一种整合室外空间行为的热暴露风险评估新方法

郭飞，董菁，郭若男

0 引言

全球气候变暖已经成为未来数十年人类面临的最大挑战[1-2]，其中极端高温已成为亚洲区域未来面临的最严重的隐患之一[3]。城市中心区因热岛效应、人员密集、活动频繁更容易受到高温热浪的威胁，在热浪极端天气条件下甚至会导致疲劳、发病、死亡等风险[4]。减轻热岛效应影响、降低热暴露风险、提高室外环境热舒适，已成为实现城市健康可持续发展面临的关键问题。

近年来，城市热环境研究与实践引起了全世界的广泛关注，我国也出台了《城市居住区热环境设计标准（JGJ286-2013）》等涉及城市热环境的相关设计标准[5]。热环境研究方法包括现场观测、遥感技术与数值模拟[6-13]。遥感技术可快速获取大范围地表温度特征，然而，由于人们的热暴露受到阴影、风速、湿度等因素影响，从遥感影像中得到的地表温度不能完全代表人们实际的室外热暴露，也无法检测出每日热暴露的时间变化[4]。此外，高温天气多发生在强日照条件下，此时热辐射是影响室外热舒适的主要因素[14]。已有研究多从降低热辐射的角度在精细的时空层面研究如何减轻城市高温热应力。其中，平均辐射温度是表征热辐射环境对人体热舒适影响最重要的气象参数之一，决定着人体能量平衡和室外热舒适[4]，其在短距离内也可以表现出显著的空间变化。例如，迈耶（Mayer）和霍普（Höppe）通过现场测量表明[15]，阳光直射的街道和附近有阴影的街道之间平均辐射温度差在下午高达30℃，而空气温度差小于3℃。这表明在复杂的城市环境中，平均辐射温度更敏感、更适合描述热舒适差异。托尔森（Thorsson）等人[16]也发现平均辐射温度能有效预测老年人热应力导致的死亡风险。因此，平均辐射温度在全球人类生物气象学研究中被广泛采用，用于炎热夏季热舒适和热应力强度的量化。

许多研究利用平均辐射温度评估热风险在复杂室外空间因素影响下的分布规律，如太阳轨迹[15]、建筑和植被阴影、表面材料、建筑形态、空间布局等[16-18]。然而这些因素均属于客观物理参量，缺乏对室外人群时空行为分布影响的考虑，导致热风险评估结果与实际主观感知产生偏差，降低了热风险缓解策略的有效性。鉴于此，提出了一种热暴露风险综合评估方法，将平均辐射温度客观参量与人群空间分布整合：采用SOLWEIG 模型模拟平均辐射温度，以平均辐射温度与持续时间积累值定义了热应力强度指数，叠加人群空间分布核密度，构建了热暴露风险综合指数，并给出了其分级方法和风险等级，绘制了热暴露风险地图。热暴露风险综合指数应用于“十四五大连理工大学校园规划”绿色校园专题成果，验证了其可行性，提升了规划缓解策略的经济性、有效性，体现了“以人为本”的规划理念。

1 平均辐射温度客观参量

1.1 SOLWEIG 模型简介

平均辐射温度利用SOLWEIG（Solar and Longwave Environmental Irradiance Geometry，太阳、长波及环境辐射几何模型）获取（图1）。SOLWEIG 善于模拟复杂城市环境[18-19]，基于霍普提出的三维监测方法[14]，计算复杂城市环境中6 个方向（东、西、北、南、上、下）的短波和长波辐射通量，估计角度系数（人体在每个方向接收辐射的比例）获取平均辐射温度。该模型基于ArcGIS 平台、以数字地表模型（DSM）和气象数据为主要输入数据，与城市规划和建筑设计衔接方便、通用性高，实现了高空间分辨率（1m）、动态模拟（时间分辨率可任意选择）、大尺度空间域的快速计算。SOLWEIG 与其他模型相比具有优势，例如ENVI-met[20]的整体模拟包过于耗时，RayMan[21]只能处理兴趣点，同时也是与实测拟合最准确的模型[18,22]，已在许多不同气候的城市得到了验证[14]。

1 平均辐射温度获取技术路线

1.2 SOLWEIG 模型验证

为验证SOLWEIG 模型的有效性，于2020 年7 月8 日一个晴朗的夏日，在大连理工大学校园内进行了三维辐射通量监测。实验选取了3 个测点，分别位于经济管理学院主楼西侧、开放广场、新大楼北侧树荫下（图2），用以评估SOLWEIG 模型在开放空间、树荫和近墙情况下的准确性。采用热指数仪（JTR10 WBGT）、小型自动气象站记录仪（HOBO H21-002）、温度记录仪（Onset HOBO U23-004）测量黑球温度、湿度、空气温度、风速以及太阳总辐射。各仪器每15 分钟自行记录一次，监测时间为10:45–17:15，遵循托尔森等人[23]提出的标准测量程序。根据SOLWEIG 操作说明以及热环境相关研究[14,18-19]进行SOLWEIG 模拟的输入数据和参数设置（表1）。

表1 SOLWEIG 边界条件设置，董菁绘制

2 测点实景与鱼眼照片

3 个测点的SOLWEIG 模拟值与实际测量值的拟合结果，相关系数为0.87，均方根误差RMSE 为4.27℃，显示出较好的一致性（图3）。在中午11:00–12:00 之间，由于建筑外墙反射的短波辐射较强，SOLWEIG 倾向于低估墙体附近的平均辐射温度，约为3.8℃；SOLWEIG 通常高估平均辐射温度约4.5℃，这可能与侧向长波辐射通量有关，这些结果与既有研究的结论一致[14]。整体来看，位于开放广场中心的测点由于受周边环境干扰小模拟效果最佳。在准确输入建筑和植被数据的情况下，SOLWEIG 可以较为精准地模拟各种城市环境中平均辐射温度的空间变化，用于获取城市空间中的平均辐射温度、评估热风险具有较好优势。

3 平均辐射温度模拟值与测量值拟合

2 暴露风险综合评估方法建构

2.1 热应力强度分级

托尔森等人[16]研究发现平均辐射温度大于55.5℃，高温引起的死亡率增加超过5%；大于59.4℃，死亡率增加超过10%。因此以55℃作为热应力的重要阈值，并引入辐射热应力强度指数（Radiant Heat Stress Intensity,RHSI）[14]，定义为所有日照时间平均辐射温度超过55℃的累积小时温差，用来评估热应力的动态变化效应：

式1 中，N 是总日照时数，Tmrt（i）是第i 个小时的平均辐射温度均值。

运用ArcGIS 标准分类方法的自然间断点分级法将热应力强度值分为高、中、低3 个等级。

2.2 人群室外空间分布分级

热应力强度分级揭示了高温胁迫的潜在区域，而热浪对室外环境的影响不仅取决于其强度、持续时间，还与暴露在热浪之下的人群空间分布密切相关。为有效地衡量人群分布和场地的使用情况，常采用直接观察、延时拍摄、视频录制以及无人机影像采集等方法[24]。其中，无人机观测将直接观察和视频录制相结合，捕获人群活动行为和空间使用特征的同时，可以将视频文件进行数据后处理。此外，无人机观测覆盖范围大，统计数据高效，时间成本低，具有显著的优越性[25]。结合所收集的人群空间分布数据，利用ArcGIS 核密度分析方法完成人口密度在空间中的插值，并将人口密度空间分布值分为高、低两个等级。

2.3 空间叠加综合评估

空间叠加评价[26]是将不同数据源、不同格式或性质的因子进行评分、整合及分级的一种评价方法，可获取多种因子综合影响下的空间要素分布，广泛用于城市环境或地理研究。因此，采用空间叠加评价法将热应力强度、人口密度分级两类指标进行综合，得到了涵盖人在室外空间行为因子的热暴露风险综合评估方法。利用ArcGIS 将人口密度分类与热应力强度分级图叠加，将热暴露风险结果划分为1、2、3级（表2）。

表2 热暴露风险分级方法，董菁绘制

2.4 大连理工大学校园案例

根据大连市历年统计年鉴，大连城市中心区年均温度呈明显上升趋势，升高速率为3.45℃/100 年[27]。夏季极端高温天气频发，气温极值屡次打破历史记录，热岛效应逐渐增强[28]。为了在气候变化背景下提升校园环境舒适度，将热暴露风险综合评估方法应用于大连理工大学“十四五绿色校园专项规划”。选择大连典型气象日2018 年8 月2 日（高温热浪日，最高气温36.6℃）模拟平均辐射温度。

建筑、植被以及地形的DEM 由机载激光雷达数据生成，分辨率为1m（图4）。SOLWEIG 参数设置同表1。根据输入的DSM 数据、气象数据、地表特征和大连的地理位置，使用人体表面投影系数0.22（东、西、北、南方向）和0.06（上、下方向）计算站立或行走的人的平均辐射温度值[14,18-19]。从模拟日9:00–16:00（太阳辐射峰值时间段），每小时进行一次模拟。

4 研究区数字高程模型

人群室外空间分布数据采用大疆精灵 PHANTOM 4 RTK 无人机获取（图5）。为避免视线遮挡按照从东到西扫描，结合现场观察、利用ArcGIS 核密度分析得到人口密度分布。

5 无人机影像采集

3 结果与分析

3.1 平均辐射温度时空分布

根据2018 年8 月2 日9:00–17:00 逐时平均辐射温度空间分布（图6）及其统计值（表3），在高温热浪日的11:00–15:00 平均辐射温度普遍较高。11:00 太阳辐射较强（869.4W/m2），且气温较高（＞34℃），部分区域的平均辐射温度超过62℃。而在阴影区域，平均辐射温度为35℃；随着气温增加和太阳辐射增强（1000W/m2），平均辐射温度在12:00 达到峰值64.6℃。超过55℃的区域位于校园各个公共广场或缺少遮蔽的开敞空间。为了研究不同环境下平均辐射温度的校园内差异，计算了9:00–17:00 的平均值（图7）。结果表明，除待建区外，校园最高平均辐射温度为60.6℃，位于西部校区中心广场。平均辐射温度高于55℃的区域包括西部校区新体育场、东部校区体育场、海山楼广场、77 足球场、主楼广场、中心食堂东侧广场等。这些区域从9:00–17:00 持续受到太阳照射，从天空接收到较多红外和太阳辐射，同时也接收地面反射的红外辐射。

表3 气温、太阳辐射、平均辐射温度逐时模拟结果统计值，董菁绘制

6 平均辐射温度逐时分布图

7 平均辐射温度均值场（9:00-17:00）

综上，不同校园环境对局部热辐射影响起着重要作用。在广场等相对开放的校园环境中，无遮挡的广场通常具有较高的平均辐射温度，其次是建筑东南侧空间。建筑的北侧和西侧空间平均辐射温度往往较低，特别是有植被时；与南北向相比，东西向街道峡谷温度较高，尤其是在峡谷的阳光照射面附近。

3.2 热暴露风险综合评估

校园的热应力强度指数范围为0～51.04℃·h，通过自然间断点分级法将其分为3 个热应力等级：低热应力（RHSI ≤12.41）、中热应力（12.41 ＜RHSI ＜32.83）、高热应力（RHSI ≥32.83）（图8）。

8 热应力强度指数分级

室外人群空间分布结果显示（图9），人群对热环境具有感知和自我行为调节能力，一些热应力较高的空间使用频率会较低，如航天实验楼东侧和海山楼广场（图7 中7 号地点、8 号地点等）。但一些空间的功能性质决定了在高热风险条件下仍有较高的使用率，提升了其热风险等级：主要有西部大型开敞空间和东北部教学楼广场；中南部区域师生必经的校园生活区、教学区、体育活动区等。结果对精准确定校园环境缓解策略、有效降低热暴露风险提供了重要依据。叠加人口密度与热应力强度分级得到的热暴露风险综合分级地图（图10），将校园划分为重点、重要、一般改造区3 类策略区（表4）。

表4 热风险缓解策略，董菁绘制

9 人口密度分布

10 热暴露风险综合评估地图

3.3 热暴露缓解策略

综合考虑到可行性、时效性、经济性，主要可采用构筑物遮阳、植被遮阴以及路面、屋面太阳辐射反射等被动式降温策略。构筑物遮阳在不影响通风和冬季日照时长前提下，主要利用亭、廊、遮阳棚架等。植被遮阳利用其树荫和蒸腾作用改善热环境，以乔木为主。考虑到植物对建筑采光的可能影响以及生长的可持续性，结合植被种类（如银杏、悬铃木等校园常见树种）、种植规则（经济性、分组排列等）进行在地化设计；硬化地面可采用透水表面材质等减少太阳辐射的吸收和储存，如采用绿地、水面、绿色屋顶，或采用浅色铺装材料，提升反照率减少太阳辐射吸收。

进一步针对重点改造区西部校区中心广场提出了微更新式缓解策略。该广场由于建成年代新、建筑和绿化遮蔽少，但有综合教学楼、图书馆等重要建筑，人员密度大、使用率高。在提供更多的遮阳设施的同时如何兼顾校区其他功能，是确定缓解策略的重要考虑。我们结合中心广场的校园公交站点进行一体化遮阳棚设计（图11）。新公交站颜色与校区建筑色彩风格相协调，采用可回收材料工字钢、不锈钢等为骨架，再生材料废旧集装箱铁皮、木塑百叶相结合为主要装饰材料。L 形布局可分别提供东西、南北向的遮蔽，顶棚部分用白色混凝土板提高反照率、减少得热，构架部分做成镂空形式，兼顾遮阳、通风和视线需求。

11 西部校区中心广场（1级热暴露风险区）公交站一体化遮阳棚设计

4 结论

城市化与全球气候变暖导致越来越多的城市居民暴露在频繁的高温或极端热浪中。在此背景下，如何准确获取室外热暴露风险的空间分布，对精细化制定缓解策略、最大限度地减少城市高温的负面影响具有重要意义。利用大连夏季气候条件下的现场测量结果验证了SOLWEIG 模型的有效性，以平均辐射温度强度与持续时间积累值定义了热应力强度指数，叠加人群空间分布核密度分析，构建了一种热暴露风险综合新指数，并给出了其分级方法和风险等级。结果表明：

（1）在大连夏季条件下SOLWEIG 模型计算准确性较高，与实测数据拟合关系达到0.87，RSME 达到4.27；

（2）2018 年8 月2 日热浪天气下12:00 大连理工大学校园平均辐射极值达到64.67℃，最高平均辐射温度为60.6℃，远超55℃的高风险阈值，出现于西部校区中心广场；

（3）人群对热应力具有感知和自我行为调节能力，高热应力会降低部分室外空间使用频率，但仍有部分空间使用率不受热应力影响，需要重点关注；

（4）空间叠加评估法获取的热暴露风险综合评估结果的精准性、有效性和可用性得到提升，1 级风险区为西部校区中心广场，2 级风险区为中心食堂东侧广场等处。

整合平均辐射温度与人群空间分布的热暴露风险综合评估方法，显著减少了热环境评估结果与室外空间主观需求和实际使用频率之间的偏差，解决了现有平均辐射温度客观参量方法难以体现人群时空分布特征的问题，提升优化设计策略的精准性、有效性和经济性，在“以人为本”理念下实现成本可控、最大限度提升室外热舒适度、减少气候变暖背景下高温热浪带来的负面影响。未来仍需要通过人群行为的细致监测，将城市热环境客观定量评估结果与人群主观行为特征紧密结合，进一步提升室外热暴露风险综合评估方法的精细化和准确性。□