城市局地热气候预测及热岛效应缓解策略

宋晓程，刘 京，2，林姚宇，刘 琳，王 丹

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨;2.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，150090哈尔滨;3.哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳市城市规划与决策仿真重点实验室，518055广东深圳)

一直以来城市热岛问题备受人们关注.大量研究分析表明，城市热岛效应的分布特征与城市下垫面的结构形态密切相关［1］，是热岛效应问题研究的重点和难点.研究方法也由过去单一的实地观测［2］发展到遥感成像［3］、数值模拟［4］等结合的多样化研究.

目前国内局地城市热岛效应问题中涉及空间风场和温度场的数值模拟以CFD模拟的应用尤为广泛.但是CFD模拟在局地城市热气候问题研究方面存在计算容量要求高，长期动态模拟计算周期较长等问题.针对长期动态热岛效应问题，CFD模拟较难发挥其精确捕捉计算域内三维空间场分布的优势.而城市冠层模型不拘泥于城市内复杂的布局，弥补了CFD模拟的缺陷，通过对冠层内的热质交换计算研究城市高温化的成因，得到越来越多的推广和应用［5］.然而国内采用冠层模型研究局地城市热岛效应的相关研究较少，且缺少具体定量分析.

基于以上背景，本文采用课题组研发的多用途建筑区域热气候预测模型和软件，以深圳国际低碳城核心启动区为对象，在夏季最热月情况下对该区域的夏季热环境进行了长期动态模拟，研究其局地城市热岛效应及改善策略.

1 研究方法

1.1 多用途建筑区域热气候预测模型

多用途建筑区域热气候预测模型由多个模块互相耦合构成，考虑了城市大气热力、动力特性和各种城市下垫面热物性对城市热气候的影响.模型还可根据需要，模拟实际城市区域尤其是大型城市综合体(由居住、办公、商业金融、文化娱乐、学校等各用途类型建筑共同构成的多功能建筑群落)中不同建筑负荷、设备性能并存以及和城市热气候之间相互作用的复杂情况.为维持这些建筑的室内环境，需要将内部负荷通过空调制冷系统排至室外.而人工排热量影响室外热气候，从而反过来又影响建筑内部负荷.因此本模型考虑了多用途类型建筑并存的城市区域实际情况，针对各用途类型建筑采用不同的内部负荷逐时变化规律、空调制冷系统的形式和安装位置等机制，考虑不同用途建筑排热对区域内部热气候的影响差异.

多用途建筑区域热气候预测模型和软件的主要结构示意见图1.

图1 多用途建筑区域热气候预测模型软件结构示意

相应计算模块简介如下:

局地气候计算模块基本方程式参照近藤等提出的城市冠层理论并进行了适当修改［6］，对于建筑群之间及其上部的空气块，只考虑垂直方向的温度、风速和含湿量分布变化.

室内外热湿负荷模块 包含了居住、办公、商业金融、文化娱乐、学校等各种类型的建筑，要注意的是，不同类型建筑内部的负荷逐时变化规律、空调制冷系统的形式、安装位置等都存在明显差异，对区域内部热气候的影响也就不同.本模式中考虑了多功能类型建筑并存的城市区域实际情况［7］.

下垫面-大气间热过程模块实际的城市区域内除建筑表面外，还存在大量各类型下垫面.这些下垫面通过不同形式与大气间进行热量和水分等物质能量交换，从而极大影响了城市区域内的热气候和风环境.本模型中考虑了不透水人工表面(如建筑外表面、混凝土路面等)、土壤、绿地(草地及树木)以及自由水面等常见的下垫面形式［8］.

太阳辐射计算模块本模型利用的是光线追踪法(ray tracing method).当区域内存在树木时，树木对太阳辐射具有衰减作用.本研究中假设这种衰减作用与辐射波长以及入射角大小无关，则衰减程度将只是光波通过树冠距离的函数.

热舒适性计算模块本研究采用新标准有效温度SET*作为室外舒适性指标［9］.该指标不同于其他根据主观评价统计得到的舒适性计算方法，而是以人体生理反应模型为基础，通过分析人体与周围空气间的传热过程导出的.通过冬夏季室外实测和问卷调查方法对各种现有舒适性指标的适用性进行了比较，SET*被认为是最为合理科学的室外动态舒适性指标之一［10］.具体建模时，利用Gagge的二节点模型来描述人体在非稳态温度或风速环境中的热反应.同时认为人体与周围环境之间的辐射换热(用室外平均辐射温度表示)由两部分组成:人体与不考虑日射辐射的室外环境之间的辐射换热加上太阳直射辐射被吸收的部分.后者通过采用蒙特卡洛法求得人体与室外建筑、路面以及天空之间的角系数后进行太阳辐射计算［9］.室内SET*温度区间划分及其与人体热舒适的对应关系见表1.

模型中各模块的具体计算方法、设定依据及验证详见文献［7-9］.在该计算模型基础之上，课题组开发出方便用户操作使用的多用途建筑区域热气候预测软件，从而进行城市区域热气候的长期动态预测与评价.

表1 SET*和热感觉对应关系［11］

1.2 城市热岛强度评价

城市热岛强度是指城市与其附近郊区之间的空间平均温度差值.但这个笼统的概念根据研究者的关注点不同而涵盖了多样化理解和认知.其结果也因“附近郊区”、“天气状况”和“时间轴”等因素的选取而各异.在“附近郊区”地理位置确定情况下，通常在晴朗无风天气条件下，针对研究对象比较不同时间段，如天、月、季和年等热岛效应.热岛强度通常采用最大热岛强度和平均热岛强度进行对比分析.如《国家生态园林城市标准》规定城市热岛效应程度采用城市市区6～8月日最高气温的平均值和对应时期区域腹地(郊区、农村)日最高气温平均值的差值表示，相当于最大热岛强度的定义思路;而《绿色建筑评价标准》则采用住区室外日平均气温差值表示热岛效应程度，相当于平均热岛强度的定义思路.基于上述研究理念，本研究中以计算区域1.2 m处空气温度作为不同区域的空气代表温度，采用以下两种热岛强度的评价方法［12］:

1)最大局地热岛强度

式中:Tu1.2max为城市内部计算区域日空气温度最大值，Tr1.2max为对应时期区域腹地(郊区、农村)内1.2 m处日空气温度最大值，t0为计算初始时刻，t1为计算终了时刻．

2)平均局地热岛强度

式中:Tu1.2为城市内部计算区域1.2 m处空气温度逐时值，Tr1.2为对应时期区域腹地(郊区、农村)内1.2 m处空气温度逐时值，t0为计算初始时刻，t1为计算终了时刻．

2 局地热岛效应现状模拟

2.1 计算条件

本研究以深圳市国际低碳城核心启动区为研究对象，该区域占地面积约1平方公里，建筑类型各异，区域建筑面积规划包含了工业建筑(76.3%)、居住建筑(8.4%)、商业建筑(2.5%)和学校类文化建筑(15.5%)等四类，具体土地利用现状图见图2.根据地方相关建筑节能设计标准［13-14］，设定上述类型建筑的用能和人为热排放情况具体内容.屋顶绿化暂时未考虑.除建筑排热外，城市交通产生的汽车废热排放也必须考虑.本研究选择深圳地区全年最热的7～8月的4周时间作为计算期间.逐时气象数据来源于中国气象局信息中心与清华大学建筑技术科学系联合开发的气象数据库［15］.

图2 启动区土地利用现状

为研究现状条件下炎热夏季该区域的热岛强度，设定两个算例:

1)工况1——实际工况，对应于启动区目前实际的下垫面构成和城市人为排热情况，反映该区域热气候现状，具体下垫面构成见表2.

2)工况0——基准工况，以深圳市周边郊区现状作为实际工况的对比算例.具体下垫面构成见表3.

表2 工况1下垫面构成

表3 工况0下垫面构成

2.2 计算结果分析

图3为计算期间工况1与工况0对应日最高气温及最大局地热岛强度变化图.按照计算的典型月结果推算，计算期间内工况1的日最高气温平均值为31.51℃，工况0的日最高气温平均值为30.24℃.按照式(1)可得该区域最大局地热岛强度值约为1.27℃，低于《国家生态园林城市标准》给出的2.5℃限值.

图3 工况1与工况0对应日最高气温及差值

图4为计算期间内工况1与工况0对应日平均气温及平均局地热岛强度变化图，按照计算的典型月结果推算，计算期间内工况1全天平均气温为28.43℃，工况0全天平均气温为27.19℃.按照式(2)可得该区域平均局地热岛强度为1.24℃.深圳市气象局采用同样的指标(仅郊外气象站的位置选择有所不同)实测发布的夏季平均城市热岛强度为1.17℃［16］.这说明:1)数值模型预测结果可信;2)总体上该区域的热岛强度处于深圳市的平均偏高水平.对比图3可以看出，最大局地热岛强度值更多体现气温在最热的极端情况下的城郊气候差异;而局地热岛强度值则反映的是全天气温城郊气候的平均差异.二者有联系但又有区别，对本研究对象来说，平均局地热岛强度值低于最大局地热岛强度值.

图4 工况1与工况0对应日平均气温及差值

3 缓解热岛强度策略分析

3.1 缓解策略

本研究拟通过调节城市下垫面构成，以增加“良性下垫面”(如水体、树木、草地等)覆盖率，减少人工不透水下垫面的方法探讨进一步降低局地热岛强度的方法.具体调节工况计算条件见表4.

表4 调节工况计算条件

与表1中给出的工况1相比，工况2首先有意识地减少了不透水人工表面覆盖率，在可能范围内分别提高了树木、草地和水体覆盖率;工况3在工况2基础上进一步降低不透水人工表面覆盖率，提高树木覆盖率;工况4采用与工况3同样的不透水人工表面覆盖率，但减少水体表面覆盖率，提高草地覆盖率.

3.2 缓解效应结果与分析

图5为各调节工况对应的最大局地热岛强度值.与实际工况(工况1)相比，各调节工况对应的热岛强度值均有所下降，其中工况3对应值最低(约为1.10℃)，比工况1降低0.17℃左右.考虑到宏观尺度的气候规模，0.17℃已经是非常明显的效果.可以看出，对下垫面构成进行有效规划和合理配置，可在一定程度上降低热岛强度.工况4的热岛效应值略高于工况3，说明在白天气温较高的时段，相对于草地而言，利用水体降温的效果更好.其主要原因在于，研究对象中的“良性下垫面”，尤其是水体部分具有热容量大，蓄热能力强的特点，其面积的增加对抑制白天最高气温效果最为明显.

图6为各调节工况对应的平均局地热岛强度值.可以看出3个调节工况同样起到了缓解热岛现象的作用.与上述最大局地热岛强度计算结果相似，工况3的平均局地热岛强度数值最低(约为1.12℃)，比工况1降低了0.12℃.进一步分析白天和夜间不同时段，可以发现对应于3个调节工况，白天平均热岛强度和夜间平均热岛强度相比于工况1也都有不同程度的降低，且工况3降低的数值也是最多的;可见，良性下垫面比率的增加对缓解平均局地热岛强度同样起到明显的效果.

图5 各工况最大局地热岛强度值对比

图6 各工况平均局地热岛强度值对比

同时，对比白天和夜间的平均局地热岛强度，发现夜间热岛强度值要高于白天热岛强度值，主要原因在于城市内部下垫面白天积蓄的热量在夜晚扩散，使得夜间的气温比郊区要高，进而导致夜间的平均局地热岛强度高于白天.该结果得到了大量现场实测的印证.

图7给出了各工况对应的SET*区间的时间长度比率．其中横坐标对应表1中SET* 区间的划分，每个区间对应不同的人体热感觉，纵坐标为计算周期内各SET*温度区间所对应的时间累计值占总时间长度的比率．4个工况的SET*值都集中在25.6～37.5℃;并且相对于工况1，3种调节工况在超过30℃(感觉热不适)的时间长度比率均有不同程度下降;工况2、3、4相比于工况1超过30℃的时间长度比率分别下降了2.2%、3.7%和4.6%.而感觉相对舒适的比率区间(25.6～30.0℃)相对于工况 1则分别升高了 2.2%、3.7%和4.6%;由此可见，与前文局地热岛强度的结论有所不同，工况4在改善热舒适性方面具有更好效果，即草地覆盖率的适当增加更能有效地提高室外环境舒适度.其原因主要在于，热岛强度反映的是城郊空气温度的差异，而人体的热感觉与热舒适则与太阳辐射、温度、相对湿度、风速等多种室外环境因素相关.本研究中，工况4相比于工况3对于室外局地热舒适的综合调节作用更加明显.

4 结论

1)以深圳市国际低碳城核心启动区为对象，利用多用途建筑区域热气候预测模型预测的区域最大局地热岛强度值约为1.27℃，平均局地热岛强度为1.24℃，略高于深圳市气象局实测发布的2012年夏季平均城市热岛强度1.17℃.

2)最大局地热岛强度值体现白天最热极端情况下的城郊气候差异，平均局地热岛强度值则反映城郊全天气温平均差异.按照这两种指标衡量的研究区域热岛强度值均处于适中水平.对比白天和夜间不同时段的平均局地热岛强度，夜间热岛强度值高于白天热岛强度值.

3)无论采用最大局地热岛强度值或者平均局地热岛强度值，均可发现增加“良性”下垫面覆盖率可不同程度地降低热岛强度，其中水体和树木覆盖率的作用最为明显，其次为草地.另外，适当增加草地覆盖率能更有效地提高室外环境舒适度.

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