一種整合室外空間行為的熱暴露風險評估新方法

郭飛，董菁，郭若男

0 引言

全球氣候變暖已經成為未來數十年人類面臨的最大挑戰(zhàn)[1-2]，其中極端高溫已成為亞洲區(qū)域未來面臨的最嚴重的隱患之一[3]。城市中心區(qū)因熱島效應、人員密集、活動頻繁更容易受到高溫熱浪的威脅，在熱浪極端天氣條件下甚至會導致疲勞、發(fā)病、死亡等風險[4]。減輕熱島效應影響、降低熱暴露風險、提高室外環(huán)境熱舒適，已成為實現城市健康可持續(xù)發(fā)展面臨的關鍵問題。

近年來，城市熱環(huán)境研究與實踐引起了全世界的廣泛關注，我國也出臺了《城市居住區(qū)熱環(huán)境設計標準（JGJ286-2013）》等涉及城市熱環(huán)境的相關設計標準[5]。熱環(huán)境研究方法包括現場觀測、遙感技術與數值模擬[6-13]。遙感技術可快速獲取大范圍地表溫度特征，然而，由于人們的熱暴露受到陰影、風速、濕度等因素影響，從遙感影像中得到的地表溫度不能完全代表人們實際的室外熱暴露，也無法檢測出每日熱暴露的時間變化[4]。此外，高溫天氣多發(fā)生在強日照條件下，此時熱輻射是影響室外熱舒適的主要因素[14]。已有研究多從降低熱輻射的角度在精細的時空層面研究如何減輕城市高溫熱應力。其中，平均輻射溫度是表征熱輻射環(huán)境對人體熱舒適影響最重要的氣象參數之一，決定著人體能量平衡和室外熱舒適[4]，其在短距離內也可以表現出顯著的空間變化。例如，邁耶（Mayer）和霍普（H?ppe）通過現場測量表明[15]，陽光直射的街道和附近有陰影的街道之間平均輻射溫度差在下午高達30℃，而空氣溫度差小于3℃。這表明在復雜的城市環(huán)境中，平均輻射溫度更敏感、更適合描述熱舒適差異。托爾森（Thorsson）等人[16]也發(fā)現平均輻射溫度能有效預測老年人熱應力導致的死亡風險。因此，平均輻射溫度在全球人類生物氣象學研究中被廣泛采用，用于炎熱夏季熱舒適和熱應力強度的量化。

許多研究利用平均輻射溫度評估熱風險在復雜室外空間因素影響下的分布規(guī)律，如太陽軌跡[15]、建筑和植被陰影、表面材料、建筑形態(tài)、空間布局等[16-18]。然而這些因素均屬于客觀物理參量，缺乏對室外人群時空行為分布影響的考慮，導致熱風險評估結果與實際主觀感知產生偏差，降低了熱風險緩解策略的有效性。鑒于此，提出了一種熱暴露風險綜合評估方法，將平均輻射溫度客觀參量與人群空間分布整合：采用SOLWEIG 模型模擬平均輻射溫度，以平均輻射溫度與持續(xù)時間積累值定義了熱應力強度指數，疊加人群空間分布核密度，構建了熱暴露風險綜合指數，并給出了其分級方法和風險等級，繪制了熱暴露風險地圖。熱暴露風險綜合指數應用于“十四五大連理工大學校園規(guī)劃”綠色校園專題成果，驗證了其可行性，提升了規(guī)劃緩解策略的經濟性、有效性，體現了“以人為本”的規(guī)劃理念。

1 平均輻射溫度客觀參量

1.1 SOLWEIG 模型簡介

平均輻射溫度利用SOLWEIG（Solar and Longwave Environmental Irradiance Geometry，太陽、長波及環(huán)境輻射幾何模型）獲?。▓D1）。SOLWEIG 善于模擬復雜城市環(huán)境[18-19]，基于霍普提出的三維監(jiān)測方法[14]，計算復雜城市環(huán)境中6 個方向（東、西、北、南、上、下）的短波和長波輻射通量，估計角度系數（人體在每個方向接收輻射的比例）獲取平均輻射溫度。該模型基于ArcGIS 平臺、以數字地表模型（DSM）和氣象數據為主要輸入數據，與城市規(guī)劃和建筑設計銜接方便、通用性高，實現了高空間分辨率（1m）、動態(tài)模擬（時間分辨率可任意選擇）、大尺度空間域的快速計算。SOLWEIG 與其他模型相比具有優(yōu)勢，例如ENVI-met[20]的整體模擬包過于耗時，RayMan[21]只能處理興趣點，同時也是與實測擬合最準確的模型[18,22]，已在許多不同氣候的城市得到了驗證[14]。

1 平均輻射溫度獲取技術路線

1.2 SOLWEIG 模型驗證

為驗證SOLWEIG 模型的有效性，于2020 年7 月8 日一個晴朗的夏日，在大連理工大學校園內進行了三維輻射通量監(jiān)測。實驗選取了3 個測點，分別位于經濟管理學院主樓西側、開放廣場、新大樓北側樹蔭下（圖2），用以評估SOLWEIG 模型在開放空間、樹蔭和近墻情況下的準確性。采用熱指數儀（JTR10 WBGT）、小型自動氣象站記錄儀（HOBO H21-002）、溫度記錄儀（Onset HOBO U23-004）測量黑球溫度、濕度、空氣溫度、風速以及太陽總輻射。各儀器每15 分鐘自行記錄一次，監(jiān)測時間為10:45–17:15，遵循托爾森等人[23]提出的標準測量程序。根據SOLWEIG 操作說明以及熱環(huán)境相關研究[14,18-19]進行SOLWEIG 模擬的輸入數據和參數設置（表1）。

表1 SOLWEIG 邊界條件設置，董菁繪制

2 測點實景與魚眼照片

3 個測點的SOLWEIG 模擬值與實際測量值的擬合結果，相關系數為0.87，均方根誤差RMSE 為4.27℃，顯示出較好的一致性（圖3）。在中午11:00–12:00 之間，由于建筑外墻反射的短波輻射較強，SOLWEIG 傾向于低估墻體附近的平均輻射溫度，約為3.8℃；SOLWEIG 通常高估平均輻射溫度約4.5℃，這可能與側向長波輻射通量有關，這些結果與既有研究的結論一致[14]。整體來看，位于開放廣場中心的測點由于受周邊環(huán)境干擾小模擬效果最佳。在準確輸入建筑和植被數據的情況下，SOLWEIG 可以較為精準地模擬各種城市環(huán)境中平均輻射溫度的空間變化，用于獲取城市空間中的平均輻射溫度、評估熱風險具有較好優(yōu)勢。

3 平均輻射溫度模擬值與測量值擬合

2 暴露風險綜合評估方法建構

2.1 熱應力強度分級

托爾森等人[16]研究發(fā)現平均輻射溫度大于55.5℃，高溫引起的死亡率增加超過5%；大于59.4℃，死亡率增加超過10%。因此以55℃作為熱應力的重要閾值，并引入輻射熱應力強度指數（Radiant Heat Stress Intensity,RHSI）[14]，定義為所有日照時間平均輻射溫度超過55℃的累積小時溫差，用來評估熱應力的動態(tài)變化效應：

式1 中，N 是總日照時數，Tmrt（i）是第i 個小時的平均輻射溫度均值。

運用ArcGIS 標準分類方法的自然間斷點分級法將熱應力強度值分為高、中、低3 個等級。

2.2 人群室外空間分布分級

熱應力強度分級揭示了高溫脅迫的潛在區(qū)域，而熱浪對室外環(huán)境的影響不僅取決于其強度、持續(xù)時間，還與暴露在熱浪之下的人群空間分布密切相關。為有效地衡量人群分布和場地的使用情況，常采用直接觀察、延時拍攝、視頻錄制以及無人機影像采集等方法[24]。其中，無人機觀測將直接觀察和視頻錄制相結合，捕獲人群活動行為和空間使用特征的同時，可以將視頻文件進行數據后處理。此外，無人機觀測覆蓋范圍大，統(tǒng)計數據高效，時間成本低，具有顯著的優(yōu)越性[25]。結合所收集的人群空間分布數據，利用ArcGIS 核密度分析方法完成人口密度在空間中的插值，并將人口密度空間分布值分為高、低兩個等級。

2.3 空間疊加綜合評估

空間疊加評價[26]是將不同數據源、不同格式或性質的因子進行評分、整合及分級的一種評價方法，可獲取多種因子綜合影響下的空間要素分布，廣泛用于城市環(huán)境或地理研究。因此，采用空間疊加評價法將熱應力強度、人口密度分級兩類指標進行綜合，得到了涵蓋人在室外空間行為因子的熱暴露風險綜合評估方法。利用ArcGIS 將人口密度分類與熱應力強度分級圖疊加，將熱暴露風險結果劃分為1、2、3級（表2）。

表2 熱暴露風險分級方法，董菁繪制

2.4 大連理工大學校園案例

根據大連市歷年統(tǒng)計年鑒，大連城市中心區(qū)年均溫度呈明顯上升趨勢，升高速率為3.45℃/100 年[27]。夏季極端高溫天氣頻發(fā)，氣溫極值屢次打破歷史記錄，熱島效應逐漸增強[28]。為了在氣候變化背景下提升校園環(huán)境舒適度，將熱暴露風險綜合評估方法應用于大連理工大學“十四五綠色校園專項規(guī)劃”。選擇大連典型氣象日2018 年8 月2 日（高溫熱浪日，最高氣溫36.6℃）模擬平均輻射溫度。

建筑、植被以及地形的DEM 由機載激光雷達數據生成，分辨率為1m（圖4）。SOLWEIG 參數設置同表1。根據輸入的DSM 數據、氣象數據、地表特征和大連的地理位置，使用人體表面投影系數0.22（東、西、北、南方向）和0.06（上、下方向）計算站立或行走的人的平均輻射溫度值[14,18-19]。從模擬日9:00–16:00（太陽輻射峰值時間段），每小時進行一次模擬。

4 研究區(qū)數字高程模型

人群室外空間分布數據采用大疆精靈 PHANTOM 4 RTK 無人機獲?。▓D5）。為避免視線遮擋按照從東到西掃描，結合現場觀察、利用ArcGIS 核密度分析得到人口密度分布。

5 無人機影像采集

3 結果與分析

3.1 平均輻射溫度時空分布

根據2018 年8 月2 日9:00–17:00 逐時平均輻射溫度空間分布（圖6）及其統(tǒng)計值（表3），在高溫熱浪日的11:00–15:00 平均輻射溫度普遍較高。11:00 太陽輻射較強（869.4W/m2），且氣溫較高（＞34℃），部分區(qū)域的平均輻射溫度超過62℃。而在陰影區(qū)域，平均輻射溫度為35℃；隨著氣溫增加和太陽輻射增強（1000W/m2），平均輻射溫度在12:00 達到峰值64.6℃。超過55℃的區(qū)域位于校園各個公共廣場或缺少遮蔽的開敞空間。為了研究不同環(huán)境下平均輻射溫度的校園內差異，計算了9:00–17:00 的平均值（圖7）。結果表明，除待建區(qū)外，校園最高平均輻射溫度為60.6℃，位于西部校區(qū)中心廣場。平均輻射溫度高于55℃的區(qū)域包括西部校區(qū)新體育場、東部校區(qū)體育場、海山樓廣場、77 足球場、主樓廣場、中心食堂東側廣場等。這些區(qū)域從9:00–17:00 持續(xù)受到太陽照射，從天空接收到較多紅外和太陽輻射，同時也接收地面反射的紅外輻射。

表3 氣溫、太陽輻射、平均輻射溫度逐時模擬結果統(tǒng)計值，董菁繪制

6 平均輻射溫度逐時分布圖

7 平均輻射溫度均值場（9:00-17:00）

綜上，不同校園環(huán)境對局部熱輻射影響起著重要作用。在廣場等相對開放的校園環(huán)境中，無遮擋的廣場通常具有較高的平均輻射溫度，其次是建筑東南側空間。建筑的北側和西側空間平均輻射溫度往往較低，特別是有植被時；與南北向相比，東西向街道峽谷溫度較高，尤其是在峽谷的陽光照射面附近。

3.2 熱暴露風險綜合評估

校園的熱應力強度指數范圍為0～51.04℃·h，通過自然間斷點分級法將其分為3 個熱應力等級：低熱應力（RHSI ≤12.41）、中熱應力（12.41 ＜RHSI ＜32.83）、高熱應力（RHSI ≥32.83）（圖8）。

8 熱應力強度指數分級

室外人群空間分布結果顯示（圖9），人群對熱環(huán)境具有感知和自我行為調節(jié)能力，一些熱應力較高的空間使用頻率會較低，如航天實驗樓東側和海山樓廣場（圖7 中7 號地點、8 號地點等）。但一些空間的功能性質決定了在高熱風險條件下仍有較高的使用率，提升了其熱風險等級：主要有西部大型開敞空間和東北部教學樓廣場；中南部區(qū)域師生必經的校園生活區(qū)、教學區(qū)、體育活動區(qū)等。結果對精準確定校園環(huán)境緩解策略、有效降低熱暴露風險提供了重要依據。疊加人口密度與熱應力強度分級得到的熱暴露風險綜合分級地圖（圖10），將校園劃分為重點、重要、一般改造區(qū)3 類策略區(qū)（表4）。

表4 熱風險緩解策略，董菁繪制

9 人口密度分布

10 熱暴露風險綜合評估地圖

3.3 熱暴露緩解策略

綜合考慮到可行性、時效性、經濟性，主要可采用構筑物遮陽、植被遮陰以及路面、屋面太陽輻射反射等被動式降溫策略。構筑物遮陽在不影響通風和冬季日照時長前提下，主要利用亭、廊、遮陽棚架等。植被遮陽利用其樹蔭和蒸騰作用改善熱環(huán)境，以喬木為主?？紤]到植物對建筑采光的可能影響以及生長的可持續(xù)性，結合植被種類（如銀杏、懸鈴木等校園常見樹種）、種植規(guī)則（經濟性、分組排列等）進行在地化設計；硬化地面可采用透水表面材質等減少太陽輻射的吸收和儲存，如采用綠地、水面、綠色屋頂，或采用淺色鋪裝材料，提升反照率減少太陽輻射吸收。

進一步針對重點改造區(qū)西部校區(qū)中心廣場提出了微更新式緩解策略。該廣場由于建成年代新、建筑和綠化遮蔽少，但有綜合教學樓、圖書館等重要建筑，人員密度大、使用率高。在提供更多的遮陽設施的同時如何兼顧校區(qū)其他功能，是確定緩解策略的重要考慮。我們結合中心廣場的校園公交站點進行一體化遮陽棚設計（圖11）。新公交站顏色與校區(qū)建筑色彩風格相協(xié)調，采用可回收材料工字鋼、不銹鋼等為骨架，再生材料廢舊集裝箱鐵皮、木塑百葉相結合為主要裝飾材料。L 形布局可分別提供東西、南北向的遮蔽，頂棚部分用白色混凝土板提高反照率、減少得熱，構架部分做成鏤空形式，兼顧遮陽、通風和視線需求。

11 西部校區(qū)中心廣場（1級熱暴露風險區(qū)）公交站一體化遮陽棚設計

4 結論

城市化與全球氣候變暖導致越來越多的城市居民暴露在頻繁的高溫或極端熱浪中。在此背景下，如何準確獲取室外熱暴露風險的空間分布，對精細化制定緩解策略、最大限度地減少城市高溫的負面影響具有重要意義。利用大連夏季氣候條件下的現場測量結果驗證了SOLWEIG 模型的有效性，以平均輻射溫度強度與持續(xù)時間積累值定義了熱應力強度指數，疊加人群空間分布核密度分析，構建了一種熱暴露風險綜合新指數，并給出了其分級方法和風險等級。結果表明：

（1）在大連夏季條件下SOLWEIG 模型計算準確性較高，與實測數據擬合關系達到0.87，RSME 達到4.27；

（2）2018 年8 月2 日熱浪天氣下12:00 大連理工大學校園平均輻射極值達到64.67℃，最高平均輻射溫度為60.6℃，遠超55℃的高風險閾值，出現于西部校區(qū)中心廣場；

（3）人群對熱應力具有感知和自我行為調節(jié)能力，高熱應力會降低部分室外空間使用頻率，但仍有部分空間使用率不受熱應力影響，需要重點關注；

（4）空間疊加評估法獲取的熱暴露風險綜合評估結果的精準性、有效性和可用性得到提升，1 級風險區(qū)為西部校區(qū)中心廣場，2 級風險區(qū)為中心食堂東側廣場等處。

整合平均輻射溫度與人群空間分布的熱暴露風險綜合評估方法，顯著減少了熱環(huán)境評估結果與室外空間主觀需求和實際使用頻率之間的偏差，解決了現有平均輻射溫度客觀參量方法難以體現人群時空分布特征的問題，提升優(yōu)化設計策略的精準性、有效性和經濟性，在“以人為本”理念下實現成本可控、最大限度提升室外熱舒適度、減少氣候變暖背景下高溫熱浪帶來的負面影響。未來仍需要通過人群行為的細致監(jiān)測，將城市熱環(huán)境客觀定量評估結果與人群主觀行為特征緊密結合，進一步提升室外熱暴露風險綜合評估方法的精細化和準確性?！?/p>