城市微气候与室外环境

例如在一次热浪中的步行中，从公交站出发，穿过无遮阴的广场、树下人行道、两栋高楼之间的风口，最后进入背风庭院。短短几百米内，太阳辐射、地表温度、风速和空气湿度都可能变化，人的暴露程度也随停留时间和活动强度改变。

城市微气候来自地表材料、建筑几何、植被水体、人工排热和天气背景的共同作用。它会影响室外活动、建筑负荷和高温健康风险，但影响并不平均：儿童、老年人、户外劳动者以及无法及时进入凉爽空间的人，暴露往往更高。

本内容不把“降温”只看成一个场地平均数，而是沿人的路线识别暴露热点：哪里最晒、哪里风太强、哪里夜间散热慢、哪些地点缺少休息和饮水条件。设计措施也要落到具体时段、位置和人群。

---

城市热岛效应

城市热岛效应（Urban Heat Island，简称 UHI）通常指城市地区与所选参照区域之间的温度差。这里必须说明测量的是近地空气温度还是地表温度、比较时刻和天气条件，以及“郊区”如何选取。热成像看到的是表面辐射温度，不能直接等同于行人呼吸高度的气温。

热岛效应的成因

热岛由多种能量交换共同形成。硬质表面的反射率、热容量和含水状态会改变吸热、储热与放热；不透水化可能削弱蒸散；建筑几何影响遮阴、天空可视范围和长波辐射交换。材料不能仅按“沥青、混凝土”名称判断，颜色、构造、老化和含水条件同样重要。

街道峡谷的宽高比和朝向会改变日照、遮阴、风和向天空散热的条件，作用可能随时段而变。交通、工业、人体活动与空调冷凝器还会向室外排热。讨论成因时要区分城市尺度热岛、某个表面的高温和一个行人点位的不适，它们相关，却不是同一指标。

热岛强度与分布规律

热岛强度通常用城市中心与郊区的气温差 $\Delta T$ 来表示，单位为℃，其公式为：

$$\Delta T = T_{\text{city}} - T_{\text{suburb}}$$

温度并不一定从中心向郊区单调下降。公园、水体、工业区、山谷和不同密度片区会形成多个冷热点，参照点变化也会改变计算结果。

下方示意图用一条简化剖面解释城郊温差概念。它不是所有城市的固定分布规律，真实分析应使用多点、同步、同高度且经过校准的观测：

热岛强度会随季节、昼夜、云量、风、降雨和城市形态变化。有些城市或天气下夜间城郊空气温差较明显，有些点位则可能在白天地表温差更突出。不能用南北方或湿度单一因素给城市指定固定温差。

夜间城市材料释热、街谷向天空散热受限和人工排热，可能让空气热岛持续存在；白天遮阴和高反射表面又可能让部分城区点位比开阔参照点更凉。因此，应分别报告空气热岛、地表热岛和具体时间，避免一句“夜间更强”覆盖所有情形。

---

城市风环境

城市建筑群改变了自然风的流动路径和速度，在不同区域形成了迥异的风环境——有些区域风速过高，让人难以驻足；有些区域则几乎无风，闷热难耐。了解城市风环境的规律，是合理布置建筑和室外空间的重要前提。

风绕过建筑时的典型现象

自然风进入城市后受到建筑阻挡，流场变得复杂。以单栋高层建筑为例，会在周边产生几个典型区域：

迎风面的气流受阻后，一部分会绕向两侧或上方，一部分可能下洗至建筑底部；建筑角部因绕流可能出现局部加速。这些现象的强弱取决于建筑高度、形体、裙房、来流风廓线和周边建筑，不能用固定倍数概括。

建筑背风侧常出现分离与回流，可能形成低风速区，也可能有脉动涡流。狭窄通道中的风是否加速，需要看入口、出口、三维泄流和周边压力场；城市风环境不能仅套用理想管道中的“文丘里效应”。

室外风环境的评价标准

室外风环境通常同时关注冬季强风风险、夏季通风潜力、污染物扩散和建筑开口条件。项目应先确认适用标准、评价高度、来流边界和统计时段，再选择计算或风洞方法。

1. 强风检查：用与行走、站立或久坐活动相对应的风速阈值和超越概率，识别入口、转角及高层下洗影响区。

2. 弱风与通风检查：低风速不一定等于“不健康”，高风速也不一定能排湿。应结合温湿度、污染源、开口位置和人的活动判断通风价值。

3. 评价边界检查：说明模型范围、网格、地形、周边建筑、植物处理和代表性风向。若边界条件不一致，风速放大系数不能直接比较。

建筑形体对风环境的影响

建筑的形体对风环境有决定性影响，主要表现在：

板式建筑（长条形平面）

• 与来风接近垂直时，可能形成较大的迎风阻挡
• 转动朝向、开设通道或改变底层处理后，结果会明显变化

点式建筑（方形或圆形平面）

• 迎风宽度可能较小，但高层下洗和角部加速仍需检查
• 多栋点式建筑也可能因排列产生叠加遮挡或局部强风

在需要增强通风的时段，可以比较以下方案：

1. 适当缩短板式建筑的长度
2. 错开多栋建筑的排列
3. 研究底层架空或连通开口

任何调整都要同时检查强风、风雨、噪声、污染物传播和冬季使用，不能只追求平均风速增加。

---

建筑群体布局与微气候

单栋建筑会改变附近的阴影、辐射和气流，多栋建筑之间还会产生遮挡与叠加效应。不能简单认为紧凑形体一定形成大背风区、复杂形体一定积热；群体结果与风向、间距、高度变化、地表和使用时段共同相关。

群体布局可以组织通风与遮阴，也可能制造强风、冬季阴影或污染物滞留。“通风廊道”要说明服务的季节、来风频率、上风向空气质量和下风向敏感点；排列疏密则需同时平衡用地、日照、交通和公共空间尺度。

常见布局类型的微气候特征

建筑群体布局的方式会直接影响场地内的风环境、热环境和日照等微气候要素。常见的布局形式及其微气候特征如下：

比较布局方案时，应用同一组气象、周边建筑和使用边界，分别输出日照、强风、弱风、热暴露及污染扩散结果。某一指标变好并不代表整体更优，例如扩大风道可能改善夏季通风，却增加冬季入口风或把道路污染带入庭院。

建筑间距与日照

建筑间距、朝向、高度、地形和周边遮挡共同决定日照。住宅日照要求会因所在地、建筑类型、使用对象和标准版本而异，项目必须依据当前适用的规划与建筑规则计算，不能沿用一组脱离条件的固定小时数。

日照间距系数 D/H（水平间距与遮挡建筑高度之比）可用于早期理解几何关系，但不是通用审批结论。太阳高度随纬度、日期和时刻变化，建筑朝向、长度、退台、地形与窗的位置都会改变实际日照。

早期体量研究可以用简化几何快速比较，但最终应对窗或场地进行规定时段的日照分析。日照不足会影响使用品质，增加或减少能耗则还取决于窗、围护结构、遮阳和系统运行，不能从阴影直接推导出固定能耗后果。

简化间距系数只适合早期筛选。朝向偏转是否可接受，应以具体建筑、受照对象和计算结果判断；即使总日照时数相近，获得日照的时间段也可能影响空间使用。

---

室外热舒适性

建筑的室外空间——广场、庭院、街道——是城市生活发生的主要场所。室外热环境的舒适程度直接影响人们在这些空间中停留的意愿和时长，进而影响城市公共空间的活力。

室外热环境评价指标

室外热舒适性的评价比室内更加复杂，人体在室外同时受到气温、风速、湿度、太阳辐射和地面热辐射等多重因素的综合作用。目前常用的评价指标如下：

以 PET 为例，阅读分级图时要同时查看研究人群、气候背景和活动着装假设。同一数值不一定对应所有地区人群完全相同的感受：

太阳辐射对室外热舒适的主导作用

太阳短波辐射和周围表面的长波辐射会显著影响人体热平衡，所以只测空气温度不足以解释室外体感。同样气温下，阳光直晒、热墙辐射与树荫环境可能截然不同。评价时可测量或估算平均辐射温度，并记录太阳高度、云量和人的朝向。

有效遮阳通常能明显降低热辐射暴露，但 PET 等综合指标的变化幅度与遮阳类型、树冠透射、地表温度、风和湿度有关。比较前后效果时，要确保气象时刻和人体参数一致。

遮阳常是降低白天热暴露的重要手段。树木还能提供蒸散和生态价值，但形成有效树荫需要时间、水分和养护；廊架或顶篷则能更快提供确定遮阴。设计应把遮阴投向真正有人停留和行走的时段与位置。

---

绿化对建筑环境的影响

城市绿化能提供遮阴、蒸散、雨水调节、生境和空间体验，也可能影响通风、花粉暴露、照明安全和维护用水。把它视为“绿色基础设施”时，应同时评估这些服务与代价。

绿化的降温机制

植物主要通过两种途径降低周边环境温度。

1. 遮阳：树冠削弱到达人体和地表的直射太阳辐射。效果取决于树种、冠幅、叶密度、季节、太阳高度和树木健康状况，不能用固定遮挡比例代表所有乔木。

2. 蒸散：植物和土壤把一部分可用能量转化为水分蒸发的潜热。蒸散量受到土壤水分、气孔调节、天气和养护限制，不宜把一棵树直接折算为某台空调，因为两者的作用空间、可控性和服务方式不同。

绿化覆盖率与场地降温效果

仅用绿化覆盖率很难预测降温，因为树冠位置、连续性、灌溉、风和周边形态都会改变结果。下表把固定降温幅度改为方案阶段更有用的检查项：

不同绿化形式的综合效果

在选择合适的绿化形式时，不仅要考虑其遮阳效果和蒸腾降温能力，还需要兼顾实际的建设成本、后期维护难度、空间可用性、与周边环境的协调度等多个方面。例如，乔木通常能够提供更好的遮阴和降温效果，但生长周期较长、前期投入较大；而草坪虽然建设和维护相对简易，但其在遮阳和降温方面的综合效益有限。

此外，不同类型的绿化还会影响城市景观、生态多样性及人们的使用体验。因此，在实际场地设计中，应根据用地功能、气候特点、项目预算和长期管养能力，对各种绿化类型的利弊进行充分权衡和合理搭配，才能实现最佳的综合生态与经济效益。

乔木在许多场景中具有较高的遮阴价值，但不能笼统认定“越高大越好”。树种选择要结合冠形、根系、抗风、病虫害、花粉、落果、地下管线和长期水分条件。本地或适应当地的物种通常值得优先评估，仍需避免单一树种带来的系统性风险。

---

场地微气候优化策略

场地优化应从问题点位出发：先记录人在什么时间、沿哪条路线、以何种活动方式暴露，再判断主要压力来自辐射、风、湿热还是缺少恢复设施。一个对平均值有利的措施，未必帮助最需要保护的人群。

建筑布局、遮阳、绿化、水体和铺装都可作为候选方案。它们对建筑负荷的影响还要看与外墙、窗和进风口的位置关系，应通过模拟或测量验证，而不是从“场地变凉”直接推导节能量。

总体设计原则

场地微气候优化的总体目标可以概括为两个方面：

夏季要：

• 有效遮阳，减少太阳辐射对场地的直接加热
• 在室外条件合适时利用气流改善人体散热，并避免危险强风
• 降低热量在地表和空间的积累

冬季要：

• 降低冷风对室外空间和建筑的直接侵袭
• 在实际使用时段提供适量日照，并保留避风与休息位置

夏季与冬季目标常有冲突，因此可采用落叶树、可调遮阳、分季节活动区或不同风向下的空间层次。权衡时要明确优先保护的时间和人群，而不是把两个季节简单平均。

建筑朝向与布局优化

朝向与高度组合对风场的影响无法用固定夹角或单一递变规则概括。方案比较应使用多个高频与不利风向，检查行人层强风、弱风、污染源和开口风压。某个方向的“通风增强”还要确认空气是否适合被引入。

硬质铺装的选择

浅色或高反射铺装可能降低材料吸收的太阳能，但也可能增加行人或周边立面的反射辐射与眩光。透水铺装能否产生蒸发冷却，要看基层、土壤和实际含水状态。选材应同时比较表面温度、平均辐射温度、排水、耐久、防滑、污染和维护，不能仅看实验室反射率。

水体的应用

水面和喷雾通过蒸发吸热，在干燥空气中可能提供局部冷却；高湿或无风时效果会减弱，还可能增加黏湿感。设计应核对作用时段与范围、耗水、水质、漂水、卫生安全、风向和停运状态。水资源紧张地区尤其要比较冷却收益与长期用水代价。

各类优化措施的对比

系统整合的重要性

多种措施可以协同，也可能相互抵消。组合前应写出各自的作用机制与边界，例如：

• 乔木与透水铺装：树冠负责分时遮阴，铺装负责雨水入渗；旱期是否仍有蒸发，需要另行核对。
• 建筑布局与水体：只有气流方向、使用时段和水体冷却条件匹配时，作用才可能传到目标区域。
• 廊架与攀缘植物：硬质构件先提供可预期遮阴，植物逐年生长补充生态价值，但结构、灌溉和维护要同步安排。

组合方案应与基准方案在同一天气和使用条件下比较，并检查白天、夜间及不同季节，避免只展示最有利时刻。

从单体延伸到群体与场地，重要的是把空间形态、物理环境和人的暴露联系起来。良好微气候可能改善室外使用，并影响附近建筑负荷；实际收益仍应通过温度、辐射、风、使用行为和能耗数据共同验证。