張嘉童 劉文濤 孫國(guó)浩

摘要：近年來(lái)受到遙感技術(shù)和原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，特別是在太陽(yáng)照射下，顯熱和潛熱的對(duì)流通量相比于傳導(dǎo)熱對(duì)人體的熱平衡起到更重要的作用。這就說(shuō)明熱輻射環(huán)境不僅對(duì)保持城市能量平衡、建筑能耗起著重要的作用，也對(duì)室外活動(dòng)空間產(chǎn)生重要影響，是人們保持熱平衡和熱舒適最重要的指標(biāo)之一。室外輻射非常復(fù)雜，除了來(lái)自太陽(yáng)直射和散射的短波輻射和大氣所發(fā)射的長(zhǎng)波輻射以外，還包括了城市表面之間產(chǎn)生的輻射換熱。越來(lái)越多的研究開(kāi)始從熱輻射的角度提出城市空間的優(yōu)化策略，城市的空間形態(tài)對(duì)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(qū)和季節(jié)也會(huì)產(chǎn)生很大差異。

關(guān)鍵詞：城市設(shè)計(jì)視角下;城市空間形態(tài);室外輻射環(huán)境;

引言

太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和下墊面結(jié)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)局地或區(qū)域氣候形成的三大因子，其中土地利用格局是反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)局地或區(qū)域氣候影響的重要下墊面因素。城市化進(jìn)程中，伴隨著人工建設(shè)的不透水下墊面逐漸取代自然生態(tài)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(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)表面輻射能量收支產(chǎn)生重要的影響，蒸發(fā)冷卻的減少通常被認(rèn)為是造成城市熱島的主要因素。人為熱釋放被認(rèn)為是城市熱島形成的另一影響因素。城市局地氣溫升溫過(guò)程具體表現(xiàn)為城市下墊面的地表溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gòu)成以磚石、水泥和瀝青等材料為主，熱慣量比郊區(qū)草地小。自身物理特性差異的存在導(dǎo)致相同的太陽(yáng)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(shí)，城市內(nèi)部輻射能量分配的關(guān)鍵因素之一即樓房結(jié)構(gòu)與布局改變，與城市下墊面面積、等效吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)改變關(guān)系密切。

一、環(huán)境參量對(duì)室外輻射的影響及動(dòng)因研究

（一）城市綠化對(duì)室外輻射的影響研究

城市綠化是輻射環(huán)境改良中常借助的物理參量，對(duì)環(huán)境有良好的調(diào)節(jié)作用。樹(shù)木能有效地吸收和反射短波輻射，從而降低環(huán)境熱輻射，還通過(guò)蒸騰作用減少長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)同一時(shí)刻樹(shù)蔭下的Tmrt較陽(yáng)光直射區(qū)域減少30～35℃。而樹(shù)木在夜間，會(huì)使Tmrt升高3～5℃。

（二）城市界面對(duì)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(zhì)、顏色不僅可以統(tǒng)一城市空間，也影響著室外輻射溫度。對(duì)于城市下墊面而言，Ariane等通過(guò)夏季校園內(nèi)的22個(gè)地點(diǎn)，探究陽(yáng)光直射區(qū)域和陰影區(qū)域的透水和不透水土地覆蓋的單個(gè)輻射機(jī)理。地面反照率越大，空間的Tmrt也相應(yīng)會(huì)越大，長(zhǎng)波輻射則會(huì)越小。這是由于反照率與地面吸收的輻射有關(guān)，反照率越大，反射到環(huán)境的Tmrt自然會(huì)越多，而地表溫度則會(huì)相應(yīng)越低，發(fā)射的長(zhǎng)波輻射會(huì)越少。

（三）相關(guān)設(shè)計(jì)要素間相互作用的研究

在復(fù)雜的空間中，不同的城市布局對(duì)城市綠化、界面材質(zhì)的降溫效果有所影響。緊湊的城市空間較開(kāi)放的城市空間而言，植被、界面材質(zhì)的熱緩解效果不佳。緊湊空間的幾何特質(zhì)已經(jīng)影響了空間接受日照和輻射的可能性。例如，Mehdi等對(duì)6個(gè)形態(tài)各異的氣候區(qū)（LCZ）發(fā)現(xiàn)，低層住宅區(qū)、高密度街區(qū)同時(shí)增加1%的樹(shù)木，與增加前的Tmrt進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，Tmrt都有不同程度的降低，在1～2層的低密度住宅區(qū)的Tmrt降低7.1℃，而街區(qū)則由于布局緊湊，層數(shù)較高而使樹(shù)木覆蓋效果不顯著。

二、城市化對(duì)吸收太陽(yáng)直接輻射通量的變化及其溫室效應(yīng)

模擬結(jié)果指出，水泥墻與草地的吸收率差值z(mì)db為?0.21，即建筑朝陽(yáng)面的等效吸收率小于其陰影面（草地）的等效吸收率，體現(xiàn)了冷效應(yīng)。在聚合元上的實(shí)際冷效應(yīng)相當(dāng)于入射太陽(yáng)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(yáng)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z(mì)db為?0.11，為冷效應(yīng)，在聚合元上的實(shí)際冷效應(yīng)相當(dāng)于入射太陽(yáng)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(jié)果證實(shí)了聚合面的等效吸收率差值為冷熱效應(yīng)的“定向器”，聚合元面積為冷熱效應(yīng)的“放大器”。同時(shí)，模擬結(jié)果證實(shí)了玻璃窗的溫室效應(yīng)，明顯減緩了水泥墻壁樓房的冷效應(yīng)。樓房的溫室效應(yīng)值相當(dāng)于減緩56%的水泥墻樓房冷效應(yīng)值。在城市化對(duì)吸收凈輻射通量的變化及其溫室效應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，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(duì)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(dāng)于樓房擴(kuò)展聚合元面積上的入射凈輻射通量密度減少16.7%，實(shí)際冷效應(yīng)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(dāng)于樓房擴(kuò)展聚合元面積上的入射凈輻射通量密度減少14.1%，實(shí)際冷效應(yīng)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(yīng)小，5層樓小49.8kW，相當(dāng)于水泥墻冷效應(yīng)的15.5%，30層樓小321.9kW，相當(dāng)于水泥墻冷效應(yīng)的23.0%。證實(shí)了溫室效應(yīng)減緩了冷效應(yīng)的規(guī)律。

三、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)不足與建議

（一）完善城市空間多樣性的輻射環(huán)境探索

眾多學(xué)者對(duì)中心區(qū)和街道峽谷進(jìn)行了大量研究，而對(duì)于中心區(qū)的形態(tài)類(lèi)型和街道類(lèi)型的研究，僅停留在不同肌理的對(duì)比，界面材質(zhì)、幾何朝向差異的分析。但城市功能的多樣和城市空間的復(fù)雜突顯出當(dāng)前研究的不足，這對(duì)深入了解輻射機(jī)制是不符的。因此今后的研究應(yīng)注重研究對(duì)象的細(xì)化和選擇，以保證研究成果規(guī)律性的總結(jié)及普適性的推廣。

（二）對(duì)輻射環(huán)境全季節(jié)性、氣候區(qū)差異研究的完善補(bǔ)充

對(duì)于城市輻射環(huán)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(jìn)一步對(duì)過(guò)渡季節(jié)和冬季的輻射環(huán)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(shè)性意見(jiàn)。對(duì)于各氣候區(qū)研究結(jié)果的對(duì)比，建立系統(tǒng)性和針對(duì)性的城市設(shè)計(jì)優(yōu)化體系。

（三）堅(jiān)持一般性城市設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行綠色城市的設(shè)計(jì)時(shí)，還需要堅(jiān)持一般性城市設(shè)計(jì)的原則和方向：其一，要保證城市整體規(guī)劃，如道路開(kāi)發(fā)、小區(qū)設(shè)計(jì)、城市濕地公園等的有效規(guī)劃，可以保證城市和諧穩(wěn)定安全的運(yùn)轉(zhuǎn)，更在各城市規(guī)劃布局的相互協(xié)同促進(jìn)作用下實(shí)現(xiàn)活力型城市、發(fā)展型城市、生態(tài)型城市的建設(shè);其次，在進(jìn)行城市設(shè)計(jì)時(shí)要通過(guò)城市不同區(qū)域、不同空間、不同功能設(shè)施的設(shè)定與安排，保證人類(lèi)活動(dòng)和空間之間可以相互作用，相互影響，產(chǎn)生積極的舒適的生活體驗(yàn)感，幫助人類(lèi)在進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐、參與生活規(guī)劃時(shí)可以得到心靈層次和心理層次的滿(mǎn)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(yīng)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(hù)形成的溫室效應(yīng)所致。提出的聚合元概念以及其互補(bǔ)原理，是今后開(kāi)展土地利用定量化研究的突破口，也是實(shí)現(xiàn)精確便捷的城市化熱效應(yīng)定量研究的重要途徑。同時(shí)，本文通過(guò)模型模擬論證了城市土地利用變化是局地輻射形成的驅(qū)動(dòng)因素之一，成為構(gòu)建舒適合理新城市的主要科學(xué)依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

室外平均輻射溫度是城市空間多樣性的輻射環(huán)境的量化參數(shù)，文中通過(guò)該參數(shù)在復(fù)雜的城市空間中的量化應(yīng)用歸納了城市空間形態(tài)對(duì)輻射環(huán)境的熱效應(yīng)，較為全面分析了熱輻射影響動(dòng)因，為實(shí)測(cè)方法的選擇、模擬軟件的應(yīng)用、城市設(shè)計(jì)視角下的熱環(huán)境的作用關(guān)系以及未來(lái)的研究方向提供了參考。

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