城市环境气候分析与规划中的应用

（一）城市热岛效应

城市热岛效应（Urban heat island effect）是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就像突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为“城市热岛”。

产生城市热岛效应的因素很多：首先，城市的地表面被建筑物和道路覆盖，由于大量硬质的建筑材料和对太阳光辐射吸收较强的颜色的使用，吸收大量热量，导致地表升温；其次，建筑物的空调、路面交通、路灯等伴随着各种城市活动，消耗了大量的能源，使覆盖城市的大气变得炽热起来，且由于绿地稀少，而无法通过蒸发来达到冷却的效果；最后，城区大气污染物浓度大，气溶胶微粒多在一定程度上起到了保温作用。

热岛效应明显地损害了城市生活的舒适性，同时室外的高温化导致了建筑物内空调能耗的增加，而空调排热的增大又促使了城市气温的升高，形成了恶性循环。现在，很多从前没有必要使用空调的地方，由于城市热岛效应所导致的外界气温的上升，促使空调设备使用普遍，也加速了城市的热岛效应。相反，处于寒冷地区的城市，还可以将城市热岛效应作为防寒对策，并采取灵活的措施。因此结合地区的特点去控制城市气候的想法和措施是十分必要的。

1.城市内外的热平衡

通过观察纽约及伦敦等大城市，城市内外的温度差最大可以达到10℃～12℃。消耗掉的能源最终以热的形式散发掉。建筑物的空调废热散发到空气中，道路上的车辆和地铁里的热气都以热气体形式散发到大气中。此外，随着城市下水道的完备，雨水大多直接流入下水道被排出，使得土壤得不到充足水分，而土壤的干燥造成了城市蒸发能力的降低。建筑物表面和道路所吸收的太阳热量由于得不到蒸发所带来的冷却作用，并且由于城市表面与空气间的温度差不得不向空中散发，造成了城市表面的高温状态。即使在夜间，由于白天散发不掉的热量仍不断向大气中散发，导致城市表面几乎一整天持续在高温状态下。

而城市外的绿地，由于植物有很好的蓄水源、保护地下水的功能，雨水能够保留在地表的土壤中，因此拥有充分的蒸发能力。白天，绿地表面基本与大气保持相同的温度，太阳热量的50%～80%通过蒸发从地表夺取了热量。当蒸发时，地下水位保持在土壤的地表处，土壤不会干燥。夜间，地表温度下降，并且由于夜间地表的辐射冷却，当地表温度低于大气温度时，大气中的水蒸气就会在植物及地表面上结露。这样就产生了大气中的水蒸气白天蒸发、夜间结露的水分移动。

城市热岛效应形成的主要原因在于绿地的减少和能源的消耗，大体各占一半。一般认为冬季城市热岛效应较强，不仅是因为冬季的大气安定度强，能源消耗大也是原因之一。

2.热岛效应对城市气候的影响

（1）形成热岛环流。城市热岛在城市水平温度中像一个温暖的“岛屿”，即一个气温高于郊区的暖区。因此，地面气压要比郊区气压稍低一些。如果没有大的天气系统影响，在背景风速很弱时，就会出现由周围郊区吹向市区的微风，称热岛环流，或者“乡村风”。

热岛环流是由市区与郊区气温差形成热压而产生的局地风，风速一般都较小，如上海为1～3m/s，北京为1～2m/s。当背景风速较弱时，热岛环流会将郊区工厂排放的污染带进市区，增加城市区域的大气污染（也可利用热岛环流改善城市空气质量）。

（2）影响市区降水量和空气湿度。热岛效应的出现，加强了城市区域大气的热力对流，再加上城市大气中的许多污染物就是凝结核，使得城市区域的云量和降水量比郊区明显增多。1973年菲茨杰拉德（Fitzgerald）等在利用低空飞行对云的细微结构进行观测时发现，从美国圣路易斯城区的上风方向到下风方向，云的凝结核数目增加54%，下风方向云的凝结核数目较多，吸收性强，容易成云。

城市区域的降水量虽然比郊区多，但市区空气的相对湿度比郊区低。其原因除了市区大部分降水被排出，地面蒸发到空气中的水分较少外，城市热岛效应也是主要原因之一。

（3）酷暑天气日数增多，寒冷天气日数减少。热岛效应引起一系列的气候反常现象，一是夏季城市区域酷热天气（35.1℃～40.0℃）日数多于郊区；二是冬季寒冷天气（低于-5℃）日数少于郊区；三是城市无霜期长于郊区；四是降低了降雪频率和积雪时间。这种气候变化，使得城市区域采暖能耗下降，夏季空调负荷增加。

3.利用较高反射率建筑材料减弱城市热岛效应

城市热岛效应对城市生态环境害多利少，从城市建设和绿色建筑的角度来看，应控制和减轻日趋严重的热岛现象，改善城市热环境。城市中大量硬质的建筑材料和对太阳光吸收较强的颜色的使用，是导致城市热岛效应的罪魁祸首。利用较高反射率建筑材料减弱城市热岛效应是一项有效手段。(www.xing528.com)

（1）反射率与地面物表的反光性。黑色的建筑材料可以吸收大量的热量。物体表面反射太阳辐射热量的能力叫做反射率。建筑物表面白漆的反射率值高达0.90，这意味着它可以反射90%的太阳辐射热量。沥青路面的反射率值只有0.05，也就是说，它只能反射太阳辐射热量的5%。物体表面反射太阳热量的能力（反射率）从最低的反射值0，到最高的反射值1.0。

（2）地表加热作用。城市地区的温度要比农村地区的温度高出5℃～8℃。这是因为农村地区没有修建大量的人工建筑，因而没有集中大量的人工建筑材料。而在城市地区，正是这些人工建筑使温度升高，如所有的道路包括水泥路和沥青路，修建房屋的混凝土、砖块、石头和钢铁，还有树木的砍伐和能够制造凉爽湿润气候的植被的破坏。道路、砖瓦、混凝土和钢铁材料上午吸收热量，下午当温度开始下降时便开始释放热量，从而升高空气的温度，延长一天中最炎热的时间长度。一般来讲，材料的颜色越深，它吸收热量的能力也就越强。如果在城市地区遍布森林树木，那么树荫就随处可见，植物在新陈代谢时会蒸发大量的水分，这些从植物叶子中蒸发出来的水分可以用来降低空气的温度。溪水、河流的流动和向地下排水道的注入也会帮助降低城市地区的“地表加热作用”。

（3）表面反射和能源的使用。一般来讲，浅色表面的反射率值较高，能够反射大部分的太阳能量，而深色表面的反射率值较低，能够吸收大部分的太阳能量，例如黑色的沥青路。房屋获得的热量也是如此，深色的房屋因为其表面材料的反射率较低，室内的温度会较高。这是因为外部墙壁和屋顶获得的热量会通过建筑物自身的传导作用传到房屋的内部。传导作用是指在建筑物内部，热量从物体温度较高的部分（墙壁和屋顶）传送到能量较低的部分或者温度较低的空间，只有厚厚的温度绝缘层才可以阻止温度从高温向低温的传递。美国加利福尼亚州萨克拉门托的一项研究表明，把一间房屋墙壁和屋顶的建筑材料的反射率从0.30提高到0.90，制冷设施的能量消耗因此下降了20%。在修建人工建筑时，地中海的很多国家如希腊，几个世纪以前就开始注意使用浅色建筑材料，使环境更加舒适。

修建小型居住房屋时，采用具有反射性的墙壁和屋顶建筑材料可以降低制冷成本。在修建大型建筑物如办公室和学校时，反射率是一方面，但同时还有其他值得引起注意的因素。在大型建筑中，由于使用了更多的电气设施和更多的人员活动，因而会产生更多的内部热量。大型建筑在节省能源方面，效果没有居住建筑那样明显，但是反光材料的应用毕竟会降低它们的使用成本。降低能源使用量的另外一个好处是，它可以降低二氧化碳的产生量，从而在抑制全球变暖方面发挥作用。在户外活动中，反光性也影响能源的使用和人类的舒适度。假设某天的气温为32℃，当沥青路面的温度上升到6℃时，沥青路附近的温度要比草地附近的温度高30℃。在高温的夏季，人工建筑浅色表面（反射率值高）的温度要比深色建筑表面（反射率值低）的温度低8℃。

（二）城市环境气候分析及其在规划中的应用

1.城市环境气候分析

根据地区的气候条件来规划是城市规划最基本的原则。通过城市气候专家对城市气候的分析和建议，德国制作出了一种图，被称为“城市环境气候图”，并根据这个气候图由市民、建筑师、城市规划师等共同对城市和建筑进行规划。从将城市环境的研究成果运用到实际规划上这一点来看，是具有超前意识的先驱性的事例。

在德国的许多城市都制作了这种城市环境气候图，其社会背景是近年来人们对环境意识的提高，以及从1987年开始实施的德国建设法典提倡的环境保护、自然管理、气候分析等。在这里，通过对德国城市环境气候图的事例介绍，学习针对地区的气候来规划城市的基本理念。

城市环境气候图的目的在于从气象学的角度出发，通过对地区（或场所、土地等）气候条件的分析，希望能够找到一种不仅适合整个地区的自然环境保护，而且又节省能源的城市规划和建筑设计的方法。城市环境气候图在形式上是一种气候分析结果的地图册，其目的在于为城市规划人员、建筑师、地区的居民和研究者等提供一个在进行城市规划或建筑设计时的工具。在德国，制作城市环境气候图时，特别在大气污染对策及将新鲜空气引进城市方面拥有非常强的意识，它在使用时与一般的根据地区的地形、土地覆盖等所制作的城市环境气候图有所不同。

2.在城市规划上的应用实例

（1）像斯图加特市这种盆地形状分布的城市，夜间从城市周围的斜面和峡谷吹来的冷气流山风，给城市带来了新鲜的空气；同时也减轻了大气污染。为了尽可能地将更多冷气引入城市，就需要模拟冷气的流动通道并消除通道上的障碍物，使冷气能够无障碍地流入城市，我们把这种流动通道叫作风道。

而斯图加特市西尔梅尼卡地区的规划方案8中，建筑物规划在朝南偏西的斜面上，而建筑物北侧的森林是提供冷气流的来源地。当初的方案只是规划了一块很小的绿地，为了确保冷气有效地流通，最终修改成宽为50～60m的宽敞绿地。

（2）斯图加特市21世纪规划

斯图加特市21世纪规划是以斯图加特市中央车站为中心，对相邻车站的铁道用地向地下转移时所产生的大约100hm2的土地进行开发。但是计划开发用地处在盆地内，又位于市中心，由于风力弱，容易产生大气污染问题，因此预料到会带来机动车尾气排放所造成的大气污染和夏季的热环境恶化现象（热岛效应）。冷气流分布图是根据气象学的理论，进行多次的实验和气候模拟所制成的，并将这些数据收录在光盘中出售。最终形成了一些建议，即将主要的换气路径、夜间的冷气流方向等在规划上应该注意的要点标记在图上，作为规划设计竞赛时的参考资料。今后通过利用GIS，行政部门在进行诸如上述的开发计划或对现有的市区进行规划时，也可在地区详细规划中灵活运用这些信息。

新鲜无污染的空气是人们健康生存的必备条件。然而，随着城市的发展，给人们生活带来的便利的同时，大气污染也成为威胁人类健康的头号敌人。大气污染是指有害物质进入大气，对人类和生物造成危害的现象。如果对它不加以控制和防治，将严重地破坏生态系统和人类生存条件。良好的城市规划和绿地系统布局是改善和提高空气质量的主要措施，有关绿地系统的规划设计见绿化设计部分的相关内容。