城市三維空間形態的熱環境效應研究進展

周偉奇,田韞鈺

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

全球正處于城市化飛速發展階段,大量人口涌入城市。2016年中國城市總人口相比于2000年增加了32.6%,市區總人口增加了71.6%,建成區面積更是增長了1.75倍[1]。因為城市人口劇增與建筑用地緊缺之間的矛盾日益加劇,城市在二維方向上迅速擴張的同時,城市建筑群在高度上也不斷延伸[2- 4]。目前大量的研究主要關注城市二維景觀格局(土地利用、綠地覆蓋率等)對城市熱環境的影響[5- 7],對三維空間形態的影響關注較少。雖然二維格局和三維形態對溫度影響的相對重要性尚無定論[8- 11],但部分研究顯示三維空間形態對城市氣候和微氣象的影響可能更加顯著[12- 14]。系統梳理已有的相關研究成果,有助于深化對城市三維空間形態影響熱環境及其機理的認識,并可為城市規劃與管理提供新的思路和科學依據。

城市的三維結構和形態(建筑規模、街區高寬比等)是影響城市微氣象的重要因素[15]。城市建筑和交通在垂直空間的拓展,影響局地和城市尺度地表能量平衡過程和空氣流動,改變城市內部的熱環境,可能加劇城市熱島效應[12-13,16]。城市熱島效應,尤其是其與全球氣候變化疊加效應導致的城市熱浪,易引發人群中暑、熱相關疾病(冠心病、腦血管、心臟病等)[17- 18],甚至引起死亡[19]。如何通過優化城市的二維景觀格局和三維空間形態,改善城市熱環境,日益受到相關學者和管理者的關注。

國內外學者圍繞通過增加城市的藍綠空間(即綠地和水體)應對城市熱島效應開展了大量研究。然而,城市可用于建設城市綠地(或水體)的面積畢竟有限,可否通過優化城市三維形態來改善熱環境,日益受到關注。針對這個問題,本綜述全面回顧了城市三維形態與溫度之間關系的研究,從現象、機理以及政策應用三個方面對已有的研究進行了歸納總結,探討了已有研究在研究內容、研究方法等方面存在的不足,提出了研究領域未來的發展方向。

1 城市三維形態的定量化研究

長期以來,城市景觀格局對熱環境影響的研究主要關注城市二維結構,但近十年來越來越多的研究開始注重三維形態的影響。城市三維形態的定量化研究是探討其熱環境效應的基礎和前提[12-13],有必要對其進行綜述。

1.1 城市三維形態指標體系

三維形態實際上是在二維格局參數的基礎上加入了高度信息,但三維形態的表征并不局限于高度,也包括因高度衍生的其他特征。隨著遙感與激光雷達技術的發展,高度信息的獲取不再困難,因此三維形態的量化也越來越完善[20- 24]。三維指標體系可以分為五個層次(LoD)：最低層次的LoD 0只有地勢,LoD 1用基本的平行六面體特征來表征建筑物,LoD 2包括了屋頂的斜率,LoD 3模擬了立面元素,最高層次的LoD 4還涵蓋了建筑物的內部特征[25]。目前在三維形態的熱環境效應研究領域中,三維指標主要集中在LoD 0和LoD 1層次上,并且不同空間尺度(宏觀和微觀)研究的層次不同。其中,宏觀(國家、城市等)尺度上的三維形態指的是總體形態,通常采用包含了地表建筑物、橋梁和樹木等高度信息的數字表面模型(Digital Surface Model,DSM)來表征；而微觀(居民區、街區等區域)尺度上的三維形態則可以獲取詳盡的建筑物結構特征,例如建筑高度和寬度、街道圖景以及設計等特點。因此,微觀三維形態的定量化表征更加豐富,但一些指標的針對性較強,很多三維形態特征只能在特定城市內部才能被量化[26]。

目前,三維形態定量化研究的問題主要集中于：(1)如何綜合表征城市三維景觀形態？(2)如何表征因高度衍生的其他特征？(3)如何建立城市三維景觀格局演變的智能模型？(4)城市三維空間的增長有什么規律？針對這些問題,各研究建立了很多三維指標,可以分為高度指標、體積指標、綜合指標以及建筑群陣列指標六類(圖1；圖2)。高度指標有平均建筑高度、平均植被高度、建筑高度標準差(H_std)；體積指標主要有植被體積、建筑物體積、植被建筑體積比、容積率(FAR)、建筑體積占比(CI)、戶外空間率(OSR)；綜合指標包括天空可視角(SVF)、街區高寬比(H/W)、景觀起伏度(LHR)、分布均勻度指數(BEI)等[11,27- 28]。其中,較為常用并對熱環境有顯著影響的指標為天空可視角、街區高寬比、容積率以及建筑高度等。

圖1 典型的三維形態指標[11,27] Fig.1 Some key 3D morphology indicators[11,27]

圖2 建筑物陣列幾何指標[28] Fig.2 Measures of the geometric form of building arrays[28]

1.2 天空可視角與街區高寬比

近年來,建筑高度、容積率等三維形態指標越來越多地應用于三維形態的熱環境效應研究[8],但天空可視角與街區高寬比仍是最常用的指標。由于天空可視角與街區高寬比是綜合建筑高度、密度等信息得到的指標,較全面地表征了天空可見系數和城市內部的幾何結構,因此一般來講,它們對熱環境的影響更加顯著[13,29- 31]。但需要指出的是,建筑高度、容積率等基礎建筑指標可以直接應用于規劃設計中,探討其對熱環境的影響具有實踐意義[8]。

天空可視角是指地表一個定點上可以看到的天空范圍與能看到的總范圍之比[29],它是表征城市區域幾何、密度和熱平衡的重要參數,也是產生和控制熱島效應的重要因素[30]。該參數為0 — 1之間的無量綱數,其中0代表完全被阻隔的空間,1代表完全開闊的空間[29,31]。在城市地區,建筑和植被是阻礙并決定天空可視角的重要元素,絕大多數地點的天空可視角都小于1。此外,天空可視角已經被廣泛應用于可視天空大小的測度[13,32- 33],目前通常利用激光雷達、航拍或三維數據庫獲得的數字表面模型(DSM)計算大范圍的天空可視角[34],也可以通過帶有魚眼鏡頭的數碼相機、自動冠層分析儀等方法獲得測量點的天空可視角[35]。

街區高寬比也是表征微觀(街區尺度)三維形態的一個重要指標,定義為街道峽谷內平均建筑高度與峽谷寬度之間的比值[31]。由于城區街道具有特殊的幾何特征,類似于天然峽谷,因此被稱為“街道峽谷”[36]。Oke也將其定義為城市基本的幾何單元,它可以近似為二維截面之間的部分,忽略街道交叉點,并假設沿著峽谷軸的建筑長度是半無限的。街區高寬比是表征街道峽谷形態的重要指標：如果高寬比約等于1(墻壁上沒有主要開口),則認為該峽谷是均勻的；如果低于0.5,則為淺峽谷；如果等于2,則為深峽谷[37]。同時,這種街道峽谷占據了三分之二的城市空間,在輻射平衡和室外熱環境方面發揮著重要作用,因此探討街區高寬比對熱環境的影響是很有必要的[38- 39]。

2 城市三維形態和熱環境的關系研究

城市熱環境的表征主要分為地表溫度和氣溫。地表溫度是由地表熱輻射和熱力學特性共同決定的,受到熱通道、地面濕度、地表反射率、太陽和大氣下行輻射以及近地表氣溫的影響。而氣溫主要受到地表散發的熱流、人類活動以及周邊景觀要素的背景溫度的綜合影響。地表溫度與氣溫之間相互作用,直接影響居民的舒適度、健康和日常生活。

近年來城市生態研究者不再只關注二維結構的組成和配置,深入探討三維形態與城市溫度之間關系的研究不斷增加[40]。例如,Srivanit和Kazunori分析了12個二維和三維格局指標對地表溫度和氣溫的影響,發現三維指標對地表溫度的影響更大[8]；Chun和Guldmann利用空間回歸模型,同樣得到三維指標的貢獻度相對較高的結論[9]。Zheng等發現,相比于植被覆蓋比例和建筑物密度,建筑物高度對地表溫度的影響更大[10]。需要指出的是,二維格局和三維形態對溫度影響的相對重要性,研究結果并不完全一致。例如,有研究表明植被覆蓋率、建筑覆蓋率等二維指標與溫度之間的相關性高于很多三維形態指標[11]。

已有研究中,時間尺度主要集中于夏季,空間尺度逐漸從城市中心區向面積更大、異質性更高的城市區域擴展。科學問題主要集中于：(1)城市三維形態對地表溫度與氣溫的影響分別是什么？(2)三維形態對晝夜溫度有何不同影響？(3)不同空間尺度對相關關系的影響？同時,已有研究結果發現,對于不同氣象條件下的城市,其三維形態對熱環境的影響不同；同一區域的地表溫度與氣溫存在差異,影響它們的因子也可能不盡相同。針對這個問題,本文主要回顧了探討城市三維形態與地表溫度、氣溫之間關系的研究。

2.1 城市三維形態對地表溫度的影響

地表溫度(LST)一般通過衛星獲取的熱紅外遙感影像來反演[41],目前應用最廣泛的數據源是Landsat TM影像中的TIR波段[42]。這種測量方式屬于遠程間接觀測,實際測量到的區域是傳感器投射到表面的瞬時視場(IFOV),具有一定的片面性和隨機性。其中,片面性體現在空間尺度—由于城市表面的三維結構以及傳感器的觀察角度,整個城市表面的很大一部分可能因被遮擋而觀測不到；隨機性體現在時間尺度—Landsat衛星總是在每隔16天的同一時刻經過固定地區,這使得每個地區不能獲取一天中其他時刻的地溫值。

由于遙感可以獲取大范圍的地表溫度[41],同時隨著激光雷達等技術的發展,大范圍三維信息的獲取得以實現,因此城市三維形態與地表溫度之間關系的研究逐漸擴展到較大的空間區域[9,43]。其研究單元以規則網格為主,通常直接采用邊長30m的網格,也就是Landsat TM影像的像元大小,開展相關性分析[11,43- 44]。部分研究的分析單元是基于30m分辨率的影像生成的面積更大的網格(90m,120m,480m等),或是其他行政邊界,分析研究單元內地表溫度值與對應的三維形態值之間的關系[7,45- 47]。

城市三維形態與地表溫度之間關系的研究主要采用兩類分析方法：一類是統計分析,即利用相關性分析、多元回歸等統計方法來分析三維形態指標對地表溫度的影響[11,43,47]。另一類是分類比較,即按照建筑高度或者數字高程模型對研究區域進行分類,比較不同高度區域的地表溫度[44,46],或分類后分析各類區域內三維形態與地表溫度之間的相關性[7]。

研究主題集中在天空可視角系數(SVF)與地表溫度(LST)之間的關系上。Unger回顧了探討天空可視角系數與地表溫度之間關系的研究,發現2004年之前的研究結果以負相關為主,研究區域基本不超過10km2[13]。Gál等人同樣發現年均地表溫度與SVF之間存在很強的線性負相關關系,建筑物的大小和形狀是影響地表溫度的主要特征[32]。近年來,SVF-LST研究逐漸擴展到更大的城市區域。Scarano和Mancini研究了意大利巴里116 km2城市區域內SVF對夏季日間地表溫度的影響,發現SVF越大地表溫度越高；而在美國哥倫布市中心的一項研究則得到了相反的結果[47]。總體來看,天空可視角系數與地表溫度間的關系以負相關為主,但研究結果存在差異,這可能與研究的時空尺度有關。

此外,很多學者也研究了建筑物理形態—包括建筑高度、表面積、體積等指標與地表溫度之間的關系。在溫帶季風氣候下,Cai和Xu通過比較2009年與2015年北京與天津地區的建筑高度及其夏季地表溫度發現,隨著區縣單元內建筑高度的增加,地表溫度有所下降[46]。而在干旱地區,Alavipanah等人研究了伊朗中部130km2城市區域內建筑高度、體積、表面積、街區高寬比與夏季日間地表溫度之間的關系,發現建筑表面積與新區LST的相關性最強,建筑高度對老區LST的影響程度相對最高[43]。總體來看,不同氣候帶城市中,建筑高度對地表溫度的影響均較為顯著；一般來說,建筑越高,地表溫度越低。

然而,大部分研究的時空尺度都比較單一,并且集中在夏季。為了探究城市格局(Urban Site Characteristics, USC)與地表溫度(LST)之間關系對空間和時間的依賴性,Berger等利用高分辨率影像分別比較了柏林和德國科隆四季中26個二維、三維格局指標與地表溫度之間的關系,結果發現兩個研究區域USC-LST的關系明顯不同,與研究區域的地理位置、城市形態以及土地利用結構等有關；但不同季節中USC-LST關系較為相似[11]。因此,城市三維形態與地表溫度之間的關系可能對空間的依賴性較強,對時間(季節)的依賴性相對較弱。

2.2 城市三維形態對氣溫的影響

不同于地溫數據的間接測量,氣溫數據主要來自現場的直接測量。對于氣溫來說,依據不同的大氣層又可以分為城市冠層氣溫和城市邊界層氣溫。其中,城市冠層大氣溫度即為固定氣象站或者在街道內、建筑物平均高度處測得的溫度,而城市上空的氣球、高塔等氣溫計所測得的則是邊界層大氣溫度。而城市研究中的氣溫數據一般為冠層溫度,主要來自固定氣象站和移動傳感器,是熱探測器與空氣直接接觸的結果[42]。

由于現場實測氣溫數據的獲取主要來自固定氣象站和移動傳感器,因此城市三維形態與實測氣溫之間相關性的研究主要集中在微尺度與中尺度區域[41]。自20世紀50年代以來,氣候學家一直在研究城市結構—包括城市規模、街道設計、峽谷幾何對局地微氣候的影響[48- 53]。近年來,城市生態學家也越來越關注街區三維形態與微氣候之間的關系[8,35,54- 56]。Stewart和Oke提出了Local Climate Zone(LCZ)的概念,即以氣象站或測量傳感器為中心、一定距離為半徑的緩沖區域[57],是目前大部分探討城市三維形態與氣溫之間關系的分析單元,也代表了最近的研究進展[26]。

在研究方法上,探討城市三維形態與氣溫之間關系的模型大體分為兩類：一類是數值模型,包括有關能量與質量的物理方程以及大氣輻射定律,即從影響機理角度來解釋。這類模型通常用于情景模擬,即設定不同的城市三維形態情境,利用數值模型模擬得到各情境中的氣候參數,進而通過模擬結果的比較得出三維形態對微氣候的影響[58- 59]。最常見的數值模型有ENVI-met,CFD,EnergyPlus等建筑能耗模型以及區域化模型[60]。另一類是統計模型,包括相關性分析和回歸方程,自變量為三維形態參數,因變量以實測得到的氣溫值為主。但大多數統計模型采用了最小二乘法(OLS),并未考慮空間自相關,即鄰近區域之間的交互作用,例如鄰近網格內三維形態對中心網格熱環境的影響[38,61- 62]。為了考慮這種影響,同時避免最小二乘法中的估計偏差,未來需要利用空間回歸模型來替代最小二乘法,比如空間滯后模型(SAR)和一般空間模型(GSM)[9,63]。此外,很多研究利用數值模型模擬得到的氣溫值與三維形態指標進行統計分析,進而探討城市三維形態對氣溫的影響,但得到的結論實際上是數值模型內部的機理。因此,本文主要回顧了實測分析類的研究結果。

總結已有的研究結果發現,天空可視角和街區高寬比是影響城市氣溫的兩個最顯著的指標,尤其是天空可視角[13]。大量的研究探討了天空可視角系數(SVF)對氣溫的影響[13,29,64- 65]。例如,北京的一項研究表明,城市地區的日間氣溫和SVF之間存在著直接的聯系,即SVF的增加會使得日間氣溫升高,而夜間氣溫則正好相反[64]。同樣,香港[65]的研究也得到通過提高SVF值,控制建筑高度,可以降低夜間氣溫值的結論。總體來看,天空可視角的增大會導致城市日間氣溫的升高和夜間氣溫的降低。

街區高寬比(H/W)與內部氣溫直接相關。例如,Emmanuel和Johansson發現在斯里蘭卡科倫坡濕熱的氣候中,不同高寬比地區的溫度差為7k[54]。具體來講,街區高寬比與夜間氣溫呈正相關[28,30]：Giannopoulou等研究了雅典密集市區內高寬比對夜間氣溫的影響,發現在三個城市峽谷(H/W分別為3、2.1、1.7)中,隨著高寬比的減小,夏季與秋季夜晚的降溫效率均顯著增加[56]。而不同氣候下的研究均表明街區高寬比與日間氣溫呈負相關：在濕熱的氣候下,建筑物間距的增大使得日間氣溫升高[55]；在炎熱干燥的氣候下,深峽谷(H/W較大)的日間氣溫明顯低于淺峽谷[54]；對于半干旱地區,Bourbia和Boucheriba測量了阿爾及利亞7個不同高寬比(從1到4.8)樣點的氣溫,同樣得到高寬比越小氣溫值越高的結論[35]。綜合來講,不同氣候下的研究均表明街區高寬比與夜間氣溫呈正相關,但與日間氣溫呈負相關。

街道走向對氣溫也有一定影響,大部分研究得到東西走向(E-W)街道的日間氣溫高于南北走向(N-S)街道的結論。事實上,與南北向(N-S)街道相比,東西向(E-W)街道暴露在陽光下的時間更長[26]。以色列地中海沿岸地區的研究表明,在一天最熱的時候(15:00h),N-S街道的氣溫比E-W街道低0.64 K[66]。研究還發現,這種街道方向的影響在深峽谷中更為明顯。而在中緯度城市阿德萊德的研究發現,冬季與夏季E-W街道的熱環境較為舒適[67]。另一項研究發現,對于低層建筑的街道建議采用N-S方向,而對于高層建筑則沒有推薦的方向[68]。因此,街道走向對氣溫的影響與城市的地理位置、街區高寬比、季節等因素有關。

當然,也有研究發現其他三維形態指標對氣溫差異的解釋程度更高。例如,Srivanit和Kazunori發現曼谷市中心內92.6%的氣溫差異取決于戶外空間率(OSR)和容積率(FAR)[8]。此外,有研究表明建筑高度和建筑體積密度是城市氣候的主要預測因子,可用于構建城市尺度的氣候預測模型以及城市氣候制圖研究[40,69]。由于不同的研究者選取了不同的研究區域和研究方法,同時城市的異質性較高,因此很難確定對于一個特定的城市氣候環境來說,哪個三維形態指標對氣溫的影響最為重要。

2.3 空間尺度效應

總結已有研究發現,合適的研究區域和研究單元大小對于城市三維形態與熱環境之間關系的研究至關重要。首先是研究區域的空間尺度,三維形態與熱環境之間的相關性對空間的依賴性較強[11],因此研究的空間區域面積應該適當擴大。其次是研究單元的空間尺度,與地溫相關的研究主要用不同大小的網格作為研究單元[9,47],而與氣溫相關的研究主要以不同半徑的緩沖區為研究單元[70],其研究結果均受到研究單元大小的影響,但目前并沒有得到明確的最佳尺度[42]。

在地溫相關研究中,不同大小的研究單元會得到不同的統計結果[11,44]。對于較大的分析對象來說,比如占地超過網格單元(30m)的建筑物,它的三維特征與其地表溫度的相關性分析即被分為多個網格的相關性,因此得到的分析結果會受到一定影響[11]。而空間單元過大也不能反映詳細的城市特征及其空間關系。因此,已有研究探討了不同網格尺度對三維形態與地表溫度之間關系的影響。Scarano和Mancini比較了不同遙感影像(空間分辨率)得到的地表溫度與SVF之間的統計結果,發現空間分辨率會影響回歸方程的斜率,但最佳尺度要根據具體的研究區域而定[47]。Chun和Guldmann利用不同統計模型比較了120、240、480m網格得到的結果,發現對于最小二乘法模型來說,網格越小,SVF對地溫的解釋程度越低[9]。這是因為小網格間的空間自相關相對更強,而最小二乘法并未考慮這種空間效應,因此針對小網格的解釋能力較低。而對于考慮了空間效應的廣義空間模型(GSM)來說,不同網格大小的模型擬合度(R2)相似,小網格稍高于其他網格[9]。

而對于氣溫來講,已有研究表明植被和建筑的三維形態對氣溫的影響范圍不同,并且與氣溫測量點周邊環境有關。Davis等研究了五個空間尺度上三維形態對氣象站夜間氣溫的影響,發現距離氣象站500米半徑內,植被面積及體積對氣溫的綜合影響最強；而與植被相比,建筑體積對氣溫的影響范圍較小,在距氣象站100 米半徑內的解釋能力最強[70]。其他研究也得到了不同的最佳半徑,這可能與城市本身的物理特性(街區大小,建筑密度,基礎設施等),實驗設計(溫度傳感器放置環境)以及氣候類型有關[6,15]。而除了不同研究單元大小對研究結果的影響之外,測量點本身能代表的氣溫范圍仍有待探討。傳感器測量值會受到測量點上風表面湍流的影響,因此能代表的區域的形狀和大小是由傳感器高度、大氣湍流及其穩定性特征共同決定的[41]。由于冠層內氣流的復雜性,傳感器的源區域不太為人所知,也是當前研究的主題。總體來看,合適的分析單元對于三維形態-熱環境研究領域的重要性是毋庸置疑的[9]。

2.4 規劃啟示

近年來,世界上很多城市致力于通過設計城市景觀來改善熱環境問題。然而,對于已經建成的城市,采用一個全新的城市形態方案不太現實,城市設計與規劃者通常是設計和改造已經存在的建筑環境[26]。如何通過調整和優化已有的城市三維形態改善城市熱環境,對宜居環境的規劃設計管理具有重要的指導意義[71-72]。

縱觀已有的研究,其結論的政策相關性和應用性有較大欠缺。雖然個別的學者在如何實施緩解措施來減輕城市化給熱環境帶來的負面影響等方面做過一些嘗試[73],但大部分研究更多地關注城市三維形態與溫度之間的關系,并沒有從城市規劃的角度來深入探討這些結果的應用前景[26]。例如,指標的選擇,并沒有太多關注其規劃應用性,像目前常用的天空可視角指標只是綜合表征了城市的三維形態特征,并沒有明確的規劃指導意義。

某些措施對熱環境改善并不一定具有普遍性,可能在一個城市適用,而在另一個城市,可能并不適用,甚至對熱環境產生負面影響[13,26]。比如,N-S街道更適合以色列地中海沿岸地區的氣候[66],而在中緯度城市阿德萊德,E-W街道的熱環境較為舒適[67]；深峽谷產生的遮蔭和過堂風可以緩解熱帶城市的熱環境,但并不一定適用于溫帶城市[26]。因此,考慮每個城市的地理特征和季節特征,因地制宜,是非常必要的。

3 城市三維形態對熱環境的影響機理

太陽輻射和空氣運動是熱環境的重要決定因素[31,74]。城市區域內,形狀各異的建筑物改變了開放空間的風場,而風的流動對熱環境起著關鍵作用,1—1.5m/s的風速可以使空氣溫度降低2℃[75]。此外,建筑等障礙物對白天的太陽輻射過程以及夜間的長波輻射產生了復雜的影響。比如,建筑表面吸收太陽輻射,使得外墻周圍空氣的溫度隨之升高；但同時,建筑產生的遮陰也阻擋了部分太陽直射。因此,城市三維形態通過影響太陽輻射與風速,進而影響氣溫與地溫的過程較為復雜,難以從理論上推斷,需要更多的實測和模擬研究來探討。

3.1 對太陽輻射過程的影響

城市三維形態對熱環境的影響主要是通過影響太陽輻射過程來實現的。已有研究表明天空可視角系數(SVF)對日間太陽輻射以及夜間長波輻射的影響不同。SVF對日間太陽輻射有著雙重影響：一方面,SVF的減少會降低地表輻射損耗,使得地表對太陽輻射的吸收增加[13,33]；另一方面,SVF較小的區域為峽谷內提供了更好的建筑遮陰,阻擋了部分太陽直射,有效地降低了日間地表輻射溫度[76-77]。Lai等人測量了白天密集建成區內的長波輻射、短波輻射以及輻射溫度,發現SVF減少0.1,則長波輻射增加10W/m2,日間輻射溫度(MRT)增加1.6K[78]。而到了夜間,低SVF抑制了城市峽谷向外界的長波散射和湍流傳熱,降低了城市地表的冷卻速度,從而導致城市峽谷內夜間氣溫居高不下[48]。同時,大部分研究也顯示出SVF與實測的凈長波輻射、夜間溫度之間的強烈相關性。

街區高寬比(H/W)對太陽輻射過程的影響與天空可視角類似。對于日間太陽輻射過程來說,深峽谷(H/W較大)中輻射損失較少[12,79-80],但高層建筑的遮陰作用也有效地阻擋了進入峽谷內的太陽輻射[26,77]。考慮到太陽直射可以使輻射溫度增加25.1℃,一些研究提出應通過深峽谷增加遮陰面積[81]。而夜間的冷卻過程主要是由向外的長波輻射造成的。狹窄的街道和高層建筑產生的深谷(H/W較大)使得長波輻射的逸出更受阻礙,內部熱量難以散發[12,31,82-84]。

3.2 對風速的影響

實測和模擬結果均表明,風場在流向建成區后發生變化[85],受到建筑物和開放區域的布局、幾何形狀等三維形態的強烈影響[86-88]。其中,天空可視角系數是風速的決定因素之一[26]。理論上,天空可視角較小的區域風速也較小,其總湍流熱傳輸減緩,使得熱空氣滯留在建筑物之間,直接導致地表和空氣溫度的升高[13,33]。此外,在弱風環境下,天空可視角可以指示太陽輻射引起的熱浮力對氣流速率的驅動作用[26]。上海的實測研究也驗證了城市三維形態對潛在通風的微尺度影響,并得到天空可視角增加10%將導致人行道風速增加8%的結論[89]。

街道高寬比(H/W)同樣對峽谷內的風速起著關鍵作用。高大的建筑物和狹窄的街道(H/W較大)的結合減少了內部自然風的流動[90-91],熱空氣被滯留在了峽谷中,越來越多的冷空氣被相對溫暖的建筑物側面取代,使得空氣溫度升高[92]。街道方向也是城市中風速的一個決定性參數。城市盛行風向與街道方向之間的角度直接決定著街道內的風速。當氣流向街道傾斜時,街道內會形成螺旋渦,但這種流動并沒有被建筑墻壁完整反射出來[91]；而當風向與街道軸線平行時,就形成了一條無障礙通道,使得盛行風能夠穿透城市。

4 總結與討論

綜上所述,城市三維空間形態的熱環境效應已成為具有理論和實踐雙重意義的研究熱點之一,研究內容不斷深入和拓展。但當前研究領域,在研究主題和方法方面仍存在一些不足與挑戰,可總結為以下四個方面。

4.1 城市三維形態指標的構建和選取

長期以來,城市三維數據的獲取、形態指標的選取和計算一直是城市三維形態熱環境效應研究定量分析的難點。目前,城市三維數據獲取的技術方法發展迅速,但在形態指標的選擇和計算方面,仍存在以下2個主要問題：(1)三維指標體系仍不夠全面：城市三維形態指標的選取和計算,主要側重城市中的構筑物(建筑和道路),以天空可視角與街區高寬比為主,而對其他具有三維空間的地物,比如喬木的影響關注較少,尤其是綜合考慮建筑與喬木相互關系的指標更少。此外,城市三維形態指標的選取主要從其對熱環境的影響考慮,難以直接應用于城市規劃、景觀設計與評價。比如Unger通過綜述發現,很多研究只用了天空可視角來解釋熱島強度的變化,因為過于綜合,天空可視角這類指標難以直接應用于規劃和設計[13]；(2)研究的空間尺度有待擴充：三維形態定量化研究集中在中小尺度,原因是大部分三維形態指標僅可以在小范圍城市區域內獲取,大范圍區域的三維指標不易計算或不可獲取,針對大尺度三維形態對熱環境影響的研究較少。

針對現有研究的不足,未來應加強以下兩個方面的研究。(1)指標的構建和選取：城市三維景觀指數的構建不應局限于建筑物與植被各自的三維特征,應建立考慮兩者空間組合方式的綜合三維指標。例如,體現建筑物和植被三維空間相對比例的植被建筑體積比；表征建筑和植被相鄰關系的公共邊界長度等指標；以及量化建筑和植被遮陰效率的遮陰總面積、遮陰重疊面積等指標[93-94]；此外,應加強三維形態指標對設計規劃的指導作用,構建或選擇的三維形態指標應不僅能夠表征影響城市熱環境的特定方面,即計算綜合指標所用的基礎指標,而且應該是可以用于城市規劃與實施的指標,如建筑高度、容積率等。(2)提升研究的空間尺度：通過建立大尺度范圍內的城市三維數據集,來拓展研究的空間范圍。部分發達國家已建立當地的三維建筑數據庫[9,11],而發展中國家的三維數據源難以獲取[40],因此建立全球三維信息的數據庫對未來的研究具有重大意義；激光雷達可以同時獲得地面和地表的高程信息,但建筑屋頂邊界較為模糊,而高分辨率遙感影像可以獲取建筑物屋頂清晰的輪廓,因此如何利用多數據源集成來獲取全面準確的城市三維景觀信息將是未來定量化研究的重點[2]。

4.2 加強影響機理的實證研究

總結探討城市三維形態的熱環境效應研究發現：首先,現有研究大多為現象研究,即基于三維形態與溫度指標的統計分析；其次在統計方法上,大部分研究采用了簡單的最小二乘法回歸模型,并沒有考慮空間上的臨近效應、自相關以及時間變化上的相關性；此外,現有探討三維形態對熱環境影響機制的研究中,大多通過模擬風場、太陽輻射、氣溫等參數,分析三維形態、過程變量(風速、輻射量)以及氣溫之間的關系。

因此,針對城市三維形態對熱環境的影響研究,未來應加強以下幾個方面：(1)定量分析城市三維形態與熱環境相互作用機理。從能量平衡過程的角度,引入氣溫、輻射、風速、比輻射率、熱通量等過程因子,開展城市三維形態對熱環境影響機理的模擬和實測研究[25,68,74]。(2)在統計分析方法上,應增加空間回歸模型和時間序列分析。空間回歸模型考慮了空間自相關和鄰近效應,可以反映分析單元之間的能量交換[26,,42]；時間序列分析可以反映三維形態與熱環境時間變化上的相關性,發展融合三維形態變化和熱環境因子的多尺度模型,進而可以預測未來熱環境的變化[2]。(3)加強實證研究。基于數值模型的情景模擬分析主要從物理、氣象學等理論角度分析熱島的形成機制,并未得到城市三維形態與熱環境之間真實的作用機制,應通過實地測量地表輻射值、風速、氣溫等因子,探討三維形態對實測溫度值的影響機理,進而確定三維形態的熱環境效應。(4)深入調查局地三維格局影響地表能量收支與分配的機制。例如,在建筑表面和周邊地表分別設置測量點,探討建筑高度對太陽輻射的雙重影響：建筑表面的吸熱作用與建筑的遮陰效應。

4.3 多尺度研究的重要性

從研究尺度來看,合適的研究區域和研究單元大小對于城市三維形態與熱環境之間關系的研究至關重要。總結現有研究發現：首先在研究區域上,現有城市等大尺度相關研究大多關注地溫；而氣溫相關研究受數據源限制,多集中于街區等局地中小尺度,研究結果難以指導城市和區域尺度空間優化布局。其次在研究單元上,現有地溫相關研究以不同大小的網格單元或者行政區為分析單元[9,47],氣溫相關研究主要以不同半徑的緩沖區為研究單元[70],其研究結果均受到研究單元大小的影響,但目前尚未得到明確的最佳單元大小[42]。

由于三維形態與熱環境之間的相關性對空間的依賴性較強[11],因此未來應加強不同空間尺度的研究,探討尺度效應與關聯,重點包括：(1)加強城市尺度的研究,及其與局地尺度的相互作用和關聯,探討城市三維形態在多個空間尺度上對熱環境影響的機理機制,尤其應該加強對氣溫影響的研究；(2)城市間對比研究：在大量開展城市實證研究的同時,應加強在區域、國家、甚至全球尺度的城市間對比研究,探討城市所在區域的地理、氣候背景等的影響,探尋城市三維形態對熱環境影響的一般性規律。

4.4 加強三維形態與熱舒適度的研究

當前三維形態的熱環境效應研究中,由于遙感可以獲取大范圍的地表溫度[41],研究者主要關注三維形態對地表溫度的影響[43- 47],探討三維形態與氣溫、熱舒適度等關系的研究相對較少,尤其缺乏針對城市尺度上熱舒適度的相關研究[26]。

城市熱環境研究應以良好的城市人居環境為最終目的,因此未來應加強針對氣溫、熱舒適度等與人體舒適度和健康相關的研究。(1)從局地(街區)尺度,揭示三維形態、地表能量以及熱舒適度之間的關系。局地三維形態信息、地表輻射值等均易獲取,可以通過問卷調查、實地測量溫濕度等方式,量化熱舒適度,開展探討局地三維形態影響熱舒適度的機制研究。(2)從城市或區域尺度,探究城市通風廊道對熱舒適度的影響。可以基于城市三維形態(地表粗糙度),識別城市主要通風廊道,量化城市通風特征與熱舒適度之間的關系。(3)解析局地和城市等多尺度三維形態對熱舒適度的交互作用和相對重要性,進而探討城市與局地三維形態的協同優化模式,為改善城市熱舒適度的三維景觀規劃設計提供理論指導。