第1051篇|文献研读|Landscape & Urban Planning|城市致密化特征及其对城市热环境和人体热舒适的影响

    研究背景  ▼  

目前,全球约 55% 的人口居住在城市，到 2050 年，城市预计将容纳全球约 68% 的人口。城市人口的快速增长导致了城市土地的快速变化过程，以满足社会不断增长的需求。城市景观的特点是广阔的不透水表面、丰富的建筑基础设施、复杂的空间形态和有序的功能结构。城市景观的变化表现在两个方面，即致密化和向外扩展。用不透水表面代替自然/半自然表面会极大地改变表面反照率和蒸散，从而影响地面的加热/冷却潜力，而站立式建筑基础设施会改变城市中的气流、能量吸收和大气热传递。

为了估计城市扩张对当地和区域气候的影响，在过去十年中，全球主要大都市地区越来越多地进行了基于建模的研究。然而，以往的研究主要集中在城市向外扩张的影响上，而城市致密化的影响尚未得到探讨。事实上，由建筑物的组成和配置塑造的 3D 城市景观在不同的环境中可能会有很大差异 。最近，越来越多的研究考察了 3D 景观模式对城市小气候的影响。也就是说，使用统计或机器学习方法在观测到的气象要素和城市景观模式之间或地表温度和城市景观模式之间建立统计关系。这些研究强调，城市景观异质性会导致城市小气候的巨大差异。

本研究首先分析了 2008 年和 2018 年武汉市中心的三维城市景观格局，并根据 2008 年和 2018 年景观指标的差异，使用多元聚类分析探索城市致密化模式。其次，将景观指标和其他城市冠层参数纳入中尺度模型，并结合城市冠层模型，量化城市致密化对武汉市中心城市中尺度热环境的影响。

   研究数据和方法  ▼  

（1） 数据来源

① 本文使用了武汉测绘研究所提供的 2008 年和2018年的1：2000 建筑矢量数据 （https://www.whkc.com/） 来描述武汉市中心的 3D 城市景观模式。数据包含每个建筑实体的详细信息，包括建筑占地面积、施工时间和楼层数。

② 基于建筑足迹和高度，本文在0.333 km尺度上计算了9个三维城市景观指标。具体来说，选择了三个高度度量，两个密度度量，一个表面积度量和三个体积度量。高度指标包括建筑平均高度(h)、建筑高度范围(BHR，建筑物高度最大值减去建筑物高度最小值)和建筑物其他度(BO，建筑物高度分散的一种标准化度量，定义为建筑物高度的标准偏差与平均值的比值）。密度指标包括建筑平面面积分数(λ_p)和建筑计数(BC)。表面积度量用建筑表面积与规划面积之比(λ_b)表示。体积指标包括容积率(λ_floor)、平均建筑体积(V)和建筑体积标准差(S_V)。

（2）研究方法

① 为了解武汉市中心城市致密化特征，采用 2008 和 2018 年景观指标的差异进行多元聚类分析。多元聚类可确保解决方案同时最大化组内相似性和组间差异。在聚类分析之前，我们在景观指标的变化之间进行了相关性测试，以排除与其他变量高度相关的变量。因此，ΔBHR 和 Δ𝜆_floor被排除在外，因为它们与三个或更多变量具有很强的相关性 （R > 0.6），而 Δℎ、Δ𝜆𝑝、 ΔBC、 Δ𝜆_𝑏、 ΔBO、 Δ𝑉和 Δ𝑆_𝑉保留以供后续分析。

② 数值模拟使用天气研究与预报(WRF)模型和先进的动态求解器4.3.1版本。

本文设计了两个数值实验来研究城市致密化对武汉市中心城市热环境的影响：UCP2008，使用 2008 年的网格化 UCP 作为表面边界条件，以及UCP2018，使用 2018 年的网格化 UCP 作为表面边界条件。用于两个实验的驱动气象学和土地覆盖数据保持相同，以区分城市致密化诱导的强迫信号。

③ 热应激指数的计算

计算通用热气候指数 （UTCI） 来衡量城市居民的热舒适度。UTCI 是一种等效温度 （°C），旨在反映人体对多维定义的真实室外热环境。

在这项研究中，根据 2 m 气温、2 m 相对湿度、10 m 风速和平均辐射温度 2 m 气温和 10 m 风速的数据是从 WRF-SLUCM 的输出中获得的。2 m 相对湿度 （RH2;%） 是根据 2 m 水蒸气混合比（Q2;kg/kg）、表面压力 （PSFC;Pa） 和 2 m 空气温度 （T2;°C），所有这些都是 WRF-SLUCM 的输出变量。

   重要图表  ▼   

   研究结论  ▼  

在这项研究中，我们测量了城市致密化对武汉市中心城市热环境的影响。我们首先分析了 2008 年和 2018 年的 3D 城市景观格局，并根据 2008 年和 2018 年景观指标的差异，使用多元聚类分析来表征武汉市中心的城市致密化。结果表明：(1) 城市致密化主要分布在二环和三环之间。(2) 武汉市中心城区以高层、中密度密集化最为密集，中层、中密度和低层、低密度密集化为主要的城市密集化模式。

通过将对应于 2008 年和 2018 年的网格化 UCP 纳入模型，进一步使用 WRF-SLUCM 来量化在晴朗和平静的夏日下城市致密化对城市热环境的影响。我们发现：(1) 高层、中密度城市致密化导致一天中升温1.3 °C，干燥 0.5 g/kg，风速降低1.7 m/s，热应激增加1.7 °C。(2) 中层、中密度致密化对T2、Q2 和 UTCI 的影响较弱，对 W10 的影响大于低层、高密度致密化。(3) 城市致密化导致夜间 UTCI 的增加远大于白天 UTCI，W10 和 T2 分别是影响白天和夜间 UTCI 的主导因素。

基于这些发现，我们建议提高城市土地利用效率（在建成区建立新建筑）而不是向外扩张，以减少城市化对热环境的影响。为此，中层、中等密度的致密化是可取的;同时，城市规划者应减少建筑高度范围和其他性，以避免加剧热环境。然而，这些策略对其他环境问题（例如空气污染）的影响需要进一步调查。未来的模型开发应考虑对城市热环境产生重大影响的更多关键 3D 城市景观指标和形态参数;此外，在城市树冠模型中应考虑树木的 3D 特征，以增强模型中生物物理过程的表示。

   小编说 ▼  

该文章题目为“Characterizing urban densification and quantifying its effects on urban thermal environments and human thermal comfort”，于2023年发表在《Landscape and Urban Planning》，IF=7.9。

引用：Xiangwen D ,Qian C ,Lunche W , et al.Characterizing urban densification and quantifying its effects on urban thermal environments and human thermal comfort[J].Landscape and Urban Planning,2023,237.

文献声明

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本期编辑：邬欣阳

本期文案：邬欣阳