基于城市环境气候图的沈阳中心城区热负荷格局研究

高莺 蒋明卓/ GAO Ying, JIANG Mingzhuo

1 引言

城市环境气候图（Urban Climatic Map，简称UCMap）是一个以规划应用为目的的气候地图系统，是在对城市气候环境信息分析与评价的基础上，利用二维空间展现气候现象和现存问题的工具（任超 等，2012）。城市环境气候图的雏形最早始于1970年代的德国（Baumüller J. et al.，1999），此后许多国家相继开展了相关研究，如日本针对城市热岛效应开展了东京都23区的城市热环境研究，并绘制出热环境气候图（TMG，2005），香港针对高密度城市形态与混合土地利用的情况开展了高密度城市环境气候图的研究（Ng EY，2012）等，城市环境气候图的研究方法和技术手段也随之日趋成熟。

城市环境气候图的绘制建立在对一系列气候气象数据、地形地貌信息、城市规划要素等的综合分析与叠加之上（Ren C et al.，2011；袁磊 等，2016），其基础研究内容主要包括两个方面，即城市热环境和城市风环境，在环境气候图中的典型术语为“热负荷”和“风流通潜力”。本文针对城市热负荷格局的研究，即更多地借鉴了城市环境气候图中关于城市热环境的相关研究方法。

沈阳市是我国东北地区重要的中心城市，在东北地区的整体区域发展和老工业基地振兴等方面发挥着举足轻重的作用。近年来，随着城镇化的快速发展，沈阳市的城市建设用地不断扩张，绿地、水系等自然景观用地被大量吞噬，城市热岛效应不断蔓延且日益严重（殷红等，2011）。城市热环境的变化受到人口、土地利用、建筑环境等多方面因素的影响，本文通过对沈阳中心城区热负荷空间分布格局进行分析，并在此基础上探讨其优化价值，从而为城市热环境的优化决策提供参考依据。其中作为研究对象的沈阳中心城区，包括京哈高速和沈阳绕城高速所环绕的三环以内区域，面积为447.96km2。

2 热负荷影响因子的选取与分级

“热负荷”的概念来源于热力学，在城市热环境领域中指的是城市特定区域内储存或释放热量的强度。与之对应，热负荷影响因子即指城市中具有一定热储存能力和热释放强度的元素的集合。城市空间区域内的热负荷影响因子可以分为3组，即热环境变化影响因子、潜在降温因子、城市热岛因子。作为热环境状态分析的指标，热负荷影响因子的等级划分对热负荷空间格局具有至关重要的作用，本文采用的是生理等效温度法（Physiological Equivalent Temperature，简称PET），即通过综合考虑多种环境参数及人体参数进行人体热舒适评估，从而将各影响因子与人体舒适度相结合（Höppe P.，1999）（表1）。

2.1 热环境变化影响因子

热环境变化影响因子包括地形高程、建筑密度、地表粗糙度、人口密度和土地利用5个要素（表2）。

（1）地形高程。在竖向空间区域内，气温会随着高度的增加而逐渐降低，因此地形高程是影响城市热负荷格局的重要因素之一。本文研究的地形信息来源于DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）数据，将其划分为4个等级：0～50m，50～75m，75～100m，100m以上，分别赋值为2，0，-1，-2。

（2）建筑密度。建筑是城市释放人为热量的主要载体，建筑密度不仅影响人为热量的释放强度，还会通过对风流通潜力的作用间接影响城市热环境。本文研究的建筑密度基于对遥感影像数据的计算，采用标准差方法将建筑密度分为4个等级：＜ 30%，30%～40%，40%～50%，＞ 50%，分别赋值为-1，0，1，2。

（3）地表粗糙度。地表粗糙度是反映地质表面起伏变化情况以及受侵扰腐蚀程度的地质学指标，其对热负荷的影响主要表现在对太阳辐射的反射、对地表通量和土壤热交换的作用，以及对区域气流的阻隔等方面。本文研究的地表粗糙度基于对DEM数据的计算，以地表下垫面长度作为指标，划分为4个等级：0.0～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0，分别赋值为0，0.5，1，2。

表1 热负荷影响因子及其基本信息

图1 城市空间热负荷格局的分析流程

（4）人口密度。人口的集聚必然会伴随各类建筑和城市基础设施的建设以及人为释放热量的增加，从而影响城市热环境。本文研究的人口数据来源于全国第六次人口普查统计结果，将人口密度分为7个等级（单位：人/km2）：＜ 2000，2000～5000，5000～10 000，10 000～20 000，20 000～30 000，30 000～40 000，＞ 40 000，分别赋值为-3，-2，-1，0，1，2，3。

（5）土地利用。城市的土地利用格局关乎城市各类功能要素的组合，进而影响能源消耗、人工热量释放等行为。本文研究的土地利用信息来源于对遥感影像的解译，根据不同用地类型的热负荷影响能力，将土地利用类别分为8个等级：居住用地、商住用地、商业用地、工业用地、仓储用地、绿地、水系、其他用地，分别赋值为2，2.5，3，4，1，-3，-2，1。

2.2 潜在降温因子

沈阳中心城区所涵括的潜在降温因子包括城市绿地系统和水体系统两个层面，无论从功能属性还是物候变化的角度，二者对周边区域的温度都具有显著调节作用。

研究区域的绿地、水体信息来源于对遥感数据的解译和计算，根据植被覆盖度将绿地降温因子划分为3个等级：＜ 30%，30%～50%，＞ 50%，分别赋值为-1，-2，-3；根据下垫面长度将水体降温因子划分为两类，即河流和湖泊，分别赋值为-3和-1。

表2 热负荷影响因子分级与赋值

2.3 城市热岛因子

城市热岛分布是反应城市热环境状态与特性的重要指标之一，对城市热负荷格局分析具有重要参考价值。本文研究区域的热岛分布信息来源于地表温度反演结果，采用标准差方法分别将夏季和冬季的地表温度值划分为5个等级，其中夏季热岛因子的热负荷影响值由高温到低温分别为3，2.5，2，1.5，1，冬季热岛因子由高温到低温分别赋值为 -0.5，-1，-1.5，-2，-3。

3 沈阳中心城区热负荷格局及其空间分布特征

3.1 热负荷格局的生成

热负荷格局的分析流程具体包括以下3个步骤：首先，对研究区域的热负荷影响因子进行提取和分类，判别各影响要素的等级划分；其次，根据各影响因子的热环境影响能力，采用PET法进行标准化量化处理，并通过ArcGIS平台生成单因子热负荷格局；最后将不同类型的热负荷因子进行叠置，导出城市空间热负荷格局分析图（图1）。

热负荷格局分析参考了香港和台湾高雄市的环境气候图制作经验，采用以500m×500m为单位的栅格图形式，将研究区域划分为1820个单元，可以满足总体规划层面的热环境问题分析与规划策略制定的需求，虽然该精度存在一定的误差，但经相关实践检验后被认为是可以接受和忽略的（任超 等，2012）。

图2 沈阳中心城区热负荷格局的生成

为了更加直观地表达研究区域的热负荷空间分布状况，为规划设计提供易于理解的分析结论，本文参考日本东京都关于热环境气候图的研究成果和实践经验，分别将两个季节的热负荷格局划分为5个等级，每个等级的划分标准既考虑了热负荷强度和人体感官舒适度，又涵括了相应的热环境气候特征。值得注意的是，沈阳在我国建筑气候分区中属严寒地区，因此热负荷高的区域在夏季为热环境高敏感区，而在冬季则相反（图2，表3）。

3.2 热负荷格局的总体分布特征

通过沈阳中心城区夏季和冬季的热负荷格局等级区划（图2）的对比分析，可以看出两个季节的热负荷状况呈现出较为相似的空间分布特征。总体而言，沈阳中心城区的热负荷等级在呈离心扩散式分布的同时还表现出西部略高于东部、北部略高于南部的特征，热负荷等级较高的区域主要集中在中部和西部。

将两个季节的热负荷格局等级区划图与沈阳中心城区发展现状进行叠加分析，可以看出热负荷格局的等级分布与城市开发强度、土地利用性质、交通结构体系均存在不同程度的相关性。首先，热负荷等级由高到低的变化过程与城市开发强度由强到弱的空间分布存在明显的正相关特征，如开发强度最大的中街商圈在夏冬两季均表现为最高等级的热负荷分布。其次，土地利用性质对热负荷等级分布具有明显的影响，以商业或商住用地为主的区域热负荷等级普遍较高，而以绿地、河流等为主的区域大多形成较低等级的热负荷格局。第三，交通结构体系对热负荷等级分布具有一定的调控作用，平行于季风风向且尺度较大的交通空间易形成较好的通风环境，从而间接产生降温效应，如青年大街，而垂直于季风风向或布局紧凑的交通空间往往形成相对较高的热负荷格局，如保工街。

此外，热负荷格局的等级分布还与建筑布局形态、基础设施布点等存在一定的关系，例如以云集广场为中心的建筑群多以围合式布局为主，内向封闭的空间易降低区域风流通潜力，从而形成相对较高的热负荷格局；而沈海热电厂作为大型能源基础设施，其运营释放的巨大热量使该区域的热负荷格局与周边形成了鲜明的对比。

表3 沈阳中心城区热负荷格局的等级划分及其气候特征

3.3 高敏感空间分布特征

所谓热负荷高敏感空间，是指夏季热负荷等级最高和冬季热负荷等级最低的空间，这类具有相对极端性的区域是城市热环境问题的主要症结所在，也是城市热环境优化的主要针对目标。

图3 沈阳中心城区热负荷高敏感空间分布

通过沈阳中心城区发展现状与热负荷高敏感空间分布（图3）的叠加分析可以看出，有4类区域易形成夏季热负荷高敏感空间：商业空间或具有一定规模的公共交流场所；大体量或异形建筑（群）集中布局的区域；密度较高或布局杂乱的中小尺度街区；重要的能源基础设施（如火电厂）、交通枢纽（如火车站和汽车站）、能源工矿企业周边等。同时，易形成冬季热负荷高敏感空间的区域包括以下几类：建筑尺度较小、密度较低、布局分散的区域；大尺度的开敞空间、文物保护单位、公园、水体；未开发或正在开发的大片区域；宽度较大的交通性干道交汇空间或大尺度的环岛等（图4）。

4 沈阳中心城区热负荷格局的优化价值分析

基于沈阳中心城区夏季和冬季的热负荷格局等级区划，参照价值论的相关研究内容，结合城市发展建设指标及其对热环境的影响，本文将热负荷格局的优化价值分解为“格局重塑能力”、“优化成长潜力”和“效益盈利能力”3个层面进行对比分析。

4.1 夏季热负荷格局的优化价值分析

从沈阳中心城区夏季热负荷格局等级区划图中可以看出，在5个等级的热负荷分区中，一级和二级热负荷分区（即高敏感区和中敏感区）大多分布在研究区域的中部和西部，主要为城市的高密度建设区域。该区域在聚集了大量的建筑、稠密的人口和复杂的基础设施的同时，还包含了较多的人工不透水下垫面和较少的潜在降温因子。鉴于此类区域复杂的客观环境和多方利益博弈的限制，对其进行空间格局的变革相对困难，加之核心区的集聚效应仍不断增强，因此该区域的格局重塑能力和优化成长潜力都相对最低。然而正是由于高附加值的土地和相对恶劣的气候环境，使其热环境优化效益的盈利能力较高。

三级和四级热负荷分区（即低敏感区和非敏感区）在整个研究区域内的分布较为零散且具有多样性特征，包含了不同比例的居住区、工业区和商业区。三级热负荷分区主要以中低密度的多层居住建筑为主，其中分布在城市高密度中心区的居住建筑由于土地价值和多方利益限制，格局重塑能力和优化成长潜力均较低，但位于周边区域的建筑限制因素较少，其格局重塑能力和优化成长潜力均较高，因此综合来看，三级热负荷分区的格局重塑能力和优化成长潜力为中。四级热负荷分区主要以南部集聚的工业区、少量居住区和闲置用地为主，格局重塑能力较高，但正是由于分布在城市边缘的部分对核心区热环境格局的整体影响较小，因此其综合优化成长潜力为中。从效益盈利能力来看，三级热负荷分区的优化对改善人居环境和中心区热负荷格局具有重要意义，因此效益盈利能力为高；而四级热负荷分区大多集聚在南部区域，且已具有良好的热环境自我调节能力，其优化的效益盈利能力较低。

五级热负荷分区属于高价值区，覆盖区域包括低密度居住区、绿地、水体、以及文物保护单位等，具有良好的热负荷自我调节能力和较强的格局重塑能力。该类区域在研究范围内分布较为均匀，且大多呈集聚状态（除中部为点状分布外），其热环境优化对相邻区域的热负荷格局具有强大的调控作用，加之涉及的利益相关者较少，优化投入成本低，因此优化成长潜力和效益盈利能力均为高。

4.2 冬季热负荷格局的优化价值分析

与夏季热负荷格局分区相似，研究范围内的高密度建设区域（中部和西部）在冬季热负荷格局区划图中仍以一级、二级和三级热负荷分区为主，然而不同的是，对于处于我国建筑气候分区中严寒地区的沈阳而言，这三级热负荷分区在冬季属于热环境敏感度较低的区域。

冬季热负荷格局区划中的一级和二级热负荷分区（即高价值区和非敏感区）主要分布于城市或组团级的中心区域，尽管复杂的客观条件和多方利益限制使其格局重塑能力为低，较少的区域覆盖面积和相对分散的分布使其优化成长潜力也较低，但良好的区位和高附加值的土地仍然提高了该类分区热环境优化效益的盈利能力。而三级热负荷分区（即低敏感区）则较为均匀地分布于整个研究范围内，其中位于中部和西部高密度建设区域中的部分由于复杂的客观环境，格局重塑能力和优化成长潜力均较低，而分布于核心区外围的部分限制因素相对较少，其格局重塑能力和优化成长潜力均较高，因此三级热负荷分区的综合格局重塑能力和优化成长潜力为中。此外，由于三级热负荷分区具有较大的覆盖面积和均匀集聚的分布状态，因此其热环境优化效益的盈利能力为高。

四级和五级热负荷分区（即中敏感区和高敏感区）除在城市核心区内有少数的点状零散分布外，大部分集中在核心区周边或城市边缘地带，涉及的相关利益群体较少，格局重塑能力较高。虽然该类分区在冬季严寒气候下的热环境条件相对较差，但四级热负荷分区所覆盖的面积最大，涉及的城市人口和功能要素较多，其热环境优化对整个城市的热负荷格局具有重要意义，因此优化成长潜力和效益盈利能力均为高；而考虑到五级热负荷分区覆盖的面积较小，且位置较为边缘，其优化成长潜力和效益盈利能力均较低。

5 结论及规划建议

作为城市环境气候理论的有机组成部分，热负荷格局的研究为区域热环境优化及相应的城市规划设计提供了具有指导性的参考依据。本文基于城市环境气候图的研究方法，生成了沈阳中心城区夏季和冬季的热负荷格局等级区划，并在此基础上探讨了其空间分布特征和优化价值。

从分析结果可以看出，同一区域在不同季节的敏感度以及在不同标准下的价值判断可能截然相反，因此在规划设计中需要进行综合考量。例如对于夏季热负荷高、中敏感区域，由于格局重塑能力和优化成长潜力均较低，对其进行大范围的空间变革相对困难，加之该区域包含了大部分冬季热负荷高价值及非敏感区，因此不适宜规划大尺度降温设施，应在协调多方利益的基础上，以局部增加组团级别的小型热环境调节设施为主，并结合物理降温等优化技术，同时在组团及建筑群布局时考虑季风影响，注重冬季建筑保温性能设计。而夏季热负荷高价值区域的格局重塑能力、优化成长潜力、效益盈利能力均较高，适合形成区域性的热环境调节基础设施，应结合周边热负荷现状，优化其渗透及辐射调节能力；同时考虑到该区域覆盖了冬季高、中敏感区的大部分，因此建筑组团宜采用集中布局，并注重冬季防风设计。

图4 易形成热负荷高敏感空间的典型区域（来源：百度地图）

然而由于城市建设的复杂性以及涉及利益群体的多样性，在实际规划设计操作中还需要结合具体情况，参考区域热负荷格局现状及价值评估，进行微气候模拟，在改善自身状况的同时兼顾区域热环境优化，而此过程中如何寻求多方利益的博弈、兼顾权重时序的发展、辨明优劣轻重的均衡，仍是今后需要深入研究的重要内容。