城市设计视角下城市空间形态影响室外辐射环境研究综述

张嘉童 刘文涛 孙国浩

摘要：近年来受到遥感技术和原位监测技术的发展，很多学者发现，特别是在太阳照射下，显热和潜热的对流通量相比于传导热对人体的热平衡起到更重要的作用。这就说明热辐射环境不仅对保持城市能量平衡、建筑能耗起着重要的作用，也对室外活动空间产生重要影响，是人们保持热平衡和热舒适最重要的指标之一。室外辐射非常复杂，除了来自太阳直射和散射的短波辐射和大气所发射的长波辐射以外，还包括了城市表面之间产生的辐射换热。越来越多的研究开始从热辐射的角度提出城市空间的优化策略，城市的空间形态对室外辐射影响很大，其中主要包括建筑的朝向、所处位置及地形特征，城市绿化的配置方式以及不同反照率的城市下垫面。此外，需要明确辐射源和辐射方向，不同气候区和季节也会产生很大差异。

关键词：城市设计视角下;城市空间形态;室外辐射环境;

引言

太阳辐射、大气环流和下垫面结构是驱动局地或区域气候形成的三大因子，其中土地利用格局是反映人类活动对局地或区域气候影响的重要下垫面因素。城市化进程中，伴随着人工建设的不透水下垫面逐渐取代自然生态用地，从而改变了地表净辐射通量。自然地表向城市土地利用的转换过程对表面辐射能量收支产生重要的影响，蒸发冷却的减少通常被认为是造成城市热岛的主要因素。人为热释放被认为是城市热岛形成的另一影响因素。城市局地气温升温过程具体表现为城市下垫面的地表温度远远高于近地表空气温度，近地表热量将以湍流的形式向上输送，使局地气温升高。城市下垫面大量的建筑物和道路的构成以砖石、水泥和沥青等材料为主，热惯量比郊区草地小。自身物理特性差异的存在导致相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面（森林、草地等）升温快，因而城市下垫面地表温度变化更为明显。同时，城市内部辐射能量分配的关键因素之一即楼房结构与布局改变，与城市下垫面面积、等效吸收系数和发射系数改变关系密切。

一、环境参量对室外辐射的影响及动因研究

（一）城市绿化对室外辐射的影响研究

城市绿化是辐射环境改良中常借助的物理参量，对环境有良好的调节作用。树木能有效地吸收和反射短波辐射，从而降低环境热辐射，还通过蒸腾作用减少长波辐射。在斯德哥尔摩哈约塔根、匈牙利塞格德炎热夏季的白天，模拟发现同一时刻树荫下的Tmrt较阳光直射区域减少30～35℃。而树木在夜间，会使Tmrt升高3～5℃。

（二）城市界面对室外辐射的影响研究

城市界面是建筑表层与下垫面共同围合的城市空间，界面的材质、颜色不仅可以统一城市空间，也影响着室外辐射温度。对于城市下垫面而言，Ariane等通过夏季校园内的22个地点，探究阳光直射区域和阴影区域的透水和不透水土地覆盖的单个辐射机理。地面反照率越大，空间的Tmrt也相应会越大，长波辐射则会越小。这是由于反照率与地面吸收的辐射有关，反照率越大，反射到环境的Tmrt自然会越多，而地表温度则会相应越低，发射的长波辐射会越少。

（三）相关设计要素间相互作用的研究

在复杂的空间中，不同的城市布局对城市绿化、界面材质的降温效果有所影响。紧凑的城市空间较开放的城市空间而言，植被、界面材质的热缓解效果不佳。紧凑空间的几何特质已经影响了空间接受日照和辐射的可能性。例如，Mehdi等对6个形态各异的气候区（LCZ）发现，低层住宅区、高密度街区同时增加1%的树木，与增加前的Tmrt进行对比实验可以发现，Tmrt都有不同程度的降低，在1～2层的低密度住宅区的Tmrt降低7.1℃，而街区则由于布局紧凑，层数较高而使树木覆盖效果不显著。

二、城市化对吸收太阳直接辐射通量的变化及其温室效应

模拟结果指出，水泥墙与草地的吸收率差值zdb为−0.21，即建筑朝阳面的等效吸收率小于其阴影面（草地）的等效吸收率，体现了冷效应。在聚合元上的实际冷效应相当于入射太阳直接辐射通量密度的25.6%乘以不同楼层的聚合元面积。在城市化后的建筑朝阳面为嵌有玻璃窗的水泥墙壁另一情形下，与草地的等效吸收率差值zdb为−0.11，为冷效应，在聚合元上的实际冷效应相当于入射太阳直接辐射通量密度的11%乘以不同楼层的聚合元面积。模拟结果证实了聚合面的等效吸收率差值为冷热效应的“定向器”，聚合元面积为冷热效应的“放大器”。同时，模拟结果证实了玻璃窗的温室效应，明显减缓了水泥墙壁楼房的冷效应。楼房的温室效应值相当于减缓56%的水泥墙楼房冷效应值。在城市化对吸收净辐射通量的变化及其温室效应研究中发现，镶嵌玻璃窗的水泥墙楼房与草地的等效吸收率差值为−0.11，对比模拟表明，5层楼房比草地减少吸收辐射通量密度值116。15Wm−2，相当于楼房扩展聚合元面积上的入射净辐射通量密度减少16.7%，实际冷效应为吸收净辐射通量减少271.3kW。30层楼辐射通量密度减少为97.9Wm−2，相当于楼房扩展聚合元面积上的入射净辐射通量密度减少14.1%，实际冷效应为吸收净辐射通量减少1078.4kW。镶嵌玻璃窗水泥墙比水泥墙的冷效应小，5层楼小49.8kW，相当于水泥墙冷效应的15.5%，30层楼小321.9kW，相当于水泥墙冷效应的23.0%。证实了温室效应减缓了冷效应的规律。

三、城市规划设计不足与建议

（一）完善城市空间多样性的辐射环境探索

众多学者对中心区和街道峡谷进行了大量研究，而对于中心区的形态类型和街道类型的研究，仅停留在不同肌理的对比，界面材质、几何朝向差异的分析。但城市功能的多样和城市空间的复杂突显出当前研究的不足，这对深入了解辐射机制是不符的。因此今后的研究应注重研究对象的细化和选择，以保证研究成果规律性的总结及普适性的推广。

（二）对辐射环境全季节性、气候区差异研究的完善补充

对于城市辐射环境目前仅局限于夏季且多热带、亚热带城市的研究是不充分的，需要进一步对过渡季节和冬季的辐射环境的影响深入研究，便于从更全面的视角提出室外辐射的建设性意见。对于各气候区研究结果的对比，建立系统性和针对性的城市设计优化体系。

（三）坚持一般性城市设计原则

在进行绿色城市的设计时，还需要坚持一般性城市设计的原则和方向：其一，要保证城市整体规划，如道路开发、小区设计、城市湿地公园等的有效规划，可以保证城市和谐稳定安全的运转，更在各城市规划布局的相互协同促进作用下实现活力型城市、发展型城市、生态型城市的建设;其次，在进行城市设计时要通过城市不同区域、不同空间、不同功能设施的设定与安排，保证人类活动和空间之间可以相互作用，相互影响，产生积极的舒适的生活体验感，帮助人类在进行生产实践、参与生活规划时可以得到心灵层次和心理层次的满足。

（四）城市化与土地利用定量研究的展望

城市化的冷热效应主要是城市化前后的净辐射通量和通量密度的等效吸收率差值和楼房聚合元面积，以及由楼房窗户形成的温室效应所致。提出的聚合元概念以及其互补原理，是今后开展土地利用定量化研究的突破口，也是实现精确便捷的城市化热效应定量研究的重要途径。同时，本文通过模型模拟论证了城市土地利用变化是局地辐射形成的驱动因素之一，成为构建舒适合理新城市的主要科学依据。

结束语

室外平均辐射温度是城市空间多样性的辐射环境的量化参数，文中通过该参数在复杂的城市空间中的量化应用归纳了城市空间形态对辐射环境的热效应，较为全面分析了热辐射影响动因，为实测方法的选择、模拟软件的应用、城市设计视角下的热环境的作用关系以及未来的研究方向提供了参考。

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