城市形态对热环境的影响研究——基于综合反射率视角

摘要

随着城市化的发展，城市热岛效应日益显著。由于城市气候学与城乡规划学一直缺乏有效合作，城乡规划在减缓热岛中应具有的“引领”作用未能有效发挥。　　随着国土空间规划的提出，多学科合作交融和“多规合一”的重要性进一步彰显。因此本文的选题聚焦于气候敏感型规划与设计的研究，选取反射率作为与城市形态息息相关的热环境敏感型指标的代表进行研究，旨在通过该指标的研究来探讨将其运用于国土空间规划与城市气候学衔接与合作的突破点的潜力。　　现有的研究多以单一地表材质本身的反射率研究为主，然而对城市复合建成环境的综合反射率的研究却较为有限，而复合建成环境内对辐射的多重反射所产生的特殊的太阳能捕获效应，是热岛形成的重要原因，这种多重反射作用也使得其辐射反射情况更为复杂。因此，本文在对单一地表材质的反射率和少量复合建成环境的综合反射率进行简单调查与论证的基础上，重点对成都市内大量复合建成环境的综合反射率进行研究，旨在基于综合反射率视角研究城市形态对热环境的影响。论文从不同空间尺度和层级范围探究了城市形态影响综合反射率以及综合反射率影响热环境的规律，并提出了基于综合反射率调控的城市形态设计原则启示。　　在基础论证调查中，首先对单一地表材质的反射率进行研究，采取实地观测的方法，对西南交大校园内的沥青、铺砖、草坪和水面四类典型的人工和自然地表材质进行反射率和热环境的实地观测。研究结果表明：各类地表材质类型的反射率主要由材料本身的反射特性决定，地表热岛随着反射率的增加而降低，但是空气热岛随反射率变化的规律不明显。其次，在复合建成环境的综合反射率研究中，采取了遥感反演并配合实地观测的方法，选取了少量局地气候分区(LCZ)样本进行综合反射率和热环境的反演与观测，初步定性发现与验证了复合建成环境特殊的辐射交换情况使得综合反射率的研究也变得更为复杂。城市形态对综合反射率的影响不仅包括地表材质反射特性的影响，还包括地表覆盖、几何结构特征等的综合影响，研究初步发现与论证了的影响特征是：建筑和树木的垂直表面对辐射的多重反射和阻挡作用会使综合反射率减小。综合反射率对热岛的影响容易受到建筑阴影、绿化等因素干扰。　　在正式实证研究中，采取WUDAPT的方法构建了成都市的局地气候分区(LCZ)地图，采取遥感反演的方法获取了综合反射率和地表温度数据。首先对城市的综合反射率概况进行简单的分析，从不同环线内区域分析了城市形态、综合反射率和地表温度的空间分布特征，并初步探讨了综合反射率相关的影响特征。其次，重点抽取典型街区样本对其综合反射率相关影响规律进行研究，根据成都市的城市形态特征分析，将成都市区划分为了三环内和中心城区内两个层级范围，并分别在其中选取了LCZ建成型(46个)和建成型+自然型(150个)街区样本群，通过统计分析探讨了不同层级范围内的不同典型LCZ街区样本群的综合反射率相关的影响规律，并比较了不同层级范围内规律的差异，研究主要发现以下规律：(1)形态影响综合反射率的规律　　在三环内，建筑密度与综合反射率呈显著负相关，天空视角因子与综合反射率呈显著正相关，透水率/粗糙物高度与综合反射率未呈现出显著的相关性。建筑密度对综合反射率的影响比天空视角因子大。　　在中心城区内，建筑密度与综合反射率呈显著负相关，透水率、天空视角因子与综合反射率呈显著正相关，粗糙物高度仅在低层区域中与综合反射率呈较明显的负相关。相关程度的高低差异为：透水率、天空视角因子和建筑密度的相关程度大于粗糙物高度。总体来说，地表覆盖指标对综合反射率的影响比几何结构指标强。　　总体来说，相比于三环内，中心城区内的所有形态指标与综合反射率的相关性都普遍增强，而且部分在三环内未能体现的相关性在中心城区都得以体现。无论三环或中心城区内，建筑密度和天空视域因子对综合反射率都有较显著的影响，粗糙物高度的影响明显较弱，而透水率只在中心城区有显著影响。　　(2)综合反射率影响热岛的规律　　在三环内，由于综合反射率整体差异较小，综合反射率及其增量与地表热岛未呈现出显著的相关性，而在中心城区内，相关性均得以较好地呈现，表明综合反射率在一定程度上具有缓解地表热岛的潜力。　　最后，基于以上结果规律，针对城市不同空间尺度，分别从城市总体设计、片区设计和街区设计角度提出了基于综合反射率调控的城市形态设计原则和策略启示。

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第1章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 城市化背景下的城市热环境问题

1.1.2 现行城市规划改善热环境的障碍

1.1.3 国土空间规划为热环境改善提供的契机

1.1.4 基于综合反射率调控改善热环境的潜力

1.2 课题来源

1.3 研究目的与意义

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究意义

1.4 研究对象与范围

1.4.1 研究对象

1.4.2 研究范围

1.5 研究概念界定

1.5.1 反射率

1.5.2 城市热环境

1.5.3 城市形态

1.5.4 气候敏感型规划与设计

1.6 研究内容与框架

1.6.1 研究内容

1.6.2 研究框架

第2章 研究综述

2.1 反射率研究手段概述

2.1.1 反射率研究手段的运用

2.1.2 反射率研究手段的特点

2.2 形态影响反射率的规律研究

2.2.1 单一地表材质

2.2.2 复合建成环境

2.2.3 小结

2.3 反射率影响热环境的规律研究

2.3.1 单一地表材质

2.3.2 复合建成环境

2.3.3 小结

2.4 本章小结

第3章基础理论与研究方法

3.1 基础理论

3.1.1 城市气候尺度划分

3.1.2 太阳辐射与反射率

3.1.3 反射率相关热物理要素和热通量

3.1.4 反射率相关热环境评价

3.1.5 形态-反射率-热环境的相互影响原理

3.2 调查数据获取与特征分析

3.2.1 形态分类与采样

3.2.2 形态指标获取与分析

3.2.3 反射率获取与分析

3.2.4 热环境指标获取与分析

3.3 案例构建

3.4 结果分析

3.5 技术路线

第4章基础论证调查与实验

4.1 单一地表材质的反射率调查

4.1.1 地表材质样本选取

4.1.2 实验方案设计

4.1.3 实验结果分析

4.2 复合建成环境的综合反射率调查

4.2.1 研究区域范围与街区样本选取

4.2.2 综合反射率和地表温度反演方案设计

4.2.3 空气温度观测方案设计

4.2.4 实验结果分析

4.3 本章小结

第5章成都市综合反射率实证研究

5.1 城市综合反射率概况分析

5.1.1 研究范围与气候特征概况

5.1.2 城市指标获取结果与空间特征分析

5.1.3 城市形态-综合反射率-热岛影响特征分析

5.2 典型街区样本综合反射率分析

5.2.1 研究范围分级

5.2.2 各层级范围的典型街区样本群选取

5.2.3 街区样本指标获取结果和特征分析

5.2.4 各层级范围内街区形态指标间的影响规律

5.2.5 各层级范围内街区形态-综合反射率-热岛影响规律

5.2.6 各层级范围内街区形态-综合反射率-热岛影响规律差异总结

5.3 本章小结

第6章 基于综合反射率调控的形态设计原则启示

6.1 研究结果规律

6.2 设计原则和策略启示

6.3 研究局限与展望

1、局限性

2、展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文