夏熱冬冷氣候城市公共空間熱環(huán)境季節(jié)特征

趙 靜，劉蔚巍，皇甫昊，鄧啟紅

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083）

夏熱冬冷氣候城市公共空間熱環(huán)境季節(jié)特征

趙 靜，劉蔚巍，皇甫昊，鄧啟紅

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083）

城市公共空間熱環(huán)境是影響人們熱舒適程度的重要因素。夏熱冬冷氣候城市公共空間的熱環(huán)境在一年內(nèi)會發(fā)生很大變化。在長沙市內(nèi)選擇3個典型公共空間（街道、公園和廣場）進(jìn)行長期熱環(huán)境參數(shù)實測實驗。通過對不同季節(jié)3個實測點的空氣溫度、相對濕度、黑球溫度和風(fēng)速4個重要熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，獲得夏熱冬冷氣候城市公共空間的全年熱環(huán)境特征。研究結(jié)果表明：自然氣候決定了城市熱環(huán)境的基本特征，而城市物理結(jié)構(gòu)是引起室外局部熱環(huán)境發(fā)生改變的重要因素；受植物（喬木）和水體（湘江）的影響，沿江街道在全年大部分時間中空氣溫度顯著較低，相對濕度較高，太陽輻射較弱；廣場溫度較高，太陽輻射較強(qiáng)。

熱環(huán)境；城市；公共空間；熱舒適

近年來中國城市化進(jìn)程迅速，城市不斷發(fā)展的同時，城市人口日益增多。城市公共空間，如公園、廣場等，是人們在城市開展室外活動的重要且有限的場所。隨著城市用地日趨緊張，如何提高城市公共空間的利用率，為城市居民業(yè)余生活提供理想的活動場所，已成為各地政府和人民關(guān)注的重要問題。

城市公共空間的熱舒適性是影響其利用率的關(guān)鍵因素［1－4］，而人們的熱舒適程度主要取決于所處的熱環(huán)境。目前針對室外熱環(huán)境的研究，主要有兩種方法：數(shù)值仿真與實測分析。高芬［5］建立CFD城市數(shù)字模型，研究城市的熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境以及舒適度等狀況；羅慶等［6］針對建筑室外熱環(huán)境模擬研究中對物理模型過于簡化的問題，提出一種基于數(shù)字圖像分析的室外熱環(huán)境模擬方法；Robitu等［7］，Lin等［8］通過CFD數(shù)值模擬，分析植被、水體對城市微氣候的影響；Fahmy等［9］，Ali-Toudert等［10］利用 ENVI－met軟件分別模擬城市熱環(huán)境狀況，街道峽谷的高寬比和街道方向?qū)κ彝鉄崾孢m的影響。然而數(shù)值模擬的結(jié)果與實際結(jié)果存在一定偏差［11］。與數(shù)值模擬方法相比，實測分析提供直接且更為可靠的熱環(huán)境數(shù)據(jù)。近年來，學(xué)者們進(jìn)行了一系列室外熱環(huán)境實測研究：李成［12］，Yan等［13］實測分析綠化對周圍熱環(huán)境的降溫增濕作用；胡深等［14］，Lin等［15］分析不同的地面材質(zhì)對室外熱環(huán)境的影響；Xu等［16］對公園中的水景與其周圍熱環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行了研究；Johansson等［17］測量分析不同形式的街道峽谷周圍的熱環(huán)境狀況。前述研究主要以單一物理結(jié)構(gòu)因素為研究對象，還有一部分研究以公共空間［18－26］為研究對象，實測分析了周圍物理結(jié)構(gòu)因素對局部熱環(huán)境的影響。

中國夏熱冬冷氣候城市四季氣候差異較大，公共空間熱環(huán)境在一年中變化較大，而目前對于夏熱冬冷地區(qū)城市熱環(huán)境的研究較少。本文對夏熱冬冷城市（中國，長沙）3個典型公共空間的熱環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、風(fēng)速）開展長期現(xiàn)場實測實驗，在此基礎(chǔ)上對其全年熱環(huán)境特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果對于從熱舒適角度合理設(shè)計城市公共空間具有一定的參考價值。

1 研究方法

1.1 公共空間熱環(huán)境現(xiàn)場實測

1.1.1 時間與地點 城市公共空間熱環(huán)境長期實測實驗在湖南省長沙市開展。長沙氣候?qū)儆诘湫偷南臒岫涮卣?，一年中氣候變化明顯，四季分明。同時，長沙作為省會城市近年來發(fā)展迅速，城市結(jié)構(gòu)的變化對城市熱環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響。本文選擇沿江街道、橘洲公園、白沙廣場3個典型公共空間進(jìn)行長期局部熱環(huán)境現(xiàn)場測量。這3個公共空間在周圍水體、植物、建筑高度和密度、下墊面材質(zhì)方面有著較大差異。測試地點與實景如圖1所示。沿江街道測點布置在街道中心，附近種植多種喬木和灌木，地面為麻石材質(zhì)；與湘江水平距離約15 m，垂直高度約7 m，東靠湘江中路，街道對面高層建筑居多。橘洲公園位于湘江江心，測點布置在公園內(nèi)草坪中央，四周空曠無遮擋，植被多以草坪為主。白沙廣場地處勞動西路與芙蓉中路（長沙城區(qū)主干道）交匯處，測點布置在廣場中心，周邊高樓林立，廣場地面采用混凝土材質(zhì)，周圍幾乎無植物。

本文在公共空間的現(xiàn)場實測長期（17個月）進(jìn)行。第1階段基礎(chǔ)實驗時間段：2012年3月到2013年2月。此外根據(jù)第1階段實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)2012年3月—7月各實測點樣本量不平衡，為提高實驗結(jié)果反映氣候特征的準(zhǔn)確性，根據(jù)實驗樣本的分布情況補充了部分氣候條件下的實驗。這部分補充實驗時間為2013年3月—7月。期間，根據(jù)室外天氣情況，每月外出實驗6 d（9：00—18：00），部分地點測量從10：00開始。本實驗共進(jìn)行了91 d實測。

圖1 測試地點分布及實景

1.1.2 測量方法 測量的熱環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度、風(fēng)速、相對濕度以及黑球溫度。溫度、風(fēng)速和相對濕度采用美國Kestrel 4500移動式小型室外氣象參數(shù)測量儀測量，黑球溫度由法國KIMO黑球溫度計測得。所用儀器的型號、量程以及分辨率等如表1所示。實驗儀器均由三腳架固定在成人重心高度（1.1 m），空氣溫度、風(fēng)速和相對濕度每1 min自動記錄1次，黑球溫度每5 min人工記錄1次。

表1 實驗儀器

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文各測點的熱環(huán)境數(shù)據(jù)不是在整個實測時期進(jìn)行逐日連續(xù)測量。為更充分地反映全年不同季節(jié)的熱環(huán)境特征，需根據(jù)實測數(shù)據(jù)得到各測點處熱環(huán)境參數(shù)在實測期間（2012年3月到2013年7月）的逐時值。本文采用的方法如下：

1）選擇合適的氣象站點作為參考點，其氣象數(shù)據(jù)可反映該城市的自然氣候特征。本文參考點為長沙市黃花機(jī)場附近的氣象站點。該站點位于長沙遠(yuǎn)郊（見圖1），周邊熱環(huán)境受城市建設(shè)影響很小。

2）建立實測點與參考點之間熱環(huán)境參數(shù)的定量關(guān)系。由于參考點提供的氣象數(shù)據(jù)為每天整點逐時數(shù)據(jù)，本文將各測點處溫度、濕度與風(fēng)速的實測整點逐時值（9：00—18：00）與相應(yīng)時期的參考點處的整點逐時值（從氣象網(wǎng)站下載［27］）進(jìn)行一元線性回歸，得出二者之間的變化關(guān)系。圖2為參考點處的溫度與相對濕度隨四季的變化情況。

3）獲得實測點熱環(huán)境參數(shù)在全年的逐時值?；趨⒖键c全年的氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用前述建立的定量關(guān)系，通過計算得到實測點處的全年熱環(huán)境參數(shù)值。

由于參考點的氣象數(shù)據(jù)中沒有黑球溫度，為與溫度、濕度等數(shù)據(jù)處理保持一致，便于分析數(shù)據(jù)獲取規(guī)律，本文實測點處黑球溫度采用整點實測值。同時，實測點與參考點的風(fēng)速值相關(guān)性較差，且風(fēng)速隨時間變化很大，分析逐時每分鐘風(fēng)速結(jié)果規(guī)律很不明顯，故風(fēng)速也采用整點實測值。本文的現(xiàn)場實測均是在每個季節(jié)具有代表性的天氣條件下開展，因此實測值也可較好地反映實測點處不同季節(jié)的熱環(huán)境特征。

圖2 參考點空氣溫度與相對濕度的季節(jié)性特征

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣溫度特征

季節(jié)劃分采用氣候?qū)W廣泛應(yīng)用的候溫法。各實測點與參考點之間空氣溫度（小時平均值）的線性關(guān)系如表2所示。從表2給出的決定系數(shù)（R2）可知，二者之間具有很好的線性關(guān)系。

根據(jù)前述數(shù)據(jù)處理方法，不同季節(jié)各實測點空氣溫度的日變化（逐時平均值）如圖3所示。

圖3 不同季節(jié)各實測點空氣溫度（均值）日變化規(guī)律

表2 各實測點與參考點空氣溫度的線性關(guān)系

各實測點處平均空氣溫度的季節(jié)差異明顯。一方面，空氣溫度在夏季最高，冬季最低，春季稍高于秋季；另一方面，白天（9：00—18：00）的溫度變化程度在春、夏季較大。然而，空氣溫度的日變化趨勢在四季相同：早晨9：00溫度最低，下午15：00左右達(dá)到最高值，然后逐漸降低。

不同實測點之間的空氣溫度特征有明顯差異，主要體現(xiàn)在：1）街道溫度低于公園和廣場，尤其是在春季和夏季；2）廣場溫度在夏季和冬季明顯高于公園和街道；3）廣場溫度的變化程度（最低與最高平均溫度之差）最大，而街道與公園變化程度較為接近。

2.2 相對濕度特征

如表3所示，不同季節(jié)各實測點與參考點的相對濕度（小時平均值）具有良好的線性關(guān)系。

表3 實測點與參考點相對濕度線性關(guān)系

基于表3的線性關(guān)系，獲得的各實測點處相對濕度在四季的日變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同季節(jié)各實測點相對濕度（均值）日變化規(guī)律

據(jù)圖4，各測點處平均相對濕度的季節(jié)差異較小。其日變化趨勢與空氣溫度相反：早晨9：00最高，在15：00左右達(dá)到最低值。

各測點之間的相對濕度差異隨季節(jié)變化明顯。在春季和夏季，廣場相對濕度明顯低于街道和公園，而在冬季，公園的相對濕度最低。秋季3個實測點之間的相對濕度非常接近。

2.3 風(fēng)速特征

各實測點風(fēng)速的日變化規(guī)律如圖5所示（結(jié)果為實測值）。

由圖5可見，各實測點平均風(fēng)速的季節(jié)差異并不大，而且無明顯的日變化規(guī)律，在1 d內(nèi)會有較大波動。各實測點風(fēng)速的差異在夏季較為明顯：大部分時間內(nèi)，街道的風(fēng)速最低，公園風(fēng)速稍高于廣場。

圖5 不同季節(jié)各實測點風(fēng)速（均值）日變化規(guī)律

2.4 黑球 空氣溫差特征

本文實驗并沒有直接測量太陽輻射強(qiáng)度。黑球溫度能有效反映周圍熱輻射影響，而在室外環(huán)境太陽輻射是最主要的輻射因素。因此，黑球溫度與空氣溫度之差可反映太陽輻射強(qiáng)度（文獻(xiàn)［28-29］的研究也采用此指標(biāo)）。二者之間的差值越大表明太陽輻射越強(qiáng)。

圖6給出了各實測點的黑球 空氣溫差（實測值）。

根據(jù)圖6，各實測點處黑球 空氣溫差在夏季最大，冬季最小，春季稍高于秋季。但是，其日變化趨勢在春季、秋季和冬季相同：先增大后減小，在下午13：00左右達(dá)到最大值，18：00降低到最小值。夏季，公園的黑球 空氣溫差則呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

6 不同季節(jié)各實測點黑球 空氣溫差（均值）日變化規(guī)律

不同實測點之間的黑球 空氣溫差特征有明顯差異，主要體現(xiàn)在：1）在四季，街道的黑球 空氣溫差明顯小于公園和廣場，而公園的溫差稍高于廣場；2）街道黑球 空氣溫差的變化程度（最小與最大溫差之差）最小，而公園與廣場接近。

3 討 論

由前述研究結(jié)果可知：作為影響城市室外熱環(huán)境的關(guān)鍵因素，自然氣候決定了整個城市熱環(huán)境的基本特征。從圖2可見，長沙的自然氣候呈現(xiàn)典型的夏熱冬冷特征，夏季平均溫度最高可達(dá)29.3℃，而冬季平均溫度最低可至7.5℃，但濕度的四季變化較小。受這一自然氣候的影響，本文選取的3個城市公共空間的熱環(huán)境與自然氣候具有相似的季節(jié)特征：空氣溫度夏季高冬季低、差異明顯，而相對濕度的四季差異不大（見圖3、4）。表2、3所示的較高的線性回歸方程決定系數(shù)值（R2）也表明這3個城市公共空間熱環(huán)境與參考點反映的自然氣候具有很好的一致性。

另一方面，本文研究結(jié)果表明：城市物理結(jié)構(gòu)是引起室外局部熱環(huán)境發(fā)生改變的重要因素。3個城市公共空間的溫度、相對濕度和風(fēng)速與自然氣候均有差異。尤其是風(fēng)速，由于城市公共空間附近建筑物的阻擋，與參考點處的風(fēng)速值無顯著相關(guān)性，差異較大。不同的物理結(jié)構(gòu)還導(dǎo)致這3個公共空間的熱環(huán)境差異明顯。植物和水體（湘江）的降溫加濕作用使得沿江街道空氣溫度最低、濕度較高，而高大樹木對陽光產(chǎn)生有效遮擋使其太陽輻射強(qiáng)度最弱。廣場地面沒有植被覆蓋（水泥地面），無高大樹木和水體，因此其空氣溫度在夏季遠(yuǎn)高于街道，太陽輻射強(qiáng)度也較高。處于湘江中央的公園受水體以及植被（草地）的影響，在部分季節(jié)空氣濕度較高，溫度較低，而由于沒有高大樹木，太陽輻射強(qiáng)度較高。Yan等［13］研究表明植物可有效緩解夏日高溫，Xu等［16］指出夏季水體對周圍熱環(huán)境的降溫加濕作用，這與本文研究結(jié)果一致；另外其它氣候地區(qū)的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)了植物、水體、建筑等物理因素對室外熱環(huán)境的作用［17，23-26］。

城市公共空間熱環(huán)境的差異會導(dǎo)致其利用率的不同。以本文的街道和廣場實測點為例。夏季高溫時，由于街道處溫度較低，且太陽輻射較弱，吸引眾多市民來此休閑。相反，由于廣場處溫度較高，太陽輻射強(qiáng)，休閑市民寥寥無幾。因此，從人體熱舒適角度看，城市公共空間的設(shè)計應(yīng)針對當(dāng)?shù)刈匀粴夂蛱卣?，采用合適的物理結(jié)構(gòu)因素（植物、水體、建筑等），實現(xiàn)對公共空間局部熱環(huán)境的合理調(diào)節(jié)，緩解不利氣候條件的沖擊，為市民營造舒適的熱環(huán)境，提高公共空間的利用率。

4 結(jié) 論

對長沙市3個典型公共空間（街道、公園和廣場）的熱環(huán)境進(jìn)行長期實測，基于此分析不同季節(jié)的熱環(huán)境特征。

1）自然氣候決定了整個城市熱環(huán)境的基本特征。3個城市公共空間熱環(huán)境與參考點反映的自然氣候具有較高的一致性。

2）城市物理結(jié)構(gòu)是引起室外局部熱環(huán)境發(fā)生改變的重要因素。不同的物理結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致3個公共空間的熱環(huán)境存在較為明顯的差異。

3）受植物（喬木）和水體（湘江）的影響，沿江街道在全年大部分時間中空氣溫度顯著較低，相對濕度較高，太陽輻射較弱；而廣場溫度較高，太陽輻射較強(qiáng)。

4）城市公共空間的設(shè)計應(yīng)針對當(dāng)?shù)刈匀粴夂蛱卣?，利用合適的物理結(jié)構(gòu)因素（植物、水體、建筑等），實現(xiàn)對公共空間局部熱環(huán)境的合理調(diào)節(jié)。

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（編輯 呂建斌）

Seasonal Characteristics of Thermal Environment in Urban Public Space of the Urban in Hot-summer and Cold-winter Region

Zhao Jing，Liu Weiwei，Huang Fuhao，Deng Qihong

（School of Energy Science ＆ Engineering，Central South University，Changsha 410083，P.R.China）

Thermal environment in urban public space is considered as an important factor affecting thermal comfort of human beings.In the whole year，thermal environment in public space of the city in hot-summer and cold-winter zone changes dramatically，which has an effect on human thermal comfort.In this study，three typical public spaces including street，park and square of Changsha were selected for a long-term experiment of thermal environment.Based on the analysis of four significant thermal environment parameters-air temperature，relative humidity，global temperature and wind speed，seasonal characteristics of thermal environment in urban public space were obtained.The results show that the characteristics of urban thermal environment are determined by natural climate，while the physical structure of a city has essential impact on the changes of local outdoor thermal environment.Affected by plants（trees）and water（Xiangjiang river）air temperature of the street along the street is much lower，relative humidity is higher and solar radiation is weaker in most of the year.Compared to the street along the river，air temperature of the square is higher and solar radiation is stronger.

thermal environment；urban；public space；thermal comfort

TU119＋.4

A

1674-4764（2014）05-0055-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.05.009

2013-12-18

國家自然科學(xué)基金（51208512）；中南大學(xué)升華育英人才計劃資助項目（2012）

趙靜（1988-），女，主要從事室外熱環(huán)境研究，（E-mail）jingxinxiao＠163.com。

劉蔚?。ㄍㄓ嵶髡撸?，副教授，碩士生導(dǎo)師，（E-mail）wliu＠csu.edu.cn。