寒冷气候城市中大型建筑物的热放大效应：对城市热岛缓解的启示

《Building and Environment》：Thermal Amplification by Large-Footprint Buildings in Cold-Climate Cities: Implications for Urban Heat Mitigation

本研究评估了LCZ8大型低层建筑群在北极城市夏季地表温度异常的影响，发现其导致显著局部高温（达4℃），并挑战传统城市热岛认知，强调需重新评估寒冷地区城市设计策略。

　　

维多利亚·迈尔斯 | 伊戈尔·埃索 | 维拉·库克利娜

摘要

在寒冷气候条件下，人类居住地的最佳建筑范式仍存在争议，通常推荐占地面积大、低层建筑作为抵御极端环境条件的手段。然而，这类发展对北极和亚北极城市热异常的广泛影响尚未得到充分量化。本研究评估了被归类为局部气候区8（LCZ 8）的大型低层建筑在城市尺度上的热影响，研究对象包括美国费尔班克斯、挪威特罗姆瑟和俄罗斯纳迪姆这三个具有不同城市形态的高纬度城市。通过使用Landsat热红外图像、精细化的OpenStreetMap建筑轮廓以及基于GIS的空间和统计分析，我们发现大面积的低层建筑（占地面积超过10,000平方米）会形成局部夏季热热点。热点强度和空间聚集程度随着建筑占地面积的增加而系统性地增强，地表温度比周边城区高出多达4°C。这些异常现象与大面积不透水表面、平屋顶和有限的植被有关，这些因素在寒冷气候城市的弱大气混合条件下加剧了太阳辐射的吸收和热惯性。研究结果挑战了传统的城市热岛理论，表明建筑的水平尺度是控制寒冷地区城市热行为的关键因素。重要的是，这些发现并不意味着北方城市需要采用适用于温暖气候地区的热适应策略。相反，它们强调了重新评估局部升温如何影响基础设施性能、季节性舒适度和户外活动模式的必要性，从而将LCZ 8区域确定为气候响应型和季节适应性城市设计的重点区域。

引言

寒冷和高纬度地区的城市发展在规划、环境性能和人类舒适度方面面临持续挑战。北极和亚北极城市受漫长的冬季、短暂的夏季以及强烈的季节性差异的影响，这些因素塑造了城市的形态和日常活动模式。因此，关于寒冷气候下可持续城市化的讨论历来围绕两种对立的建筑范式展开[1,2]。一种范式常被称为“穹顶下的城市”，其理念源于拉尔夫·厄斯金关于北方定居点的思想[3]，认为通过紧凑且主要封闭的建筑群可以很大程度上屏蔽恶劣的室外条件。另一种范式则主张“拥抱寒冷气候的城市”，认为城市形态和公共空间应设计成能够在气候限制下正常运作，而不是完全避开它们[1,4]。尽管这两种范式在对待户外暴露的态度上有所不同，但它们都高度依赖占地面积大的建筑，而这类建筑对周围室外热环境的影响在历史上受到的定量研究较少，因为高纬度城市气候研究主要集中在室内舒适度和冬季性能上[1,5]。

基于卫星的热遥感技术的发展从根本上改变了高纬度城市气候的研究。地表温度（LST）产品使得能够系统地观察不同空间尺度上的城市热环境，揭示了城市化如何改变地表能量平衡和环境质量[6]。大规模分析表明，城市热岛效应是全球城市普遍存在的现象[7,8,9]，最近的研究也证实，即使在北极和亚北极城市，夏季地表温度异常也是显著且具有空间结构的[5,10,11,12]。在K?ppen–Geiger气候分类中的Dfb和Dfc类型气候中，有限的入射辐射、弱对流和稳定的大气分层抑制了垂直混合，使得地表温度异常在空间上更加局限并持续存在于其产生区域，使得这些异常现象比温暖地区更为显著和局部化[7,13,14]。

在这种气候背景下，城市形态对地表热行为具有很强的控制作用。局部气候区（LCZ）框架提供了一种标准化分类方法，将城市形态、地表覆盖和功能与特征性的热响应联系起来（Stewart & Oke, 2012）[15,16]。该框架是在WUDAPT计划中开发的，利用全球统一的遥感数据实现了城市热环境的比较分析，并已成功应用于多种气候环境，包括高纬度城市[7,15,16,17,18,19,20]。

然而，北极和亚北极城市中LCZ特定的热行为仍不够明确，特别是对于被归类为LCZ 8的大型低层建筑。LCZ 8的特点是建筑占地面积广、建筑高度低、不透水表面比例高以及植被稀少[15]。在寒冷气候城市中，这类建筑通常包括工业区、物流枢纽、机场、零售综合体和大型机构设施——这些在城市中具有广泛的空间分布和功能重要性，但在以LCZ为重点的热分析中却往往被忽视。

LCZ 8在高纬度城市中的突出地位反映了长期的环境适应措施和最近的发展趋势。北方城市传统上倾向于采用低至中等高度、水平分布广泛的建筑，以减少风的影响、限制热量损失并适应永久冻土带的限制[21,22,23]。这些原则在苏联时期的北极城市中通过标准化的建筑形式得到制度化[24,25]，并在近几十年通过大量的非住宅开发（如零售综合体、物流设施和交通基础设施）得到进一步加强，这些开发往往采用适合较温和气候的设计逻辑[26]。这些过程共同形成了大面积、空间连续的LCZ-8区域，显著改变了陆地-大气相互作用[27,28]。

夏季时，不同气候区域中LCZ依赖的热行为存在显著差异。在温带和热带城市，紧凑的高层建筑区（LCZ 1–2）由于建筑密集和通风不良，通常表现出最高的地表温度[29,30,31]。然而，在寒冷气候城市中，不透水表面的影响和水平扩展程度往往比建筑高度对地表升温的作用更强，使得LCZ 8成为夏季地表温度异常的主要贡献者[32]。

基于LCZ的分析和实地观察表明，寒冷气候城市中的LCZ 8区域经常与明显的夏季热热点重合。此外，LCZ 8与其他城市区域之间的对比在寒冷气候下比在温暖气候下更为明显，这与大气混合减少和蒸发蒸腾作用受限有关。在俄罗斯纳迪姆等北极城市的实地观察显示，地表温度异常在大规模建筑和工业区高度局部化，这与稳定的大气分层和弱湍流有关[33,34]。这些发现表明，LCZ 8的形态可能是高纬度城市夏季地表温度极端值的主要控制因素。

本研究通过系统地研究由大面积低层建筑项目形成的连续LCZ-8区域对夏季地表温度异常的影响，填补了这一研究空白。以美国费尔班克斯、挪威特罗姆瑟和俄罗斯纳迪姆为例，我们利用Landsat热红外图像、精细化的OpenStreetMap建筑轮廓和空间热点分析来：（1）量化大规模低层建筑项目对LCZ-8区域内夏季地表温度异常的贡献；（2）评估建筑占地面积和空间聚集程度对LCZ-8热热点强度和聚集模式的影响；（3）讨论观察到的LCZ-8热行为对寒冷气候环境下气候响应型城市热缓解和规划的意义。

研究区域

研究区域

我们研究了三个真正属于寒冷气候的北极城市：美国费尔班克斯、挪威特罗姆瑟和俄罗斯纳迪姆（图1）。这三个城市都位于高纬度地区，属于K?ppen–Geiger Dfc气候类型。尽管气候条件相似，但它们的城市形态差异显著，从费尔班克斯的广阔大陆式布局到特罗姆瑟的紧凑海滨式布局，再到纳迪姆的中央规划网格结构不等。

不同LCZ之间的热模式和热点聚集

在所有三个城市中，建筑占地面积对夏季地表温度（LST）有显著影响。超大型和大型建筑始终记录最高的最高LST值，而小型和中型建筑则形成了较凉爽的城市背景（表3；图3）。在费尔班克斯，超大型建筑的最高LST超过38°C，而大型建筑为36.8°C，小型建筑为33.7°C。特罗姆瑟和纳迪姆的情况也是如此，超大型建筑的最高LST值更高。

讨论

研究结果定量证实了LCZ 8在塑造寒冷气候城市夏季地表温度模式中的主导作用。这一结论直接基于上述定量结果。解释基于不同LCZ类别和建筑占地面积类别之间的地表温度差异，以及统计上显著的热点模式。只有在需要帮助解释这些现象时，才会提到更广泛的气候或城市背景因素。

结论

研究表明，在寒冷气候城市中，大面积低层建筑是夏季地表温度极端值的主要驱动因素。通过使用Landsat获取的地表温度（LST）数据、详细的建筑轮廓数据以及针对费尔班克斯、特罗姆瑟和纳迪姆的空间热点分析，我们发现北极和亚北极城市的夏季地表升温更多地受到建筑水平尺度、空间聚集程度以及

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

维多利亚·迈尔斯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论、数据分析、概念化。伊戈尔·埃索：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、研究、数据分析、概念化。维拉·库克利娜：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法论、研究、数据分析、概念化。