城市绿地-建筑三维景观格局的热环境效应与机理研究

Urban heat island (UHI) effects as a major sign of local climate change has great impacts on building energy use, CO2 emission and human thermal comfort. Since urban green spaces (UGS) and buildings represent respectively the "source" and "sink" of cool air, proper spatial configuration of the two can contribute to UHI mitigation and urban sustainable development. However, few studies have explored 1) how spatial configuration of UGS and buildings (UGS-building landscape pattern, UBLP) affect urban energy process and microclimate? and 2) what kind of UBLP can enhance UHI mitigation? This study aims to bridge the research gaps based on a case study in Nanjing city using microclimate monitoring and modeling, 3D photogrammetry and 3S technology. It has three research objectives: 1) identify and quantify typical UBLP at urban block scales, 2) exploring optimal UBLP and associated criteria for UHI mitigation by analyzing the relationships between landscape pattern and near-ground air temperature/UGS cooling effects, and 3) investigate the underlying mechanism of UBLP thermal effects based on detailed analyses of the radiative and convective energy process of the study areas. Results can enrich the theory of landscape ecology by adding a 3D microscale dimension to the pattern-process-function research. Some guidelines can be made for urban spatial planning from the perspective of climate adaptation/mitigation.

热岛效应是城市尺度气候变化的重要表征之一，对城市建筑能耗、二氧化碳排放、人居热舒适度具有重要影响。城市绿地和建筑作为缓解热岛效应的“源”与“汇”，两者合理的空间布局能够有效改善热环境、促进城市可持续发展。当前研究着重分析绿地与建筑对城市热气候的单独影响，很少探讨两者相互作用下的热环境响应与机理。绿地与建筑的空间组合方式（景观格局）如何影响热过程与热环境？什么样的格局模式有利于缓解热岛效应？ 本研究拟综合采用微气候观测与模拟、地面激光扫描、航拍摄影测量及3S技术手段，在街区景观单元尺度上，测算绿地-建筑三维景观格局指数，分析大气温度与绿地冷岛效应空间特征，并模拟研究绿地-建筑景观单元内部辐射与对流热过程。研究可望揭示街区景观格局的热效应形成机制，丰富景观格局-过程-功能理论，推动景观生态学往微尺度三维化方向发展；明确优化热环境的景观格局类型与指标阈值，为气候适应型城市空间布局提供科学依据。

城市化与全球变暖双重作用导致城市热岛效应,并引起高温热浪等极端气候事件，对城市人居环境及生态系统健康造成威胁。从用地空间角度探索气候适应性城市的实现途径与机理是多学科关注的重点问题。城市热气候形成机制复杂，与其地表覆盖的异质性和破碎性有关。建筑和绿地作为最具代表性的城市景观要素，对塑造局地热气候具有重要影响。项目综合采用热气候定点与移动观测、微气候与建筑能耗模拟、遥感（RS）与地理信息系统（GIS）等技术手段，以南京地区建筑和绿色空间为例，以大气温湿度与建筑能耗为评价指标，系统研究了城市建筑、绿地、以及两者综合空间布局下的热效应时空特征，识别了影响热效应的三维景观格局因子，从辐射与对流热过程角度探究热效应的形成机制。研究的主要结论总结如下：（1）建筑区大气温湿度及能耗与其三维空间形态密切相关，不同建筑高度、密度、天空视域因子的局地气候区表现出清晰有规律的温湿度与能耗差异；（2）城市公园绿地热效应随时间呈现3种规律：全年降温型，全年昼升夜降型，以及夏季全天降温、春秋冬季昼升夜降型。植被覆盖率、冠层郁闭度、海拔、背景大气温度、太阳辐射、风速是造成时间规律差异的关键因子；（3）与城市中心区相比，城市公园绿地夏季最高可降低气温7.7℃，冬季最高可增温3℃，与传统光屋顶相比，绿化屋顶可最高可降低屋面温度达31.3℃，降低近屋面大气温度3.3℃；（4）不同空间形态街区实施垂直绿化的降温节能效应存在显著差异：“冷岛”强度随建筑高度的增加而减弱，下风向区域降温效果最佳；低层高密度街区实施垂直绿化的降温效果最优，而中层低密度建筑区实施垂直绿化的节能效果最优；（5）城市森林具有重要的“冷岛”溢出效应，冷空气可沿两条样带扩散至883 m和267 m处，从而改善周边建筑区热环境，溢出距离与气流通道朝向等空间因子之间密切相关。以上研究结果可为以气候适应与减碳为导向的城市用地空间规划与自然资源保护提供参考。