本文是一篇建筑论文，本文进行了各影响因素对城市热岛效应的影响规律和作用程度研究，探讨了城市热岛效应对建筑夏季隔热和冬季保温产生的影响。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
在人民对美好生活需求日益增长以及建筑节能需求日益突出的时代背景下，建筑热工设计、暖通空调设计、建筑节能设计乃至城乡规划设计等是营造室内适宜热湿环境并实现城乡建设领域“碳达峰”、“碳中和”的重要手段。其中，拥有合理、可靠的室内、外设计计算参数是关键[1]。在全球城市化进程加快的大背景下，城市的发展改变了原有的下垫面，进而改变了该区域的能量平衡[2]。一方面，城市地区接收的太阳辐射量增多而长波辐射散热量减小，净辐射得热量大于郊区；另一方面，人类的生产、生活活动也使城市中的人为热远大于郊区。同时，城市区域不透水面的增多、植被覆盖减少，导致通过潜热换热的相变吸热量减小，其综合效益的结果是城市中的净得热量增多，这部分热量需以显热的形式散发到空气中，导致城市室外热湿环境与郊区差异很大。其中，最著名的是城市热岛效应（图1.1），城市热岛效应对居民热舒适[3]、建筑能耗[4]以及建筑热工设计[5]等都产生了一定的负面影响。早在1992年，刘加平[5]就撰文指出城市热岛效应对建筑热工设计会产生不可忽略的影响。目前我国所使用的室外计算参数通常根据累年气象台站提供的气象资料进行统计、分析、计算得到，并未考虑城市热岛效应对室外气候环境产生的影响。到2030年全球城市人口预计将超过60%[6]，而我国的情况更是不容乐观，根据中国社科院农村发展研究所的推测结果，预计到2025年，我国的城镇化率有可能达到67.8%，到2035年有可能达到74.39%[7]，并且预计我国城镇化率的天花板可能在85%左右，远高于2019年设定的65%的标准。龙瀛等人[8]对全国63个城市街区形态的研究表明我国城市中心城区的城市形态总体以中层高密度(建筑密度>0.25，建筑层数在3-7层之间)为主，这类城市形态更容易出现明显的城市热岛效应[9]，并且也是我国城市居民人口较为集中的地段，故负面影响波及的人口更多。因此，在城市化进程加剧的背景下，如何改善和考虑城市气候问题是迫切需要解决的问题。
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1.2 国内外研究现状
城市热岛效应是由于城市中大量的人为热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等，导致城市温度高于郊区的现象[2]。哥伦比亚大学Oke教授将城市热岛效应按研究对象分为三种类型：空气热岛、表面热岛和土壤热岛[23]。考虑到空气温度在决定室外热舒适以及建筑采暖降温能耗方面起着重要作用[24]，本研究选取空气热岛作为研究对象。空气热岛按照研究的位置又可分为城市边界层热岛和城市冠层热岛（见图1.2），城市冠层是由Oke提出，指在城市中由建筑、道路、植被等多种要素构成的，位于城市地面以上、建筑屋顶以下的地表形态[25]，这也是人类活动频繁的区域。因此，本研究将针对城市冠层空气热岛效应进行研究。我国城市中心城区的城市形态总体以中层高密度为主[8]，此地区容易出现明显的城市热岛效应，也是我国城市居民人口较为集中的地区，故本研究将针对中高密度城市居住区进行研究。
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1.2.1 城市热岛效应产生的影响
城市热岛效应导致城市气温高于郊区，造成城市高温频发，较高的城市环境温度对居民生活和城市整体环境质量产生严重影响。城市热岛效应导致的城市过热会增加建筑降温需求，造成峰值电力需求显著增加，对城市脆弱性产生负面影响，增加与热相关的死亡率和发病率，并加剧了城市大气污染[26]。Li等人[27]对城市热岛效应影响建筑能耗的文献进行了综述，结果表明，城市热岛效应导致降温能耗增加的中值为19.0%。如果不采取措施，城市热岛效应引起的城市中心区建筑物降温需求的增加，到2050年将导致CO2的排放量达到2000年的五倍[28]。同时，城市热岛效应造成城市高温持续时间增加，建筑降温需求的持续时间也随之增加，Santamouris[29]对1970-2010年18个城市的降温能耗进行了比较评估，降温负荷平均增加量接近11 kWhm-2y-1。更高的建筑降温需求会对城市电力负荷的峰值产生不利影响，Santamouris等人[30]指出城市气温每升高1 C，电力负荷的峰值相对升高0.45%-4.6%。
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2 中高密度城市居住区热岛强度计算模型及其验证
2.1 中高密度城市居住区热岛强度计算模型
中高密度城市居住区热岛强度计算模型是基于下垫面变迁导致城市和郊区能量平衡产生差异的角度，来计算城市热岛强度，通过采用“解析法”求解能量平衡方程来构建。本研究采用的“解析法”为泰勒展开，选用该“解析法”是由其展开式的形式决定的。对多元函数f(x1, x2,…, xn)在点(xk1, xk2,…, xkn)处进行泰勒展开，整理后得到公式(2-1)。假设该多元函数是用来计算气温的能量平衡方程，f(x1, x2,…, xn)和f(xk1, xk2,…, xkn)分别用来计算城市和郊区气温，其差值即为城市热岛强度；公式(2-1)右侧(xi-xki)为能量平衡方程中城市和郊区变量的差异，如城市和郊区下垫面反照率之间的差异(这些差异即为城市热岛效应的各“影响因素”)，即用来描述下垫面的变化对该地区原有的能量平衡产生的影响；从公式(2-1)来看，城市热岛强度计算为各“影响因素”产生的气温变化之和，即从能量平衡产生差异的角度来描述城市热岛效应的形成。
目前，基于Oke[25]提出的城市冠层概念，即位于城市地面以上、建筑物屋顶的“轮廓线”以下，由建筑、道路、植被等多种要素构成的城市空间，这也是人类主要活动的区域，已经开发出了多种用于计算城市冠层气温的数值模型。例如，麻省理工学院的Urban Weather Generator (UWG)[92]；亚利桑那州大学的Single-Layer Urban Canopy Model (ASLUM，目前已经发展出三代：v1.x、v2.x和v3.0)[93]；以及波士顿大学开发的一种新的城市冠层模型(UCM)，并将其耦合进Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) land model，LM3框架中(LM3-UCM)[94]。这类数值模型考虑了城市下垫面与大气边界层间的复杂相互作用，经过几代科学家的努力可以准确模拟城市热环境。然而，此类模型考虑了较为复杂和精细的物理过程，模型的变量多，导致各变量间难以独立，利用上述“解析法”构建城市热岛计算模型会产生较大的误差。而由耶鲁大学、波士顿大学和苏黎世联邦理工学院构建的数值模型(Intrinsic Biophysical Mechanism (IBM)[21]、Two-resistance Mechanism (TRM)[22]和Coarse-grained model)[19]具有较少的变量，各变量间相互独立，可用于构建归因模型，但仅到地表温度。
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2.2 中高密度城市居住区热岛强度计算模型的验证
2.2.1 城市下垫面能量平衡计算模块的验证
采用美国国家航天局(NASA)提供的2013年全球城市热岛数据集[77]，该数据集按照Socioeconomic Data and Applications Center(SEDAC)进行的全球郊区-城市测绘项目确定城市的范围，郊区定义为城市范围周围10km的缓冲区。地表温度来自SEDAC使用Aqua Level-3中分辨率成像光谱仪(MODIS，Version5)全球白天和夜间地表温度(LST)的8天复合数据(MYD11A2)构成的2013年全球夏季地表温度网络。2013年城市的背景气候条件来自Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications (MERRA)[139]，包括：2m处的空气温度(Ta)、地表温度(Ts)、入射短波辐射(Sin)、风速(Ws)、空气比湿度(qa)和大气压(patm)。全球年均降雨量数据P来自Global Precipitation Climatology Centre (GPCC)[140]。下垫面参数(建筑高度、建筑密度、植被覆盖率等)均按照Manoli等人[19]提出的方法计算。
对于公式(2-10)，本研究采用降幂消次(泰勒级数展开)的方法将原本含有非线性项的一元四次方程转化为简单的一元一次方程，如公式(2-11)、(2-12)所示。显然，在进行泰勒级数展开时，本研究省略了其二阶及高阶项。因此，采用上述几个数据集来验证降幂消次仅保留一次项的合理性。通过对全球3万多个城镇数据的验证结果表明，对于该问题而言，一次项的精度已经非常高(RMSE=0.05, R2>0.99)，完全能满足计算要求，如图2.6(a)所示。同时，从公式(2-11)、(2-12)的函数结构中可以看出，影响结果准确性的关键是Ts与Ta的差异，故本研究人为放大了Ts与Ta的差异，来分析其对误差的影响。
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3 城市热岛效应各影响因素及其影响程度 .............................47
3.1 数据来源 ...............................................47
3.1.1 区域气候数据 .............................47
3.1.2 下垫面参数数据 .................................48
4 城市热岛效应的缓解策略及对建筑夏季隔热和冬季保温的影响分析 .................61
4.1 城市热岛效应的缓解策略分析 ........................61
4.1.1 典型城市的选取及其气候特征 ......................................61
4.1.2 植被覆盖率对城市热岛效应的缓解效果的影响 ....................63
5 结论及展望 ..................................91
5.1 主要结论 ..........................91
5.2 论文后续工作及建议 ................................93
4 城市热岛效应的缓解策略及对建筑夏季隔热和冬季保温的影响分析
4.1 城市热岛效应的缓解策略分析
4.1.1 典型城市的选取及其气候特征
我国幅员辽阔，拥有960万平方千米的国土面积，气候复杂多样。首先，我国南北纬度差异大，大陆部分在北纬18°至北纬53°之间，横跨35个纬度，海洋部分南至北纬4°附近的曾母暗沙，全境共跨约50个纬度；其次，我国海陆差别很大，我国东临太平洋，又是世界上最大的大陆——欧亚大陆的东南部分，故我国西北属于极为干燥的大陆性气候区，其余大部分国土属于海、陆交相影响的季风区；再者，我国国土高度差异大，总体上呈现西高东低的趋势，地势自西而东构成三级阶梯；最后，我国地形十分复杂，地形类型及山脉走向多样。因此，在我国地理条件差异很大的情况下，气温降水的组合多种多样，形成了多种多样的气候，《建筑气候区划标准》（GB 50178-93）[156]为使建筑更充分地利用和适应我国不同的气候条件，划分了7个主气候区和20个子气候区。在第3章节的研究表明，城市热岛效应各影响因素的影响规律和影响程度受区域气候条件的影响很大，因此，本章节按照《建筑气候区划标准》（GB 50178-93）[156]提供附录表中选取城市进行进一步的研究，每一种气候类型各选取一个城市，且优先选取直辖市、省会城市和自治区首府，最终共选取了20个城市，见表4.1。
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5 结论及展望
5.1 主要结论
城市的发展改变了原有下垫面，导致区域原有能量平衡发生变化，造成城市气温高于郊区的现象——城市热岛效应，对居民热健康、建筑能耗以及建筑热工设计等都产生了一定的负面影响。针对目前尚缺乏量化各影响因素对城市热岛效应的作用规律和影响程度的研究，同时，由于城市热岛各影响因素间存在天然的因果关系，传统的统计分析方法往往难以剥离某一因素所产生的影响。本研究基于城市下垫面能量平衡原理和城市冠层能量平衡原理建立了中高密度城市居住区热岛强度计算模型，采用团队前期建立的1019台站和从Energy plus官网下载的两个台站气象数据，进行全国范围的城市热岛效应研究。主要结论如下：
（1）在模型的构建过程中，提出了考虑两次反射的反照率计算方法，并采用城市地表能量平衡模型进行验证，验证结果表明，在城市表面材料辐射特性常见范围内，本方法的计算结果符合较好(误差<10%的占77.54%)。针对原有OHM模型仅适用于逐时尺度及更小时间尺度，提出了日尺度上的下垫面蓄热量计算方法，与原有OHM模型具有较好的一致性（RMSE<10 W·m-2，R2=0.99）。同时，基于城市冠层内实际的气流特性来计算湍流传递系数，以考虑城市冠层与下垫面的换热过程。
（2）各影响因素对城市热岛效应贡献的存在明显的季节性差异，在冬季，人为热和下垫面蓄热对热岛的贡献更显著（二者的贡献都超过1.3 C），而植被蒸散发的贡献相对较低（贡献在0.5 C左右）；在夏季，植被蒸散发对热岛贡献更显著（贡献在1.5 C左右）；全年，空气动力学阻抗的贡献都很显著。各影响因素对城市热岛效应的贡献度受到区域气候条件的影响，其中与风速、太阳辐射和相对湿度的相关性更显著。当风速<3 m·s-1时，植被蒸散发的贡献度与风速呈线性正相关，在4 m·s-1左右时达到峰值；植被蒸散发的贡献度与相对湿度成线性负相关，在相对湿度较低的地区通过增加城市植被覆盖率所取得的热岛缓解效果更显著。当风速<3 m·s-1左右时，空气动力学阻抗的贡献度基本超过50%，风速超过5 m·s-1时空气动力学阻抗的贡献度变化较小；当相对湿度大于55%左右时，空气动力学阻抗的贡献度基本达到峰值，这意味着在相对湿度较高的地区，采用降低空气动力学阻抗的方法取得的热岛缓解效果可能更显著。
参考文献（略）