城市三维空间形态及其热环境效应研究进展

前言：

协调城市的快速扩张和热环境效应之间的矛盾是当前新型城镇化面临的主要任务。2000 年以来，我国进入城市急剧扩张时期，同时也是人居环境快速恶化阶段[1] ，城市生态安全面临严峻考验 [2] 。此外，我国的经济发展引起的碳减排压力巨大，目前碳排放量居世界首位，其中的超过七成均源于城市碳排放。当前城市形态研究多基于二维空间，但随着城市体积和建筑高度的增加，从而使得其三维形态对热环境的影响机制更趋复杂。城市三维空间形态从定量角度而言其热环境效应发挥怎样的效用，其形态不同影响效果有何差异，与热环境分布的耦合机制有哪些规律，以及如何将研究结论应用于城市低碳规划中以便科学指导低碳城市建设等等，均具有重要的理论研究价值。城市中热岛效应的减弱，可有效削减 PM2.5、PM10 等灰尘微粒[3] ，降低呼吸系统等疾病的发病率。同时减少夏季城市热岛高温比例，降低空调使用率，进而起到节能减排作用，为我国早日完成碳减排任务起到促进作用。

1 城市三维形态研究

城市三维形态包括城市内部的绿化、交通及建筑设施基面等，不同的各具功能的基面在三维空间内重叠交织在一起，从而形成特定的形态结构[4] 。目前国内外关于城市形态的研究多基于二维空间，空间尺度涵盖了街区、市区、市域等规模。研究内容包括：（1）通过设定样方带，利用景观指数研究不同尺度下城市形态的变化规律[5-6] ；（2）基于智慧技术的城市空间形态的演变与仿真模拟，探寻城市空间结构的最合理方案[7-9] ；（3）城市空间形态所产生的环境效应。包括热环境效应[10-11] 、大气环境效应 [12] 、水环境效应 [13]和景观生态安全[14-15]等方面。国外学者[16]曾多次强调城市空间的三维建模技术的重要性。航空测量、卫星遥测以及机载激光扫描等先进技术为城市三维空间形态信息的提取奠定了保障，而大气数值模拟仿真和 3S 技术等为城市微气候等模拟提供了技术和分析方法。已有城市三维格局研究成果包括：（1）构建城市三维空间形态指数，进而可定量描述城市空间形态在垂直方向的变化规律，并与城市热环境等微气候因素结合展开一系列相关分析[17] 。（2）构建城市三维空间形态的扩张演化模型，探讨城市三维空间扩张的特征及影响因素。

由于研究所涉及的遥感影像数据源和实测工作量等的限制，城市三维空间形态研究目前仍然处于初级阶段。未来研究中仍需关注：（1）由于卫星遥测等技术获取的是建筑物顶面及其外部的大致轮廓；然而机载激光扫描技术虽然可同时获得建筑物基底轮廓及其高度数据，但是却对二维空间的反应和表达则相对较弱。因此，利用上述的多种手段和技术来获取多源数据的集成，将是研究城市三维信息的重点；（2）城市三维空间形态的演化和仿真模拟应当不仅能体现城市在水平方向上的变化，同时还应当在一定程度上反映出其垂直方向的变化规律特征。

2 城市三维形态的热环境效应研究

2.1 国外研究现状

早在 19 世纪初期，英国人霍华德（Howard）通过一系列实验分析，首次提出“城市热岛效应”（urban heat island）的概念。此后，方诸多国家和地区开始针对不同类型和纬度的城市热岛效应展开广泛研究。研究方法上，国外很早就已利用地面观测与遥感技术相结合开展相关研究。1997 年，美国航空航天局和环境保护署联合发起开展 “Urban Heat Island Pilot Project”计划，并选择了洛杉矶、芝加哥、盐湖城等特大城市，基于 3S 技术研究如何通过技术瘦点来解决夏季城市热岛频发问题；加拿大也随之制定了展开解决该国热岛问题的“Cool Toronto Project”计划[18] 。

国外学者早在 20 世纪 70 年代以来，便已经开始利用遥感手段对城市的热环境效应及规律展开了大量的实证研究。1972 年瑞尔首次提出基于热红外波段开展城市热环境效应研究，此后陆续取得了大量基于热红外波段的实证成果。早期城市热环境的遥感应用多基于NOAAAVHRR 影像数据进行区域尺度的研究[19-20] ， Nichol [21]利用TM 6 波段数据结合 VISC 软件，分析了新加坡居住空间形态热环境的三维分布。2000 年以后，相关模拟与仿真研究逐渐增多， Stone 等[22]研究了美国多个城市的城市空间形态演化特征与高温灾害事件存在的关联。Adachi 等[23]从城市群的视角探讨了东京城市群的空间形态及其热环境效应。Noro [24] 等在对意大利城市帕多瓦 2012-2014 年城市热岛建立仿真模型的基础上，评估城市形态布局及其热岛强度和热辐射状况，发现不同形态的城市温差高达 7℃。

国外学者对城市热环境的研究始终与规划建设实践紧密结合。德国学者 Knoch 首次提出应考虑在规划设计前期建立城市环境气候地图系统，随后自 1978 年以来，西欧各大城市也相继开展了城市气候图制作。Wamsler 等[25]主张城市应从人口密度、建筑特征、居住区空间分布和基础设施等方面开展适应气候的城市规划设计。从规划设计实践角度来看，国外研究多以城市尺度为主[26] ，相关规划成果可有效改善城市内部的环境质量、缓解城市热岛效应带来的一系列问题。

2.2 国内研究现状

国内对城市热环境的关注较晚，直到 20 世纪 80 年代末才有相关成果。2000 年以后随着城市扩张的速度加剧，城市热岛问题日益严重。周淑贞先生是最早致力于城市气候相关研究的元老。陈云浩[18]等基于分形几何的相关理论，研究城市温度场的空间分异特征。岳文泽等[27]运用数理统计分析方法总结和定量探讨了城市居民行为特征对城市热环境效应的影响。黄焕春等[10]从心理舒适度感知构建对热舒适度的影响等级。王咏薇等[28]采用中尺度天气数值模式（WRF），从宏观层面对基于复杂地形地貌条件下（未考虑建筑高度、密度等指标）的南京城市三维热环境特征进行了分析。郑子豪等[29]应用 ENVI-met软件进行城市局部地块的微气候模拟，将城市三维模型与微气候模拟结果进行可视化展示。

国内相关规划设计的应用起步则相对较晚。一方面是引进国外城市环境气候图的分析方法，在我国香港、高雄、北京、西安等城市展开应用实践，通过建立城市环境气候图来改善城市内部的热环境效应；另一方面通过开展区域内的通风廊道建设缓解城市的灰霾天气及热岛效应等环境问题。操作层面来看，潘海啸等[30]认为应从区域规划、城市总体规划和居住区详细规划等多尺度的空间规划入手，探讨低碳生态城市规划设计方法。杨俊宴[31]则从规划、建筑、景观三个层次系统总结城市中心区热环境的优化策略，并结合实际规划项目，进一步阐述不同尺度、类型的规划设计案例中热环境优化策略的应用。

3 总结

综上所述，目前研究多集中在城市热环境现状与演变规律方面，热环境的数值模拟忽略了与城市三维“格局”和“机制”的研究。城市三维空间形态及其热环境效应已成为具有理论和实践双重意义的研究热点之一，未来研究将关注：相关学科交叉的基础性研究进一步得到重视，从而使研究结果在城市景观规划与设计中得以应用；热岛效应的遥感模型将进一步深入优化，模拟预测模型将融入人工智能等新算法。