夏熱冬冷氣候城市公共空間熱環(huán)境季節(jié)特征

摘要：

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(huì)發(fā)生很大變化。在長(zhǎng)沙市內(nèi)選擇3個(gè)典型公共空間（街道、公園和廣場(chǎng)）進(jìn)行長(zhǎng)期熱環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)不同季節(jié)3個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的空氣溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度和風(fēng)速4個(gè)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(shí)間中空氣溫度顯著較低，相對(duì)濕度較高，太陽(yáng)輻射較弱；廣場(chǎng)溫度較高，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：

熱環(huán)境；城市；公共空間；熱舒適

中圖分類號(hào)：

TU119+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2014）05-0055-06

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）

Abstract：

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.

Key words：

thermal environment； urban； public space； thermal comfort

近年來中國(guó)城市化進(jìn)程迅速，城市不斷發(fā)展的同時(shí)，城市人口日益增多。城市公共空間，如公園、廣場(chǎng)等，是人們?cè)诔鞘虚_展室外活動(dòng)的重要且有限的場(chǎng)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(dòng)場(chǎng)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(duì)室外熱環(huán)境的研究，主要有兩種方法：數(shù)值仿真與實(shí)測(cè)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(duì)建筑室外熱環(huán)境模擬研究中對(duì)物理模型過于簡(jiǎn)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(duì)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(shí)際結(jié)果存在一定偏差^[11]。與數(shù)值模擬方法相比，實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)研究：李成^[12]，Yan等^[13]實(shí)測(cè)分析綠化對(duì)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(duì)室外熱環(huán)境的影響；Xu 等^[16]對(duì)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(cè)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(duì)象，還有一部分研究以公共空間[18-26]為研究對(duì)象，實(shí)測(cè)分析了周圍物理結(jié)構(gòu)因素對(duì)局部熱環(huán)境的影響。

中國(guó)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(duì)于夏熱冬冷地區(qū)城市熱環(huán)境的研究較少。本文對(duì)夏熱冬冷城市（中國(guó)，長(zhǎng)沙）3個(gè)典型公共空間的熱環(huán)境參數(shù)（空氣溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度、風(fēng)速）開展長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)其全年熱環(huán)境特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果對(duì)于從熱舒適角度合理設(shè)計(jì)城市公共空間具有一定的參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 公共空間熱環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

1.1.1 時(shí)間與地點(diǎn) 城市公共空間熱環(huán)境長(zhǎng)期實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)在湖南省長(zhǎng)沙市開展。長(zhǎng)沙氣候?qū)儆诘湫偷南臒岫涮卣鳎荒曛袣夂蜃兓黠@，四季分明。同時(shí)，長(zhǎng)沙作為省會(huì)城市近年來發(fā)展迅速，城市結(jié)構(gòu)的變化對(duì)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(chǎng)3個(gè)典型公共空間進(jìn)行長(zhǎng)期局部熱環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。這3個(gè)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(cè)試地點(diǎn)與實(shí)景如圖1所示。沿江街道測(cè)點(diǎn)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(duì)面高層建筑居多。橘洲公園位于湘江江心，測(cè)點(diǎn)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(chǎng)地處勞動(dòng)西路與芙蓉中路（長(zhǎng)沙城區(qū)主干道）交匯處，測(cè)點(diǎn)布置在廣場(chǎng)中心，周邊高樓林立，廣場(chǎng)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(chǎng)實(shí)測(cè)長(zhǎng)期（17個(gè)月）進(jìn)行。第1階段基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段：2012年3月到2013年2月。此外根據(jù)第1階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)2012年3月—7月各實(shí)測(cè)點(diǎn)樣本量不平衡，為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映氣候特征的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣本的分布情況補(bǔ)充了部分氣候條件下的實(shí)驗(yàn)。這部分補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2013年3月—7月。期間，根據(jù)室外天氣情況，每月外出實(shí)驗(yàn)6 d（9：00—18：00），部分地點(diǎn)測(cè)量從10：00開始。本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了91 d實(shí)測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文各測(cè)點(diǎn)的熱環(huán)境數(shù)據(jù)不是在整個(gè)實(shí)測(cè)時(shí)期進(jìn)行逐日連續(xù)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到各測(cè)點(diǎn)處熱環(huán)境參數(shù)在實(shí)測(cè)期間（2012年3月到2013年7月）的逐時(shí)值。本文采用的方法如下：

1）選擇合適的氣象站點(diǎn)作為參考點(diǎn)，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(diǎn)為長(zhǎng)沙市黃花機(jī)場(chǎng)附近的氣象站點(diǎn)。該站點(diǎn)位于長(zhǎng)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(shí)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間熱環(huán)境參數(shù)的定量關(guān)系。由于參考點(diǎn)提供的氣象數(shù)據(jù)為每天整點(diǎn)逐時(shí)數(shù)據(jù)，本文將各測(cè)點(diǎn)處溫度、濕度與風(fēng)速的實(shí)測(cè)整點(diǎn)逐時(shí)值（9：00—18：00）與相應(yīng)時(shí)期的參考點(diǎn)處的整點(diǎn)逐時(shí)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(diǎn)處的溫度與相對(duì)濕度隨四季的變化情況。

3）獲得實(shí)測(cè)點(diǎn)熱環(huán)境參數(shù)在全年的逐時(shí)值?；趨⒖键c(diǎn)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(jì)算得到實(shí)測(cè)點(diǎn)處的全年熱環(huán)境參數(shù)值。

由于參考點(diǎn)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(shí)測(cè)點(diǎn)處黑球溫度采用整點(diǎn)實(shí)測(cè)值。同時(shí)，實(shí)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)的風(fēng)速值相關(guān)性較差，且風(fēng)速隨時(shí)間變化很大，分析逐時(shí)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(diǎn)實(shí)測(cè)值。本文的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均是在每個(gè)季節(jié)具有代表性的天氣條件下開展，因此實(shí)測(cè)值也可較好地反映實(shí)測(cè)點(diǎn)處不同季節(jié)的熱環(huán)境特征。

各實(shí)測(cè)點(diǎn)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(shì)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(shí)測(cè)點(diǎn)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(chǎng)，尤其是在春季和夏季；2）廣場(chǎng)溫度在夏季和冬季明顯高于公園和街道；3）廣場(chǎng)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(duì)濕度特征

如表3所示，不同季節(jié)各實(shí)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)的相對(duì)濕度（小時(shí)平均值）具有良好的線性關(guān)系。

據(jù)圖4，各測(cè)點(diǎn)處平均相對(duì)濕度的季節(jié)差異較小。其日變化趨勢(shì)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(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)濕度差異隨季節(jié)變化明顯。在春季和夏季，廣場(chǎng)相對(duì)濕度明顯低于街道和公園，而在冬季，公園的相對(duì)濕度最低。秋季3個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)濕度非常接近。

2.3 風(fēng)速特征

各實(shí)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的日變化規(guī)律如圖5所示（結(jié)果為實(shí)測(cè)值）。

由圖5可見，各實(shí)測(cè)點(diǎn)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(huì)有較大波動(dòng)。各實(shí)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的差異在夏季較為明顯：大部分時(shí)間內(nèi)，街道的風(fēng)速最低，公園風(fēng)速稍高于廣場(chǎng)。

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(gè)城市熱環(huán)境的基本特征。從圖2可見，長(zhǎng)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(gè)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(duì)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(gè)城市公共空間熱環(huán)境與參考點(diǎn)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(gè)城市公共空間的溫度、相對(duì)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(diǎn)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(gè)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(duì)陽(yáng)光產(chǎn)生有效遮擋使其太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最弱。廣場(chǎng)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(yáng)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(yáng)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(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致其利用率的不同。以本文的街道和廣場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)為例。夏季高溫時(shí)，由于街道處溫度較低，且太陽(yáng)輻射較弱，吸引眾多市民來此休閑。相反，由于廣場(chǎng)處溫度較高，太陽(yáng)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(jì)應(yīng)針對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yíng)造舒適的熱環(huán)境，提高公共空間的利用率。

4 結(jié) 論

對(duì)長(zhǎng)沙市3個(gè)典型公共空間（街道、公園和廣場(chǎng)）的熱環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)測(cè)，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(gè)城市熱環(huán)境的基本特征。3個(gè)城市公共空間熱環(huán)境與參考點(diǎn)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(gè)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(shí)間中空氣溫度顯著較低，相對(duì)濕度較高，太陽(yáng)輻射較弱；而廣場(chǎng)溫度較高，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)。

4）城市公共空間的設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)公共空間局部熱環(huán)境的合理調(diào)節(jié)。參考文獻(xiàn)：

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