高鶯 蔣明卓/ GAO Ying, JIANG Mingzhuo

1 引言

城市環(huán)境氣候圖（Urban Climatic Map，簡稱UCMap）是一個以規(guī)劃應(yīng)用為目的的氣候地圖系統(tǒng)，是在對城市氣候環(huán)境信息分析與評價的基礎(chǔ)上，利用二維空間展現(xiàn)氣候現(xiàn)象和現(xiàn)存問題的工具（任超 等，2012）。城市環(huán)境氣候圖的雛形最早始于1970年代的德國（Baumüller J. et al.，1999），此后許多國家相繼開展了相關(guān)研究，如日本針對城市熱島效應(yīng)開展了東京都23區(qū)的城市熱環(huán)境研究，并繪制出熱環(huán)境氣候圖（TMG，2005），香港針對高密度城市形態(tài)與混合土地利用的情況開展了高密度城市環(huán)境氣候圖的研究（Ng EY，2012）等，城市環(huán)境氣候圖的研究方法和技術(shù)手段也隨之日趨成熟。

城市環(huán)境氣候圖的繪制建立在對一系列氣候氣象數(shù)據(jù)、地形地貌信息、城市規(guī)劃要素等的綜合分析與疊加之上（Ren C et al.，2011；袁磊 等，2016），其基礎(chǔ)研究內(nèi)容主要包括兩個方面，即城市熱環(huán)境和城市風(fēng)環(huán)境，在環(huán)境氣候圖中的典型術(shù)語為“熱負(fù)荷”和“風(fēng)流通潛力”。本文針對城市熱負(fù)荷格局的研究，即更多地借鑒了城市環(huán)境氣候圖中關(guān)于城市熱環(huán)境的相關(guān)研究方法。

沈陽市是我國東北地區(qū)重要的中心城市，在東北地區(qū)的整體區(qū)域發(fā)展和老工業(yè)基地振興等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，沈陽市的城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，綠地、水系等自然景觀用地被大量吞噬，城市熱島效應(yīng)不斷蔓延且日益嚴(yán)重（殷紅等，2011）。城市熱環(huán)境的變化受到人口、土地利用、建筑環(huán)境等多方面因素的影響，本文通過對沈陽中心城區(qū)熱負(fù)荷空間分布格局進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上探討其優(yōu)化價值，從而為城市熱環(huán)境的優(yōu)化決策提供參考依據(jù)。其中作為研究對象的沈陽中心城區(qū)，包括京哈高速和沈陽繞城高速所環(huán)繞的三環(huán)以內(nèi)區(qū)域，面積為447.96km2。

2 熱負(fù)荷影響因子的選取與分級

“熱負(fù)荷”的概念來源于熱力學(xué)，在城市熱環(huán)境領(lǐng)域中指的是城市特定區(qū)域內(nèi)儲存或釋放熱量的強(qiáng)度。與之對應(yīng)，熱負(fù)荷影響因子即指城市中具有一定熱儲存能力和熱釋放強(qiáng)度的元素的集合。城市空間區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷影響因子可以分為3組，即熱環(huán)境變化影響因子、潛在降溫因子、城市熱島因子。作為熱環(huán)境狀態(tài)分析的指標(biāo)，熱負(fù)荷影響因子的等級劃分對熱負(fù)荷空間格局具有至關(guān)重要的作用，本文采用的是生理等效溫度法（Physiological Equivalent Temperature，簡稱PET），即通過綜合考慮多種環(huán)境參數(shù)及人體參數(shù)進(jìn)行人體熱舒適評估，從而將各影響因子與人體舒適度相結(jié)合（H?ppe P.，1999）（表1）。

2.1 熱環(huán)境變化影響因子

熱環(huán)境變化影響因子包括地形高程、建筑密度、地表粗糙度、人口密度和土地利用5個要素（表2）。

（1）地形高程。在豎向空間區(qū)域內(nèi)，氣溫會隨著高度的增加而逐漸降低，因此地形高程是影響城市熱負(fù)荷格局的重要因素之一。本文研究的地形信息來源于DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，將其劃分為4個等級：0～50m，50～75m，75～100m，100m以上，分別賦值為2，0，-1，-2。

（2）建筑密度。建筑是城市釋放人為熱量的主要載體，建筑密度不僅影響人為熱量的釋放強(qiáng)度，還會通過對風(fēng)流通潛力的作用間接影響城市熱環(huán)境。本文研究的建筑密度基于對遙感影像數(shù)據(jù)的計算，采用標(biāo)準(zhǔn)差方法將建筑密度分為4個等級：＜ 30%，30%～40%，40%～50%，＞ 50%，分別賦值為-1，0，1，2。

（3）地表粗糙度。地表粗糙度是反映地質(zhì)表面起伏變化情況以及受侵?jǐn)_腐蝕程度的地質(zhì)學(xué)指標(biāo)，其對熱負(fù)荷的影響主要表現(xiàn)在對太陽輻射的反射、對地表通量和土壤熱交換的作用，以及對區(qū)域氣流的阻隔等方面。本文研究的地表粗糙度基于對DEM數(shù)據(jù)的計算，以地表下墊面長度作為指標(biāo)，劃分為4個等級：0.0～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0，分別賦值為0，0.5，1，2。

表1 熱負(fù)荷影響因子及其基本信息

圖1 城市空間熱負(fù)荷格局的分析流程

（4）人口密度。人口的集聚必然會伴隨各類建筑和城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及人為釋放熱量的增加，從而影響城市熱環(huán)境。本文研究的人口數(shù)據(jù)來源于全國第六次人口普查統(tǒng)計結(jié)果，將人口密度分為7個等級（單位：人/km2）：＜ 2000，2000～5000，5000～10 000，10 000～20 000，20 000～30 000，30 000～40 000，＞ 40 000，分別賦值為-3，-2，-1，0，1，2，3。

（5）土地利用。城市的土地利用格局關(guān)乎城市各類功能要素的組合，進(jìn)而影響能源消耗、人工熱量釋放等行為。本文研究的土地利用信息來源于對遙感影像的解譯，根據(jù)不同用地類型的熱負(fù)荷影響能力，將土地利用類別分為8個等級：居住用地、商住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地、倉儲用地、綠地、水系、其他用地，分別賦值為2，2.5，3，4，1，-3，-2，1。

2.2 潛在降溫因子

沈陽中心城區(qū)所涵括的潛在降溫因子包括城市綠地系統(tǒng)和水體系統(tǒng)兩個層面，無論從功能屬性還是物候變化的角度，二者對周邊區(qū)域的溫度都具有顯著調(diào)節(jié)作用。

研究區(qū)域的綠地、水體信息來源于對遙感數(shù)據(jù)的解譯和計算，根據(jù)植被覆蓋度將綠地降溫因子劃分為3個等級：＜ 30%，30%～50%，＞ 50%，分別賦值為-1，-2，-3；根據(jù)下墊面長度將水體降溫因子劃分為兩類，即河流和湖泊，分別賦值為-3和-1。

表2 熱負(fù)荷影響因子分級與賦值

2.3 城市熱島因子

城市熱島分布是反應(yīng)城市熱環(huán)境狀態(tài)與特性的重要指標(biāo)之一，對城市熱負(fù)荷格局分析具有重要參考價值。本文研究區(qū)域的熱島分布信息來源于地表溫度反演結(jié)果，采用標(biāo)準(zhǔn)差方法分別將夏季和冬季的地表溫度值劃分為5個等級，其中夏季熱島因子的熱負(fù)荷影響值由高溫到低溫分別為3，2.5，2，1.5，1，冬季熱島因子由高溫到低溫分別賦值為 -0.5，-1，-1.5，-2，-3。

3 沈陽中心城區(qū)熱負(fù)荷格局及其空間分布特征

3.1 熱負(fù)荷格局的生成

熱負(fù)荷格局的分析流程具體包括以下3個步驟：首先，對研究區(qū)域的熱負(fù)荷影響因子進(jìn)行提取和分類，判別各影響要素的等級劃分；其次，根據(jù)各影響因子的熱環(huán)境影響能力，采用PET法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化量化處理，并通過ArcGIS平臺生成單因子熱負(fù)荷格局；最后將不同類型的熱負(fù)荷因子進(jìn)行疊置，導(dǎo)出城市空間熱負(fù)荷格局分析圖（圖1）。

熱負(fù)荷格局分析參考了香港和臺灣高雄市的環(huán)境氣候圖制作經(jīng)驗(yàn)，采用以500m×500m為單位的柵格圖形式，將研究區(qū)域劃分為1820個單元，可以滿足總體規(guī)劃層面的熱環(huán)境問題分析與規(guī)劃策略制定的需求，雖然該精度存在一定的誤差，但經(jīng)相關(guān)實(shí)踐檢驗(yàn)后被認(rèn)為是可以接受和忽略的（任超 等，2012）。

圖2 沈陽中心城區(qū)熱負(fù)荷格局的生成

為了更加直觀地表達(dá)研究區(qū)域的熱負(fù)荷空間分布狀況，為規(guī)劃設(shè)計提供易于理解的分析結(jié)論，本文參考日本東京都關(guān)于熱環(huán)境氣候圖的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別將兩個季節(jié)的熱負(fù)荷格局劃分為5個等級，每個等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)既考慮了熱負(fù)荷強(qiáng)度和人體感官舒適度，又涵括了相應(yīng)的熱環(huán)境氣候特征。值得注意的是，沈陽在我國建筑氣候分區(qū)中屬嚴(yán)寒地區(qū)，因此熱負(fù)荷高的區(qū)域在夏季為熱環(huán)境高敏感區(qū)，而在冬季則相反（圖2，表3）。

3.2 熱負(fù)荷格局的總體分布特征

通過沈陽中心城區(qū)夏季和冬季的熱負(fù)荷格局等級區(qū)劃（圖2）的對比分析，可以看出兩個季節(jié)的熱負(fù)荷狀況呈現(xiàn)出較為相似的空間分布特征。總體而言，沈陽中心城區(qū)的熱負(fù)荷等級在呈離心擴(kuò)散式分布的同時還表現(xiàn)出西部略高于東部、北部略高于南部的特征，熱負(fù)荷等級較高的區(qū)域主要集中在中部和西部。

將兩個季節(jié)的熱負(fù)荷格局等級區(qū)劃圖與沈陽中心城區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行疊加分析，可以看出熱負(fù)荷格局的等級分布與城市開發(fā)強(qiáng)度、土地利用性質(zhì)、交通結(jié)構(gòu)體系均存在不同程度的相關(guān)性。首先，熱負(fù)荷等級由高到低的變化過程與城市開發(fā)強(qiáng)度由強(qiáng)到弱的空間分布存在明顯的正相關(guān)特征，如開發(fā)強(qiáng)度最大的中街商圈在夏冬兩季均表現(xiàn)為最高等級的熱負(fù)荷分布。其次，土地利用性質(zhì)對熱負(fù)荷等級分布具有明顯的影響，以商業(yè)或商住用地為主的區(qū)域熱負(fù)荷等級普遍較高，而以綠地、河流等為主的區(qū)域大多形成較低等級的熱負(fù)荷格局。第三，交通結(jié)構(gòu)體系對熱負(fù)荷等級分布具有一定的調(diào)控作用，平行于季風(fēng)風(fēng)向且尺度較大的交通空間易形成較好的通風(fēng)環(huán)境，從而間接產(chǎn)生降溫效應(yīng)，如青年大街，而垂直于季風(fēng)風(fēng)向或布局緊湊的交通空間往往形成相對較高的熱負(fù)荷格局，如保工街。

此外，熱負(fù)荷格局的等級分布還與建筑布局形態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施布點(diǎn)等存在一定的關(guān)系，例如以云集廣場為中心的建筑群多以圍合式布局為主，內(nèi)向封閉的空間易降低區(qū)域風(fēng)流通潛力，從而形成相對較高的熱負(fù)荷格局；而沈海熱電廠作為大型能源基礎(chǔ)設(shè)施，其運(yùn)營釋放的巨大熱量使該區(qū)域的熱負(fù)荷格局與周邊形成了鮮明的對比。

表3 沈陽中心城區(qū)熱負(fù)荷格局的等級劃分及其氣候特征

3.3 高敏感空間分布特征

所謂熱負(fù)荷高敏感空間，是指夏季熱負(fù)荷等級最高和冬季熱負(fù)荷等級最低的空間，這類具有相對極端性的區(qū)域是城市熱環(huán)境問題的主要癥結(jié)所在，也是城市熱環(huán)境優(yōu)化的主要針對目標(biāo)。

圖3 沈陽中心城區(qū)熱負(fù)荷高敏感空間分布

通過沈陽中心城區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀與熱負(fù)荷高敏感空間分布（圖3）的疊加分析可以看出，有4類區(qū)域易形成夏季熱負(fù)荷高敏感空間：商業(yè)空間或具有一定規(guī)模的公共交流場所；大體量或異形建筑（群）集中布局的區(qū)域；密度較高或布局雜亂的中小尺度街區(qū)；重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施（如火電廠）、交通樞紐（如火車站和汽車站）、能源工礦企業(yè)周邊等。同時，易形成冬季熱負(fù)荷高敏感空間的區(qū)域包括以下幾類：建筑尺度較小、密度較低、布局分散的區(qū)域；大尺度的開敞空間、文物保護(hù)單位、公園、水體；未開發(fā)或正在開發(fā)的大片區(qū)域；寬度較大的交通性干道交匯空間或大尺度的環(huán)島等（圖4）。

4 沈陽中心城區(qū)熱負(fù)荷格局的優(yōu)化價值分析

基于沈陽中心城區(qū)夏季和冬季的熱負(fù)荷格局等級區(qū)劃，參照價值論的相關(guān)研究內(nèi)容，結(jié)合城市發(fā)展建設(shè)指標(biāo)及其對熱環(huán)境的影響，本文將熱負(fù)荷格局的優(yōu)化價值分解為“格局重塑能力”、“優(yōu)化成長潛力”和“效益盈利能力”3個層面進(jìn)行對比分析。

4.1 夏季熱負(fù)荷格局的優(yōu)化價值分析

從沈陽中心城區(qū)夏季熱負(fù)荷格局等級區(qū)劃圖中可以看出，在5個等級的熱負(fù)荷分區(qū)中，一級和二級熱負(fù)荷分區(qū)（即高敏感區(qū)和中敏感區(qū)）大多分布在研究區(qū)域的中部和西部，主要為城市的高密度建設(shè)區(qū)域。該區(qū)域在聚集了大量的建筑、稠密的人口和復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施的同時，還包含了較多的人工不透水下墊面和較少的潛在降溫因子。鑒于此類區(qū)域復(fù)雜的客觀環(huán)境和多方利益博弈的限制，對其進(jìn)行空間格局的變革相對困難，加之核心區(qū)的集聚效應(yīng)仍不斷增強(qiáng)，因此該區(qū)域的格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力都相對最低。然而正是由于高附加值的土地和相對惡劣的氣候環(huán)境，使其熱環(huán)境優(yōu)化效益的盈利能力較高。

三級和四級熱負(fù)荷分區(qū)（即低敏感區(qū)和非敏感區(qū)）在整個研究區(qū)域內(nèi)的分布較為零散且具有多樣性特征，包含了不同比例的居住區(qū)、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)。三級熱負(fù)荷分區(qū)主要以中低密度的多層居住建筑為主，其中分布在城市高密度中心區(qū)的居住建筑由于土地價值和多方利益限制，格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力均較低，但位于周邊區(qū)域的建筑限制因素較少，其格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力均較高，因此綜合來看，三級熱負(fù)荷分區(qū)的格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力為中。四級熱負(fù)荷分區(qū)主要以南部集聚的工業(yè)區(qū)、少量居住區(qū)和閑置用地為主，格局重塑能力較高，但正是由于分布在城市邊緣的部分對核心區(qū)熱環(huán)境格局的整體影響較小，因此其綜合優(yōu)化成長潛力為中。從效益盈利能力來看，三級熱負(fù)荷分區(qū)的優(yōu)化對改善人居環(huán)境和中心區(qū)熱負(fù)荷格局具有重要意義，因此效益盈利能力為高；而四級熱負(fù)荷分區(qū)大多集聚在南部區(qū)域，且已具有良好的熱環(huán)境自我調(diào)節(jié)能力，其優(yōu)化的效益盈利能力較低。

五級熱負(fù)荷分區(qū)屬于高價值區(qū)，覆蓋區(qū)域包括低密度居住區(qū)、綠地、水體、以及文物保護(hù)單位等，具有良好的熱負(fù)荷自我調(diào)節(jié)能力和較強(qiáng)的格局重塑能力。該類區(qū)域在研究范圍內(nèi)分布較為均勻，且大多呈集聚狀態(tài)（除中部為點(diǎn)狀分布外），其熱環(huán)境優(yōu)化對相鄰區(qū)域的熱負(fù)荷格局具有強(qiáng)大的調(diào)控作用，加之涉及的利益相關(guān)者較少，優(yōu)化投入成本低，因此優(yōu)化成長潛力和效益盈利能力均為高。

4.2 冬季熱負(fù)荷格局的優(yōu)化價值分析

與夏季熱負(fù)荷格局分區(qū)相似，研究范圍內(nèi)的高密度建設(shè)區(qū)域（中部和西部）在冬季熱負(fù)荷格局區(qū)劃圖中仍以一級、二級和三級熱負(fù)荷分區(qū)為主，然而不同的是，對于處于我國建筑氣候分區(qū)中嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽而言，這三級熱負(fù)荷分區(qū)在冬季屬于熱環(huán)境敏感度較低的區(qū)域。

冬季熱負(fù)荷格局區(qū)劃中的一級和二級熱負(fù)荷分區(qū)（即高價值區(qū)和非敏感區(qū)）主要分布于城市或組團(tuán)級的中心區(qū)域，盡管復(fù)雜的客觀條件和多方利益限制使其格局重塑能力為低，較少的區(qū)域覆蓋面積和相對分散的分布使其優(yōu)化成長潛力也較低，但良好的區(qū)位和高附加值的土地仍然提高了該類分區(qū)熱環(huán)境優(yōu)化效益的盈利能力。而三級熱負(fù)荷分區(qū)（即低敏感區(qū)）則較為均勻地分布于整個研究范圍內(nèi)，其中位于中部和西部高密度建設(shè)區(qū)域中的部分由于復(fù)雜的客觀環(huán)境，格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力均較低，而分布于核心區(qū)外圍的部分限制因素相對較少，其格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力均較高，因此三級熱負(fù)荷分區(qū)的綜合格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力為中。此外，由于三級熱負(fù)荷分區(qū)具有較大的覆蓋面積和均勻集聚的分布狀態(tài)，因此其熱環(huán)境優(yōu)化效益的盈利能力為高。

四級和五級熱負(fù)荷分區(qū)（即中敏感區(qū)和高敏感區(qū)）除在城市核心區(qū)內(nèi)有少數(shù)的點(diǎn)狀零散分布外，大部分集中在核心區(qū)周邊或城市邊緣地帶，涉及的相關(guān)利益群體較少，格局重塑能力較高。雖然該類分區(qū)在冬季嚴(yán)寒氣候下的熱環(huán)境條件相對較差，但四級熱負(fù)荷分區(qū)所覆蓋的面積最大，涉及的城市人口和功能要素較多，其熱環(huán)境優(yōu)化對整個城市的熱負(fù)荷格局具有重要意義，因此優(yōu)化成長潛力和效益盈利能力均為高；而考慮到五級熱負(fù)荷分區(qū)覆蓋的面積較小，且位置較為邊緣，其優(yōu)化成長潛力和效益盈利能力均較低。

5 結(jié)論及規(guī)劃建議

作為城市環(huán)境氣候理論的有機(jī)組成部分，熱負(fù)荷格局的研究為區(qū)域熱環(huán)境優(yōu)化及相應(yīng)的城市規(guī)劃設(shè)計提供了具有指導(dǎo)性的參考依據(jù)。本文基于城市環(huán)境氣候圖的研究方法，生成了沈陽中心城區(qū)夏季和冬季的熱負(fù)荷格局等級區(qū)劃，并在此基礎(chǔ)上探討了其空間分布特征和優(yōu)化價值。

從分析結(jié)果可以看出，同一區(qū)域在不同季節(jié)的敏感度以及在不同標(biāo)準(zhǔn)下的價值判斷可能截然相反，因此在規(guī)劃設(shè)計中需要進(jìn)行綜合考量。例如對于夏季熱負(fù)荷高、中敏感區(qū)域，由于格局重塑能力和優(yōu)化成長潛力均較低，對其進(jìn)行大范圍的空間變革相對困難，加之該區(qū)域包含了大部分冬季熱負(fù)荷高價值及非敏感區(qū)，因此不適宜規(guī)劃大尺度降溫設(shè)施，應(yīng)在協(xié)調(diào)多方利益的基礎(chǔ)上，以局部增加組團(tuán)級別的小型熱環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)施為主，并結(jié)合物理降溫等優(yōu)化技術(shù)，同時在組團(tuán)及建筑群布局時考慮季風(fēng)影響，注重冬季建筑保溫性能設(shè)計。而夏季熱負(fù)荷高價值區(qū)域的格局重塑能力、優(yōu)化成長潛力、效益盈利能力均較高，適合形成區(qū)域性的熱環(huán)境調(diào)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)結(jié)合周邊熱負(fù)荷現(xiàn)狀，優(yōu)化其滲透及輻射調(diào)節(jié)能力；同時考慮到該區(qū)域覆蓋了冬季高、中敏感區(qū)的大部分，因此建筑組團(tuán)宜采用集中布局，并注重冬季防風(fēng)設(shè)計。

圖4 易形成熱負(fù)荷高敏感空間的典型區(qū)域（來源：百度地圖）

然而由于城市建設(shè)的復(fù)雜性以及涉及利益群體的多樣性，在實(shí)際規(guī)劃設(shè)計操作中還需要結(jié)合具體情況，參考區(qū)域熱負(fù)荷格局現(xiàn)狀及價值評估，進(jìn)行微氣候模擬，在改善自身狀況的同時兼顧區(qū)域熱環(huán)境優(yōu)化，而此過程中如何尋求多方利益的博弈、兼顧權(quán)重時序的發(fā)展、辨明優(yōu)劣輕重的均衡，仍是今后需要深入研究的重要內(nèi)容。