夏熱冬冷城市室外熱環(huán)境參數(shù)特征及其相互關系研究
——以武漢為例

丁杰輝

李坤

1 背景介紹

城市熱環(huán)境的研究可以通過了解實際的熱環(huán)境特征為改善人居環(huán)境提供建議[1]。在相關研究中，一類是著重研究城市形態(tài)與熱環(huán)境參數(shù)間的關系[2]，第二類主要研究熱環(huán)境參數(shù)對居民實際熱感受的影響，通常將實地測量與現(xiàn)場問卷調研相結合進行研究[3-4]。通過建立熱環(huán)境參數(shù)與居民熱舒適的關系模型來對熱舒適進行評價的方法在研究中較多使用[5-6]。研究中也有對熱環(huán)境參數(shù)之間關系進行比較的，胡建等運用多種函數(shù)模型對重慶市夏季溫室四種室內冷卻系統(tǒng)下溫度與相對濕度進行了擬合[7]。黃志甲等對徽州民居夏季室內外同類熱環(huán)境參數(shù)的逐時響應關系進行了研究[8]。

通過實地測量的方式能夠直接獲取城市熱環(huán)境參數(shù)[9-11]，但由于城市內部空間復雜，不同城市區(qū)域的熱環(huán)境特征也因地理位置、建筑分布等因素存在較大差別，位于不同區(qū)域的測量點具體能反映哪些城市區(qū)域的熱環(huán)境特征，以及各測量點之間的熱環(huán)境參數(shù)具體存在何種關系有待進一步探索。本文基于此，選擇夏熱冬冷氣候典型城市武漢為研究對象，對城市內不同區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)的空間分布特征及其相互關系進行研究,旨在探索城市內部熱環(huán)境分布規(guī)律，進而為改善城市室外熱環(huán)境提供幫助。

2 城市熱環(huán)境整體介紹

2.1 城市市內、市郊熱環(huán)境的關系

城市市內、市郊的典型環(huán)境特征差異導致市區(qū)溫度較高而郊區(qū)溫度較低[12]，市區(qū)居民的室外熱舒適感受相比郊區(qū)更差，也進而導致部分戶外空間使用率較低[13]，造成城市公共活動空間的浪費。

城市內不同區(qū)域的熱環(huán)境由于其局部環(huán)境特征而存在較大差異，但這種差異關系未被量化表達，通常在城市規(guī)劃及設計中也未能考慮局部區(qū)域熱環(huán)境的影響，因此對于這種熱環(huán)境差異性的進一步研究可以為未來的城市設計以及熱環(huán)境改善提供依據(jù)。

2.2 研究區(qū)域介紹

武漢市位于長江中下游地區(qū)，屬于典型的夏熱冬冷氣候城市[14]。冬、夏季較為惡劣的室外熱環(huán)境嚴重影響了居民的室外活動以及熱舒適感受，因此選擇武漢市為例進行熱環(huán)境的研究可以較好代表具有該類氣候特征的城市。

研究中使用的熱環(huán)境數(shù)據(jù)來源于湖北氣象服務中心提供的城市氣象站數(shù)據(jù)，考慮到城市市內、市郊熱環(huán)境的典型差異，在市區(qū)和郊區(qū)各選取三個測量站點。在選擇市區(qū)的氣象站點時，考慮到武漢市的城市格局劃分以及實測數(shù)據(jù)的完整性，分別在武昌、漢口、漢陽三個區(qū)域各選擇一個站點，分別為化工氣象測量站、江灘氣象測量站、財校氣象測量站。

在選擇郊區(qū)站點時主要考慮各站點周邊的環(huán)境特征以及在城市中的地理位置。武漢氣象測量站位于建筑密度較低且植被覆蓋率高的綠地區(qū)域，該站周邊人口密度較低，其所在區(qū)域可以代表較為典型的郊區(qū)熱環(huán)境特征。居住區(qū)作為城市居民的主要活動區(qū)域，對該類區(qū)域室外熱環(huán)境特征的研究具有重要意義，因此郊區(qū)第二個站點選擇同為居住類區(qū)域的沌口氣象測量站。對于具有相似環(huán)境特征的城市區(qū)域，不同區(qū)域間的距離也可能會導致其熱環(huán)境特征存在較大差異，文中為進一步探討站點間空間距離對熱環(huán)境參數(shù)的影響，在郊區(qū)選擇位于居住區(qū)的京珠高速氣象測量站作為郊區(qū)的第三個分析站點，各站點在城市中的空間分布參看圖1。

圖1 各氣象測量站空間分布

本文分別選擇各站點2017年夏季和冬季連續(xù)三天白天的熱環(huán)境測量數(shù)據(jù)進行研究。

3 不同城市區(qū)域室外熱環(huán)境參數(shù)特征

空氣溫度、相對濕度、風速等室外熱環(huán)境參數(shù)可較為直觀地反映城市熱環(huán)境的實際狀況[15]，并且可以通過實地測量的方式直接獲取，因此在相關研究中多用這些參數(shù)來反映城市室外熱環(huán)境特征。

在比較各氣象站點熱環(huán)境參數(shù)之前，首先對各站點周邊的環(huán)境特征進行分類，本文對建筑分布情況及環(huán)境特征的分類標準參看表1、圖2～3，各站點周邊環(huán)境特征參看表2。

圖2 建筑密度分級

圖3 綠地覆蓋率分級

表1 建筑高度分級

表2 各氣象測量站點周邊環(huán)境特征

3.1 溫度分布特征

城市內不同區(qū)域的環(huán)境溫度除了受整體的太陽輻射影響外，局部的建筑、植被等城市元素也對環(huán)境溫度有不同程度影響。本文以各個測量站點的溫度最值為分析對象，市內、市郊各測量站點的溫度最值參看表3。由結果可知，夏季溫度最高區(qū)域位于市區(qū)，溫度最低區(qū)域位于郊區(qū)，市區(qū)與郊區(qū)的最高溫度最多相差3℃。冬季溫度最高與最低區(qū)域均位于郊區(qū)，兩個區(qū)域間的最高溫度相差1.3℃。對各個站點的最高溫度進行比較，可看出夏季江灘站的溫度最高，比溫度最低的武漢站高3℃。武漢站周邊建筑密度、建筑高度均為低，所在區(qū)域用地類型為綠地，說明該種環(huán)境特征下的環(huán)境溫度相比其他類型環(huán)境更低。江灘站周邊建筑密度為高，建筑高度為中高，綠地覆蓋率為低，用地類型為商業(yè)。該區(qū)域除了環(huán)境特征對環(huán)境溫度的影響外，由于地處商業(yè)區(qū)，人流、車流較大，導致該區(qū)域熱量聚集，因此環(huán)境溫度也更高。冬季沌口站的溫度最高，比溫度最低的武漢站高1.3℃。沌口站為建筑密度高、建筑高度中高的居住類區(qū)域，由于居住區(qū)人流量大，交通以及生活排放等都對該區(qū)域環(huán)境溫度起到正向的促進作用，因此相比位于郊區(qū)的武漢站溫度更高。冬、夏季武漢站溫度均為各測量點中最低，從在城市中的地理位置來看，該站位于郊區(qū)，反映出對于市內、市郊不同區(qū)域，溫度最低的區(qū)域出現(xiàn)在郊區(qū)。從站點周邊的環(huán)境特征分析，武漢站所在區(qū)域具有建筑密度低、建筑高度低、綠地覆蓋率高的特點，因此說明位于城市郊區(qū)且具有該種環(huán)境特征的區(qū)域，其溫度在各類城市區(qū)域中最低。

表3 各站點冬、夏季的溫度最值

綜合對比各站點所在區(qū)域的環(huán)境特征可知，由于不同區(qū)域建筑密度、建筑高度以及綠地覆蓋率等環(huán)境特征差異，導致同時段市內、市郊不同區(qū)域的溫度存在較明顯差異，其中夏季市內、市郊最高溫度的差異最大，達3℃。

3.2 相對濕度分布特征

相對濕度對于人體的作用主要在于影響人體體表的熱量傳遞過程，文中同樣以相對濕度最值作為研究對象，各測量站點的相對濕度最值參看表4。對比市內和市郊的最大相對濕度可知，夏季郊區(qū)最大相對濕度比市區(qū)最多高5%，冬季郊區(qū)比市區(qū)最多高11%。武漢站的最大相對濕度在冬、夏兩季均為最高，沌口站最低，夏季該兩個站點的最大相對濕度差為8%，冬季為11%。武漢站地處綠地區(qū)域，其周邊分布有大量的農田、綠地等，植物的蒸騰作用及農業(yè)灌溉等因素均導致該區(qū)域的相對濕度高于其他站點。沌口站位于居住類區(qū)域，該站所在區(qū)域建筑密度高、綠地覆蓋率為中，與武漢站所在區(qū)域環(huán)境特征差異較大，因此雖然兩個站點都位于郊區(qū)，但由于其局部環(huán)境特征差異，導致位于郊區(qū)綠地類區(qū)域的武漢站相對濕度最高，而位于郊區(qū)居住類區(qū)域的沌口站相對濕度最低。

表4 各站點冬、夏季相對濕度最值

武漢站與財校站周邊均為建筑密度低、建筑高度低、綠地覆蓋率高的區(qū)域，但武漢站的最大相對濕度在夏季比財校站高2%，冬季高3%，對比兩站點的地理位置可發(fā)現(xiàn)武漢站位于城市郊區(qū)，而財校站位于市區(qū)，由于在城市中的地理位置不同導致該兩站點區(qū)域雖具有相似的環(huán)境特征，但位于郊區(qū)的區(qū)域相對濕度要高于市區(qū)。

對于沌口站、京珠高速站、化工站，三個站點均位于居住類區(qū)域，綠地覆蓋率均為中，最大相對濕度均低于綠地覆蓋率為高的武漢站和財校站，從環(huán)境特征對相對濕度的影響分析可知綠地覆蓋率為導致不同區(qū)域相對濕度出現(xiàn)明顯差異的主要影響因素之一。

從相對濕度在市內、市郊的總體分布情況可知不論在市區(qū)還是郊區(qū)，綠地覆蓋率高的區(qū)域相對濕度高于其他類型用地區(qū)域，而對于市內、市郊綠地覆蓋率均為高的區(qū)域，郊區(qū)的相對濕度比市區(qū)高2%～3%。

3.3 風速分布特征

各測量站點的風速最值參看表5，表中結果可看出冬、夏兩季風速最大值出現(xiàn)在郊區(qū)，冬、夏季分別為4.9m/s和3.1m/s，該區(qū)域周邊建筑密度、高度均為低；而風速最小值出現(xiàn)在市區(qū)，冬、夏季分別為1.6m/s和1.5m/s，該區(qū)域周邊建筑密度、高度均為高，說明建筑分布特征為造成市內、市郊風速差異的主要影響因素之一。

表5 各站點冬、夏季風速最值

江灘站在冬、夏兩季的最大風速僅低于武漢站，在冬、夏兩季分別比風速最低的化工站高1.4m/s和1.5m/s。從該站周邊環(huán)境特征可看出，雖然江灘站位于市區(qū)，建筑密度為高，但該區(qū)域臨近長江，存在天然的開敞空間作為通風廊道，因此該站點所在區(qū)域的風速要明顯高于市區(qū)的其他站點。相比建筑密度同樣為高的沌口站、化工站，由于江灘站在整個城市中的特殊地理位置，導致該區(qū)域相比具有相似建筑分布特征的區(qū)域風速更高。因此，不同區(qū)域在城市中的地理位置也成為導致各區(qū)域風速存在差異的主要影響因素。

總體上風速最大區(qū)域位于郊區(qū)，風速最小區(qū)域位于市區(qū)，同時段市內、市郊最大風速的差異在夏季最高達1.6m/s，在冬季最高達3.3m/s。鑒于在城市測量過程中很多城市內部區(qū)域的風速較小，不足1m/s，所以目前反映出的市內、市郊的風速差具有較明顯差異。

4 不同城市區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)間關系

城市環(huán)境測量中測量站點的位置一般都分布在城市不同區(qū)域，而這些測量站點的數(shù)據(jù)通常只能反映一定區(qū)域內的熱環(huán)境特征，不同位置測點的熱環(huán)境參數(shù)之間是否有關系有待進一步探究。文中即從該點出發(fā)比較不同城市區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)間的關系。

4.1 不同城市空間熱環(huán)境參數(shù)關系

選擇郊區(qū)的武漢站分別與位于市區(qū)的江灘站、財校站、化工站三個站點的熱環(huán)境參數(shù)進行相關性分析，該方法可用于比較城市不同區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)的整體相關程度[16-17]。站點間數(shù)據(jù)的相關性越高，則表示站點間的熱環(huán)境參數(shù)的實際分布情況也更為相近。

各站點間的熱環(huán)境參數(shù)相關性分析結果參看表6，可看出不同區(qū)域各熱環(huán)境參數(shù)間的相關性強弱表現(xiàn)為：溫度及相對濕度相關性較高，而風速相關性較低。武漢站與財校站的溫度相關性最高，相關系數(shù)為0.966。武漢站與江灘站和化工站兩站點溫度的相關系數(shù)均為0.947。武漢站與財校站的相對濕度相關性為0.962，與江灘站和化工站相對濕度的相關性分別為0.919和0.918。結果可看出武漢站與財校站間溫度與相對濕度的相關性均相比其他兩個站點高，由于財校站與武漢站均具有建筑密度低、建筑高度低的環(huán)境特征，且屬于同一種用地類型，因此該兩站點熱環(huán)境參數(shù)的相關性更高。說明不論是市內還是市郊，對于具有相似環(huán)境特征的城市區(qū)域，其溫度及相對濕度也有相似的分布特征，在此情況下，可以在城市測量點有限的情況下，使用單獨測量點的實際溫度及相對濕度對與其具有相似環(huán)境特征區(qū)域的相同熱環(huán)境參數(shù)進行預測。

表6 不同城市區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)相關性

從各站點間風速的相關性分析可看出，雖然武漢站與財校站均位于綠地類區(qū)域且具有相似的環(huán)境特征，但冬、夏季該兩站風速的相關性強弱并無一致特征。因此對于風速而言，具有相似環(huán)境特征的區(qū)域，其風速分布也可能存在較大差異。

從市內、市郊不同區(qū)域各類熱環(huán)境參數(shù)的相關性分析結果可看出市區(qū)各站點與郊區(qū)站點的溫度及相對濕度均具有較好的相關性，而對于具有相似環(huán)境特征的市內、市郊不同區(qū)域，其溫度及相對濕度的相關性要高于市內、市郊環(huán)境特征不同的區(qū)域。

4.2 不同距離區(qū)域間熱環(huán)境參數(shù)關系

站點間的空間距離可能影響站點間實測熱環(huán)境參數(shù)的相關性，因此選擇同為居住類用地而空間距離存在差異的沌口站、京珠高速站、化工站三個站點，其中沌口站與京珠高速站距離9.7km，與化工站距離23.1km，京珠高速站與化工站相距32.7km，將三個站點間的距離近似劃分為10km、20km、30km三個距離間隔。對各站點間熱環(huán)境參數(shù)的相關性進行分析，以確定站點空間距離對各熱環(huán)境參數(shù)相關性的影響，結果參看表7，結果顯示沌口站與京珠高速站溫度的相關性要高于與化工站的相關性，對比相對濕度的相關性也具有同樣的規(guī)律，因此當站點間距離為10km時，站點間溫度及相對濕度的相關性要強于站點距離為20km時。對比站點距離為30km的兩個站點間溫度及相對濕度的相關性可知，各對應參數(shù)間的相關性均低于站點距離分別為10km和20km時。

表7 不同距離區(qū)域間熱環(huán)境參數(shù)相關性

綜合比較可知，對于具有相似環(huán)境特征的城市區(qū)域，當各區(qū)域間的距離從10km增加至20km時，冬、夏季溫度及相對濕度的相關性最大下降幅度分別為0.032和0.030。當各區(qū)域間距離從20km增加至30km時，溫度及相對濕度的相關性最大下降幅度分別為0.030和0.097。因此測量站點間距離分別從10km增加至20km、20km增加至30km時，站點間溫度及相對濕度的相關性總體呈下降趨勢，其中相對濕度的相關性從0.884下降到0.774，下降幅度最大，達12.4%。對于風速，只有個別站點間的風速相關性顯著，總體上隨著站點空間距離的變化，不同區(qū)域間風速的相關性無一致變化特征。

4.3 不同區(qū)域溫度與相對濕度關系

城市內不同區(qū)域的熱環(huán)境參數(shù)除了受到環(huán)境特征以及地理空間位置等因素的影響，各參數(shù)之間也存在著相互影響關系，通過對各熱環(huán)境參數(shù)間關系的深入研究可以實現(xiàn)通過某一類參數(shù)對其他參數(shù)的預測，以簡化熱環(huán)境特征的描述過程。

對各站點溫度與相對濕度進行相關性分析，結果參看圖4。該相關關系可以反映不同區(qū)域溫度對相對濕度的影響程度，相關性越大，影響程度越大。圖4中夏季各站點溫度與相對濕度相關性均很高，相關系數(shù)均值為-0.986，冬季各站點間溫濕度相關系數(shù)均值為-0.551。冬季位于郊區(qū)的武漢站溫度與相對濕度的相關性最強，為-0.702，位于市區(qū)財校站溫度與相對濕度的相關性最弱，為-0.349。該結果反映出夏季市區(qū)和郊區(qū)溫度對相對濕度的影響均較強，而冬季郊區(qū)溫度對相對濕度的影響程度要大于市區(qū)。

圖4 各站點溫度與相對濕度相關性

總體上夏季市區(qū)各站點的溫濕度相關性均值為-0.987，郊區(qū)為-0.985；冬季市區(qū)各站點溫濕度相關性均值為-0.495，郊區(qū)為-0.607，表明夏季市內、市郊溫濕度的相關性均較高，而冬季郊區(qū)溫濕度的相關性要強于市區(qū)。

結語

本文從城市的局部環(huán)境特征以及城市中的地理位置等角度討論了武漢市內、市郊熱環(huán)境的總體差異以及不同環(huán)境特征對熱環(huán)境參數(shù)的影響，同時對不同區(qū)域熱環(huán)境參數(shù)間的關系進行了分析。通過研究，主要得出以下結論：

①各類室外熱環(huán)境參數(shù)在城市市內、市郊的分布存在一定差異，本研究中的案例城市武漢市內、市郊溫度在夏季表現(xiàn)出明顯差異，夏季市區(qū)比郊區(qū)的最高溫度最多高出3℃；冬、夏季市區(qū)的最大相對濕度均低于郊區(qū)，市內、市郊最大相對濕度的差異在冬季最大，達11%；郊區(qū)的最大風速高于市區(qū)，市內、市郊最大風速的差異在冬季最大，達3.3m/s。市內、市郊的典型環(huán)境特征差異造成溫度、相對濕度、風速等熱環(huán)境參數(shù)在城市中的分布也存在較大差異。

②城市內部建筑、植被等環(huán)境特征對局部區(qū)域的熱環(huán)境有明顯影響，城市郊區(qū)建筑密度低、建筑高度低的綠地類區(qū)域溫度在各類城市區(qū)域中最低；位于城市郊區(qū)的綠地類區(qū)域相對濕度為各類區(qū)域中最高，位于郊區(qū)的居住類區(qū)域相對濕度最低；城市郊區(qū)建筑密度低、建筑高度低區(qū)域的風速在各類城市區(qū)域中最大，位于市區(qū)的建筑密度高、建筑高度高的居住類區(qū)域風速最小。

③具有相似環(huán)境特征的城市區(qū)域，其溫度與相對濕度也有相似的分布特征。當城市區(qū)域間的距離從10km增加至20km時，各區(qū)域間的溫度及相對濕度的相關性最多分別下降0.032和0.030；當該距離從20km增加至30km時，溫度及相對濕度的相關性最多下降0.030和0.097；隨著站點間距離的增加，站點間相對濕度的相關性下降幅度最大，達12.4%?？傮w上城市內部區(qū)域空間距離越近，則這些區(qū)域間溫度及相對濕度等熱環(huán)境參數(shù)的相關性也越高?；诖耍趯嶋H熱環(huán)境測量條件有限的情況下，可使用個別測量區(qū)域的數(shù)據(jù)對城市內具有相似環(huán)境特征的區(qū)域以及距離較近區(qū)域的熱環(huán)境參數(shù)進行預測。

資料來源：

圖1：資源三號衛(wèi)星2.1m全色影像；

圖2～3：百度地圖；

文中其余圖表為作者自繪。