周詩(shī)文 石鐵矛 李 綏 李殿生

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院， 沈陽(yáng) 110168； 2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)空間規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究院， 沈陽(yáng) 110168；3.沈陽(yáng)建筑大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑研究院, 沈陽(yáng) 110168)

隨著全球化和城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展，人類(lèi)生產(chǎn)生活空間的劇增在改變城市下墊面的同時(shí)，城市建筑群在高度上也在不斷延伸[1-2]，從而影響局地和城市尺度地表能量平衡過(guò)程和空氣流動(dòng)，改變城市內(nèi)部的熱環(huán)境，加劇城市熱島效應(yīng)[3-5]，對(duì)城市發(fā)展、居民身體以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。加強(qiáng)對(duì)人們賴(lài)以生存的城市三維空間形態(tài)影響熱環(huán)境及其影響機(jī)理的認(rèn)知，可為緩解城市熱島效應(yīng)、實(shí)施合理的規(guī)劃路徑提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)，城市空間形態(tài)對(duì)熱環(huán)境的影響研究備受關(guān)注。近十年間研究者們已將視角從對(duì)二維結(jié)構(gòu)的組成和配置轉(zhuǎn)向?qū)θS空間的協(xié)同和優(yōu)化[6]?？臻g尺度也在不斷擴(kuò)大，由城市中心區(qū)向復(fù)雜性更大、異質(zhì)性更高的城市區(qū)域逐漸拓展[7]。研究?jī)?nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面：1)城市熱環(huán)境的空間分布特征。如Rao等使用ITOS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)制作了美國(guó)大西洋中部沿海城市的地面熱場(chǎng)分布圖[8]；黃亞平等以武漢市主城區(qū)589個(gè)控規(guī)單元為樣本運(yùn)用RS-GIS的技術(shù)方法識(shí)別出武漢市“大分散、小集中”的熱島空間分布特征[9]。2)城市熱環(huán)境的影響因子(如地表特征因子、城市空間結(jié)構(gòu)等)。如Gallo等使用散點(diǎn)圖證明歸一化植被指數(shù)與地表溫度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]；Gl等發(fā)現(xiàn)地表溫度與天空可視度之間存在很強(qiáng)的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]；徐涵秋等通過(guò)遙感提取的城市不透水面及構(gòu)建的建筑指數(shù)作為指標(biāo)因子表征城市熱島效應(yīng)[12]。3)減緩熱島效應(yīng)的規(guī)劃措施。在揭示城市空間結(jié)構(gòu)對(duì)熱環(huán)境影響機(jī)制的基礎(chǔ)上，從規(guī)劃可落實(shí)的方面探索實(shí)現(xiàn)熱環(huán)境優(yōu)化的可行性方案[13]，如Stone等基于美國(guó)多個(gè)城市空間形態(tài)演化特征與高溫災(zāi)害事件存在的關(guān)聯(lián)性研究提出了適應(yīng)氣候變化的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)[14]；Noro等在對(duì)意大利帕多瓦市多年熱島分布建立仿真模型的基礎(chǔ)上評(píng)估了城市形態(tài)布局影響下的熱島強(qiáng)度和熱輻射狀況[15]；任超等構(gòu)建了城市環(huán)境氣候圖評(píng)估和應(yīng)用平臺(tái)，以期制定有針對(duì)性的城市規(guī)劃策略、優(yōu)化城市空間形態(tài)[16]。

已有研究[17-28]中，在地表溫度的研究方法上可歸納為：實(shí)地觀測(cè)法、數(shù)值模擬法、遙感觀測(cè)法。實(shí)測(cè)法可更為精確地確定研究區(qū)域的熱環(huán)境氣候數(shù)據(jù)，定量進(jìn)行熱環(huán)境分析或用于驗(yàn)證其他評(píng)估方法的準(zhǔn)確性，獲取的實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于模擬軟件所預(yù)測(cè)的結(jié)果，但由于人力物力的限制，大規(guī)模獲取真實(shí)的城市環(huán)境參數(shù)具有一定難度。數(shù)值模擬法可以模擬和預(yù)測(cè)不同時(shí)空尺度下城市熱環(huán)境格局和過(guò)程，此方法通常用于情景模擬，即將下墊面性質(zhì)及地形特征等納入預(yù)設(shè)參數(shù)中，進(jìn)而模擬得到各情境中的熱環(huán)境分布情況。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果更為直觀、詳細(xì)。遙感觀測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)任意尺度的熱環(huán)境分析，有效地提高空間精度并簡(jiǎn)化模擬過(guò)程。目前的相關(guān)研究主要利用實(shí)際測(cè)量與遙感技術(shù)相結(jié)合開(kāi)展工作。在城市三維形態(tài)與地表溫度之間關(guān)系的研究方法上，主要采用兩類(lèi)分析：統(tǒng)計(jì)分析(主成分分析、相關(guān)性分析等)[18-20]和分類(lèi)比較[21](高度分類(lèi)、密度分類(lèi)等)。

綜上所述，城市三維空間形態(tài)的熱環(huán)境效應(yīng)已成為多學(xué)科多領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，但在研究?jī)?nèi)容和方法方面仍存在一些提升空間，可總結(jié)為以下三個(gè)方面：1)三維指標(biāo)體系仍不夠全面，一方面需加強(qiáng)對(duì)指標(biāo)之間自相關(guān)分析，通過(guò)降維方法將重復(fù)指標(biāo)刪除，另一方面需加深指標(biāo)與熱環(huán)境效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性探討，建立完整的指標(biāo)體系。2)不同尺度下相關(guān)研究的關(guān)注視角、數(shù)據(jù)來(lái)源、研究方法都不同，但在實(shí)際規(guī)劃應(yīng)用中，針對(duì)不同層級(jí)至上而下的規(guī)劃需要加強(qiáng)不同尺度下城市形態(tài)與熱環(huán)境效應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化。3)對(duì)現(xiàn)狀規(guī)律的揭示普適性指導(dǎo)作用有待加強(qiáng)，已有研究大多采用簡(jiǎn)單的最小二乘法回歸模型，評(píng)估模型的應(yīng)用對(duì)象僅局限于所研究區(qū)。因此，在熱環(huán)境評(píng)估中亟需一個(gè)綜合重要評(píng)估指標(biāo)表征城市熱環(huán)境效應(yīng)，以加強(qiáng)調(diào)整空間形態(tài)和優(yōu)化熱環(huán)境的應(yīng)用性。綜上所述，應(yīng)基于城市三維空間形態(tài)與城市熱環(huán)境反演的耦合關(guān)系分析，建立城市熱環(huán)境效應(yīng)評(píng)估模型，以期為多地區(qū)開(kāi)展城市熱環(huán)境評(píng)估提供借鑒。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

以沈陽(yáng)市為研究對(duì)象。沈陽(yáng)地處北緯 41°48′11.75″、東經(jīng) 123°25′31.18″，地處溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，四季分明，年平均氣溫6.2～9.7 ℃。近些年，沈陽(yáng)夏季連續(xù)出現(xiàn)高溫天氣，已經(jīng)成為東北地區(qū)的“火爐”城市，并躋身于全國(guó)高溫城市排行榜之中。研究以沈陽(yáng)市四環(huán)快速路為研究范圍邊界，直徑40 km，涉及9個(gè)行政區(qū)，10個(gè)新城，總面積1 254 km2，開(kāi)展城市熱環(huán)境效應(yīng)評(píng)估研究。

1.2 數(shù) 據(jù)

研究主要使用文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、影像柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)三類(lèi)，數(shù)據(jù)主要來(lái)源詳見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源匯總Table 1 A summary of data sources

2 技術(shù)和方法

2.1 技術(shù)路線

面向城市規(guī)劃的熱環(huán)境效應(yīng)評(píng)估，采用了熱環(huán)境效應(yīng)指數(shù)評(píng)估模型的研究框架(圖1)，基于城市數(shù)據(jù)高程模型(UDEM)提取城市三維空間形態(tài)指標(biāo)并通過(guò)共線性分析篩選指標(biāo)，基于遙感影像對(duì)沈陽(yáng)市2018年8月2日的地表溫度進(jìn)行反演，通過(guò)相關(guān)性分析耦合三維形態(tài)的熱環(huán)境效應(yīng)進(jìn)一步篩選顯著指標(biāo)作為預(yù)測(cè)模型的參數(shù)集，采用主成分分析法集成以上指標(biāo)并根據(jù)數(shù)據(jù)本身的性質(zhì)確定其權(quán)重，形成面向城市規(guī)劃的熱環(huán)境效應(yīng)評(píng)估模型。在此基礎(chǔ)上，提出針對(duì)熱環(huán)境評(píng)估的規(guī)劃響應(yīng)策略。

圖1 熱環(huán)境指數(shù)評(píng)估模型Fig.1 The evaluation model for thermal environment indexes

2.2 地表溫度與城市形態(tài)參數(shù)的相關(guān)性分析

通過(guò)相關(guān)性分析驗(yàn)證各空間指標(biāo)對(duì)熱環(huán)境的相關(guān)顯著程度，進(jìn)而揭示其影響規(guī)律。為充分反映地表輻射的得熱和散熱，且綜合表征城市三維空間形態(tài)，城市形態(tài)參數(shù)的確定歸納為以下兩個(gè)步驟：1)基于既有影響城市熱環(huán)境的三維空間指標(biāo)的總結(jié)[6,22-25]，按特征可歸納為建筑特征、植被特征和形態(tài)特征；2)結(jié)合沈陽(yáng)市熱環(huán)境分布特征，通過(guò)指標(biāo)間的自相關(guān)分析篩選指標(biāo)，作為進(jìn)一步相關(guān)性探討的基礎(chǔ)。最終確定的形態(tài)參數(shù)如式(1)～式(4)，建筑特征為建筑容積率(αBPR)、植被特征為葉面積指數(shù)(βLAI)、形態(tài)特征為天空視域因子(χSVF)和粗糙度(Hstd)。

建筑容積率：

(1)

式中：Afi為建筑物第i樓層的面積；Ata為區(qū)域總面積；n為建筑物樓層數(shù)；N為區(qū)域內(nèi)建筑物總數(shù)。

葉面積指數(shù):

(2)

式中：Atl為總?cè)~面積；Ala為土地面積。

天空視域因子:

(3)

其中m=360/αi

式中：αi為方位角,且不大于10°；βi為研究半徑內(nèi)相應(yīng)方位角的扇形體內(nèi)最大建筑高度角，且不小于20°。

粗糙度:

(4)

式中：hi為建筑物i的高度；H是區(qū)域內(nèi)建筑物平均高度。

2.3 熱環(huán)境指數(shù)構(gòu)建方法

為提出以改善熱環(huán)境為目標(biāo)的城市形態(tài)導(dǎo)控策略，根據(jù)上述分析結(jié)果篩選出最具相關(guān)性的不同類(lèi)型參數(shù)指標(biāo)，構(gòu)建城市熱環(huán)境綜合指數(shù)模型。如何耦合不同類(lèi)型的形態(tài)參數(shù)來(lái)表征綜合熱環(huán)境指數(shù)是模型的關(guān)鍵，通常采用通過(guò)確定指標(biāo)權(quán)重進(jìn)而求和的方式，但是，要確定究竟是哪個(gè)指標(biāo)對(duì)地表溫度的全局變化起主要作用，并為其賦一個(gè)特定的權(quán)重值是十分困難的。因此，采用主成分分析法(PCA)，該方法是一種將多個(gè)變量通過(guò)正交線性變換來(lái)選出少數(shù)重要變量的多維數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。建模中將單元柵格的建筑、綠地容量及形態(tài)特征參數(shù)作為變量，通過(guò)降維處理將多維信息集中到少數(shù)幾個(gè)特征分量上，集成后各指標(biāo)的權(quán)重根據(jù)各指標(biāo)的貢獻(xiàn)度自動(dòng)、客觀的確定[29-30]。

2.4 熱環(huán)境空間單元?jiǎng)澐旨案窬謨?yōu)化

采用熱環(huán)境綜合指數(shù)法對(duì)城市柵格單元進(jìn)行評(píng)估和空間化表達(dá)，通過(guò)聚類(lèi)分析將熱環(huán)境指數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí)，進(jìn)行城市熱環(huán)境空間單元?jiǎng)澐?。在建立起城市形態(tài)參數(shù)與熱環(huán)境空間效應(yīng)回歸關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出統(tǒng)籌規(guī)劃要素和局地溫度的城市熱環(huán)境單元?jiǎng)澐址椒ǎ詿岘h(huán)境分區(qū)調(diào)控的思路和方法實(shí)現(xiàn)對(duì)城市形態(tài)的科學(xué)導(dǎo)控，為規(guī)劃層面解決熱環(huán)境問(wèn)題建立起從關(guān)鍵要素分析到空間定量調(diào)控的可操作框架。

3 結(jié)果及分析

3.1 地表溫度與城市形態(tài)參數(shù)耦合

以500 m×500 m的空間網(wǎng)格為統(tǒng)計(jì)單元，將研究區(qū)域內(nèi)的平均地表溫度轉(zhuǎn)化為可視化網(wǎng)格數(shù)據(jù)(圖2)，并提取城市空間形態(tài)(圖3、表2)，數(shù)據(jù)分析顯示：1)地表溫度高值區(qū)(≥32 ℃)的分布狀況與城市空間發(fā)展關(guān)聯(lián)密切，中心城區(qū)高溫區(qū)密集，沈陽(yáng)市三環(huán)外的于洪、蘇家屯和沈北新區(qū)高溫區(qū)明顯；2)1.01%的網(wǎng)格平均地表溫度超過(guò)36 ℃，主要分布在于洪區(qū)，0.02%的網(wǎng)格平均地表溫度低于20 ℃，主要分布于生態(tài)資源優(yōu)勢(shì)明顯的東北部；3)超過(guò)平均地表溫度29.1 ℃的空間網(wǎng)格有2 532個(gè)，占研究區(qū)域面積50.49%。計(jì)算全局空間自相關(guān)Moran指數(shù)為0.63，空間正向自相關(guān)性較強(qiáng)。

表2 沈陽(yáng)市四環(huán)快速路三維指標(biāo)特征平均值Table 2 Characteristic mean values for 3D indexes of the Fourth Ring Expressway in Shenyang

通過(guò)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(SPSS)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果顯示：構(gòu)建的6個(gè)空間指標(biāo)均與地表溫度顯著相關(guān)。對(duì)比相關(guān)性結(jié)果(圖4)，從建筑特征來(lái)看：αBPR與地表溫度的正相關(guān)關(guān)系最為顯著，擬合的決定系數(shù)R2為0.238，區(qū)間(αBPR≤2)的散點(diǎn)與擬合線的擬合度較高，區(qū)間(αBPR>2)的散點(diǎn)與擬合線的離散度較高。由此推測(cè)：αBPR每升高0.1，地表溫度將升高0.26 ℃，容積率高于2時(shí)散點(diǎn)與擬合趨勢(shì)線偏差較大，這可能與高容積率產(chǎn)生大量的建筑陰影有關(guān)[31]。從植被特征來(lái)看，葉面積指數(shù)與地表溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.647，散點(diǎn)與擬合線的擬合度很高，表明植物群體冠層結(jié)構(gòu)的定量化指標(biāo)能更為全面地代表植被的吸熱降溫能力，葉面積指數(shù)每上升10，地表溫度將升高0.9 ℃。從綜合特征來(lái)看，χSVF和Hstd分別表征了城市空間的封閉程度和城市零值風(fēng)廓線的提升高度，χSVF指數(shù)與地表溫度之間存在著很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與文獻(xiàn)[32-34]中的研究結(jié)果一致，區(qū)間(χSVF≤0.75)的散點(diǎn)分布較zBHD為建筑高度比建筑密度;hEPR為生態(tài)容積率。

a—建筑容積率空間分布；b—葉面積指數(shù)空間分布；c—天空開(kāi)闊度空間分布；d—粗糙度空間分布。圖3 沈陽(yáng)市2018年城市形態(tài)空間分布Fig.3 Spatial distribution for urban morphology of Shenyang in 2018

圖4 沈陽(yáng)市三維空間指標(biāo)與地表溫度的相關(guān)性散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagrams of correlation between 3D spatial indexes and land surface temperatures in Shenyang

表3 沈陽(yáng)市三維空間指標(biāo)與地表溫度相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between three-dimensional spatial indexes and land surface temperatures of Shenyang

為集中，區(qū)間(χSVF>0.75)的散點(diǎn)與擬合線離散度較高，說(shuō)明天空開(kāi)闊度大于0.75時(shí)，與擬合線的偏差較大，這可能與χSVF對(duì)日間太陽(yáng)輻射有著雙重影響有關(guān)：χSVF的增大，在增加地表輻射散熱的同時(shí)，由于加大了太陽(yáng)直射而增加了地表輻射溫度[35-36]；Hstd指數(shù)與地表溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.245，區(qū)間(Hstd>20)的散點(diǎn)與回歸線偏差較大，說(shuō)明在該研究尺度下，Hstd(≤20)的增大會(huì)使地表溫度增加，這可能與通風(fēng)能力的下降相關(guān)。

3.2 沈陽(yáng)市熱環(huán)境指數(shù)評(píng)估與空間單元?jiǎng)澐?/h3>

采用主成分分析(PCA)法，通過(guò)對(duì)代表性變量的實(shí)驗(yàn)和校核，最終選取建筑容積率、葉面積指數(shù)、天空視域因子為變量構(gòu)建城市熱環(huán)境綜合指數(shù)模型，3個(gè)變量的主成分分析矩陣如表4、圖5，通過(guò)多變量指標(biāo)降維表達(dá)(式(5))的熱環(huán)境綜合指數(shù)函數(shù)，得到結(jié)果后采用式(6)進(jìn)行規(guī)一化處理，將使指數(shù)介于[0，1]范圍內(nèi)，該值越接近1，反映城市熱環(huán)境效應(yīng)越不理想，通過(guò)形態(tài)優(yōu)化的降溫潛力越大。

圖5 變量的主成分分析Fig.5 Principal element analysis of variables

表4 指標(biāo)主成分分析Table 4 Principal element analysis of indicators

I0=1-{IPC1a1[f(αBPR,βLAI,χSVF)]+

IPC2a2[f(αBPR,βLAI,χSVF)]}

(5)

ITEI=(ITEI0-ITEI0_min)/(ITEI0_max-ITEI0_min)

(6)

式中:I0為熱環(huán)境指數(shù)；ITEI為規(guī)一化處理后的熱環(huán)境指數(shù)；IPCi為主成分集中的第i個(gè)主成分；ai為主成分集中的第i個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

經(jīng)對(duì)已有數(shù)據(jù)的擬合和驗(yàn)證，采用IPC1、IPC2實(shí)現(xiàn)模擬精度達(dá)到92.518%。將計(jì)算獲得的各柵格熱環(huán)境指數(shù)在GIS中形成可視化結(jié)果(圖6)，由以上3個(gè)變量評(píng)估的城市形態(tài)熱環(huán)境指數(shù)，與實(shí)際城市地表溫度具有較高一致性，相關(guān)性顯著，較好地反映了熱環(huán)境的分布狀況，說(shuō)明利用建筑容積率、葉面積指數(shù)、天空開(kāi)闊度對(duì)熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)估具備較高的合理性和適用性。與地表溫度存在差異的區(qū)域?yàn)槲鞑咳h(huán)外與東部二環(huán)外的工業(yè)片區(qū)，這一方面表明城市形態(tài)顯著的影響著地表溫度，另一方面，也表明城市不同用地的溫室氣體排放、人的活動(dòng)等因素也對(duì)熱環(huán)境具有一定影響。

0.00～0.63 ℃; 0.63～0.65 ℃; 0.65～0.67 ℃; 0.67～0.72 ℃; 0.72～0.75 ℃; 0.75～1.00 ℃。圖6 沈陽(yáng)市城市形態(tài)熱環(huán)境指數(shù)空間分布Fig.6 Spatial distribution for thermal environment indexes of urban forms in Shenyang

綜合考量熱環(huán)境指數(shù)空間分布等級(jí)以及對(duì)周邊相鄰斑塊熱環(huán)境影響程度，劃分出城市熱環(huán)境空間單元21個(gè)，總面積436.8 km2，包括高溫斑塊、次高溫斑塊與主要冷島、次要冷島四種類(lèi)型(圖7)。熱環(huán)境最為惡劣、覆蓋范圍大的高溫斑塊共10個(gè)，分布在二環(huán)內(nèi)7個(gè)，二～四環(huán)間3個(gè)；熱環(huán)境較為不利、覆蓋范圍較小的次熱單元共3個(gè)，主要分布于二～四環(huán)間西南與東北方向；主要冷島分布于東北部山區(qū)，并沿渾河向西南方向延伸，次級(jí)冷島單元分布于三～四環(huán)間的外圍生態(tài)用地。低值區(qū)(熱環(huán)境效應(yīng)較好)集中于城市東北部(棋盤(pán)山區(qū)域)、青年大街沿線的公園(北陵公園、青年公園等)以及四環(huán)邊緣區(qū)(南北方向、于洪區(qū)的邊緣區(qū)除外)，這與大型綠地公園、植被冠層結(jié)構(gòu)豐富、建設(shè)容量較低、開(kāi)敞空間較大密切相關(guān)，是增加區(qū)域散熱、改善城市熱環(huán)境的重要來(lái)源。

高溫斑塊; 次高溫斑塊; 主要冷島; 次要冷島。圖7 沈陽(yáng)市熱環(huán)境單元分區(qū)Fig.7 Division of thermal environment units in Shenyang

3.3 沈陽(yáng)市熱環(huán)境優(yōu)化的城市形態(tài)調(diào)控策略

3.3.1 城市尺度的熱環(huán)境格局優(yōu)化

由沈陽(yáng)市熱環(huán)境單元分布特征來(lái)看，在城市尺度對(duì)熱環(huán)境優(yōu)化的主要策略包括高熱斑塊隔離、冷島網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和重點(diǎn)區(qū)域降溫3個(gè)層面(圖8)。

城市綠楔; 城市綠帶; 高溫斑塊; 濱河綠地。圖8 沈陽(yáng)市熱環(huán)境格局優(yōu)化方案Fig.8 The optimization scheme of the thermal environment layout in Shenyang

高熱斑塊隔離。連續(xù)性的高熱單元集聚是形成城市高溫?zé)崂说闹饕梢?，在改善城市熱環(huán)境的規(guī)劃調(diào)控中，應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)高熱單元的切割和有效隔離，改善關(guān)鍵位置的下墊面特征，增加開(kāi)放空間及綠地、水體配置，加強(qiáng)空間的通透性形成通風(fēng)廊道，將高溫片區(qū)化整為零，削弱連續(xù)、集中高熱單元的熱島效應(yīng)。

冷島網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。結(jié)合沈陽(yáng)市的主導(dǎo)風(fēng)向，分析現(xiàn)有城市冷島格局。東北及東南山林、西北及西南水域農(nóng)田和渾河是沈陽(yáng)市主要冷島，沿三環(huán)形成城市生態(tài)廊道，有效地阻斷了二環(huán)內(nèi)高溫片區(qū)向南部蔓延；而緊鄰二環(huán)北側(cè)的北陵公園，是城市中心區(qū)最為顯著的冷島，由此向東北、西北方向延伸，依托現(xiàn)有冷島節(jié)點(diǎn)，形成連接沈北新區(qū)與于洪區(qū)的外圍大面積水體和生態(tài)用地，建立冷島降溫聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，是優(yōu)化城市熱環(huán)境格局的重要手段。

重點(diǎn)區(qū)域降溫。由城市高熱單元的空間分布特征可見(jiàn)，其熱環(huán)境不利的現(xiàn)狀主要是由于建筑密集和綠地比例低造成的，改善建成區(qū)熱環(huán)境的難點(diǎn)在于對(duì)建筑空間的改造潛力及其有限，因此，見(jiàn)縫插針地增加綠地、水體面積、優(yōu)化植物配置、增加植物量，是提升高熱單元的降溫能力的有效途徑。

3.3.2 場(chǎng)地尺度的空間形態(tài)量化導(dǎo)控

由熱環(huán)境指數(shù)評(píng)估模型的變量關(guān)系來(lái)看，柵格單元內(nèi)各參數(shù)組成關(guān)系的優(yōu)化，是指導(dǎo)場(chǎng)地尺度改善熱環(huán)境的量化依據(jù)。以二環(huán)西部的C單元、G單元兩個(gè)高熱斑塊的接鄰區(qū)域?yàn)槔?，該區(qū)域大部分柵格的熱環(huán)境指數(shù)處于高熱、次高熱等級(jí)，建筑容積率高、空間較為封閉是一方面原因，而現(xiàn)有開(kāi)敞空間雖然具有一定綠地面積，但是從葉面積指數(shù)反演結(jié)果來(lái)看，植物群落配置較為初級(jí)是影響降溫能力的另一個(gè)主要原因。

從以上兩方面入手尋求對(duì)熱環(huán)境改善的策略，由于該區(qū)域?qū)儆谂f城改造片區(qū)，結(jié)合部分地塊的拆遷重建規(guī)劃方案，提出各單元熱環(huán)境改善策略，具體包括建筑搬遷改造、增加廣場(chǎng)綠地和改善植物群落配置3種措施(圖9)。在規(guī)劃調(diào)控過(guò)程中，提取優(yōu)化方案的αBPR、βLAI、χSVF參數(shù)，依據(jù)式(5)、(6)，計(jì)算改造優(yōu)化后各柵格的熱環(huán)境指數(shù)ITEI，與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(表5)，可見(jiàn)，在搬遷地塊的開(kāi)發(fā)建設(shè)中，建筑容積率均有較大幅度的提升，這是影響熱環(huán)境的不利因素，但是優(yōu)化方案采取了適度的調(diào)整建筑間距，控制天空開(kāi)闊度指數(shù)、增加綠地和改善植物群落配置、提升葉面積指數(shù)等措施，有效改善了局地?zé)岘h(huán)境，改造后地塊中7個(gè)柵格的熱環(huán)境指數(shù)均有所降低，其中，增加了小型綠地的B3單元熱環(huán)境指數(shù)降低最為明顯。在評(píng)估模型的量化導(dǎo)控下，可以有預(yù)見(jiàn)性地去改善場(chǎng)地尺度上的熱環(huán)境效應(yīng)。

圖9 C、G單元局部地塊影像Fig.9 The image of local plots in Units C and G

表5 調(diào)整方案前后指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparisons of indexes before and after plan adjustment

4 結(jié)束語(yǔ)

基于城市下墊面基本形態(tài)參數(shù)和物理幾何特征刻畫(huà)了沈陽(yáng)市四環(huán)內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)，運(yùn)用GIS空間分析、熱環(huán)境指數(shù)評(píng)估、熱環(huán)境空間單元?jiǎng)澐值确椒ㄌ接懥顺鞘锌臻g形態(tài)對(duì)城市地表溫度的影響機(jī)理，進(jìn)而構(gòu)建了城市熱環(huán)境效應(yīng)評(píng)估模型并提出了面向熱環(huán)境優(yōu)化的城市形態(tài)調(diào)控策略。主要結(jié)論如下：

1)研究區(qū)的地表溫度的高值區(qū)密集分布在二環(huán)內(nèi)及西部的于洪區(qū)，主要成因是老城區(qū)的建筑空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、植被綠量有限且群落結(jié)構(gòu)較為單一，中心區(qū)域及渾河南部的城市空間封閉度較高、渾河南部及青年大街沿線的高層建筑集聚且起伏度較大；低值區(qū)集中于四環(huán)的邊緣區(qū)及青年大街的北端—北陵公園，主要成因是建筑容積率較低，生態(tài)資源優(yōu)勢(shì)明顯，植物群落層次豐富且植被綠量大。

2)從相關(guān)性分析結(jié)果來(lái)看，城市地表溫度與柵格單元內(nèi)的植被群體冠層結(jié)構(gòu)、建筑容量與綜合形態(tài)特征三個(gè)方面的指數(shù)均有較強(qiáng)的相關(guān)性；在不同類(lèi)型指數(shù)中，分別以葉面積指數(shù)、建筑容積率、天空開(kāi)闊度的顯著性更明顯。

3)構(gòu)建的熱環(huán)境指數(shù)評(píng)估法，集成上述指標(biāo)并由指標(biāo)本身性質(zhì)客觀確定其權(quán)重，這充分體現(xiàn)了多種指標(biāo)耦合影響的結(jié)果和地表熱環(huán)境評(píng)估結(jié)果的客觀性，該評(píng)估方法能夠較好地表征熱環(huán)境分布現(xiàn)狀以及降溫調(diào)控潛力，通過(guò)熱環(huán)境分區(qū)調(diào)控的途徑能夠有效指導(dǎo)空間環(huán)境與熱環(huán)境的協(xié)同優(yōu)化。

如上所述，熱環(huán)境指數(shù)是熱環(huán)境評(píng)估的核心指標(biāo)，但當(dāng)前估算的結(jié)果還存在一些值得討論的空間：

1)以形態(tài)學(xué)參數(shù)為研究基礎(chǔ)，側(cè)重三維形態(tài)特征影響下的熱環(huán)境效應(yīng)，是在控制性詳細(xì)規(guī)劃階段對(duì)量和形態(tài)特征的探討，而對(duì)于用地類(lèi)型，排放特征和人為活動(dòng)等未在研究范疇。

2)為使該方法在城市規(guī)劃中更具通用性，未來(lái)的研究應(yīng)針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度、不同地域特征的城市的空間耦合關(guān)系做進(jìn)一步探討。