城市設計視角下城市空間形態影響室外輻射環境研究綜述

張嘉童 劉文濤 孫國浩

摘要：近年來受到遙感技術和原位監測技術的發展，很多學者發現，特別是在太陽照射下，顯熱和潛熱的對流通量相比于傳導熱對人體的熱平衡起到更重要的作用。這就說明熱輻射環境不僅對保持城市能量平衡、建筑能耗起著重要的作用，也對室外活動空間產生重要影響，是人們保持熱平衡和熱舒適最重要的指標之一。室外輻射非常復雜，除了來自太陽直射和散射的短波輻射和大氣所發射的長波輻射以外，還包括了城市表面之間產生的輻射換熱。越來越多的研究開始從熱輻射的角度提出城市空間的優化策略，城市的空間形態對室外輻射影響很大，其中主要包括建筑的朝向、所處位置及地形特征，城市綠化的配置方式以及不同反照率的城市下墊面。此外，需要明確輻射源和輻射方向，不同氣候區和季節也會產生很大差異。

關鍵詞：城市設計視角下;城市空間形態;室外輻射環境;

引言

太陽輻射、大氣環流和下墊面結構是驅動局地或區域氣候形成的三大因子，其中土地利用格局是反映人類活動對局地或區域氣候影響的重要下墊面因素。城市化進程中，伴隨著人工建設的不透水下墊面逐漸取代自然生態用地，從而改變了地表凈輻射通量。自然地表向城市土地利用的轉換過程對表面輻射能量收支產生重要的影響，蒸發冷卻的減少通常被認為是造成城市熱島的主要因素。人為熱釋放被認為是城市熱島形成的另一影響因素。城市局地氣溫升溫過程具體表現為城市下墊面的地表溫度遠遠高于近地表空氣溫度，近地表熱量將以湍流的形式向上輸送，使局地氣溫升高。城市下墊面大量的建筑物和道路的構成以磚石、水泥和瀝青等材料為主，熱慣量比郊區草地小。自身物理特性差異的存在導致相同的太陽輻射條件下，它們比自然下墊面（森林、草地等）升溫快，因而城市下墊面地表溫度變化更為明顯。同時，城市內部輻射能量分配的關鍵因素之一即樓房結構與布局改變，與城市下墊面面積、等效吸收系數和發射系數改變關系密切。

一、環境參量對室外輻射的影響及動因研究

（一）城市綠化對室外輻射的影響研究

城市綠化是輻射環境改良中常借助的物理參量，對環境有良好的調節作用。樹木能有效地吸收和反射短波輻射，從而降低環境熱輻射，還通過蒸騰作用減少長波輻射。在斯德哥爾摩哈約塔根、匈牙利塞格德炎熱夏季的白天，模擬發現同一時刻樹蔭下的Tmrt較陽光直射區域減少30～35℃。而樹木在夜間，會使Tmrt升高3～5℃。

（二）城市界面對室外輻射的影響研究

城市界面是建筑表層與下墊面共同圍合的城市空間，界面的材質、顏色不僅可以統一城市空間，也影響著室外輻射溫度。對于城市下墊面而言，Ariane等通過夏季校園內的22個地點，探究陽光直射區域和陰影區域的透水和不透水土地覆蓋的單個輻射機理。地面反照率越大，空間的Tmrt也相應會越大，長波輻射則會越小。這是由于反照率與地面吸收的輻射有關，反照率越大，反射到環境的Tmrt自然會越多，而地表溫度則會相應越低，發射的長波輻射會越少。

（三）相關設計要素間相互作用的研究

在復雜的空間中，不同的城市布局對城市綠化、界面材質的降溫效果有所影響。緊湊的城市空間較開放的城市空間而言，植被、界面材質的熱緩解效果不佳。緊湊空間的幾何特質已經影響了空間接受日照和輻射的可能性。例如，Mehdi等對6個形態各異的氣候區（LCZ）發現，低層住宅區、高密度街區同時增加1%的樹木，與增加前的Tmrt進行對比實驗可以發現，Tmrt都有不同程度的降低，在1～2層的低密度住宅區的Tmrt降低7.1℃，而街區則由于布局緊湊，層數較高而使樹木覆蓋效果不顯著。

二、城市化對吸收太陽直接輻射通量的變化及其溫室效應

模擬結果指出，水泥墻與草地的吸收率差值zdb為?0.21，即建筑朝陽面的等效吸收率小于其陰影面（草地）的等效吸收率，體現了冷效應。在聚合元上的實際冷效應相當于入射太陽直接輻射通量密度的25.6%乘以不同樓層的聚合元面積。在城市化后的建筑朝陽面為嵌有玻璃窗的水泥墻壁另一情形下，與草地的等效吸收率差值zdb為?0.11，為冷效應，在聚合元上的實際冷效應相當于入射太陽直接輻射通量密度的11%乘以不同樓層的聚合元面積。模擬結果證實了聚合面的等效吸收率差值為冷熱效應的“定向器”，聚合元面積為冷熱效應的“放大器”。同時，模擬結果證實了玻璃窗的溫室效應，明顯減緩了水泥墻壁樓房的冷效應。樓房的溫室效應值相當于減緩56%的水泥墻樓房冷效應值。在城市化對吸收凈輻射通量的變化及其溫室效應研究中發現，鑲嵌玻璃窗的水泥墻樓房與草地的等效吸收率差值為?0.11，對比模擬表明，5層樓房比草地減少吸收輻射通量密度值116。15Wm?2，相當于樓房擴展聚合元面積上的入射凈輻射通量密度減少16.7%，實際冷效應為吸收凈輻射通量減少271.3kW。30層樓輻射通量密度減少為97.9Wm?2，相當于樓房擴展聚合元面積上的入射凈輻射通量密度減少14.1%，實際冷效應為吸收凈輻射通量減少1078.4kW。鑲嵌玻璃窗水泥墻比水泥墻的冷效應小，5層樓小49.8kW，相當于水泥墻冷效應的15.5%，30層樓小321.9kW，相當于水泥墻冷效應的23.0%。證實了溫室效應減緩了冷效應的規律。

三、城市規劃設計不足與建議

（一）完善城市空間多樣性的輻射環境探索

眾多學者對中心區和街道峽谷進行了大量研究，而對于中心區的形態類型和街道類型的研究，僅停留在不同肌理的對比，界面材質、幾何朝向差異的分析。但城市功能的多樣和城市空間的復雜突顯出當前研究的不足，這對深入了解輻射機制是不符的。因此今后的研究應注重研究對象的細化和選擇，以保證研究成果規律性的總結及普適性的推廣。

（二）對輻射環境全季節性、氣候區差異研究的完善補充

對于城市輻射環境目前僅局限于夏季且多熱帶、亞熱帶城市的研究是不充分的，需要進一步對過渡季節和冬季的輻射環境的影響深入研究，便于從更全面的視角提出室外輻射的建設性意見。對于各氣候區研究結果的對比，建立系統性和針對性的城市設計優化體系。

（三）堅持一般性城市設計原則

在進行綠色城市的設計時，還需要堅持一般性城市設計的原則和方向：其一，要保證城市整體規劃，如道路開發、小區設計、城市濕地公園等的有效規劃，可以保證城市和諧穩定安全的運轉，更在各城市規劃布局的相互協同促進作用下實現活力型城市、發展型城市、生態型城市的建設;其次，在進行城市設計時要通過城市不同區域、不同空間、不同功能設施的設定與安排，保證人類活動和空間之間可以相互作用，相互影響，產生積極的舒適的生活體驗感，幫助人類在進行生產實踐、參與生活規劃時可以得到心靈層次和心理層次的滿足。

（四）城市化與土地利用定量研究的展望

城市化的冷熱效應主要是城市化前后的凈輻射通量和通量密度的等效吸收率差值和樓房聚合元面積，以及由樓房窗戶形成的溫室效應所致。提出的聚合元概念以及其互補原理，是今后開展土地利用定量化研究的突破口，也是實現精確便捷的城市化熱效應定量研究的重要途徑。同時，本文通過模型模擬論證了城市土地利用變化是局地輻射形成的驅動因素之一，成為構建舒適合理新城市的主要科學依據。

結束語

室外平均輻射溫度是城市空間多樣性的輻射環境的量化參數，文中通過該參數在復雜的城市空間中的量化應用歸納了城市空間形態對輻射環境的熱效應，較為全面分析了熱輻射影響動因，為實測方法的選擇、模擬軟件的應用、城市設計視角下的熱環境的作用關系以及未來的研究方向提供了參考。

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