城市形态与城市微气候耦合机理与控制

前言近几个世纪以来，全球人口急剧膨胀，而且有越来越向城市集中的趋势。

在城市中道路和建筑物鳞次栉比，参差不齐，形成了特殊性质的下垫面；工商业和交通运输频繁，是大气污染物的源地，在一定程度上改变了大气的组成成分；再加上城市中居民的生产和生活活动大量消耗能源，产生越来越多的人为热、温室气体和人为水汽进入大气。

因此，人类活动对气候的影响在城市中表现得最为突出，可以说城市是研究人类活动与气候关系的理想实验室。

所以，研究城市气候非常有实际意义，它一方面在论证人类活动与气候变化的关系上有着重要的理论意义，另一方面在城市气候预报、城市规划、城市建筑物设计、环境保护、能源使用、居民保健、城市灾害防御和生态平衡的改善上都有着非常重要的应用价值。

第一章绪论第一节城市气候学的定义、研究对象和任务一、什么是城市气候1、城市气候：是在区域气候背景之上，经城市化后，在城市这一特殊的下垫面和人类活动的影响之下形成的一种局地气候。

2、城市化地区的特点⑴它是非农业人口高度密集的区域据统计世界人口密度平均为每平方公里28人，而城市人口每平方公里却有数百人乃至数万人。

⑵它是高强度的经济活动区城市交通发达，工业生产、商品流通和消费水平很高，使得生产资料、生活资料和能源使用都高度集中，高速运转，是人类高强度经济活动的所在，使城市环境发生了巨大的改变。

⑶它具有特殊的下垫面坚硬密实、干燥不透水城市中人工建筑物、构筑物高度集中，以坚硬密实、干燥而不透水的建筑材料代替了原来疏松和植物覆盖的土壤或空旷的荒地。

道路纵横交错，建筑物参差不齐，使城市的轮廓忽升忽降。

这种“人为的立体下垫面”无论在物质构成上还是几何形状上都与郊区大不相同。

下垫面是气候形成的重要因素，它与空气间存在着复杂的物质交换和能量交换，又是下层空气运动的边界面。

它对空气的温度、湿度、风速、风向等都有很大的影响，这是导致城市气候与郊区不同的重要原因之一。

同时城市用地由于使用目的不同，又可分为不同的类型，各种用地的功能不同，其下垫面性质也相应地有很大差异，这是造成城市内部气候区域差异的主要原因之一。

城市三维空间形态对地表热环境的影响及热暴露风险评估城市三维空间形态对地表热环境的影响及热暴露风险评估随着城市化进程的加快，城市面积不断扩展，建筑物高度不断攀升，城市三维空间形态日益复杂，对地表热环境产生了重要影响。

城市中的高建筑、密集的城市街道、广场和公园的布局等都对热环境产生深远的影响，并给居民带来热暴露风险。

因此，深入研究城市三维空间形态对地表热环境的影响并进行热暴露风险评估，对合理规划城市布局和改善热环境质量具有重要意义。

首先，城市的建筑物高度对地表热环境有显著影响。

高层建筑能够改变区域风向和风速，形成垂直热力环流。

建筑群之间的垂直障碍物会引起局地热区，加剧热效应。

此外，高层建筑还能形成人工影子，减少地表热辐射，降低地表温度，改善局部热环境。

因此，在城市规划中应当合理控制建筑物的高度，避免过度密集布局，以减少城市热岛效应的发生。

其次，城市街道和广场的布局对地表热环境有重要影响。

密集的城市街道和广场会减少风的穿流，使得热量在空间中积聚，增加热岛效应的程度。

而宽广的城市街道和广场能够促进空气流动，降低地表温度，改善热环境质量。

因此，在城市规划和设计中，应注意增加绿地覆盖和减少建筑物密度，以创造良好的空气流通条件，降低热暴露风险。

此外，城市公园的布局和建筑物的遮阴效应也对地表热环境产生重要影响。

合理布局城市公园可以形成绿色廊道和热岛缓和区，将城市热岛效应降至最低。

同时，建筑物的遮阴效应也能够减轻热暴露风险，降低人们暴露于强阳光下的时间。

因此，城市规划和设计中应当重视公园布局和建筑物的遮阴功能，以改善城市热环境的质量。

在进行热暴露风险评估时，需要考虑城市内部和城市周边的热环境影响因素。

城市内部的热岛效应、人口密度、绿地覆盖率等都是评估城市热暴露风险的重要参数。

此外，城市周边的气候条件、建筑物布局和自然地理环境也需要纳入评估的范畴。

通过综合考虑这些因素，可以量化评估城市热暴露风险的程度，为城市规划和决策提供科学依据。

安徽建筑中图分类号：TU119文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）4-0012-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.4.0040引言近年来，极端热应力事件频发，城市热岛效应、大气质量污染等城市问题损害人民健康，降低居民生活质量，其频率与严重程度随着全球变暖趋势不断增加。

研究城市微气候环境，对构建城市建筑形态、提出合理土地利用规划调整途径、提高人体舒适性已成为城市设计与人体舒适度研究的主流领域。

数值模拟指通过RAYMAN 、SOL⁃WEIG 、DUTE 等软件辅以场地模型模拟计算城市区域微气候情况的技术方法。

计算机数值模拟相较于传统的遥感、GIS 地表温度反演与实地气息数据观测法，能够弥补空间分辨率低，不全面、不精细，无针对性的缺点，同时减少离散点测量的人为因素影响。

而与传统的CFD 软件相比，ENVI-met 可模拟室外热环境，有较完整的植物模型，能够考虑植物对长短波辐射的吸收反射作用[1]。

利用ENVI-met 软件模型可模拟工业发展、城市下垫面性质与局部气象条件对城市微气候的影响，并已取得诸多研究成果。

因此，本研究拟对1998～2021年国内外利用ENVI-met 模拟城市微气候效应的研究成果进行了分析；对热环境效应的研究方法发展、研究技术和创造性成果进行了重点归纳探讨；通过纵横结合式的文献梳理，以期为后续研究城市微气候效应及绿地与其他城市要素综合效应的影响提供思想指导及路线参考。

1数据来源与研究方法1.1数据来源以Web of science 核心合集数据库为检索来源，对包含“ENVI-met ”“mi⁃croclimate ”或“micro-climate ”“cli⁃mate ”主题词的文献进行专业检索，设定发表时间截止到2021年7月。

通过对文献进行去重及初步筛选，共获得327篇期刊文献，时间跨度为1998年10月～2021年7月。

1.2研究方法CiteSpace 工具基于Java 开发，作为科学知识图谱绘制软件[2]，可对文献进行作者或机构合作分析，关键词聚类分析、共被引分析及耦合分析。

城市热岛效应对城市气候的影响城市热岛效应是指城市在夜间相较于周边地区温度更高的现象。

这种现象主要是由于城市的建筑物、道路和车辆等人为活动所产生的热量无法很好地散发出去，并且城市的表面积大量被非透水材料所覆盖，导致地表温度升高。

城市热岛效应对城市的气候产生了许多影响。

首先，城市热岛效应使城市夏季的气温更高。

相比于乡村地区，城市的建筑物和道路对太阳辐射的吸收要更高，也会通过建筑物和道路反射出更多的热量。

这就导致城市的气温升高，使得城市居民在炎热的夏季更难以忍受。

其次，在城市热岛效应的影响下，城市的周边地区受到的降雨量也会发生变化。

城市中的建筑物和道路会影响到空气的流动，阻碍了湿空气的进入，导致了降雨的减少。

与此同时，由于城市的高温，蒸发速度也会加快，使得地表湿度降低。

这种现象会降低城市的空气质量，对人们的身体健康产生一定影响。

此外，城市热岛效应也会对城市的能源消耗产生负面影响。

夏季高温的气候条件使得人们在办公室、家庭和公共场所等地更加依赖空调系统来降低温度。

大量的空调使用不仅会增加能源的消耗，还会进一步加剧城市的热岛效应，形成恶性循环。

因此，解决城市热岛效应对于减少能源消耗、改善城市环境质量具有重要意义。

然而，与大多数问题一样，解决城市热岛效应并非易事。

一方面，城市热岛效应是由城市的社会经济发展和人口增长所带来的，这是城市化进程不可避免的结果。

另一方面，城市热岛效应的解决需要多个层面的努力和综合措施。

首先，城市规划的角度来看，可通过增加绿地、水体等自然环境要素，来提高城市的湿度和降低地表温度。

同时，合理规划建筑和道路，减少非透水材料的使用，增加可透水的材料覆盖面积。

这些举措既可以改善城市的气候环境，也可以提高城市居民的生活质量。

其次，从居民角度来看，应提倡低碳生活方式和绿色出行方式。

居民可以鼓励步行、骑行和使用公共交通工具，减少汽车尾气和燃烧排放对大气环境的负面影响。

此外，开展植树造林活动，增加居民的环保意识，也是减缓城市热岛效应的有效手段。

《应用城市冠层模式与WRF模式耦合研究城市化效应》篇一一、引言随着城市化进程的加速，城市气候和环境问题日益突出，其中城市热岛效应、空气质量等问题的研究备受关注。

为了更准确地模拟和预测城市化对气候和环境的影响，将城市冠层模式与WRF（Weather Research and Forecasting）模式进行耦合研究具有重要意义。

本文旨在探讨应用城市冠层模式与WRF模式耦合的方法，以及其对于研究城市化效应的应用和意义。

二、城市冠层模式与WRF模式的概述（一）城市冠层模式城市冠层模式是一种描述城市地表与大气之间相互作用的过程模型。

它主要关注城市地表的物理特性，如建筑物、植被、道路等对气象条件的影响。

通过模拟城市地表的能量平衡、湍流交换等过程，城市冠层模式可以提供更准确的城市气象参数。

（二）WRF模式WRF模式是一种全球/区域气象数值预报模式，广泛应用于天气预报、气候模拟等领域。

它具有较高的时空分辨率，可以较好地模拟城市尺度上的气象条件。

在WRF模式中，可以通过加入不同的物理过程和参数化方案，以更精确地模拟不同地区的天气状况。

三、城市冠层模式与WRF模式的耦合方法（一）数据共享与交互为了实现城市冠层模式与WRF模式的耦合，首先需要实现两种模式之间的数据共享与交互。

这包括将城市冠层模式的输出结果作为WRF模式的输入数据，同时将WRF模式的模拟结果反馈给城市冠层模式，以实现双向的数据交互。

（二）参数化方案的选择与调整在城市冠层模式与WRF模式的耦合过程中，需要根据研究区域的气候特点、地形特征、建筑物分布等实际情况，选择合适的参数化方案，并对部分参数进行调整。

这包括湍流交换系数、地表反照率、建筑物高度等关键参数的调整。

（三）模型验证与优化在完成城市冠层模式与WRF模式的耦合后，需要进行模型验证与优化。

这包括将模拟结果与实际观测数据进行对比分析，评估模型的准确性和可靠性。

同时，根据验证结果对模型进行优化调整，以提高模拟的精度和准确性。

城市热岛效应对降雨分布的影响随着城市化进程的加快，城市热岛效应逐渐成为一个影响城市生态环境的重要因素。

城市热岛效应通常指的是城市地表温度较农村和郊区地表温度高的现象。

这种增温现象影响着城市的气候特征，其中之一就是对降雨分布的影响。

一、城市热岛效应的形成机制城市热岛效应形成的原因有多种，其中主要的原因是城市的建筑密度高、建筑材料吸热能力强以及人类活动所产生的热源等。

这些因素导致城市中的热量无法得到有效地散发，从而引起城市地表温度的升高。

相较于农村地区，城市中的热岛现象更为明显。

二、城市热岛效应对降雨的影响城市热岛效应对降雨分布的影响是多方面的。

首先，由于城市地表温度较高，会影响降雨过程中的对流活动。

气象学中的对流通常指的是大气中由于密度差异引起的气体异常上升或下降的运动。

而高温会造成空气密度的差异，从而抑制对流运动的形成。

这会导致在城市中下雨的机会较少，同时也使得降雨集中在城市周边地区。

其次，城市热岛效应对降雨的影响还表现在降雨强度上。

高温地表会导致大气中水汽的增加，从而使降雨量增加。

此外，城市建筑物的密集排列和道路系统的发展使得城市中的热源和污染物积累，这些物质同样可以促进降雨过程中云的形成和增强，进一步增加降雨强度。

因此，在城市中降雨的强度往往比农村和郊区要大。

然而，城市热岛效应对降雨的影响并不仅仅体现在降雨强度上，还对降雨分布有一定的影响。

由于城市热岛效应使得雨势偏大，且对流活动集中在城市周边地区，使得城市内部的降雨分布不均匀。

通常情况下，城市中心的建筑物和水泥道路会妨碍雨水的渗透，导致城市中心地区的排水系统难以应对大量降雨，产生洪水等问题。

而城市周边的绿地和湿地则能够更好地吸引雨水，减少洪水的发生。

因此，城市热岛效应会不利于城市内部的洪水防治。

三、缓解城市热岛效应的措施为了减轻城市热岛效应对降雨分布的不利影响，人们可以采取一些措施。

首先，提高城市绿化覆盖率，增加植被的种植，这可以起到吸收热量、减轻城市地表温度的作用。

城市规划中的城市天际线规划与景观控制在城市的发展进程中，城市天际线如同城市的一张独特名片，展现着城市的魅力与个性。

它不仅仅是建筑物在天空中勾勒出的轮廓线，更是城市文化、历史和社会经济状况的直观反映。

因此，城市天际线的规划与景观控制成为了城市规划中至关重要的环节。

城市天际线的规划并非是孤立的，而是与城市的整体布局、功能分区以及土地利用等紧密相连。

一个合理的城市规划应当考虑到不同区域的特点和需求，从而塑造出多样化且富有特色的天际线。

例如，在商业区，高楼大厦可能会较为密集，以展现城市的繁荣与活力；而在历史文化保护区，建筑高度则会受到严格限制，以保护原有的风貌和文化底蕴。

从景观控制的角度来看，首先要关注的是视觉效果。

人们在不同的地点观察城市天际线，所感受到的视觉冲击力是不同的。

比如在城市的入口处、主要街道、公园或者河边，这些都是人们经常停留和观赏城市景观的地方。

因此，在规划时要充分考虑这些观察点，确保天际线在这些位置呈现出美观、和谐的景象。

此外，建筑的形态和风格也是影响天际线景观的重要因素。

如果城市中的建筑风格杂乱无章，高度和体量差异过大，就会给人一种混乱和不协调的感觉。

相反，如果建筑在设计上能够相互呼应，形成一种有序的变化，那么天际线就会更加富有韵律和美感。

例如，一些现代化的城市通过统一建筑的色彩、材质和造型元素，打造出了具有独特魅力的天际线景观。

在城市天际线的规划中，还需要考虑生态环境的因素。

高层建筑的密集布局可能会影响风的流动和光照条件，从而对城市的微气候产生影响。

因此，在规划时要进行充分的模拟和分析，合理安排建筑的布局和高度，以减少对生态环境的不利影响。

同时，城市天际线的规划也应当充分尊重当地的历史和文化。

每个城市都有其独特的历史发展轨迹和文化传统，这些都应当在天际线中得到体现。

例如，一些古老的城市会保留标志性的历史建筑，并在其周边控制新建筑的高度和风格，以突出历史建筑的重要地位，传承城市的文化记忆。

城市热岛效应的原理解析城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）是指城市热量明显高于其周围地区的现象。

随着人类城市化进程的加速，城市热岛效应变得越来越突出，对城市的环境、生态和人民的健康产生了重要影响。

本文将对城市热岛效应的原理进行深入解析，从城市形态、建筑热特性、热辐射和热传导等方面进行探讨。

1. 城市形态城市热岛效应的形成与城市的形态密切相关。

相比较于乡村和自然环境，城市由于建筑密度高、道路宽度大等特点，阻碍了空气的自由流动。

建筑物和道路表面会吸收太阳辐射能量，并在夜间缓慢释放，导致城市的温度升高。

高楼大厦遮挡了太阳光线，减少了受阳光直射的地面面积，使得热量难以散发。

2. 建筑热特性城市的建筑物通常由混凝土、玻璃和钢铁等材料构成，这些材料具有较高的热容量和导热性，能够吸收和储存大量热能。

特别是高密度的建筑群，这些材料在白天吸收和蓄热，并在夜间缓慢释放，导致周围环境的温度升高，形成城市热岛。

城市中大量使用的空调设备会释放大量废热，进一步加剧城市热岛效应。

3. 热辐射和热传导城市热岛效应的另一个原因是热辐射和热传导。

城市中建筑物和道路表面吸收太阳辐射能量，通过热辐射传递给周围空气和建筑物。

由于城市内部的热量释放较少，热辐射在城市内部不易散发。

城市中的混凝土、玻璃等材料具有较高的导热性，热能能够快速传导到周围环境，进一步升高城市的温度。

总结回顾：通过以上的分析，我们可以得出城市热岛效应的几个重要原理。

城市热岛效应与城市形态密切相关，高密度建筑群和阻碍空气流动的道路使得热量难以散发。

城市的建筑热特性，如高热容量和导热性的材料，导致热量存储和释放。

热辐射和热传导使得城市内部的热量难以散发到周围环境。

在应对城市热岛效应方面，应该采取一系列措施来减缓其影响。

加大绿地和水体的覆盖面积，增加城市的透气性和热量散发。

应该合理规划城市形态，减少建筑密度，提高建筑的能源效益，为城市创造良好的生态环境。

城市热岛与冷岛在城市的喧嚣与繁华背后，隐藏着一种特殊的气候现象——城市热岛与冷岛。

这两种看似矛盾的存在，却共同影响着城市的生态环境和居民的生活质量。

让我们先来说说城市热岛。

当你在夏日的城市中行走，是否感觉到比郊外更加闷热难耐？这就是城市热岛效应在作祟。

城市热岛是指城市中心区域的温度明显高于周边郊区的现象。

造成城市热岛的原因是多方面的。

首先，城市中的建筑物和道路大多由混凝土、沥青等材料构成，这些材料的比热容较小，在白天吸收大量的太阳辐射后迅速升温，并且在夜间缓慢释放热量，使得城市的温度居高不下。

其次，城市中的人口密集，各种生产活动和生活方式产生了大量的热量，比如工厂的生产、汽车的尾气排放、空调的使用等等。

再者，城市中的绿化面积相对较少，树木和草地能够吸收热量、蒸发水分从而降低温度的作用有限。

城市热岛效应带来的影响不容小觑。

一方面，高温会增加居民的不适感，特别是在炎热的夏季，容易引发中暑等健康问题。

另一方面，它也会对城市的能源消耗产生影响。

为了降温，人们会更多地使用空调，从而导致电力需求的增加，加大了能源的压力。

此外，城市热岛还可能改变局部的气候条件，影响降水分布和空气质量。

然而，在城市中并非处处都是“热”的，还存在着一些相对凉爽的区域，这就是城市冷岛。

城市冷岛通常出现在公园、湖泊、河流等自然景观附近，或者是一些有特殊设计和布局的区域。

比如，城市中的大型公园，由于植被丰富，树木通过蒸腾作用可以带走大量的热量，同时绿地能够吸收太阳辐射，使得公园内部的温度相对较低。

湖泊和河流的水面能够通过蒸发散热，周围的空气也会因此变得凉爽。

城市冷岛的存在对于缓解城市热岛效应具有重要意义。

它们为城市居民提供了一个避暑纳凉的好去处，减轻了高温带来的不适。

同时，合理规划和利用城市冷岛，可以在一定程度上改善城市的微气候，降低能源消耗。

为了减轻城市热岛效应，加强城市冷岛的作用，我们可以采取一系列的措施。

在城市规划方面，应当增加绿化面积，建设更多的公园和绿地，提高城市的植被覆盖率。

树冠空间结构对微气候影响的模拟随着城市化进程的加快和城市人口的增多，城市内部的温度和湿度等微气候变化越来越明显。

研究表明，城市热岛效应会导致城市温度比周边绿地高3-5°C，湿度也明显降低，这对城市人民生活和健康带来了极大的影响。

因此，研究城市绿地在微气候形成中的作用至关重要，而树冠空间结构的研究更是其中的重要一环。

1.树冠空间结构树冠空间结构是指一棵树的分支、树叶和枝干等部分在空间中的分布和形态，它是树作为一个生物体的基本体系。

其对微气候的影响主要体现在以下几个方面。

2.遮阳作用研究表明，遮阳效应是城市绿地中最重要的微气候调节作用之一。

树冠可提供丰富的阴影，通过减少太阳直射光线的照射，降低地面温度和大气温度。

同时，树枝和叶子的反射、散射作用还能抑制太阳辐射的吸收和热传递。

3.水分蒸散作用树冠和树叶通过蒸腾作用将雨水吸收，引导水分渗透，促进水环境的循环。

另外，蒸腾作用还能带走大气中的热量和水分，提高环境的湿度。

4.风防作用城市的地理环境复杂多变，往往会受到各类冷暖气流的影响。

树冠和树枝构成了一道自然的屏障，能够减缓风速，降低风速对地面的影响，起到稳定与调节微风效应的作用。

5.空气净化树叶表面可通过吸附、化学反应等机制对大气中的气体和颗粒物进行捕集、分解，有助于空气质量的改善。

结论树冠空间结构对微气候有其自身的作用机制，但是需要视情况而定。

比如在冬季，由于树木没有叶子，其遮阳效应会大打折扣。

因此，在城市规划与绿化时，需要综合考虑各种因素，合理布局树木，以最大程度地发挥其对微气候的调节作用。

小气候的特点及应用小气候是指城市内部不同环境下产生的微观气候，包括温度、湿度、风速、风向、辐射等多种因素。

它与大气候不同，有着更为复杂、多变的性质和特点。

了解小气候的特点及应用，可以更好地规划和设计城市空间，提高城市生态环境，改善人类居住条件。

首先，小气候的一大特点是温度分布不均。

城市表面的建筑物、路面、热源等能容易地吸收和释放热量，导致城市内部的温度分布不均，某些区域温度相对高一些。

大型城市的热岛效应就是一种具体的表现。

因此，在城市空间设计中应重视突出绿化覆盖，减少大量灰色面积，避免形成高温区；同时科学地布置建筑物和道路，利用天然气流，改善小气候状况，减轻热岛效应。

其次，小气候的另一个显著特点是湿度变化大。

尤其是在潮湿的季节，城市内部湿度分布差异明显。

湿度过高不仅影响由热量来维持人体舒适感觉，而且也极易引发疾病，如湿疹、呼吸系统疾病等。

因此，城市设计中应尽可能保留水源，例如以公园、绿地、天然湖泊、河流为生态绿心，在城市空气中释放负离子，保持空气中湿度的稳定状态，同时也会将空气温度下降。

城市内部的小气候也受到风的影响。

城市内建筑物等气密性强，不利于风的自然通风，尤其在高密度居住区的房子间距较窄，难以形成透气间隔，进一步影响空气流动。

在城市规划中应注重通风设计，创造高层建筑、绿化带两侧形成风道，增加通风面，使风能够穿过城市，降低空气温度，减缓污染物沉积和扩散。

小气候还具有其他各种特点，如电磁辐射分布、气压变化以及湍流分布等。

了解了小气候的特点，可以更好地进行城市规划，改善城市生态环境。

例如，在新城规划中，应尽量避免高层建筑密集排列，在建筑中增加小平台，增加人们居住的户外休息空间。

对于城市维护和保护工作，应注重创建绿色生态体系，强调绿地、水系、湿地环境的保护，扩大城市绿化覆盖面积，降低城市表面温度，净化空气，改善人的居住环境。

综上所述，小气候在城市环境规划改善中扮演了重要角色。

合理处理小气候，改善城市的空气质量和人居环境，具有不可等量的推动作用和积极意义。