在山区历史街区中建立遮阳设施与残余土地温度（Residual-LST）之间的关联

《Building and Environment》：Building shade support and residual-LST associations in mountainous historic districts

　　•建筑阴影的评估是一个从遮阳供应到降温实现的过程。•与全天遮阳供应相比，高峰期的遮阳减少了71.2%–81.1%。•阴影与降温重叠区域的温度比中性开放空间低0.56–1.66°C。•降温效果取决于遮阳时间、空间重叠和地形背景。•基于过程的框架支持山区历史街区中的热适应机制。

引言
随着全球变暖、极端高温事件的增加以及持续的高密度城市化，建筑环境中的热暴露已成为城市健康、环境表现和气候适应日益重要的挑战[[1], [2], [3]]。气候变化导致人群暴露在高温下的风险增加，极端温度事件变得更加频繁、持续时间和强度也更大；由于城市热岛效应，热的影响在城市中往往被放大[4,5]。在密集的城市区域，热环境受到土地覆盖类型、不透水面扩展、人为热排放、建筑形态、街道布局、太阳辐射暴露以及当地空间组织的影响[[6], [7], [8]]。在炎热季节，开放空间、街道交界处、行人通道和小型公共活动区域经常暴露在强烈的短波辐射下。这种暴露加剧了地表加热，显著增加了行人的热应激[9,10]。因此，能够减轻太阳辐射负荷并改善局部热条件的被动冷却策略在气候敏感型城市设计中变得至关重要[11,12]。

在被动冷却机制中，遮阳是最直接且空间上可控制的方法之一，用于减少热暴露[[13], [14], [15]]。通过拦截入射的太阳辐射，阴影可以改变地表能量平衡，降低表面温度，减少平均辐射温度，并改善户外热感[16,17]。先前的研究广泛探讨了树木遮阳、植被 canopy、绿色基础设施、街道峡谷几何形状、人工遮阳装置和综合遮阳系统的降温效果[18,19]。这些研究表明，遮阳的降温性能不仅取决于遮阳面积本身，还取决于当地气候、城市形态、表面材料、气流条件以及遮阳可用的时间[20,21]。例如，最近的跨城市证据表明，树木的降温效果受气候背景、城市形态和树木特征的影响，而基于辐射的研究显示，阴影对平均辐射温度的影响比单纯的表面材料差异更大[22], [23], [24]]。这些发现为理解阴影作为热调节资源提供了重要基础，但大多数现有研究集中在植被遮阳或一般性城市遮阳上，而不是建筑产生的阴影的具体热作用[25]。

建筑阴影在机制和规划影响上与植被遮阳有所不同[[26], [27], [28]]。植被的冷却效果取决于辐射拦截、蒸腾作用、冠层结构、土壤水分条件以及植被健康状况的综合影响[29,30]。相比之下，建筑阴影主要受建筑高度、占地面积几何形状、街道方向、太阳角度和三维空间配置的控制[[31,32]]。这使得建筑阴影与城市形态更为相关，因此在大规模绿化可能受限的密集街区中更具可设计性[33]。因此，建筑阴影在城市气候和遥感研究中受到了越来越多的关注[34]。一些研究利用太阳几何形状、建筑占地面积、建筑高度、三维城市模型或高分辨率遥感数据提取建筑阴影范围，并探索它们对地表温度或户外热条件的影响[35], [36], [37]]。例如，Yu等人（2019年）结合太阳角度、建筑高度、占地面积和遮挡信息分析了北京建筑阴影对LST的季节性影响，表明建筑阴影表现出强烈的季节性变化，并能显著影响城市LST[38]。然而，大多数此类文献仍将阴影视为一个静态的空间属性，关注阴影是否存在、遮阳面积的大小或阴影比例与温度的关系[39,40]。较少关注的是阴影在最关键的热暴露期间是否仍然有效，以及遮阳空间是否与可测量的低温信号相对应[41,42]。

这一局限性与城市形态和热环境研究中的更广泛问题密切相关[43]。许多研究使用建筑密度、容积率、高宽比、天空视野系数、道路密度、表面粗糙度和街道峡谷几何形状等指标来解释城市温度差异[44,45]。这些指标有助于描述城市空间的物理形态，但它们不能完全反映太阳辐射被阻挡、重新分布并转化为热响应的动态过程[46]。建筑配置的热效应不仅取决于其静态的紧凑性或封闭性，还取决于阴影可用性与热暴露之间的时间匹配[47]。一条街道或庭院在早晨或傍晚可能会得到大量遮阳，但在中午到下午热应力最严重的时候却暴露在外[48]。相反，如果阴影在高温暴露时段连续存在，并且与具有较低热储存或更好通风的表面空间对应，那么这个空间可能会产生更强的降温效果[49]。因此，有效评估建筑阴影需要一种从静态形态向过程导向的框架转变，该框架能够连接阴影生成、时间持续性、空间组织和热响应[50,51]。

LST为研究这种空间热响应提供了重要的观测基础[52]。卫星-derived LST在城市热环境研究中得到广泛应用，因为它提供了连续的空间覆盖，并能捕捉不同城市景观中的局部表面热条件差异[53]。一些研究利用LST分析了土地覆盖类型、景观配置、不透水面、植被、水体和三维建筑形态的热效应[54]。然而，LST受到多种背景因素的影响，包括地形、表面材料、植被状况、建筑背景、空间位置和传感器视角几何形状[55]。直接将阴影指标与原始LST进行回归可能会将遮阳的降温效果与更广泛的背景热差异混淆[56]。这个问题在研究小规模历史街区时尤为重要，因为在这些区域内开放空间像素的数量有限，局部空间异质性很强[57]。一种更可靠的方法应该是首先考虑背景地形和形态效应，然后确定残余热变化是否系统地与阴影支持相关[58]。

特别是在山区城市，这种基于过程的方法尤为必要[59]。与平坦的城市区域相比，山区建筑环境的特点是复杂的高差、坡度、朝向、梯田结构和不规则的表面接收条件[60]。这些地形因素改变了太阳辐射的接收、阴影投影长度、阴影方向以及阴影与受热表面之间的空间耦合[16]。对重庆等山区城市的研究表明，城市空间形态与LST之间的关系依赖于尺度，并受到坡度、朝向、下层表面和空间异质性的影响；这意味着从平坦的城市街区得出的结论不能直接应用于山区环境[61]。在这种环境中，相同的建筑高度、街道宽度或封闭程度可能会根据地形方向和海拔结构产生非常不同的遮阳模式[62]。因此，建筑阴影不应简单地视为建筑高度和太阳角度的二维投影，而应被视为由地形、街道形态、建筑布局和表面接收条件共同调节的环境资源[63]。

历史街区通常包含紧凑的街道网格、不规则的建筑界面、狭窄的小巷、高密度的行人活动以及强烈的文化遗产约束[64]。它们的热适应措施不能依赖于大规模拆除、大规模重建、增加建筑体积或对空间结构的重大改变[65]。相反，适应措施必须是小规模的、可逆的、视觉上兼容的，并且要尊重遗产价值[66]。最近关于气候适应性历史区域的研究强调了将气候适应与保护要求相结合的必要性，而不是将遗产保护和环境表现视为独立的议程[67]。在这种情况下，建筑阴影特别有价值，因为它们已经嵌入到现有的空间形态中[34]。如果能够识别它们的时间可用性和热效率，它们可以为精细的热适应策略提供实际基础，例如保护现有的遮阳行人路径、用可逆遮阳装置增强暴露的节点、改善阴影-低温重叠区域的表面材料，以及将微尺度冷却干预与历史景观特征协调[22]。

尽管取得了这些进展，仍存在三个研究空白。首先，许多现有研究通过瞬时阴影、总遮阳面积或静态形态指标来评估遮阳效果，这使得难以确定在实际的高温暴露期间阴影是否可用。这可能导致高估全天或平均遮阳覆盖的降温潜力。其次，尽管先前研究将建筑阴影与LST联系起来，但原始LST同时受到地形背景、表面属性、建筑背景和空间位置的影响。如果不消除这些背景效应，阴影支持与温度降低之间的具体关系可能仍然不清楚。第三，现有研究主要集中在平坦城市、普通城市街区或以植被为主导的冷却机制上，而对山区历史街区中建筑阴影支持与残余LST模式之间的空间关联了解不足。特别是，很少有研究考察在复杂地形和遗产保护的共同约束下，模拟的高峰期建筑阴影是否与可测量的低温信号存在空间关联。

为了解决这些空白，本研究重点关注中国重庆的三个代表性山区历史街区：白象街、七七沟和石坝梯。它开发了一个基于过程的框架，用来考察在考虑地形、形态和空间背景因素后，模拟的建筑阴影支持是否与较低的残余LST信号存在空间关联。首先，整合了建筑高度数据和数字高程模型（DEM）来重建三维表面接收条件，并在代表性的夏季太阳几何条件下模拟建筑阴影。然后使用全天阴影频率、高峰期阴影频率和阴影持续时间来表征阴影供应的时间结构。接着应用残余LST建模来减少背景地形、形态和空间位置因素的影响。最后，通过单调阴影-温度关联识别和空间共位分析来确定高峰期阴影支持是否与低温区域相符。需要强调的是，本研究并不试图建立建筑阴影对LST的严格因果关系，而是确定在控制主要地形、形态和空间背景因素后，模拟的高峰期阴影支持是否与较低的残余LST信号存在空间关联。

研究区域
本研究选择了中国重庆的三个典型历史街区作为研究区域，即白象街、七七沟和石坝梯（图1）。重庆位于中国西南部的山区和丘陵地带，地形变化明显，海拔范围约为105–1900米，属于典型的山区城市[68]。这三个街区都位于这一山区城市背景下的建成区核心。复杂的地形不仅塑造了...

整体方法论框架
本研究开发了一个双轨建模框架，用于研究建筑阴影的生成方式以及模拟的阴影支持如何在山区历史街区中与残余LST模式存在空间关联（图2）。该框架包括一个阴影生成轨道和一个观测热模式轨道。阴影生成轨道根据建筑占地面积、建筑高度、DEM和太阳几何形状重建建筑阴影模式。首先重建了数字表面模型（DSM），然后...

结果
结果按照从阴影支持到残余LST模式的关联路径进行组织。第4.1节首先考察全天遮阳供应是否在高峰期热暴露期间仍然有效。第4.2节评估阴影支持核心区域是否与低温区域存在空间耦合。第4.3节比较不同地点的残余LST关联指标和证据强度，而第4.4节进一步解释了地点间的差异...

讨论
结果表明，山区历史街区中建筑阴影的热相关性应被视为一种关联路径，而不仅仅是简单的几何结果。建筑阴影首先需要在高峰期热暴露期间可用，然后需要在空间上与较低的残余LST条件相符。只有在这样的耦合条件下，它们才能被解释为与阴影相关的残余LST关联信号。这解释了为什么这三个历史街区中的建筑阴影...

结论
本研究开发了一个基于过程的框架，用于考察模拟的建筑阴影支持如何在山区历史街区中与残余LST模式存在空间关联。通过整合建筑高度、地形背景、太阳几何模拟以及夏季地表温度（LST）数据，该框架构建了全天阴影频率、高峰时段阴影频率和阴影持续时间等指标，并通过残差建模进一步评估了与阴影相关的地表温度残差变化。数据将在需要时提供。

作者贡献声明：
王澳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化展示、软件开发、资源准备、方法论构建、调查分析、数据整理、概念构思。
戴燕：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹措、概念构思。
陈恩青：撰写 – 审稿与编辑、调查分析。
戴乐乐：资源准备、项目管理工作。
张毛毛：撰写 – 审稿与编辑、方法论构建、数据整理。

作者列表：王澳 | 戴燕 | 陈恩青 | 戴乐乐 | 张毛毛