城市热环境研究：耦合机理与设计

1）城市热环境研究对象

芦原义信、扬·盖尔很早就关注城市外部空间，认为城市中的街道、广场、公园等外部空间是人们生活、交往的重要场所，也是城市设计的主要研究对象^[1][2]，城市中心区的热环境自然也发生在城市的外部空间内。所谓外部，是指城市中建筑以外的那部分“虚体”空间，包括了城市街道、公路、广场、公园、绿地、水体等城市空间类型。外部空间可以分为两类：①街区内部建筑与建筑之间的场地；②街区外部街道和广场公园。这是人为地划分，但对于热环境物理属性，二者并没有领域之分，都属于建筑与建筑之间的虚空间。

图1-1　城市边界层示意图

＊资料来源：改绘自Oke

城市所处地球大气之中，大气层绵延几十公里，最底层被称为城市边界层（Urban Boundary Layer，UBL），如图1-1所示，城市边界层从下至上包括城市表面的粗糙亚层、城市表面层和最外部的混合层，是受城市土地利用、建筑形态及人类活动影响最为密切的大气部分。城市冠层（Urban Canopy Layer，UCL）是城市边界层最下部，包括了从城市中地面至植被顶层或建筑顶层之间的范围，由于城市植被、建筑高度的变化，城市冠层上边界也有高低之分。同时因为城市中建筑、植被的复杂性，城市冠层内每一个点都存在差异，这是城市冠层不同于其他大气层的一个典型特征。因此，在城市冠层内会出现不同的微气候现象，这同城市设计及人类城市外部空间活动密切相关。

2）城市热环境尺度特征

一个城市的气候受纬度、海拔、气候条件影响。城市热环境研究是一个多尺度现象，对于不同尺度的热环境及空间形态有着不同的研究内容和研究方法。大量研究共识分为：宏观尺度、中观尺度和微观尺度（表1-1）。

表1-1　城市热环境的尺度现象(www.xing528.com)

＊资料来源：作者整理

——宏观尺度：研究全城及区域规模，具体范围大于100km，研究急流、季风、气团等与气象相关的气象系统。在该尺度内，主要采用实地测量或遥感反演技术手段，研究城乡温差、土地利用或下垫面对热环境的影响。

——中观尺度：城市内部片区规模，也称为城市尺度，具体范围在0.5km～100km之间，在这个尺度内，可以观测到城市的具体空间形态、城市肌理和城市内部气候效应，运用GIS、热环境模拟、实测技术方法，研究城市几何空间形态、植被分布、整体建筑材质变化同热环境的相关性。

——微观尺度：在这一尺度上，街区周边一般拥有相同的城市用地类型，因而城市形态对微气候的影响最为显著。城市街区街峡规模（Street canyon scale），0.5cm～1km，运用湍流模拟、热环境模拟、实测等方法，研究街峡模型内热环境变化，建筑间小气候，甚至可以考虑单体建筑组合或排列方向对日照阴影和通风的影响。

城市作为一个复杂的系统，建筑、交通、土地利用存在差异；同时城市热环境作为一个复杂的物理现象，由气候、辐射、城市环境等多方面因素共同作用。城市热环境尺度研究学科主要有：气候学、环境遥感、建筑物理等学科背景，可见整合不同学科研究的重要性。但由于对应描述各个尺度的理论上的不足和提供城市全面数据的复杂性，不同尺度下的城市热环境研究并没有得出一个最可行的共识性研究方法。宏观尺度遥感和街峡模型尺度研究都对城市形态或热力学物理现象进行了抽象简化。这也是不同尺度研究所得到的结论存在差异的原因。一般通过指标因子在相应尺度下影响城市能量平衡中的重要程度来判断其是否可行。例如：生物新陈代谢释放热能在微观尺度是一个重要影响因子，但在中宏观尺度下，则可以看做是微不足道的参数。

下文城市热岛效应研究部分涉及全城气象站数据统计，剖析城乡温度差异和分布特征，属于全城宏观研究尺度，而空间形态对热环境影响的研究集中在城市中心区内部和空间原型，属于中观和微观研究尺度。