高原变暖大都市中城市形态对热、舒适度及制冷需求响应的分化特征：基于PUWG的评估

《Building and Environment》：Divergent heat, comfort, and cooling-demand responses to urban morphology in a warming highland metropolis: A PUWG-based assessment

　　

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  PUWG实现了街区层面的炎热感、舒适度和制冷需求评估。
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  未来变暖加剧了昆明的热应力和制冷需求。
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  不同局地气候区在这三项指标上表现出截然不同的响应敏感性。
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  仅关注高温的评估可能忽视舒适度与制冷需求之间的权衡。

引言

全球变暖正在加剧城市热风险的发生频率和强度。自1970年以来，全球地表温度的上升速度超过了过去至少2000年间任何50年期间的升温幅度[1]，而中国在1961至2020年间的升温速率约为每十年0.26°C，超过了全球平均水平[2]。尽管与高温相关的风险在湿热或干旱城市中已被广泛研究，历史上气候温和的城市也正日益面临暴露风险。在这些城市中，历史气温适中通常意味着空调普及率较低、抗热适应性基础设施有限，以及建筑围护结构更多以保温隔热而非散热为导向设计[3,4]。随着变暖加剧，这些特征可能提高对热浪的敏感性并增加制冷需求[5,6]。

城市化通过改变地表覆盖、城市形态几何特征、人为热排放及城市热岛效应进一步加剧了这些风险[7]。城市冠层能量平衡会因蒸散减少、显热储存增加、街谷辐射陷阱效应以及机械制冷的废热排放而发生变化[8,9]。然而，仅通过气温无法全面评估这些过程的影响。户外热应力受辐射交换和平均辐射温度强烈影响，后者随街谷几何形态、天空视野暴露、遮荫条件、表面材料及植被结构而变化[[10], [11], [12]]。因此，同一种城市形态可能在增加冠层层气温的同时减少行人辐射暴露或建筑太阳得热。这为建成环境研究提出了一个重要问题：紧凑的城市形态是否始终增加气候脆弱性，还是其对气温、户外热舒适度和建筑制冷需求的影响各不相同。

解答这一问题需要克服当前城市气候评估中的三项局限性。一个挑战在于气候相关分类与规划单元之间的不匹配[13]。传统的土地利用类别在热学上具有模糊性：形态截然不同的区域，如紧凑高层住宅区和稀疏低层住宅区，尽管在粗糙度、热储存、遮荫和通风特性上存在差异，仍可能被归入同一功能类别[14]。局地气候区（LCZ）框架根据地表结构、覆盖和材料对城市区域进行分类，提供了更具气候相关性的分类体系[15]。然而，基于像素的LCZ制图方法，包括源自WUDAPT类型工作流的方法[16]，可能会将连续的城市肌理碎片化，且并不总是与通过街区尺度单元实施的规划管控相一致[17]。因此，基于街区的LCZ方法更符合本研究考虑的规划单元。

相关的局限性在于现有评估框架中未来气候强迫与城市形态之间的耦合不完整。此前的综述指出，城市气候、建筑能耗、户外舒适度和城市能源系统工具通常通过独立或部分关联的工作流进行处理[18]。尽管已有针对未来气候条件下城市设计评估的集成框架被提出[19]，但未来气象预测和形态演变仍未常规性地纳入同一街区尺度的模拟设计之中。这种分离限制了评估区域变暖与局地形态变化之间复合效应的能力。此外，一些研究仍在使用基于CMIP5代表性浓度路径的气候情景，而CMIP6共享社会经济路径（SSP）为将排放轨迹与社会经济及城市发展叙事联系起来提供了更具整合性的基础[20,21]。近期研究已整合未来气候与城市化以评估适应策略和人口热暴露[22]，并在多个CMIP6情景下考察了不同城市气温与户外热舒适度响应之间的差异[23]。这些进展为探讨热响应如何转化为城市规划与建筑制冷需求的启示奠定了基础。本研究将此比较扩展至共同气候和形态情景下由路网定义的规划街区内的气温、户外热舒适度和制冷需求。通过分离气候、形态和交互效应，研究考察特定发展路径是否在这些指标上产生一致收益，还是涉及指标间的权衡。这种联合评估将更广泛的城市气候发现与适用于开发管控和适应规划的街区尺度比较联系起来。

先前的多目标城市优化研究已证明，气温、户外热舒适度和建筑能耗性能可联合评估以支持规划管控和空间分区[24,25]。然而，近期综述指出，从单体建筑到城市街区的气候影响模拟扩展仍存在持续挑战，且以形态为导向的热舒适度和能耗性能评估存在显著的方法论异质性[26,27]。因此，当同时考虑未来气候强迫和城市形态演变时，特定形态相关的权衡是否持续存在尚不明确。更广泛地看，来自同时将基于CMIP6的气候强迫、LCZ约束的形态路径以及涵盖气温、户外热舒适度和制冷需求强度的情景化分解（气候、形态和交互组分）整合到规划街区框架中的证据仍然有限。考察这些街区尺度的权衡有助于明确形态相关的适应优先事项如何因考虑气温、户外热舒适度或制冷需求的不同而异。

为考察这些街区尺度的权衡，本研究开发了一个耦合气候–形态情景框架，用于评估在温和气候高海拔城市昆明中，气温、户外热舒适度和制冷需求如何响应气候强迫与城市形态的联合变化。该框架并非将未来气候强迫视为对静态或简化城市肌理的外部扰动，而是将CMIP6 SSP气候预测与依赖LCZ的形态演变路径相联系，并评估由此产生的街区尺度响应，涵盖冠层层气温、户外热舒适度和制冷能耗需求。仅气候、仅形态和耦合情景模拟被用于将总变化分解为气候、形态和交互组分。通过跨LCZ类型比较这些响应，本研究旨在明确紧凑城市形态在未来变暖下是否产生一致或分歧的热学结果，并识别高海拔城市环境中热暴露、行人舒适度与建筑制冷需求之间特定形态相关的权衡。

章节摘要

研究框架

本研究开发了一个街区尺度模拟框架，用于评估未来气候变化和城市形态演变如何共同影响温和气候高海拔城市的城市热脆弱性。如图1所示，该框架以并行城市天气生成器（PUWG）[28]作为核心模拟引擎，因为它将城市冠层能量平衡与建筑制冷需求相耦合，同时能够高效地模拟大量街区。在PUWG中，每个城市街区是

气候数据分析

图3总结了用于构建PUWG区域参考气象强迫的集合插值CMIP6衍生参考天气序列。月平均气温在所有SSP路径下均逐步升高，其中SSP5-8.5情景下到2080年的增幅最大，相对于基线达到约+4.1°C（图3a）。参考气温序列的年度概率密度函数向右偏移并展宽，众数区间从15–20°C移至20–25°C

未来变暖下的非线性制冷需求响应

预计未来变暖将显著增加昆明的热暴露和制冷需求。由于将全球变暖限制在1.5°C需要快速且持续的减排[1,78]，城市规划与建筑适应也需同步推进以管控局地热风险。模拟结果表明，在规定的未来条件下，热暴露和制冷需求均在增加。在基线情景下，分析面板中模拟的中位制冷能耗需求（CED）为0.14 W/m²，表明有限的

结论

本研究开发了一个空间明确的街区尺度框架，用于评估在昆明——一座温和气候的高海拔城市——中冠层层气温、户外热舒适度和面积归一化制冷需求强度的复合气候–城市化影响。结果表明，未来变暖显著增加了这座历史上制冷需求有限的城市的热压力。基于情景的分解表明，三项指标对气候的响应各不相同

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Genyu Xu：审阅与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。Yongjun Ji：撰写初稿、可视化、验证、软件、资源、调查、数据整理。Yexuan Zhao：撰写初稿、可视化、软件、调查、数据整理。Yanzhe Wang：撰写初稿，

Genyu Xu|Yongjun Ji|Yexuan Zhao|Yanzhe Wang|Jingfan Hu|Hongshuo Pan|Zhaoji Wu|Jinglei Li|Lingye Yao|Hao Li|Jian Xu|Ruiqu Ma|Wenlei Ding|Yaoning Yang|Renzhi Wu