30日及8月31日，每日7：00—19：00。

3.2 实验数据与分析结果

3.2.1 街道界面朝向与小气候关系分析

由图13可知，受两侧建筑阴影影响，9：00—14：00，测点②所在的街道西北界面太阳辐射值高于测点①所在的东南界面，并在12：30达到峰 值；14：00—17：00，测点①太阳 辐射值高于测点②，并在15：30左右 达到峰值。结果表明，建筑阴影对街 道界面太阳辐射得热具有较大影响。

3.2.2 街道走向与小气候关系分析

金陵东路①②测点太阳辐射平均 值与浙江南路③④测点比较可见(图14)，7：00—12：00，浙江南路高于金陵东路；14：00—16：00浙江 南路低于金陵东路。比较①②测点与③④测点平均风速可见(图15)，平行 于三日主导风向(东北向)的浙江南路 高于垂直于主导风向的金陵东路，浙 江南路最大风速达6km/h，金陵东路 最大风速为3km/h。受太阳辐射及风 速综合影响，①②测点与③④测点平 均空气温度(图16)7：00—12：00间 差异较小，12：00—19：00间③④ 测点小于①②测点。结果表明，街道 走向决定街道界面太阳辐射得热，通 风口位置和街区层峡空气气流方向， 三者综合作用影响街道空气温度。

3.2.3 街道建筑细部骑楼对小气候的影响

对比金陵东路上骑楼架空层外测点②与架空层内测点 可见，测点 太阳辐射度、空气温度及风速均小于测点②，但测点 湿度大于测点②。结果表明，街道建筑细部的设计，如 骑楼、房檐和门斗等，能在夏季为街道提供降温、避暑空间。

3.3 对夏季上海城市街道规划设计的启示

1)合理规划新城街道走向。

街道走向对街道小气候有显著影响，是街道小气候适宜性规划设计的关键[9]。在新城规划建设中，控制街道走向，改变街道周围建筑的围合关 系与高宽比能有效增加建筑阴影面积，避免太阳直射[10]；与主导风向平行 的街道走向能有效引导风的流动，增大空气流速及热交换，达到夏季降温 的目的。

2)增加建筑遮阴面积。

实测发现建筑细部骑楼对街道的小气候，特别是夏季降温增湿有明显作用。对于中国南方地区，在街道两侧建筑物的设计中，建议结合地方特 色，加入骑楼等建筑细部，可在夏季为街道提供避暑空间，有效降低局部空气温度。

3)建立街道复合型绿化配置。

适宜的街道绿化垂直结构能对小气候要素起到良好的控制和调节作用。采取复合型绿化配置形式，适当丰富群落垂直结构[11]，对稳定街道小 气候环境有较为显著的效果，同时应注意控制行道树整体树高和分支点高 度，可对优化垂直空间结构直接起作用。

4 结论与讨论

1)广场是城市最基本且最具代表性的空间类型之一。

本次测试比较了 广场中4种空间单元(无覆盖硬质铺装空间、草坪空间、植物覆盖空间及 建筑覆盖空间)小气候条件，分析了广场高程、坡度、坡向与小气候的关 系。后续研究中，还将增加不同类型广场样本量，重点结合人群活动需求 及规律进行分析，并对植物布局、水体等设计要素做进一步细化讨论。

2)城市河道与滨水带在炎热的夏季可以有效缓解城市热岛，改善局地小气候。

研究结果表明，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，其中河道走向、植被空间结构、郁闭度等设计要素均对小气候 产生影响。后续研究中将增加河道类型，并将河道宽度、绿带宽度等设计要素纳入到研究范畴进行综合考察。

3)街道走向、高宽比、街道植被是街道小气候环境的影响因素。

后续除研究商业街道外，还将把研究扩展至城市交通干道等多种街道类型，并 将对植被等设计影响要素做进一步深化研究。

本实验是对上海城市广场、滨水带及街道夏季小气候的初步测试，研 究成果将作为上海夏季城市风景园林小气候适宜性规划设计的基本依据。 今后还将把研究扩展至冬、春、秋季，根据不同季节特征、人群活动需求及空间特征，从定量与定性双重角度，探求小气候适宜性风景园林空间营造规律、理论、方法与技术。

注：文中图片均由作者绘制。

项目负责人：刘滨谊
参与基础调查的课题组成员：刘滨谊、张德顺、张琳、匡纬、王振、林俊、林可可、李单、薛凯华、张慧文、巴彦·卡德尔别克

 

参考文献：

[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[C]∥中国首届数字 景观国际研讨会.南京：东南大学，2013.

[2] Oke T R. Boundary Layer Climates[M].Routledge, 1988.

[3] Brown R D, Gillespie T J. Microclimatic Landscape Design[M]. Canada: Library of Congress Catalogin-in-Publication Data, 1995

[4] Geiger R, Aron R H, Todhunter P. The Climate Near the Ground[M]. Vieweg+Teubner Verlag, 1995. [5] 陈自新，苏雪痕，刘少宗，等.北京城市园林绿化 生态效益的研究(2)[J].中国园林，1998(2)：51-54.

[6] 陈自新，苏雪痕，刘少宗，等.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.

[7] 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.

[8] 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(9)：36-39.

[9] (澳)格拉姆·霍普金斯，赵梦.风景园林让生活更 美好：生态建筑战略：创造舒适宜人的小气候[J].中 国园林，2012(10)：9-16.

[10] FAli-Toudert, H Mayer. Effects of asymmetry, galleries, overhanging façades and vegetation on thermal comfort in urban street canyons[J]. Solar Energy. 2007, 81(6).

[11] 朱春阳，李树华，纪鹏，等.城市带状绿地宽度 与温湿效益的关系[J].生态学报，2011，31(2)：383- 394.

 

作者简介：

刘滨谊/1957年生/男/辽宁法库人/博士/同济大 学风景园林学科专业委员会主任，景观学系教授， 博士生导师/同济大学风景科学研究所所长/高等学校风景园林学科专业指导委员会副主任委员/第二届国务院学位办风景园林硕士专业学位指导委员会委员/研究方向为景观视觉感受评价，绿地系统规划，风景园林与旅游规划/本刊副主编(上海 200092)

张德顺/1964年生/男/山东人/博士/同济大学建筑与城市规划学院景观学系教授，博士生导师/研究 方向为园林生态、园林植物、风景园林规划设计(上 海 200092)

张琳/1979年生/女/辽宁沈阳人/博士/同济大学建筑与城市规划学院景观学系讲师/研究方向为风景园林与景观旅游规划设计(上海 200092)

匡纬/1982年生/女/江苏苏州人/博士/同济大学建筑与规划学院景观学系在站博士后/研究方向为风景园林规划设计(上海 200092)