儿童与成人之间的热差异及其与街道景观结构的关系:以杭州为例

《BUILDING AND ENVIRONMENT》:Thermal Differences Between Children and Adults in Relation to Street Landscape Structure: A Case Study of Hangzhou

【字体: 时间:2026年01月21日 来源:BUILDING AND ENVIRONMENT 7.6

编辑推荐:

  儿童街头热暴露差异与街景形态耦合机制研究。

  
金晓雅|张泰龙|吴晓华|娄伟林|沈亚梅|张子阳|郭月涵
浙江农林大学景观建筑学院,中国杭州311300

摘要

随着城市热岛效应的加剧,儿童在街道环境中越来越容易受到高温压力的影响。本研究聚焦于杭州典型的上学路线街道,结合实地测量和ENVI-met模拟,探讨街道景观结构(SVF、BVF、TVF)如何影响儿童与成人之间的温度差异。同时评估了不同干预方案下的降温效果。研究结果表明:(1)儿童普遍比成人面临更高的温度暴露风险,白天的儿童皮肤表面温度(PET)通常比成人高出1–4°C,在特定时段甚至可达6–9°C,表现出明显的时间特征;(2)街道几何形态与三维辐射场之间的耦合是导致这些差异的根本机制。由于视线因素随高度变化,儿童更容易受到近地面表面和低层建筑立面的长波辐射影响;在东西向街道中,低太阳高度角会引发多次反射,使短波辐射在街道峡谷的低层区域集中,进一步加剧这些差异;(3)树木具有最佳的降温效果,而不连续的树冠会导致局部温度波动,高反射率材料则可能产生二次加热。为了营造适合儿童的城市环境,必须采用高度敏感的微气候评估框架,并协调优化街道方向、树木配置和表面材料,以实现热环境公平性。本研究为儿童友好型街道设计和城市微气候优化提供了科学指导,有助于构建更具气候适应性和公平性的城市环境。

引言

全球变暖和快速城市化加剧了城市热岛效应,使城市居民,尤其是儿童等对热敏感群体面临更大的热压力[1,2]。街道作为儿童日常行走环境的重要组成部分,是他们与社会和自然互动的重要场所,直接影响他们的出行安全、身心健康和社会发展。然而,快速城市化和机动化的增加降低了儿童行走环境的质量,导致他们暴露在更高程度的热压力下。同时,儿童是热相关疾病(如中暑、脱水和呼吸系统疾病)的高风险群体。他们在户外的独特热感知能力和有限的避热经验使他们在类似条件下比成人更容易受到热危害[3,4]。
户外热舒适度(OTC)是影响人们步行意愿的关键因素之一[5,6]。关于城市热岛和热舒适度的现有研究主要采用实地测量、遥感和数值模拟方法。在微气候模型中,ENVI-met应用最为广泛,因为它综合考虑了影响微气候的各种因素,对于研究热舒适度至关重要[7], [8], [9], [10], [11], [12]。街道方向决定了到达街道空间的太阳辐射量,是影响街道热环境的关键因素[13]。福州历史区的实证研究表明,南北向街道在中午时分具有更好的热舒适度[14]。在极端炎热和干燥的城市中,西北-东南向街道也被发现能显著降低生理等效温度并提高热舒适度[15]。树木遮荫和蒸散作用是改善街道尺度热环境的主要策略,而在某些条件下,冷却铺装和水体也能产生明显的降温效果。张T.等人和刘T.等人的研究表明,树木遮荫可使温度降低约30°C[16,17]。
辐射包括短波和长波成分,是影响户外热环境和人类舒适度的关键物理变量。平均辐射温度(Tmrt)将所有辐射源整合为一个等效温度,直接影响皮肤表面温度(PET)。街道视线因素——包括建筑视线因素(BVF)、树木视线因素(TVF)和天空视线因素(SVF)——是表征街道峡谷结构和遮荫程度的关键定量指标,常用于描述城市街道形态与热环境的关系[18], [19]。费国等人的研究表明,TVF、BVF和SVF可作为指标分析它们如何调节短波和长波辐射,进而影响热舒适度指数[20]。多项研究探讨了SVF与热环境之间的关系。例如,Solanki等人发现适当的植被配置可以降低SVF并增加TVF,从而改变多方向辐射通量、遮荫持续时间和对流热交换过程,最终提高热舒适度[21]。马等人和王等人证明,街道几何形态直接决定了天空、建筑立面和地面表面之间的短波遮荫关系,以及长波辐射交换路径,共同塑造了行人尺度的辐射环境[22,23]。在中国哈尔滨进行的研究进一步揭示了SVF、空气温度、相对湿度和平均辐射温度之间的显著二次关系[24]。
与成人相比,儿童对热更敏感[25], [26]。近年来,关于儿童户外热舒适度的研究有所增加,研究重点逐渐从宏观尺度的热环境评估转向对儿童日常活动空间的细致分析,更加关注空间形态、植被配置和儿童行为特征对热暴露的综合影响[27,28]。例如,在中国重庆的高密度居住区,研究发现夏季活动空间中硬质铺装比例高且通风不良会显著增加儿童的热暴露程度[29]。然而,大多数关于街道行走热舒适度的研究仍从成人视角出发,只有少数研究关注儿童并提出针对儿童的热环境策略,如增加植被和调整铺装反射率[6,30]。目前,关于街道方向和视线因素如何共同塑造儿童尺度辐射环境,以及这些环境差异对儿童和成人有何不同影响的研究仍然有限。大多数研究集中在分析垂直热环境和各种表面材料上,但对潜在驱动因素的深入探讨尚缺乏,尤其是在街道峡谷尺度上。不同高度下长波和短波辐射在热环境中的主导机制尚未得到充分探索[31,32]。
基于上述研究背景,本研究选择了南北向和东西向两种街道方向,通过模拟和测量分析了多种视线因素情景。在典型的夏季条件下,结合ENVI-met建模和实地验证,系统研究了不同街道景观结构对儿童和成人步行尺度热舒适度的影响。本研究旨在探讨以下问题:(1)在相同的街道环境中,儿童是否比成人面临更大的热风险?(2)不同方向和视线因素的街道上,儿童与成人之间的热特征和差异如何变化?(3)街道视线因素(天空、树木和建筑)的变化如何影响儿童与成人之间皮肤表面温度差异的机制?本研究为开发适合儿童和具有气候适应性的街道空间提供了科学依据,有助于实现城市区域的热环境公平性。

研究区域和地点选择

杭州位于亚热带季风区,具有亚热带季风气候特征,夏季炎热潮湿,冬季寒冷干燥。年平均相对湿度为75.75%,6月至9月的月平均温度分别为26.5°C、30.3°C、28.8°C和26.7°C。近年来,夏季极端高温事件频繁发生,导致城市热环境问题日益严重。
基于百度热力地图分析和实地调查

视觉因素分析

SVF、TVF和BVF的比例量化了街道环境的几何配置。由于不同高度的行人与周围表面的几何关系不同,他们的视线因素也有所不同。因此,街道热环境与这些视线因素密切相关。表5和表6展示了图1中四条街道在儿童和成人高度处的SVF、BVF和TVF测量值对比结果。

城市街道与儿童的热环境

本研究发现,儿童在街道微气候中的热暴露通常更高(白天的儿童皮肤表面温度通常比成人高1–4°C,在某些有遮荫的情景下甚至可达6–9°C)。这些差异的幅度和持续性表明,儿童与成人之间的热暴露差距并非偶然,而是当前街道微气候的固有特征。类似的研究结果也在其他研究中得到验证

结论

本研究采用实地测量和ENVI-met模拟相结合的方法,重点关注弱势群体(特别是儿童)的热暴露问题,以杭州的上学路线作为案例研究。通过使用视觉因素量化街道空间结构特征,构建了涉及树木、建筑立面和地面材料的多种干预方案。系统分析了不同街道景观结构如何影响

作者贡献声明

金晓雅:撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、可视化、项目管理、调查、数据分析、数据整理。张泰龙:方法论、概念化、验证、软件应用。吴晓华:撰写-审稿与编辑、监督、资源协调、概念化、资金筹措。娄伟林:调查。沈亚梅:撰写-审稿与编辑。郭月涵:调查。张子阳:调查。

作者贡献声明

金晓雅:撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、可视化、项目管理、调查、数据分析、数据整理。张泰龙:验证、软件应用、方法论、概念化。吴晓华:撰写-审稿与编辑、监督、资源协调、资金筹措、概念化。娄伟林:调查。沈亚梅:撰写-审稿与编辑。张子阳:调查。郭月涵:调查。
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