《Sustainable Cities and Society》：Thermal environment mechanism across intra local climate zones in summer in a northern city in China: A case study of Shenyang
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沈阳LCZ4型区域夏季夜间温度与湿度梯度研究揭示核心区与郊区温差达3°C，湿度差异20%。形态参数对湿度影响显著，温度与城市中心距离及1500-3000米透水地表相关。研究填补了寒区LCZ内气候异质性分析的空白。
夏宇曦|杨婉婉|刘哲明|刘新宇|孙海波|陈家伟
东北大学建筑学院，中国沈阳，110169
摘要 局部气候区（LCZ）系统为系统研究城市热环境提供了一个标准框架，使得研究范围更广、更加精确。虽然以往的研究已经广泛探讨了不同LCZ类型之间的热环境特征（LCZ间差异），但同一LCZ类型内部的差异（LCZ内差异）仍了解不足。这一局限性可能削弱了LCZ框架在精细城市规划和气候适应性设计中的有效性。因此，本研究重点关注LCZ内的热环境差异，并以中国严寒地区的代表性城市沈阳作为案例研究对象。我们在被划分为LCZ 4（开放式高层建筑）的多个地点进行了连续的定点监测，持续两个月，以研究LCZ内的差异及其与多尺度土地覆盖和城市形态参数的关联。研究结果表明，夜间空气温度和相对湿度存在明显的中心-郊区梯度，最大差异分别为3°C和20%。这些LCZ内的热环境差异在夏季末期较凉爽、干燥的条件下更为显著。岭回归分析表明，形态参数对湿度变化的解释能力优于温度变化。模型显示，夜间空气温度受距市中心距离和大规模（1500–3000米）透水表面比例的显著影响；而夜间湿度则对较小尺度（600米）的参数更为敏感，透水表面在此尺度上表现出增湿效应。这些发现加深了对城市热差异的理解，并为有针对性的优化策略和精细城市规划提供了实证支持。
引言 全球快速城市化正在改变土地覆盖类型和城市空间形态，这深刻影响了能量平衡过程，从而对局部热环境产生了显著影响（Bounoua等人，2015年；Qian等人，2022年）。这些变化引发了一系列问题，包括城市热岛效应（UHI）的加剧（Grimmond，2007年）、通风效率的降低（Zha等人，2017年）以及空气湿度的下降（Han等人，2021年），给城市宜居性和可持续发展带来了严峻挑战。因此，全面理解城市热环境的时空动态是制定有效的气候适应策略和提升城市韧性（Lehnert等人，2023年）的关键前提。
为更好地应对这些挑战，关于城市热环境的研究变得越来越全面和细致，探讨了城市内部复杂的多因素气候过程（Doan等人，2019年；Yuan等人，2020年）。Stewart和Oke（2012年）提出的局部气候区（LCZ）分类系统提供了一个标准化框架，增强了城市热环境的空间细化和比较分析能力。该系统根据表面覆盖、建筑形态、表面材料和人类活动等参数，将复杂的城市和自然景观划分为17种标准类型（10种建筑类型和7种土地覆盖类型）（Stewart & Oke，2015年）。通过将复杂的城市环境划分为具有相对均匀物理表面特征的单元，LCZ系统有效地描述了局部微气候，大大提高了城市气候研究的量化和可比性。将LCZ系统应用于广泛的观测和数值模拟，可以生成丰富准确的区域气象数据，为模拟和预测未来城市热环境变化提供了可靠的基础。因此，LCZ系统已广泛应用于气象学、环境科学、城市规划和建筑能源研究（Anjos等人，2020年；Bansal & Quan，2022年；Kotharkar等人，2019年；Lam等人，2023年；Xue等人，2020年；Yang等人，2020年；Zhou等人，2020年），其有效性已在世界各地的众多城市得到验证（Lehnert等人，2018年；Yang等人，2023年）。
目前，基于LCZ的研究主要集中在评估不同LCZ类型之间的特征差异（LCZ间差异），而同一LCZ类型内部的差异（LCZ内差异）研究仍不足。LCZ系统的核心假设是每种类型内的物理表面特征相对均匀，这意味着属于同一LCZ类型的地点应表现出高度相似的微气候。然而，实际上，由于城市空间形态、人为热排放和蓝绿空间分布等局部因素的变化，同一LCZ类型内的空气温度和湿度可能存在显著差异（Quanz等人，2018年）。一些研究已经注意到同一LCZ类型内的空气温度差异，主要集中在柯本气候分类中的大陆性气候城市。通过定点观测或移动测量等方法，这些研究揭示了同一LCZ类型内仍存在显著的热环境变化。这些变化通常归因于微观尺度的空间形态、土地覆盖和宏观尺度的周围环境背景。Skrabit等人在匈牙利塞格德的研究指出，土地覆盖和人为热源的影响可能导致LCZ 6（开放式低层建筑）内的温度差异达到1.5°C（Skrabit等人，2017年）。Milo?evi? D等人在塞尔维亚诺维萨德的研究表明，同一LCZ类型内不同地点之间的温度差异超过0.5°C，这受到微观尺度表面特征变化的影响（Milo?evi?等人，2021年）。周围热环境的调节作用也不容忽视。Zheng等人在香港进行的夏季夜间移动测量发现，同一LCZ类型内的UHI强度存在显著差异：受相邻区域热环境的影响，不同LCZ 1（紧凑型高层建筑）地点之间的UHI强度差异可达3K（Zheng等人，2023年）。如果忽视LCZ内的差异，基于LCZ的气候适应规划和设计的实际效果将受到影响，从而限制了城市能源模拟、建筑节能策略制定以及蓝绿空间布局优化的准确性和有效性。然而，目前对同一LCZ类型内微气候特征变异性的关注仍然不足（Jiang等人，2020年）。此外，关于LCZ内差异的研究几乎仅关注温度；同样重要的湿度特征变化仍是一个亟需填补的研究空白。
现有的基于LCZ的夏季温度和湿度研究主要集中在温带或热带气候的城市，如爱尔兰都柏林（Alexander & Mills，2014年）、法国图卢兹大都会区（Kwok等人，2019年）和中国长江三角洲（Ma等人，2021年）。然而，关于大陆性气候城市的研究相对较少，特别是在东北亚的寒冷地区，这类研究尤为缺乏。东北亚严寒地区的城市经历漫长的寒冷冬季和相对短暂但炎热的夏季。这些城市的城市形态、建筑材料和人为热排放具有独特的区域特征。因此，它们的城市温度和湿度特征与其它气候类型的城市存在显著差异。特别是在夏季，由于温度和湿度相对较高，LCZ内的温度和湿度差异可能会进一步加剧城市内的热风险和热适应能力的空间差异。因此，研究严寒城市同一LCZ类型内的温度和湿度模式及动态变化可以为热相关脆弱性评估提供关键的气候参数。这项研究有助于理解类似气候城市的共同热特征，并为基于LCZ的策略提供科学依据，以增强城市韧性。
此外，随着城市气候研究越来越依赖数据驱动方法和数值模拟，理解LCZ内热环境的特征对于提高模型的准确性和可靠性至关重要。尽管数据驱动方法具有巨大潜力，但城市气候和表面能量平衡模型仍存在较高的不确定性，尤其是在微观尺度上，其可靠性在不同城市背景下的验证不足，这限制了模型输出和结论的普遍性（Grimmond等人，2010年；Grimmond等人，2011年；Toparlar等人，2017年）。此外，数据的准确性和适用性也需要改进（Masson等人，2020年）。深入的LCZ内研究可以通过提供高分辨率的实地测量数据来填补这些空白。此类数据对于校准模型参数和验证其表示微观尺度异质性的能力至关重要，从而促进对城市热环境进行更详细和全面的研究。
基于以上背景，本研究以中国严寒地区的代表性城市沈阳为研究对象。我们在7月和8月选择了五个典型的LCZ 4（开放式高层建筑）地点和一个LCZ D（低层建筑）地点进行连续的定点测量。本研究旨在系统回答以下核心问题：（a）在严寒城市的夏季，同一LCZ类型内的温度和湿度特征是否存在显著差异？（b）如果存在此类差异，它们的时空动态是什么？（c）影响这些差异的主要局部表面覆盖和形态参数是什么？
本研究的数据收集遵循了LCZ研究领域广泛使用的现场测量协议，确保了数据的科学有效性和在现有LCZ框架内的可比性。本研究关注LCZ内热环境差异的复杂性，通过定量分析同一LCZ类型内的热环境变化及其影响因素，填补了当前研究的空白。结果不仅为未来研究城市微气候变异的驱动机制奠定了基础，还为制定更具空间针对性的气候适应城市设计和规划策略提供了科学支持。
研究区域 研究区域 本研究选择中国沈阳作为案例城市，该城市在建筑气候区域化标准中被归类为严寒地区（C.A.o.B. Research，1993年）。沈阳位于中国东北部，辽宁省中部，是辽宁省的省会，也是东北中国的政治、经济、文化和商业中心。沈阳的总面积为12,860平方公里；城区面积为...
白天空气温度和夜间空气温度差异 每个地点的Ta 在白天-夜间尺度上进行了比较（图3）。总体而言，所有地点的夜间平均温度显著低于白天平均温度。然而，更有价值的发现是LCZ内的温度差异。LCZ 4地点之间的平均白天温度相似，最大差异仅为0.4°C（LCZ 4_TX和LCZ 4_SJT之间）。相比之下，夜间平均温度差异则明显...
形态参数的独立影响 在简单相关性分析中，BSF 与夜间温度呈显著负相关（R ≈ ?0.90至?1.00）。这可能是因为在我们特定的样本中，高BSF 区域与其他冷却特征存在多重共线性。通过岭回归分析，我们纠正了这一混杂效应。T a p h as 4 BSF 分配了一个正系数，从而在某种程度上隔离了SVF 的负面影响
结论 本研究首次系统地进行实地测量并分析了LCZ内热环境的影响机制。基于沈阳五个LCZ 4地点和一个LCZ D地点的夏季热环境观测，本研究系统揭示了同一LCZ类型内的显著热环境差异。主要结论如下：
(1) LCZ 4地点表现出LCZ内的热环境差异，这些差异通常在...
致谢 本研究得到了人文与社会科学部项目 （项目编号：24YJCZH192）的支持。
CRediT作者贡献声明 夏宇曦： 撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、概念构思。杨婉婉： 撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论、形式分析。刘哲明： 撰写 – 审稿与编辑、资金获取。刘新宇： 调查、数据整理。孙海波： 撰写 – 审稿与编辑、验证。陈家伟： 撰写 – 审稿与编辑、调查。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
