城市中心热环境与空间形态的研究

1）中微观尺度城市空间形态的热环境研究

Arnfield和Grimmond（1998）通过实测数据和能量平衡模型解析不同高宽比街峡内空气温度，屋顶、建筑墙面表面温度的变化，详细剖析了街峡内辐射、潜热、储热和显热的变化关系^[21]。

Akira Hoyano（1999）等人研究日本多摩新城6个居住区样本的建筑形态组合（行列式、散点式、围合式）、建筑朝向、容积率和街区材质（植被区域、沥青路面、土地、建成区四类）同显热通量的关系^[22]。结果显示街区表面显热通量总量由大到小依次是围合式、平行行列式、旋转行列式、点式，而三个不同容积率的围合式样本表明，容积率越大，显热通量越大。

Fazia Ali-Toudert和Helmut Mayer（2006、2007）通过ENVI-met软件模拟，讨论干热气候下街峡空间不同高宽比、朝向对街道内人体舒适度的影响，并通过生理等效温度表征人体热舒适度，结果表明存在明显的时间和空间上的差异^[23]。通过软件模拟不同剖面的街峡，由于受到日照辐射影响，白天天空可视度高的街峡表现出更高的空气温度，天空可视度低的街峡内的人体舒适度受朝向影响显著，东西向街峡受日照影响明显，南北向表现并不显著，研究认为可以通过针对性地在热敏感性高的街峡设置骑楼及种植绿化，进而优化街道人体舒适度。

E.L.Krüger（2011）等人研究了巴西库里提巴步行街道几何形态对行人舒适度的影响^[24]，研究从气候和空气质量两方面评估人体舒适度。基于小气候实测和行人舒适度问卷调研，以天空可视度作为城市几何形态的指标，对白天空气温度同街道形态的相关性进行了评价；基于ENVI-met软件模拟四个不同方向来风条件下气流对空气污染物扩散的作用。

Sandra Oliveira（2011）研究了里斯本城市中公园绿地开放空间对热岛效应的缓解作用^[25]。研究通过测度不同朝向和阳光直射区域的温度、湿度等气象参数，发现无论阴影区还是阳光直射区域，公园内温度都要低于相同条件下的建筑街区，尤其是在炎热的天气条件下，最大Ta差异为6.9℃，Tmrt差异为39.2℃，极值发生在南部街道的阴影区域测点和太阳直射区域测点。认为不考虑当地气候条件影响，特别是在低风速条件下，城市空间几何形态和太阳辐射是影响高温发生的主要原因。

Feng Yang等（2009）通过对上海三个居住小区的气象实测，分析比较三种空间形态下不同指标与夏季热岛强度的相关性^[26]。研究发现，场地布局、绿化率、密度对白天和夜间热岛强度都有影响，与白天热岛强度关系密切的是阴影系数，总体太阳辐射接受量（TSF）在阴天条件下比天空可视度（SVF）具有更高的相关性，夜间受到人为热干扰，不能统计说明指标同夜间热岛强度的明确相关性，但植被蒸发起到重要作用。

高亚锋（2011）对居住区室外热环境进行了实测和模拟研究。实测比较围合、半围合、庭院式和开敞式四种建筑布局中草地和硬质地面的热环境特征，建立了建筑群内太阳直射辐射、散射辐射和反射辐射等的简化求解模型，分别以建筑表面、空气、草坪和水体等为研究对象，建立热平衡方程，进而建立了适于城市住区热环境模拟分析的零方程流动换热求解模型，对城市住区空气流动与换热进行三维耦合求解^[27]。

自Oke T.R.（1981）提出天空可视度同城市热岛强度存在相关性起，大量城市气候学者开始研究这一形态指标。大部分研究者得到了天空可视度指标同空气温度或热岛强度的相关性，研究比较成熟的有T.Gal和J.Unger等人。他们以匈牙利西塞格市为例，将城市建筑分为紧凑中层、紧凑低层、开敞中层、开敞低层、广阔低层和独立式建筑六种类型，通过比较覆盖全城的大量实测数据，探究天空可视度同热岛效应、空气温度及人体热舒适度的关系，并深入研究城市天空可视度的测度与模拟，认为城市形态同城市冠层内部空气温度等热环境参数存在显著的相关性。Richard R.Shaker在美国密尔沃基、Shanyou Zhu等人在澳大利亚阿德莱德、Liang Chen等人在香港、Xiaodong He等人在北京也得到类似证明。另外，存在少部分研究者研究证明这一指标同热环境不具有明显相关性，Upmanis（1999）、Lindberg（2003）在瑞典哥德堡、Vieira（2003）在葡萄牙里斯本的研究中，发现天空可视度同地表温度呈现低相关性，Upmanis认为白天空地阴影情况和强烈日照会影响夜间温度。

2）全城尺度城市形态及城市土地利用的热环境研究

Paul Coseo（2014）对芝加哥8个邻里住区的热环境进行实测及遥感分析，研究确定了14个对空气温度产生影响的因子指标（见表1-4），由于夜间无风条件多于白天，导致夜间热岛强度大于白天，确定昼、夜热岛强度由不同的指标驱动影响。凌晨两点时街区不透水面积及植被覆盖率对空气温度缓解贡献为64%，发生极端热岛效应时二者贡献率高达90%，而街道高宽比与朝向贡献率不显著；下午四点时，只有距上风区最近工厂的距离这一变量指标贡献率较为明显，而极端热岛效应时影响变量并不明显。一天中昼、夜居住用地及非居住用地对热岛强度影响不同^[28]。

表1-4　Paul Coseo对芝加哥邻里住区热环境研究选用的指标因子

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续表1-4

＊资料来源：作者整理

Pierre-Adrien Dugord（2014）在宏观尺度研究夏季柏林上午10点及夜间22点城市表面温度（LST）的分布与城市基本土地利用格局的关系，进一步通过叠合弱势人群分布数据，以确定对弱势人群存在高温潜在风险分布区域^[29]。研究指标因子以街区为单位，选择密封土壤等级（DSS）、植被覆盖率（NDVI）、距中心区距离（Dist＿CC）、容积率（FAR）等四个共识性指标作为结构指标，大型交通基础设施、连续的城市肌理、独立式住宅、绿地、水体等五个简单指标作为影响不透水面积的指标。研究认为不透水面积对空气温度具有明显影响，植被覆盖指数、距城市中心区的距离、容积率也有一定影响，水体和绿地降温效果上午比夜间明显，城市高密度居住区对空间温度影响明显。城中集中的高密度居住区特别是老年社区，是弱势人群高温潜在风险分布区域。

L.W.A.van Hove（2015）基于观测鹿特丹3年（2010—2012年）热岛强度（UHI）及生理等效温度（PET），选择测点周边半径250m区域内建筑密度、不透水面面积比、绿地率、水体率、平均建筑高度、天空可视度、表面反照率、粗糙度等指标，观测点分为1.5m和6m两类，样本区域选择分为紧凑低层建筑、紧凑高层建筑、开放式低层建筑、紧凑中层建筑、大面积低层建筑、稀疏型建筑、开放式高层建筑等不同城市形态类型，确定城市土地利用和建筑几何特征对当地的气候和热舒适度变化存在影响。晴朗无风天气下，城市密集区域出现热岛效应的几率大，最高热岛强度出现在夏季，而冬季热岛强度较低。不透水地面面积、植被覆盖率、平均建筑高度都存在显著影响。研究发现白天城乡间热舒适度差异主要受风速差异影响，热舒适度同城市特征具有明显的相关性^[30]。

Zheng Baojuan（2014）研究了人为土地覆盖空间结构对城市升温的影响，发现在干热气候的凤凰城，建筑排布组合方式对地表温度影响不明显，而硬质地面的覆盖格局对地表温度影响明显，集中铺砌路面会综合影响城市升温^[31]。

Steve Kardinal Jusuf（2007）通过遥感数据和地理信息系统数据分析，调查并确定在新加坡哪些土地利用类型对空气升温影响最大^[32]。研究结果表明白天贡献度顺序是工业、商业、机场、住宅和公园；而夜晚的顺序是商业、住宅、公园、工业和机场。

Li Junxiang（2011）基于对上海全城遥感图像的分析，发现平均地表温度同植被覆盖率、植被指数、不透水面积率等指标具有相关性。其中平均地表温度与植被指数、植被覆盖率具有较强的负相关，而与不透水面积率具有较强的正相关，其中对地表温度贡献最大的用地类型是居住用地，其次是工业用地，低层、中层建筑区域平均地表温度低于高层建筑区域和植被覆盖率高的区域^[33]。

Camilla K.M.Cheng和Johnny C.L.Chan（2012）对珠三角地区城市26年（1984—2009年）土地覆盖数据及夏冬季气候进行模拟比较，发现夏季潜热通量大于冬季，冬季强烈的东北风减缓了热岛效应^[34]。

周雪帆（2012）以武汉为研究对象，利用基于中尺度气象模型WRF的城市冠层模型，通过定量模拟研究城市密度、城市容积率、城市水体面积变化对城市气候影响的强弱程度，并模拟预测未来城市发展可能引起的城市气候变化^[35]。随密度增长温度增加，但存在一特殊拐点，导致中午时高密度样本温度降低，原因是建筑互相遮挡引起短波辐射降低，同时随密度增加，植被覆盖率一般随之下降，导致潜热量降低。容积率增大，会导致温度下降，这主要是由于建筑升高造成的日照遮挡引起，而部分样本表现出温度小幅增长，是由于区域间对流换热作用减弱而引起。研究发现，对于风速、风向、气温的变化，容积率的影响都没有密度影响明显。高层化发展模式较之高密度发展模式，更能通过通风减小热岛效应。

王志浩（2012）以重庆为研究对象，分析山地城镇热岛效应的点状、带状和面状特征，提出了热岛效应测评新方法，并对热岛效应进行信息化管理。研究利用在6个城市开展的51个热岛效应研究案例分析了城乡二分法存在的问题，提出用于热岛观测站点分类的地表景观分类标准，按照此标准将重庆主城区范围内的地表景观分为4个系列和18个热气候区，设计了一套热气候区特征表^[36]。