校园开放空间环境的季节性微气候权衡：中国天津的探索性案例研究

《Buildings》：Seasonal Microclimate Trade-Offs Among Campus Open-Space Settings: An Exploratory Case Study in Tianjin, China

　　

校园户外环境对夏季炎热和冬季寒冷的响应可能不同。本探索性案例研究比较了天津某大学校园中十二种预设环境，使用了取自2025年6月和12月两个72小时分析窗口的夏季峰值太阳辐射子集和冬季白天子集。三台Kestrel 5400 LiNK热应力追踪仪和八台带防辐射罩的DS1923温湿度记录仪部署在1.5 m高度。直接仪器记录与存档的背景天气和点位特定输入在10分钟网格上相结合，并分别识别测量场与计算场。通用热气候指数（UTCI）和平均辐射温度（T_mrt）以相对于同时刻十二位置中位数的异常值表示。10、25和50 m处的点云代理指标描述了每个位置。夏季时段炎热无雨，而冬季时段温和、潮湿且平静。P09的夏季ΔUTCI负异常最大（?6.80 °C），P07的冬季负异常最大（?5.11 °C），P10则表现出从夏季正值到冬季负值的变化。这些模式在候选替代和风速高度检验中持续存在。所汇集的案例校园数据确定了可进行重复、完全同步监测的位置。

校园户外空间在夏季炎热与冬季寒冷条件下往往表现出不同的热响应，如何平衡夏季遮阳与冬季日照是寒暑交替地区校园设计的关键问题。现有研究常用通用热气候指数（UTCI）和平均辐射温度（T_mrt）评估热环境，但短期现场观测常受天气异常和监测点代表性的制约。为此，研究人员选取天津大学校园为案例，在2025年6月23–25日（夏季）和12月16–18日（冬季）各72小时分析窗口内，对十二种预设开放空间开展探索性对比研究。研究将三台Kestrel 5400 LiNK热应力追踪仪和八台带防辐射罩的DS1923温湿度记录仪部署于1.5 m高度，结合存档背景气象数据、点位系数及10分钟网格插值，分别识别直接测量与计算输入，进而计算UTCI和T_mrt，并以同时刻十二位置中位数为参考获得异常值。同时，利用10、25、50 m多尺度点云代理指标描述各位置形态特征。研究还通过天气百分位、日历日段一致性、同设定候选替代和风速高度转换四项检验评估结果稳健性。结果显示，P09在夏季具有最大负ΔUTCI（?6.80 °C），P07在冬季具有最大负异常（?5.11 °C），P10则从夏季正异常转为冬季负异常，且这些模式在稳健性检验中基本保持。研究确认了P07、P09、P10为后续重点监测对象，为校园微气候定向观测和可逆设计试验提供了依据。该论文发表在《Buildings》。

研究所用的主要技术方法包括：基于Kestrel 5400 LiNK和DS1923记录仪的直接观测与档案数据融合，形成10分钟分辨率的综合分析表；采用ISO 7726球体热平衡方程由等效黑球温度、气温和风速计算T_mrt，并利用pythermalcomfort 2.10.0多项式实现计算UTCI；以十二位置同时刻中位数作为参考计算异常值；通过对比WMO站54517的2025年逐时资料评估天气背景；将72小时表分为三个日历日段检验时间一致性；在36个候选位置中逐一替换同设定位置检验位置选择敏感性；采用α=0.14、0.22、0.33三种风速垂直剖面进行10 m风速高度转换敏感性分析；同时基于528,360,229点LAS点云数据，在10、25、50 m缓冲区计算冠层、建筑、开阔度等形态指标。样本全部来自天津大学卫津路校区（Campus 1），涉及12个主要分析位置。

### 3.1 两次时段的天气背景

研究人员将夏季和冬季各3天监测窗口与2025年对应季节所有完整的72小时窗口进行百分位比较。夏季窗口平均气温31.98 °C（百分位94.8），最高温38.5 °C，平均相对湿度41.69%（百分位13.2），无降水，属于炎热干燥型时段；冬季窗口平均气温2.31 °C（百分位65.7），平均相对湿度64.47%（百分位95.9），平均风速1.49 m/s（百分位11.0），属于温和湿润且低风速时段。这为解释热异常的方向和强度提供了天气背景。

### 3.2 十二个位置的相对热对比

夏季峰值日照期间，P09（密林）的ΔUTCI负异常最大（?6.80 °C），P07（开放轴线）为?2.13 °C，P02、P05、P12也低于中位数；P10（开阔草地）正异常最大（+3.40 °C），P04（低反照率功能铺装）为+2.24 °C。冬季白天，P07负异常最显著（?5.11 °C），P09为?2.25 °C，P12、P11、P10均为负；P05、P03、P04、P01则高于中位数。按±0.25 °C近中性带划分，七个位置在两季保持相同方向类别；P10和P11从夏季正异常反转为冬季负异常。夏季ΔT_mrt范围达26.73 °C，冬季为11.36 °C，说明辐射对比在夏季更悬殊，且UTCI与T_mrt模式并非总是一致。

### 3.3 时间与位置选择稳健性

将每个72小时表分为3个日历日段后，所有24个位置–季节估计在每段中均保持相同符号，表明各时段内部时间一致性较好。候选替代分析中，夏季12个设定有10个、冬季有11个与所选位置的方向类别一致；分歧集中在P06（绿色庭院）、P11（疏林）和P02（离散建成空间）等小幅度或空间变异较大的对比。风速高度转换对冬季异常值幅度影响大于夏季，但P07、P09、P10的主要类别在各剖面假设下均未改变，其中P07冬季ΔUTCI在?8.95至?6.75 °C之间，P09在?1.74至?0.59 °C之间，P10在?2.68至?1.90 °C之间。

### 3.4 十二个位置的点云形态与热环境

点云数据显示，P01、P03、P04具有开阔核心，P02、P07、P08为建筑影响较大的环境，P06、P09、P11为冠层主导，P12水泳占比在10 m缓冲区内达0.40。P09在10–50 m范围冠层代理均保持在0.80以上，对应最大的夏季负辐射与UTCI异常；P06虽局部冠层比例高，但夏季ΔUTCI接近中性；P07冬季大幅负ΔUTCI却伴随很小的ΔT_mrt异常，表明风与气温结构可能起更大作用；P10在夏季和冬季T_mrt均为正，但ΔUTCI由正转负，显示辐射之外的因素主导了季节反转。这些形态差异说明，不能用单一的景观标签推断传感器的热环境，而需结合多尺度点云指标和配对热指数进一步定位机制。

### 讨论与结论总结

讨论部分强调，主要发现不是固定的全年排序，而是具有不同潜在驱动因素的季节性对比。配对ΔUTCI与ΔT_mrt有助于识别辐射主导还是风/气温主导的案例。P09与P06虽然25 m冠层代理相近，但夏季ΔUTCI相差6.72 °C，说明冠层透射率、地面湿度、冠下通风等未测量变量值得进一步研究。天气背景对比表明，两次时段分别代表热干与湿静事件，限制了直接季节性外推。研究建议采用分阶段方法：先确认对比，再针对辐射、风、气温或表面条件进行同步观测，最后进行可逆干预试验。结论部分可翻译为：本探索性案例研究在一次炎热无雨的夏季时段和一次温和湿润、低风速的冬季时段中，识别出天津某大学校园十二个分析位置之间的显著差异。在所有24个位置–季节估计中，日历日段符号均保持一致；同设定候选替代多数支持所选位置；风速高度转换未改变P07、P09、P10的类别。这些检验将P07、P09、P10确定为独立现场重复验证的优先位置。P09需进一步测量冠层透射率和冬季日照获取，P07需固定风与气温监测，P10适合进行可移除的夏季遮阳试验。结合路线、入口、功能等场地背景注释，未来可同步开展行人观测，从而将热性能与实际使用联系起来。