基于CFD-UTCI模型的韩国果川市城市寒冷胁迫评估：揭示表面材料与形态对冬季微气候及人体热舒适的影响机制

本研究通过瞬态计算流体动力学（CFD）模拟与通用热气候指数（UTCI）整合框架，量化极端寒冷条件下城市表面材料辐射特性（发射率ε、反射率ρ、透射率）与形态对行人热舒适的影响。研究验证了最优参数组合（混凝土ε=0.4, ρ=0.6；建筑外表层透射率=0.7；沥青ε=0.7）的预测准确性（R2>0.85），并揭示高密度居住区与开阔绿地为强冷胁迫（UTCI

　　

Highlight

本研究强调寒冷胁迫作为城市气候灾害的重要性——相较于热浪或洪水等其他风险，其研究尚不充分。通过采用具详细辐射属性设置的CFD模拟并整合UTCI，本研究提供了一种超越气温单一因素的寒冷胁迫评估方法。该方法纳入风速、相对湿度和平均辐射温度等关键微气候变量，从而提供更全面的寒冷暴露生理影响视角。

Discussion

模拟结果与观测数据高度吻合（R2 > 0.85），证实参数化场景能有效捕捉冬季微气候动态。空间UTCI制图显示，强冷胁迫（UTCI < ?10?°C）集中在高层住宅群与开阔绿地，总面积达886,519 m2。这一分布突显了城市形态与表面材料性能的交互作用：建筑密集区因风加速效应（wind tunneling）加剧寒冷，而低反射率材料（如沥青ε=0.7）则通过增强长波辐射损失进一步降低热舒适。本研究首次系统量化了材料辐射特性（如混凝土ε与ρ组合）对寒冷胁迫的调控潜力，为气候适应性设计提供了可操作的参数化依据。

Conclusion

本研究通过整合CFD模拟与精细表面材料建模，基于UTCI评估了韩国果川市的寒冷胁迫与户外热舒适。重点分析了极端寒冷条件下表面材料属性与城市形态的效应。根据结果得出以下三项结论：

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  最优场景（Scenario 14）组合了混凝土铺面ε=0.4、ρ=0.6，建筑外表层ε=0.2、ρ=0.3、透射率=0.7，以及沥青ε=0.7，在所有气象站均表现出最高预测精度（R2 > 0.85）。

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  UTCI空间制图显示，2025年2月8日9:00时约886,519 m2区域经历强冷胁迫（UTCI < ?10?°C），主要集中在高层住宅集群与暴露绿地。

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  城市形态（如建筑排布与高度变化）与表面辐射特性共同调控冷胁迫空间分异，强调冬季城市设计需协同考虑材料热工性能与形态规划。