城市规划与城市热环境研究的结合途径探讨*

祁乾龙 孟庆林 董莉莉 任 鹏 QI Qianlong, MENG Qinglin, DONG Lili, REN Peng

0 引言

据《世界城市化展望》预计2050年全球城市化率将达到68%，其中九成增长发生在亚洲和非洲[1]。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告指出，2030—2052年间的全球平均气温将比工业革命前提升1.5°C[2]。近年来频发的城市高温灾害不断威胁着人居环境，并增加了人脑、肾以及心血管等疾病的风险[3]，解决城市过热问题已间不容发。

随着城市化进程的加快，我国展开了应对气候变化的规划实践探索，如中新天津生态城总体规划、中新广州知识城总体规划、北京长辛店低碳社区规划、上海世博园区生态规划等。同时，我国也相继发布了《绿色生态城区评价标准》[4]、《城市适应气候变化行动方案》[5]等政策性文件。

目前，城市热环境研究方向和技术手段日趋多样化，诸如结合气象站点（固定观测、流动观测）的城市空气温度场分布规律研究；利用地表温度（卫星影像、低空遥感）的城市热岛演化机制研究；基于人行空间（问卷调查）的热舒适性研究；针对城市形态（样本实验、软件模拟）的热环境参数化研究；围绕城市冠层内的能量平衡研究等[6-7]。

值得注意的是，虽然城市热环境的研究成果颇为丰富，但其较为抽象的研究结论难以应用于城市规划实践。加拿大学者奥克（Oke T R）[8]将城市气候研究划分为中尺度、局地尺度和微尺度，城市空间显著的异质性导致其对应的研究手段和方法也大相径庭。自英国学者霍华德（Howard L）[9]首次科学地定义城市热岛至今，学者们在城市热环境研究方面成果显著（表1）。

表1 城市不同尺度热环境研究特征Tab.1 characteristics of thermal environment at different scales

通过梳理不难发现，城市不同尺度热环境的研究特征与规划体系的设计要素紧密相关，但两者间缺乏系统的关联性研究和明确的设计结合方法。显然，如若在城市规划编制阶段合理地介入热环境研究，并且将热环境参数（太阳辐射、空气温度、风速、湿度等）及相关指标（热岛强度、热舒适指标等）与城市规划指标体系进行定量地结合，形成适用于城市规划编制的热环境设计流程链，可从本源上解决城市过热问题。

基于此，本文从方法层面和技术层面分别梳理了典型的城市规划热环境的应用研究，提炼出城市规划中涉及到热环境研究的关键问题，探讨了规划编制阶段的结合途径并提出相应的设计指标和评价指标，对今后的研究重点提出了建议。厘清城市规划与城市热环境研究的结合途径，为深化两者的互馈研究提供了条件，有助于完善城市规划编制在热环境方面的科学性，推进城市规划与热环境格局演变耦合机制的探索，为提升城市气候应变能力、营造适宜的人居环境提供可操作的建设优化途径。

1 城市规划热环境的应用研究

城市规划热环境的应用研究不仅可提高城市规划跨学科的解读能力，同时可为城市规划实践提供技术支撑。然而，城市热环境研究的理论成果与城市规划编制缺乏有效的结合途径，正是相关理论成果难以推广至规划实践的症结所在（图1）。为此，本文对传统的城市环境气候图、兴起的城市局地气候分区以及城市规划体系在热环境方面的技术应用进行了剖析。

图1 城市规划不合理导致的城市过热问题Fig.1 urban overheating caused by unreasonable urban planning

1.1 方法层面

1.1.1 城市环境气候图

20世纪70年代，德国学者马扎拉基斯（Matzarakis A）最早将气候学研究应用于斯图加特地区的城市规划[27]。城市环境气候图主要基于城市热环境、风环境和空气质量的评估分析，以城市气候分析地图和城市气候规划建议地图等方式呈现[28]。例如，香港地区利用固定观测、风洞观测、计算机模拟以及问卷调查等手段对城市环境气候图进行了精细化研究，并将其纳入《香港规划标准与准则》[29]。北京市利用城市气象站数据评估了城市热环境和风环境现状，并依据《北京城市总体规划（2004—2020年）》构建了城市气候规划建议图[30]。但因大多数城市气象站点的建站机制不够完备，气象数据质量和数量受限，致使城市环境气候图应用较难推广。

1.1.2 城市局地气候分区

针对复杂的城市空间进行合理分类是热环境研究的重要前提，奥克等[16]于2012年提出了城市局地气候分区（LCZ）的概念，强调气象参数与空间形态之间的耦合关系，旨在通过标准化的城市气候研究来描述各类用地（10类建设用地和7类自然用地）所具有的气候属性。我国广州[31]、南京[21]等地基于LCZ进行了相关的热环境研究，并验证了其适用性。虽然城市局地气候分区在城市热环境研究方面具有较强的普适性和先进性，但由于无法捕捉更为具体的城市空间气候特性，难以应用于尺度较小的城市规划。此外，如何在城市规划编制过程中有效地结合城市局地气候分区还有待深究。

1.2 技术层面

鉴于我国城市规划体系的各层次需求，诸多学者尝试以不同的研究手段分别从城市总体规划、城市详细规划、城市设计等层面对热环境进行讨论，以期通过定量的研究方法控制和优化城市热环境。

城市总体规划常采用中尺度气象模式（WRF）分析各项规划控制指标对城市整体热环境的影响，并预测在未来城市发展的热环境状况，然而较低的空间分辨率限制了其在中小尺度城市规划层面的热环境研究[32]。哈尔滨工业大学刘京等[33]通过简化城市区域热气候预测模型（UDC）对广州市某控制性详细规划进行了热环境评估，但其并未考虑水平湍流作用下地块之间的相互影响。华南理工大学孟庆林等[34]利用自主研发的城市气候评估软件（DUTE）对厦门市某修建性详细规划的热环境进行模拟分析，评估了各地块的热环境指标，并对高温区提出了优化设计建议。

诚然，关于城市规划热环境的应用研究取得了一定成果，但大多数缺少对城市规划编制阶段全面地探讨，且缺乏与设计专业的互馈机制。因此，研判和厘清城市规划中热环境研究所涉及的关键问题，探讨城市规划与热环境的结合途径对构建绿色生态城区，提高城市气候适应性，保证人居环境质量甚为重要。

2 城市规划热环境研究的关键问题

城市规划编制涵盖了城市空间布局、土地利用开发、环境容量控制、经济和社会发展等诸多方面。虽然控制空间形态、利用绿地和水体、营造自然通风、预估人为热等措施早已应用于应对气候变化的规划实践，但缺乏热环境参数（太阳辐射、空气温度、风速、湿度等）的定量应用，也未形成全面系统的热环境设计方法和评价指标，导致大量盲目设计带来的低效应用[35]。因此，本文将从多维度、多场景全面梳理城市规划与热环境的内在联系，厘清其中关联性和矛盾点，作为后续研究的基础（图2）。

图2 城市规划中热环境设计的关键影响因素Fig.2 the key factors of thermal environment design in urban planning

2.1 控制城市空间形态

近年来，应对气候变化为导向的城市规划已广泛应用，亟需多元的热环境参数来定量指导城市空间开发和建设，其中规划指标和几何形态直接影响城市热环境[36]。

2.1.1 规划指标

规划指标作为生成城市下垫面的重要依据，城市热环境不仅受到主要控制指标影响，也与相关衍生指标息息相关，如容积率、天空可视因子（SVF）、绿化容量、建筑密度、地面透水率、植物冠层覆盖度等。

容积率和SVF在日间对气温影响最大，而绿化容量在夜间影响最为显著[37]。绿化容量是指场地内全部绿化面积的占比，因此常作为高密度城市内多维绿化空间的表征。此外，建筑密度和地面透水率体现了城市下垫面的人工干预程度，建筑密度每增加10%，空气温度即会提升0.30~0.66 ℃[38]；而不透水地面的高储热性能导致每增加10%的面积，夜间气温则会提升0.74 ℃[39]。

高密度城市环境中，利用空间环境自遮阳一直被视为缓解热岛的高效措施。通过提高容积率、建筑密度和植物冠层覆盖度以削弱太阳辐射得热可降低日间热岛和提高热舒适性[40]。基于新加坡地区的长期观测，较高的绿化容量在夜间反而会阻碍长波辐射，影响城市散热[41]。

城市空间因地理差异和昼夜变化呈现不同的热环境特征，而依据规划指标对城市热环境进行优化，则需要全面地解析二者的内在关联，进而将其定量地融入城市规划编制。

2.1.2 几何形态

与抽象的规划指标不同，几何形态是城市物质环境构成的具体空间布局形式，不仅体现城市设计的主观意旨，同时具有显著的热环境特征。

SVF作为衍生指标用以判断城市空间环境的遮蔽程度，其几何意义直接影响着天空和地面之间的辐射交换。高密度城市具备较好的遮阳条件，较小的SVF能够提供较为舒适的城市热环境[42-43]。然而，以减小建筑间距获得较小的SVF，在风速较小的湿热地区热环境改善不明显[44]。因此，高密度城市空间虽然可以集约资源，但是否可以作为可持续城市的理想形态还有待考证。

街谷空间作为室外热环境的常见研究对象，奥克（Oke T R）最早指出0.4~0.6的街谷高宽比（H/W）可作为中高纬度城市街道的理想区间[45]。刘加平等[26]研究发现，西安所处的中纬度地区，当H/W为1.1时热舒适性最佳。而在热带草原气候的低纬度卡马圭地区，1.0~1.5的H/W可提供较为理想的街谷热环境[46]。由此可见，街谷空间作为由街道尺度和建筑高度构成的几何参数，需要结合当地的气候背景和局地环境寻求适宜的高宽比取值。

SVF和H/W可从不同角度描述城市具体的几何形态特征，与热环境的相关度超过90%[47]，应在城市详细规划和城市设计阶段将其作为控制和优化城市热环境以及热舒适性的主要设计指标。

2.2 利用城市生态冷源

植物蒸腾与水体蒸发作用产生的大量潜热改变了城市能量平衡，对于高度人工化的城市空间环境，绿地和水体均为高效的生态冷源，而混合利用“蓝绿空间”则可达到最佳的冷却效益[48]。

2.2.1 城市绿地

城市绿地的生态效益主要体现在植物蒸腾、遮挡辐射、调节通风、净化空气和减小径流等诸多方面，同时对降低建筑能耗具有积极影响。

城市绿地的规模、形态、植物冠层覆盖度、平均叶面积指数等是调节城市气候的主要因素。大规模的城市绿地最大冷却距离可达1.4 km，绿地内部与周边用地会形成0.6~2.8 ℃的平均温差，夜间最大温差可达4.8 ℃[49]。而研究表明，绿地规模小于10 hm2的局地降温效果有所降低[50]。

大尺度的城市绿地能够调节城市局地气候，然而绿地规模与城市开发之间的矛盾，对高密度城市如何高效利用有限的绿地空间提出了挑战。以香港地区为代表，微绿空间自身降温幅度可达2.4℃，为高密度城市内部有效的生态冷源[40]。此外，小型城市绿地还可对周边地块产生冷却作用，影响范围可延伸至自身宽度的0.5~1倍[51]，降低城市热岛可达4 ℃[52]。因此，如何界定城市小、微绿地的冷却潜能，对其科学布局和充分利用是缓解高密度城市过热问题的有效途径。

2.2.2 城市水体

水体具有较高的比热容和蒸发焓，可在城市内部可作为优质的热缓冲空间来应对城市过热问题。

城市水体的冷却距离平均可达0.74 km，降温效果平均可达3.32 ℃，降温效率为5.15 ℃/km[53]。 夏季午后，居住区内部的人工湖对周边环境具有2 ℃的降温，并且可以提高65%的风速[54]。

尽管小于25 hm2的小型水体未必会明显改善城市局地热环境，但是由于热场的割裂作用，多个小型水体会比单个大型水体的生态效益更加显著[55-56]。

水体作为城市中有限的自然形态存在，具有较强的生态敏感性。水体不仅受自身形状、面积、流动状态等物理特性的影响，而且与外部空间特征紧密相关[57]。植被覆盖度较高的滨水区具有显著的气候效应，当绿地宽度大于45 m时局地热环境最为理想[58]。同时，树木的遮蔽作用可显著改善滨水区日间热环境，而风速在夜间起更为主要的作用[59]。

然而，城市水体也并非是完美的生态冷源，较高的比热容会延缓散热进程，过渡季和夜间可能会出现水体温度较高的现象[60]。因此，解析滨水区规划指标和热环境的关联性，确定相关指标的合理阈值，以降低夜间水体的不利影响，实现全天水体生态效益的最大化。

2.3 营造城市自然通风

2.3.1 通风廊道

城市通风廊道主要利用山体、河道以及开敞空间缓解中尺度和局地尺度的城市热岛。目前，主要通过卫星遥感影和气象数据对通风廊道的规划选址、朝向控制、宽度设定等进行研究。研究表明，通风廊道应利用地表粗糙度较低的城市开敞空间，与主导风向夹角应在30 °左右[63]；城市主通风廊道尺度不应小于150 m，次级廊道宽度应大于80 m[64]。

目前，北京、西安、武汉等17个城市已相继开展了城市通风廊道的规划应用研究[65]。然而对于既有城市空间的存量规划，重点在于合理利用现有开敞空间构建城市通风廊道。此外，城市尺度的自然通风主要受主导风向影响，而局地尺度的风环境则与地理环境和局部气流紧密相关，需要对城市自然通风进行全面解析，方可有效改善城市热环境。

2.3.2 局地风环境

城市风环境指风压差和热压差形成的城市局部非机械通风，为缓解热岛效应、提高人体热舒适性、加快污染物扩散等的重要驱动力，其影响范围可延伸至研究区域一倍以上[66]。

与城市规划通风廊道不同的是，城市内部空间的局部风效应难以捕捉和控制，尤其在复杂的高密度城市空间内存在多样的风环境问题（如下冲风、峡谷风、静风等）[67-68]。虽然建筑密度超过50%时，空气的交换能力将开始减弱，但是不均匀城市肌理形成的风环境条件几乎可以达到均质空间形态的两倍[69]。因此，通过降低建筑密度、错落建筑高度、分散建筑布局等设计策略可显著提升街区10%左右的风速[70]。

此外，城市开敞空间可以营造稳定的局地风环境，城市绿地的热舒适度比硬质铺地提高一倍[71]。研究表明，倾斜于城市主导风向的街道空间布局对局地风环境最为有利[72]。

画师以简练且严谨流畅又干净的线条绘制了众多生动的形象，这些形象按不同身份，性格特征，和表情变化而刻画出不同的人物形象，做到多样而不雷同，线条的组织疏密有致，在刚柔相济的变化中创造了美丽和谐的装饰性效果，也正因此它与敦煌壁画产生较大的反差，因此在瓷画上用颜色釉创作时也应以线条为主，色釉为辅，构图更需要理性化和设计性构图，由于陶瓷表现的空间有限，对于大型壁画的创作就需要理性化的设计，使之与器型相吻合，产生和谐美，对点、线、面、形等造型要素，做出合理的布局，精确的安排。

基于热环境研究的城市存量规划应重点关注于热环境问题突出的老旧城区，充分挖掘现有开敞空间的通风潜力，构建城市的“呼吸系统”，营造优质的自然通风。

2.4 预估城市人为热

城市人为热主要由工业排热、交通排热和居民生活排热构成。人为热的研究方法分别有基于数据统计的源清单法，基于通量差值计算的能量平衡方程法，以及基于室内外热传递的数值模拟法[73]。

通过统计分析发现，城市人为热的空间分布规律与城市热环境紧密相关[74]，可导致日间城市热岛上升0.5~1.3 ℃，夜间上升1.0~3.0 ℃[75]。从城市人为热的构成来看，工业和交通排热可占总量的70%以上[76]。以广州为代表的发达地区，工业和交通排热甚至可分别高达55%和36%[77]。

城市人为热受到经济发展程度、城市政策管控以及生活生产模式等诸多社会因素影响，难以形成较为普适的预估手段。因此在规划设计过程中，需要重点关注潜在的城市热岛区域，通过控制区域人口规模、优化工业用地布局、预估民用能源消耗等措施应对城市高温的风险。

与城市规划相关的热环境问题涉及诸多方面，包括气候背景、地理环境等自然环境的差别和观测设备、模拟软件、分析工具等研究手段的区别，研究成果势必会存在差异，甚至结论相悖。因此，厘清城市规划设计内容与热环境因素的关联性，是探讨二者结合途径的基础，在绿色生态城区规划和气候适应性城市建设等实践层面具有重要的意义。

3 城市规划与热环境的结合途径

目前，我国对大气环境和声环境质量的评定都具有相关的法律依据和技术标准，而对日益凸显的城市热环境则鲜有涉及[78]，因此将热环境设计纳入城市规划编制迫在眉睫。一直以来，设计师方案更新和工程师技术分析的节奏难以实现同步，是造成城市规划与热环境结合途径阻塞的主要原因。以现有的技术手段，城市尺度热环境研究和分析所需的时间成本较大；而面对快速城市化的发展背景，城市规划显然需要更为高效的热环境设计流程[79]。

实现融合热环境设计的规划编制，前提条件是必须厘清关键问题并进行关联性专项研究，全面深入地解析城市规划要素对热环境参数的影响，从而得出便捷、可靠的简化模型或指标计算公式，作为参数化热环境的分析工具。

以上述解析成果为基础，可实现热环境设计和规划编制二者的有效结合，即城市规划编制的热环境设计流程链（图3）。在前期准备阶段，首先应确定城市规划所对应的热环境研究尺度，选择适用的技术手段，收集相关的基础资料。方案设计阶段依据概念方案进行参数化建模，调用简化模型或指标计算公式进行热环境解析，基于热环境评价指标生成设计指标的最优集。如若最优集无法满足规划师的设计需求，则对概念方案进行调整；如若最优集可满足规划师的设计需求，则在规划编制阶段加入经济技术指标和环境容量指标等优化目标进行全面评价，形成科学合理的规划成果。

图3 城市规划编制的热环境设计流程链Fig.3 the thermal environment design process chain of urban planning

由于城市热环境受到气候背景、地理环境、社会发展、传统文化等因素的影响，采取统一的指标评价不同地区、不同尺度的城市热环境势必会存有诸多不足。本文总结归纳了各级城市规划热环境设计的主要内容，作为今后相关研究的参考（表2）。以下将从城市总体规划、控制性详细规划、修建性详细规划三个层面，“关联性解析”和“适用性结合”两个维度进一步探讨城市规划与热环境的结合途径。

表2 各级城市规划热环境设计内容Tab.2 the thermal environment design of the urban planning at all levels

3.1 城市总体规划和分区规划

城市总体规划和分区规划主要系基于城市发展战略明确发展规模、功能分区以及土地利用形式等内容，中尺度的气象条件是其热环境表征的主要驱动力。由于涉及的空间尺度较大，规划内容也更为宏观、抽象，城市规划指标、自然生态空间、通风廊道、人口容量等均为研究重点。

3.1.1 关联性解析

针对典型气候的典型城市空间，利用WRF等中尺度气象模拟软件进行多场景模拟分析，研究不同城市规划指标、生态空间规模、通风廊道布局、人为热差异等对城市整体热环境的影响。分析并提取其中敏感性较高的规划指标或设计要素，提出热环境设计的单项简化预测模型或多元回归的指标计算公式，以应用于参数化寻优过程，提高计算效率。

3.1.2 适用性结合

城市总体规划和分区规划的前期准备阶段，首先提取规划方案的城市空间布局以及重点地块的用地指标，依据典型气象年数据对现有城市总体布局进行热环境分析，划定城市热岛突出的区域作为研究重点。方案设计阶段，对概念方案进行参数化热环境分析，以《国家生态园林城市标准（暂行）》和《绿色生态城区评价标准》推荐的2.5~3.0 ℃热岛强度作为评价指标，生成设计指标的最优集，最终形成相关的规划成果。

城市宏观层面的热环境设计是城市规划中气候适应性设计的重要环节，为城市详细规划提供科学引导。

3.2 控制性详细规划

控制性详细规划及城市设计在规划体系中是承上启下的关键，详细的规划指标可实现更加细致的热环境控制。

3.2.1 关联性解析

基于本地区的气候背景，对控制性详细规划所涉及的城市规划指标、空间形态、生态冷源、局地风环境等关键问题进行多场景研究。分析建筑密度、建筑高度、容积率、SVF、H/W、地表透水面积比、植物冠层覆盖、绿地率等设计指标在局地尺度层面对热环境的敏感性，将简化模型和计算公式应用于控制性详细规划的编制过程。涉及较大区域的规划研究建议使用以建筑群热时间常数（CTTC）为代表的集总参数法，发挥其计算速度优势，但模拟结果无法反应各地块间热环境的相互影响[80]。而对于中小尺度的规划研究则可采用计算流体力学（CFD）模型为代表的分布参数法，发挥其模拟精度的优势。

3.2.2 适用性结合

规划编制的前期准备阶段，收集上位规划的技术成果和气象资料等基础素材。方案设计阶段，可借鉴LCZ的用地分类特征对地块的规划指标进行概化，实现参数化热环境寻优分析，以《城市居住区热环境设计标准》推荐的1.5 ℃热岛强度作为评价指标[81]，获取局地尺度的设计指标最优集。通过对规划方案的全面评价，形成最终的规划控制指标和城市设计导则（可增加SVF、H/W、地表透水面积比、植物冠层覆盖度等气候设计指标）。

3.3 修建性详细规划

修建性详细规划及小尺度城市设计具有具象的城市空间形态，热环境研究主要关注城市各表面与空气间的相互能量传递问题，甚至可涉及建筑内部的绿色性能。

3.3.1 关联性解析

针对建筑群体和外部空间的具体形态、材质、植物配置和景观水体等微气候关键问题，利用CFD流体力学软件或ENVI-met微气候模拟软件对其进行关联性解析，并形成通风、遮阳、渗透与蒸发、绿地与绿化等方面的指标计算公式[81]，应用于修建性详细规划的编制。

3.3.2 适用性结合

基于典型气象日数据，对设计方案进行热环境分析。利用参数化平台调整建筑迎风面比、遮阳覆盖率、渗透面积比率、绿地率等设计指标，优化建筑形态和场地环境等具体设计要素。根据《民用建筑绿色性能计算标准》建议的1.5 ℃热岛强度和室外热舒适指标对规划方案进行评价优选。通过权衡设计意图和技术分析间的关联性，最终形成热环境合理的规划成果。

4 总结

面对气候变化对城市人居环境产生的威胁，城市规划设计阶段亟需与热环境研究进行有效地衔接，为城市规划编制、实施和管理提供重要的科学依据。本文科学界定了城市空间形态、生态冷源、自然通风以及人为热等关键问题对城市热环境的影响，并将其定量融入城市总体规划、控制性详细规划、修建性详细规划以及城市设计等各阶段的规划编制。

笔者认为，今后研究应关注以下几个方面。

第一，考虑用地之间热环境的相互影响。城市各类用地的热环境研究主要基于具有相似特征的城市空间自身展开，例如城市绿地、居住区和商业区等。然而，在通风和热交换等条件影响下，城市空间的异质性势必形成地块间热环境的相互作用，尤其是城市混合功能区以及下垫面具有显著差异性的城市空间。因此，考虑不同用地之间热环境的相互影响，有利于提高城市规划编制过程中热环境研究的准确性。

第二，发挥绿色开敞空间的生态效益。目前，城市发展已由“增量规划”转向“存量规划”，对于高品质人居环境的诉求也逐步提升。然而城市中大规模的“蓝绿空间”难以得到保证，如何在高密度城市语境下发挥绿色开敞空间的生态效益，需要更为科学合理的城市规划来引导。通过规划指标、空间布局、开敞空间三者之间的热环境定量研究可合理地应对上述挑战，同时也可以有效地回应我国当下“公园城市”的规划目标。

第三，提高城市热环境的描述能力。城市空间发展呈现多样化，其热环境的空间分布也日趋复杂。利用LCZ的空间形态和抽象的规划指标进行耦合，高效地描述城市空间的热环境。此外，对于生活模式的转变，城市空间在时间维度上呈现出显著的热环境差异。例如，由夜间经济所形成的城市商业空间，其夜晚热环境具有重要的研究价值。

第四，完善高效的优化设计平台。如今，结合城市规划的热环境应用研究多基于已有规划成果的评估分析，而因缺少高效的优化分析工具，导致设计阶段的优化研究较为缺乏。因此，以解决城市过热问题为导向的城市规划研究，应明晰控制目标、整合影响因素、量化规划指标，从而完善优化设计平台，以满足城市规划初期的方案设计需求。

图片来源：

图1-3：作者绘制

表1：作者依据文献整理

表2：作者绘制