城市街区空间小气候研究综述

葛星言，贺怡文，李大鹏*

（中南林业科技大学风景园林学院，湖南长沙 410004）

随着我国城市不断的发展、人口的急剧增加，交通拥挤、能源消耗量大、人为热排放量增加等问题日益凸显，逐步破坏了城市内部生态平衡，城市小气候环境日益恶化，造成城市空间对小气候的调控能力也逐渐减弱，城市内部风、热环境变化剧烈，带来了诸多城市生态问题，如热岛效应、大气污染、城市内涝等，影响着城市居民的身体健康与生活舒适感。城市街区空间作为组成城市的基本单位和构成居民生活的重要部分，与城市区域范围相比，其小气候更具可调控性，因此逐渐成为研究热点。本研究梳理国内外城市街区空间小气候的相关研究，探究其研究方法与研究动态，总结存在的不足，以期为未来的研究提供借鉴。

1 城市街区空间小气候概述

1.1 城市街区空间概念

街区常被认为是英文单词“block”的翻译，是由城市路径或边界划分的城市区域，其内部元素以某些关系形成相联系的结合体[1]。街区空间是构成城市居民生活和物质环境的面状单元[2]，其内部由建筑物营造出实际的空间，是融合多种城市生活内容的综合性、开放性、人性化尺度的空间场所[3]，并强调外围的街道作为公共空间的一部分，人的活动则是影响街区空间营造的重要外因[4]。因此，城市街区空间应是在城市大背景下，由城市主要道路、河流等具有明显边界划分出来的城市范围，并且通过内部交通和居民活动联系起来的空间，是构成城市和居民生活的基本单元，可划定为水平距离0.1～1.0km[5]的空间范围。

1.2 小气候概念

傅抱璞等[6]在《小气候学》中将小气候定义为由于下垫面条件或构造特性影响而形成的与大气候不同的小范围的气候；日本学者吉野正敏[7]则根据水平和垂直范围，将小气候划分为局地气候和微气候；杨柳[8]在《建筑气候学》中对气候尺度研究在水平和垂直维度中加入了时间维度，认为建筑外部的小气候尺度是0.01～1km水平范围、0.1km垂直范围、24h时间范围，且小气候与大尺度气候条件之间是不停变换的，两者对气象要素的影响同时存在[9]。

小气候在一定的空间与时间范围内，受空间内部结构、下垫面、建筑表面材料等影响，易形成与大气候环境不同的局部气候，且可以通过人工手段对其温度、湿度、风速等气象要素进行一定干预。

1.3 城市街区空间小气候特征

《城市中心区气候影响研究》指出，城市气候主要是在区域气候的背景下，在城市特殊下垫面和城市人类活动的影响下形成的一种局地气候[10]，而城市街区空间小气候则是在城市气候的背景下受多种因素影响，在同一个城市中0.01～1km的垂直空间范围内，水平范围1km左右的街区空间内表现出来的气候状况。受人类活动和城市街区空间下垫面影响，城市街区空间小气候表现出时段性、不稳定性、极端性、地域性及差异性等特征。

时段性是在重要的人类活动时间节点以及活动区域内，各类建设活动、交通量、有害气体浓度阶段性变化大，导致城市街区空间小气候在特定时间段内变化波动；不稳定性是指由硬质的下垫面主导的城市街区小气候体现出的温度、湿度呈不稳定变化的特征；极端性是在不稳定性的前提下，因为街区空间形态的改变以及人类活动所导致的城市内部环境因素呈现两极性变化的特点；地域性是由于不同城市所处自然地理环境以及城市要素具有差异，每个城市都会有自己独特的城市气候，处于城市内的街区空间受街区布局、建筑及道路表面材料、植被和水体等因素的影响，会在更小范围内形成与城市区域有所差异的小气候；差异性是指受城市区域复杂的下垫面变化和城市空间形态影响，同一地区的不同空间小气候也会产生较大的差异，且受城市发展常呈块状区分。

2 国内外城市街区空间小气候研究动态

2.1 街区空间小气候研究方法

街区空间小气候的研究方法从实测和感知研究开始，发展至今，常用方法包括实测统计、经验式计算、遥感技术、风洞试验、数值模拟、问卷调查和感知实验等研究方法。

实测统计是最原始和最基础的研究方法，即通过使用特定设备在研究场地现场进行气象因子的检测，是定量研究小气候的根本，其优点为准确性高、数据可靠、数据针对性强，缺点为耗时耗力、延续性不强、数据普适性差。

经验式计算是实测后通过大量的计算与验证，使用通过严谨计算和实验推导出来的公式，建立数学模型并加以利用，不同经验式具有不同的适用范围、精度，优秀的数学模型和算法是计算机模拟技术的基础，优点是需要采集的数据类型可以根据经验式所需的变量快速确定，缺点是变量多时计算准确性低。

风洞试验是建立尺寸上的缩小模型，在实验环境下对相应数据进行记录，其优点在于可以准确控制实验条件，受外部气象等因素影响小，缺点则是模型制作不便，与真实尺度下存在气动力系数误差。

遥感技术通常用于较大尺度的研究，通过卫星监测等手段，可以从宏观上获取街区空间整体的气象要素，但针对街区内部更小的尺度数据过于模糊，结果不具有可靠性，因此，遥感技术在街区空间尺度的研究中通常作为其研究方法的辅助手段。

数值模拟软件是结合各种经验式对数据的处理和计算机技术而开发的虚拟模拟手段，其优点在于人力计算的极端简化和误差小，缺点在于不同软件兼容性、建模计算等具有差异，在协同研究方面仍有欠缺[11]。当今研究城市小气候常用的模拟软件有DUTE、RAYMAN、SOLWEIG、Fluent、PHOENICS、ENVI-met等。

问卷调查和感知实验属于定性研究，调查获得原始数据后，需要对数据有效性进行甄别，再使用模型或量表进行指标分析。二者优点在于可以更直观地反映出受试者的心理感受，缺点则是结果无法量化且存在受试者偏差和个体的差异。

当前研究的主流方法是数值模拟、实地测量与遥感技术相结合，通常使用实地测量来提供街区空间内部特征点的数值，并通过遥感技术快速获取大范围的气象状况和地表情况，然后利用数据进行模拟，最后再根据模拟结果进行实测验证和进一步调整。

2.2 国外城市街区空间小气候研究动态

国外学者对于城市空间的小气候研究可以追溯到19世纪初期，工业革命造成了城市下垫面逐步硬化，导致城市内外产生了较大的温差，这引起了人们对城市气候的注意，并展开了城市内外对气温的比较研究。1918年，英国气象学家Howard[12]在《伦敦的气候》中创新性提出“城市热岛（Urban Heat Island）”这一概念，由此揭开了气候研究的序幕。进入到20世纪20年代，国外学者对于小气候的理论研究不断深入，相关理论著作陆续出版，1937年由克拉特采尔（Kratzer）出版了《城市气候》，1978年奥克出版了《边界层气候》，1981年兰兹伯格（Landsberg H.E）出版了《城市气候》。在实践探索上，20世纪50年代，国外开始采用移动观测的方法来描述城市风、热状况，并逐步利用遥感技术、数值模拟等新技术研究城市区域及城市小型地块。进入21世纪，国外对于城市街区进行了更深入、更细分化的研究，并且获得了大量的研究成果，目前主要的研究方向为城市空间形态与小气候相关性研究、常用的街区空间形态指标及其度量与小气候相关性研究、运用数值模拟技术对于城市街区小气候研究以及对于小气候条件下热舒适度的研究。

在城市空间形态与小气候相关性研究上，Pearmutter D等[13]利用对不同街谷类型在冬季和夏季不同气候条件下所形成的小气候研究的基础上，针对特定街谷类型进行热舒适度计算机模拟，研究其人类的自身能量与外界环境的交换方式，得出南北走向的街道相对于东西走向的街道体现出了更强的调控力，而且相对拥挤的街谷类型在很大程度上提升了行人的舒适度感受。Shashua Bar L等[14]在以典型街谷形态的基础上，对街谷形态进行了计算机模拟运算，将其典型街谷变形处理并构建近60种各异的街谷模型，并对其进行定义，进而对城市街道在7月份之内的空气湿度进行定量的数值评估，将模拟得到的数据与气象观测站收集到的数据进行对比，得出最后数据呈现的差值来源与建筑的进深、街道两侧总宽以及街道的高宽比关系紧密，同时，总结出其对应关系式。Unger J等[15]利用Szegedi作为研究对象，并以500m为单位长度将城市的用地划分为等大的网格，得出该范围中的城市建成面积中，水体面积和体积加权后的热交换器单位体积所拥有的传热面积所得出的城市热岛等级与所构建数学模型大致重合。

在常用的街区空间形态指标及其度量与小气候相关性研究上，GivoniB等[16]认为建筑设计在很大程度上决定城市设计中的小气候形成。因此，提出基于城市所处自然地理位置和城市规模、建筑密度、高度、特殊设计、街道方向和街道宽度等方面出发的适应性策略，即合理的城市建筑设计可以有助于改善城街区小气候的现状；Johansson E[17]通过对比新老城区的街道高宽比，针对热环境进行测试，指出日间建筑高宽比较高的街道气温和舒适度高于高宽比较低的街道；A'gnesGulya's等[18]通过对匈牙利Szeged城市核心区的实测数据分析，指出了地表辐射强度与地面表层结构和市区内建筑密度间的关系；Ali-ToudertF等[19]通过研究街道高宽比和街道的不同走向，来说明其对于城市街区小气候的影响。

在运用数值模拟技术对于城市街区小气候研究上，Wong等[20]通过运用地理遥感影像对新加坡国立大学不同地块进行数据获取，以实测数据、ArcGIS与微气候模拟软件ENVI-met相结合的方法，研究了不同绿化形态对微气候环境的影响；Skelhorn C等[21]在使用ENVI-met模拟了7种场景后发现，绿化对局部区域有降温作用，而硬质铺装则会提升局部温度，表明下垫面的性质会影响局部空间热环境。

在小气候条件下热舒适度的研究上，国外对于舒适度的研究主要被划分为3个阶段，第1个阶段是通过经验式来表述，该阶段对于热舒适度评价是利用热环境中的舒适度作为评价判断指标，同时热舒适度的研究是结合风、湿环境指标对热环境进行相关探究；Eliasson I等[22]通过直升机拍摄了Goteborg市的红外照片，同时使用测量车流动的方法，研究天空视野系数（SVF）和地面温度间的相互关系，并且计算得出回归经验式；Theodore Stathopoulos等[23]通过对现场不同人群的热感觉调查问卷，分析气温、风速、相对湿度、太阳辐射强度、人的衣着量与热舒适之间的关系。第2个阶段研究其舒适度，其描述小气候的指标包括了舒适度指标平均预测评估指标、等价生理温度指标。第3阶段是对于微气候舒适度的综合评价，运用最为广泛的模型是“Com fa”法和“TS-Givnoi”法[24]。

2.3 国内城市街区空间小气候研究动态

我国对街区空间小气候的研究是在借鉴西方研究基础上发展而来，起步晚但发展快，其研究大致经历了3个阶段：第1阶段（1970－2000年）主要测评已建成街区内各类气象要素；第2阶段（2001－2010年）主要根据不同气象要素探索人工干预街区空间内小气候的手段；第3阶段（2011年至今）主要对可控气象因素进行量化研究。目前，我国城市街区空间小气候的学科研究热点是街区热环境、风环境以及街区内部人为因素对小气候的干扰。

在热环境与小气候的相关性研究上，主要关注太阳辐射对不同街区空间温度、湿度的影响与街区空间环境舒适度的差异。结合建筑与植物，张景哲等[25]在研究北京市小气候变化随时间的关系后指出，增加植被可以在夏季白天有效降温，而建筑群在冬季夜晚又可以提供有效的增温作用；为稳定冬夏季节街区空间内小气候的波动，楼建华等[26]指出，街区空间内可以通过利用高大乔木的受光作用阻挡太阳光直接辐射地面，减轻硬质下垫面间接辐射的增温作用，来缓解硬质下垫面快速吸放热造成的街区空间小气候剧烈变化；吴菲等[27]通过连续同步测定指出，夏季高温时林下广场有明显的增湿效果，并且总结出在任意时间，相对湿度差值在林下和无林的广场均显著，同时林下广场的人体舒适度较草坪和无林广场更优，草坪较无林广场更优；张铮[28]通过对哈尔滨道路绿化的研究指出，在街区向阳侧配置更多植物，可以强化其对温湿度的调控能力，以达到降温目的；王振[29]指出在夏季街区空间内间歇性地向地面洒水，有利于增加空间内的湿度和蒸发量，以缓解夏季高温带来的不适；郑舰等[30]提出在大面积露天广场两侧种植高大乔木，增加叶密度指数，使用多孔透水铺装或选择在夏季主风向入口处增设景观水体，都可以改善街区空间内部热环境，并提出将数值模拟结果作为标准化的参考标准；陈天等[31]通过对街区的长期研究指出，城市中大型水体周边区域小气候受水体的凉爽空气影响，夏季温度要低于没有水体的环境；王一等[32]通过对上海市商业街区进行数值模拟研究，建议适当增加街区空间内部街道的长度和街道的密度，以提高街区室外空间的热舒适性，并建议街区内400m/hm2的街道密度，且在达到一定街道密度时设6～8个街道交叉口。

在风环境与小气候的相关性研究上，主要关注街区内部街道与建筑之间风速、风向、空气流通性在街区空间内部的影响。王振[29]指出，街区空间与夏季主导风向成30°或60°角的街区空间布局综合风环境较好，冬季城市街区空间应与冬季主导风向垂直，可减少冷风带走街区内的热量；任兰红等[33]出于对台风等沿海自然灾害的考虑，针对沿海街区空间内最易受损的建筑顶端提出使用四坡顶，降低屋顶坡度，在建筑构造面层添加望砖、板瓦、筒瓦、挑檐板、封檐板以及外廊防风等做法，达到了增强街区空间整体抗风性的目的；赵静[34]提出在冬季风盛行风向规划紧凑的建筑布局，控制广场尺度和围合度，形成街道设计立面连续的街道，可以防止冷风灌入；郑舰等[30]对肇庆包公府街区的改造方案进行Envi-met模拟指出，未来应将微气候模拟加入评估标准中，以便预先明确街区改造可达到的指标参量；李磊等[35]通过数值模拟对城市街区的通风状况进行了评估研究，指出在容积率相同的条件下，建筑分散的布局形式要比紧密成片的建筑布局具有更好的通风条件，因此应使建筑布局稍有错落。

在街区空间人为因素与小气候的相关性研究上，主要关注点在道路的布局、建筑的高度、密度、形式等人为因素对小气候的影响。袁力[36]认为降低巷道高宽比值，将入口调整成L型或U以扩大入口迎风能力，使建筑在迎风方向逐渐升高，可以有效提高巷道内风速；肖龙瀛[37]通过对长沙传统街区的研究中指出，老街区本身空间组织体现了对自然通风的优良适应性，但新建高层建筑会对其周边老街区的风环境产生巨大干扰，易在其角隅区或风影区产生过低或过高的风速或风涡流等复杂情况；郭思彤等[38]通过对上海市街区进行研究指出，垂直绿化对高差较小的建筑起着更明显的影响，且建筑立体绿化对围合式建筑布局的影响程度大于半围合式布局和点式布局；金虹[39]对严寒地区街区空间以日均温度作为衡量指标研究指出，为缓和夏冬小气候变化，应降低区域内的建筑覆盖率，同时控制沿街界面高度，合理设计街道高宽比以保证天空开阔度。

3 总结与展望

当前，国内外学者对于城市街区空间中人体舒适度、风热环境、下垫面、街区空间形态等方面的研究已经取得较多的研究成果，相关研究对推动城市街区空间设计与建设具有重要指导意义与作用，但仍存在研究地域气候环境不够多样，局限于夏冬两季典型气候条件；主流小气候模拟软件与其它研究软件协作性差；场景模拟存在一定限制，模拟精度不够高；缺乏客观标准的评价体系等问题。当今随着材料科学、大数据和通信技术等科技进步，使得街区空间在降低能耗、构建区域模拟、预测系统以及实时数据监测网络方面成为可能。下阶段的研究建议在以下几个方面继续深化和系统研究。①扩大研究范围。通过对多种季节气候条件下不同地域城市街区空间小气候的研究和模拟，增强城市街区空间小气候研究内容的丰富度。②增强研究技术的协作性。注重多种软件的兼容性，增强研究城市空间小气候技术的便捷度和联合度，考虑模拟环境的突变型以及多样性，增强模拟软件的实用性。③制定规范的标准评价体系。根据不同地区环境特点，建立适宜当地气候特征的评价体系。④多学科联合研究。以当前通讯和大数据技术发展为契机，融合多学科相关研究，拓展城市空间小气候研究的广度与深度。