山地城市微气候特点与热岛效应缓解策略研究_曾穗平

高
坡
谷
高
山
地
底
原
气
气
气
气
候
候
候
候
山地类型 沿海山地 高海拔山地 高纬度山地
低纬度山地
表1 山地的地理位置及对居民点的影响
气候与景观特点
交通与人居环境特点
海拔低，气候温和
居民地和道路网较密
空气稀薄，气候寒冷，多雪山 人烟稀少，交通极为不便
山顶浑圆，坡面较缓，谷宽，河 道路较少、居民地多依丘陵 少，多为黄土质，河流较少，树 傍谷，分布较密、河道弯曲 木多集中在居民地内外
城市景观 自然景观居多 人工景观居多
热岛特征 热岛中心分散 热岛中心集中
城市结构类型 团块式布局 组群式布局
带状布局 串珠布局
表3 山地城市的结构布局特点分析
出现的地点
城市结构特点
Байду номын сангаас
城市生长特点
典型城市
地形较为宽阔的盆地、谷地、台地或高原 类同心圆布局集中紧凑结构布局
以近似同心圆式向四周扩张
马鞍山市、朔州
中午山谷中空气变暖，产生上升暖风
深夜山谷中空气变冷，产生沉冷风
下午山谷中上升的暖风处于主导地位
2 山谷风每日气流变化示意
黎明山谷中下吹的冷风处于主导地位
山地城市微气候设计的自然与人工要素
气象要素
地形、地貌与水文要素
人工环境要素
日
降
风
其
纬
水
坡
坡
其
城
产
功
街
其
照
水
向
他
度
文
度
形
他
市
业
能
道
他
与
与
与
气
与
与
与
与
地
另一方面，由于山体对山地城市造成一定的日照与气流的遮 挡效应，使山地环境相对封闭，热量难以扩散，通风较差，这些 都强化了城市热岛现象。如重庆市由于四面环山造成静风率非常 高，城区平均风速不超过 3m/s，造成主城区内居民生产生活所排 出的废热、废气不易散发。特别是处于山地中的河谷型城市形态 受到河谷及周围山地地形的限制，使城市环境容量相对较小，这 就造成在相同排放条件下，河谷型城市比平原城市的大气污染物 浓度大；同时，由于河谷城市的特殊地形对气流的阻挡和摩擦效应， 使到达城市内部的大气风速减小，甚至产生局部静风区域，直接 影响了大气污染物扩散 ；另一方面，由于河谷城市白天山峰加热 快和夜间山谷出现的冷湖现象，使山谷出现了逆温层，它抑制了 大气湍流对污染物的扩散能力，造成河谷城市比平原城市的污染 更严重的现象，这些均是形成山地城市热岛和效应的不利条件。 如贵阳、遵义这些河谷型城市，由于山脉阻挡，形成了湿润、雨多、 云雾多而日照少的气候特点，再加上常年风速较小，对城市大气 污染物的稀释与扩散非常不利，并起到促使酸雨形成及加重混浊 效应的催化作用，这些直接对山地城市的微气候环境造成不良影 响。图 3 是与山地城市微气候设计有关的自然要素图解。
影响山地城市微气候的因素包括宏观气候环境要素和微观环 境要素。宏观气候环境要素包括大气环流状况，城市所处的纬度、 海拔高度、山脉走向等，这是对山地城市微气候的最重要影响的 因素 ( 图 1)。
例如，地处沿海的山地由于海拔低而气候温和 ；高海拔的山
山地气候型 ( 非地带性 )
1 气候分区与山地气候类型
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学术论文专刊 2013 总第 10 期
自然生态格局 利用与优化
城市热岛效应的 生态缓解策略
城市人工生态 格局优化
4 城市热岛效应的生态缓解策略
基于不同气候分区的城市形态 结合自然通风与山地降温效能的城市形态 利用河流山川特色的城市拓展方式 顺应山形地势的城市格局
城市低能耗保障与生态产业转型 城市空间格局优化与低碳的交通布局 街道空间结构的低热优化与风环境组织 绿化与水系景观体系的优化与组织 建筑群形态优化与节能规划布局 绿色节能的建筑材料与色彩的应用
纬度气候带 ( 地带性 ) 气候型 ( 非地带性 )
山地高度气候带 ( 地带性 )
地球上的气候
热
亚
温
寒
冰
带
热
带
带
原
带
带
海
海
大
季
山
洋
岸
陆
风
地
气
气
气
气
气
候
候
候
候
候
山
山
山
山
山
地
地
地
地
地
热
亚
温
寒
冰
带
热
带
带
原
带
带
1 山地城市气候特点与热岛效应的关联性分析 作为城市一种不良与极端的气候现象，热岛效应与自然环境
及人工环境均有密不可分的联系。自然环境包括城市所处区域的 地形、地貌、绿化植被水体等。人工环境包括城市功能布局、产 业构成、空间结构等。因此，要缓解热岛效应对山地城市不利影响， 必须首先分析山地城市自然与人工环境特点，探索这些环境要素 与热岛效应的关联性，进而建构基于热岛效应缓解的山地城市气 候设计方法。 1.1 山地城市的自然环境特点及对微气候的影响
1) 山地城市“多中心、组团式”结构及热岛效应的发展趋势 在城市布局方面，山地城市呈现出“有机分散、分片集中、 分区平衡、多中心、组团式”的布局特点 [1]。由于热岛效应与城 市人口规模有直接的关系，城市规模越大，城市热岛效应越严重， 减弱或避免热岛效应的难度也会加大。而多中心布局意味着在相 同城市人口总量的条件下，分布成团的体量较小，因此，多中心 的城市布局能减弱城市热岛效应，改善城市的热环境。但是，随 着城市化进程不断加速，山地城市体量不断加大，热岛效应也日 趋明显，且由于城市各片区相互连接，热岛中心的分布也由原来 的零散分布，逐渐向集中、连片的形式过渡。 2) 高密度与下垫面立体化对热岛效应的影响 与平原城市相比，山地城市日照条件和卫生条件差，用地条 件复杂，城市建设用地少，具有“人—地矛盾”突出的特点，表 现为建筑密度大，容积率高，人均公共绿地面积低等特征。以 重庆为例，主城区人均综合用地指标人均仅 65.12m2，绿地率和 绿化覆盖率分别只有 17.89% 和 19.96%，远低于全国的平均值 21.81% 和 26.56% ，居全国同类城市的低水平。其中，建筑密度大、 容积率高等因素加速了热岛效应的形成，而人均公共绿地面积低， 则对缓解热岛效应没有起到应有的积极作用。 另外，由于山地城市地表起伏不平，下垫面层呈立体化分布， 存在错落的建筑群外立面与大量的街谷空间。这些立体化的城市 下垫面因其相对封闭性等因素阻挡了气流的运动，妨碍了城市空 气的热湿交换，因此，加剧了城市热岛效应。 3) 道路布局与出行方式对热岛效应的影响 山地城市的道路除主干道较为平直外，其他次级道路大都采 用顺应地形山势、呈环状曲折与主干道连接的方式。由于道路狭窄、 道路线形曲折、尽端路多、连通性差等特点，不利于形成通风风 道，难以起到减缓热岛效应的作用。同时，由于地形的限制，曲 线多、上下坡度大，使得汽车在行驶过程中较为频繁的转弯、上 下坡，消耗更多的能量，产生更多的废热及汽车尾气。也就是说， 如果行驶相同距离，山地城市居民在能耗及尾气排放均高于平原 城市的居民，这些均是加剧城市热岛效应的不利因素。但另一方面， 由于山地城市土地功能复合度比较高，这种土地布局模式有助于 减少人们的交通出行总量。同时，私人交通方式减少、公共交通 方式的出行比例增加，对减少人为放热及排放大气污染物起到一 定的作用。
城市热岛效应 (urban heat island effect) 是指城市中的气温明 显高于外围郊区的现象。基于环境气候学的观点，我们可以认为 ： “热岛效应是城市人工生态系统强烈干预自然生态系统，引起城市 范围内热环境失去自然均衡继而局部升温的现象”。
在城镇化快速发展的背景下，由于人工生态系统 1) 强烈干预 自然生态系统，使城市热岛效应的问题越来越突出。我国的山地 城镇约占全国城镇总数的一半，山地城市具有地形复杂性、气候 复杂性、环境特殊性特点，其城镇热环境与平原城市也有所不同， 在缓解城市热岛效应的环境气候设计策略与方法上有其独特性。 因此，在环境气候学视野下，探索山地城市的热岛效应缓解策略 十分必要。
曾穗平1 田健2
Zeng Suiping, Tian Jian
摘要/结合山地地形特征，分析了山地城市微气候的特点，从自然环境与人工环境两个层面，系统剖析了山地城市热岛效应的成因；进而应用环境气候学 的理论，从城市结构、城市拓展模式、街道空间、建筑群布局以及建筑设计等方面，提出了缓解山地城市热岛效应的规划策略。 关键词/山地城市；热岛效应；缓解策略；微气候特点 ABSTRACT/ Based on the topographic characteristics, this paper analyzes the micro-climate of mountain cities from the aspect of the natural and the artificial environment. The study systematic analyzes the causes of the heat island effect of the mountainous cities. By using the environmental climatic theory, it also proposes a planning strategy to mitigate such an effect from urban structure, urban development model, street space, architectural layout and design of buildings. KEY WORDS/ mountainous city; urban heat island effect; mitigation strategies; micro-climate characteristics
可以说，山地城市具有“多中心、组团式”的结构、“高密度 与高容积”的开发模式，“立体化与少绿地”的下垫面等特点。由 于城市热岛效应与城市结构、城市形态、产业结构以及街道肌理 等有很大的关系，因此，这些特点对热岛效应产生了直接的影响， 具体表现在如下几个方面 ：
早晨山地表面因日照而变暖，暖风开始上升
傍晚地表面变凉，冷空气开始下吹
丘陵地区、河流的交汇处
城市各功能区相对、具有一定规模，结合 以主要功能区为中心，向四周阻 重庆、宜宾、铜陵
地形分布，相隔一定距离
力小的方向紧凑发展
山地丘陵地区，高山、峡谷和江河等地区 沿河、谷狭长地带形成带状的布局结构 呈双向或单向内集聚发展
延安、安康、兰州
沿山峦或河谷宽窄
中心城区为核心、以道路串联的各功能区 利用道路串接山谷或河谷地形相 遵义、自贡等 对平坦处功能区
学术论文专刊 2013 总第 10 期
山地城市微气候特点与热岛效应缓解策略研究
RESEARCH ON MICROCLIMATIC CHARACTERISTICS OF MOUINTAINOUS CITIES AND STRATEGY TO MITIGATE THE HEAT ISLAND EFFECT
山顶较尖，坡陡谷窄，多溪流， 居民地散居山坡山脚、道路 山背狭窄，谷地多是稻田。山丘 多为山村小路 树林生长较密
国家科技支撑计划支持项目(2012BAJ15B03) 作者单位：1 天津大学建筑学院(天津，300072)
2 中国城市规划设计研究院(北京，100044) 收稿日期：2013-07-01
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从风环境来看，影响山地城市的除了大气环流外，还会受到 山谷风的影响。山谷风形成的原因是处于较高的地势山体白天容 易得到太阳的照射，形成热源，进而在产生自谷底向山顶的上升 气流—即所谓的谷风 ；而夜间，由于山体比山谷散热快，这一 结果形成气流相反运动—即所谓的山风，这些气候因素是山地 城市微气候设计重要内容 ( 图 2)。
形
结
布
布
要
温
湿
风
象
海
地
坡
植
形
态
构
局
局
素
度
度
速
要
拔
质
向
被
要
素
素
3 山地城市微气候设计的自然与人工要素
山地城市 平原城市
地形 地形平坦(坡度＜5°) 地形起伏(坡度＞5°)
表2 山地城市与平原城市在空间环境上的比较
城市结构
城市密度
城市交通
多中心、组团结构
小集中、大分散
自由式交通
单中心圈层结构
大集中，小分散 方格网式、放射形交通
1.2 山地城市人工环境特点及对热岛效应的影响分析 与平原城市相比，由于山地特殊的自然地形地貌，使山地城
市结构、形态与城市道路网与交通组织方面有所不同，呈现出带 状或组团式的城市结构、高低起伏的竖向城市空间形态、以自然 景观组织城市等特点，并在街道肌理、道路组织、建筑景观组织 等城市人工环境方面表现出自身的特色 ( 表 2、3)。
学术论文专刊 2013 总第 10 期
地多雪且空气稀薄 ；高纬度山地坡面较缓、顶圆，谷宽河少而气 候寒冷；低纬度山地则山顶较尖，坡陡谷窄，多溪流而气候湿热 ( 表 1)，这些自然环境特点的差异又影响到城市与乡村居民点形态与 结构。
而影响山地城市微气候的微观自然环境要素主要包括山形、 地势、水文、地质以及下垫面特点等因素。例如，高地、坡坎、丘陵、 河谷等自然地貌，以及山体的坡度、坡向及高程等，也直接影响 到城市局部温度、气流变化以及光照等微气候环境。在现实环境中， 高地相对干燥而风速较大，河谷湿度大而静风频率高，南坡向阳 温暖而北坡背阴寒冷等。这些都是影响城市微气候设计必须考虑 的因素。