城市形态结构对城市热岛的影响-伊拉克巴格达的案例研究外文翻译资料

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城市形态结构对城市热岛的影响-伊拉克巴格达的案例研究

DhirghamAlobaydi^a,*, Mohammed A. Bakarman^a,*, BushraObeidat^a

The University of Kansas, 1450 Jayhawk Blvd. Lawrence, KS 66045, United States

摘要

人们认为是城市核心环境空气温度 (Ta)高于周围乡村环境空气温度，形成了所谓的城市热岛现象。在炎热和干燥地区的夏季，城市热岛强度显著受极端的太阳直接辐射并且导致整个白天室外热不适。本研究旨在探讨伊拉克大城市巴格达的三个不同的城市配置和街道走向的热性能，即传统紧凑型、 现代依附型和现代分离型。植被被排除在外，确保进行比较时城市配置是唯一的因素，材料的建筑和街道都不包括在所有检查研究案例中。利用三维数值软件ENVI-met 4.0评价环境空气温度 (Ta)、城市峡谷内街道表面温度 (Ts) 和平均辐射温度 (Tmrt) 。用Ta、Ts 和 Tmrt三个变量衡量每个城市街区中心的配置。这项研究的调查让我们了解到城市配置在炎热干燥的气候地区影响城市热岛效应所起的作用，这有助于形成在城市规划设计中对热环境进行更好的设计和规划提供指南。特别是这项研究在验证建筑环境中峡谷效应的温度变化以及影响因素有着重要作用。

关键词：城市形态结构；城市街谷；城市热岛；巴格达

1.引言

由于大城市的城市数量的增加，在研究城市热岛效应对室外热环境的影响时开始考虑环境热舒适性问题。不同模式的城市形态受在不考虑热干旱地区极端气候的情况下西方温和寒冷的气候是普遍的气候影响的现代规划实践的基础上发展，包括具有历史意义的城市中心区。因为城市热岛影响环境空气温度、空气质量、人体健康和能源使用，所以人们对了解城市热导效应在建筑周围微尺度、城市峡谷和地表温度的影响产生了很大兴趣。巴格达有各种模式的城市形态，所以被选为案例研究；此外，它是研究城市在热干旱气候条件下的最佳范例之一。这些城市的模式包括紧凑型、附加型和分离型。长都市化的传统领域模式主要形成于17世纪；现代郊区的发展主要是在20世纪中期；区域化的地区主要是在20世纪最后一个季度形成，分布在城市的边缘，见图 (1)。

图1：巴格达的地理位置（左边），研究案例的区域（中间），研究案例的位置（右边）

热干旱环境研究表明，有许多研究侧重于解释城市形态的物理特性在形成城市热岛效应的作用。这些研究分为三个主要组：（1）开展测量物理结构对城市环境空气温度的影响以及比较农村空气温度的研究[2-6]。（2）对传统城市结构自然通风系统 (NVS) 通风和冷却性能的评估研究[7，8] 。(3) 研究解释使用城市峡谷植被形成阴影对暴露表面的建筑环境发射和反射的热量有减轻效果。然而，除了少数几个研究解决了城市配置中的热环境问题。更多的调查研究城市配置变量（密度、 城市峡谷和取向）在形成城市热岛效应方面的影响仍然是必须的[2，7，9-12]。建筑密度可以通过减少或增加外露表面面积显著影响城市热岛。城市峡谷的几何结构可以影响自然通风系统中气流的速度，也可以为行人规划设计路径的阴影形状。这种几何形状表示的是建筑物高度 (H) 和街道宽度 (H/W) 或纵横比。城市群和峡谷的这种取向在面对盛行风的方向可以为传统建筑材料在通风和冷却过程中捕风（Badgers）。

这项研究的主要论点是城市峡谷影响空气温度、太阳辐射和平均辐射温度的主要气候要素;

他们导致的建筑环境的温度不同。当前的研究中，在所有的情况下选定研究了城市峡谷几何形状（H/W 比）的影响。在巴格达发现的三个代表城市峡谷的案例研究考察了周围的空气温度 (T)、街头表面温度 (T s)和平均辐射温度 (T mrt)。除了空气温度、 湿度和速度的环境变量，Tmrt在评估人体室外热舒适中发挥重要用，因为它包括了不同类型的辐射。这些类型包括直接和扩散性的短波辐射，以及从相邻的水平和垂直表面的反射的辐射。

由天空和水平或者垂直的表面发出的长波辐射的也考虑在内 [13]。发现Tmrt是影响户外热环境舒适性的主要因素[14，15]。因此， Tmrt的评价在研究案例中是被考虑到的。这次研究的重要性是为了揭示城市不同物理形态对室外环境的微气候的热舒适性的作用。尤其是，它试图提供关于哪种几何形状的城市峡谷有助于形成城市热岛的更好理解。本研究提出通过查阅相关热环境文献研究，帮助作者在这个话题中定义当前研究的需求。接下来，定义研究的问题︰ 城市峡谷的几何形状如何影响室外建筑环境中的温度变化？最后，结果集中在城市峡谷影响城市内部的气候变化的作用。通过重点研究物理结构，本研究分为两个主要阶段︰ 研究案例的选择和数值模拟过程。

2.方法

2.1.第一阶段︰ 研究对象的选择

为了达到研究的目的，考虑选择有紧凑的、附加的和分离的代表性的城市配置。为了澄清，这三种配置是传统的紧凑型、现代的附加型和现代分离式的类型。案例研究代表各种密度、城市峡谷和方向的城市形式图(2)。选择这样配置的关键的决定性因素的他们所有代表城市化的地区和他们的设计、布局和特征相差很大。首先，传统的案例有紧凑城市集群与曲折的道路网络和死胡同，短的城市街区和低层建筑。开放的空间的整个土地上的所有建筑物，称为庭院，用于自然通风和冷却。第二，现代的附加型案例从三个方向来看包括矩形长城市街区、 网格街道系统和附加的大厦，垂直地摆放在街区。最后，尽管它源自以前的模式，但是现代分离的案件有宽广的街道与独立式建筑物通常放在地块中央对齐占用小小的空间。为了建立可比案例，保证城市的配置是分析中的主导因素，研究的街道都是西北-东南走向而且所有建筑物表面材料是相同的。街道和路面也是相同的材料。植被被排除了，因为它对微气候条件有影响。

2.2.第二阶段︰ 数值模拟过程

T，T s 和 Tmrt三个选定案件进行利用 ENVI-met 4.0。ENVI-met 是'旨在模拟城市环境中地面-植物-大气相互作用，有 0.5-10 米（1.6-32.8 英尺）的典型空间分辨率和时间分辨率为 10 秒的三维立体小气候模型'[16]。它基于 CFD 和能量平衡模型，被广泛应用于探讨城市环境的各个方面对微气候的影响。ENVI-met的最大特色是能提供准确和具体天气数据文件 (WDF) 为任何给定的城市文脉，而不是根据位于城市地区以外气象站提供的数据。它使用完整的三维气象预测模型计算大气中影响城市区域微气候的重要过程，包括模拟风流动、湍流、辐射通量、温度和湿度的物理基础（即流体动力学和热力学基本定律） [4]。与实测数据相比此功能提供更合理的计算结果。新版本还为用户提供了一个选项来分配不同材料的墙体和屋顶，每个表面可能有三个，并且每个表面可以组成最大的三个不同层次。一般情况下ENVI-met被用于评估城市空间形态的微气候和户外热环境的舒适性 [2，4，17，18]。在此研究中，每个案例建模域尺寸为 114 x 114 x 31和分辨率为 2 米 times; 2 米 times; 1 米 (6.6 英尺 x 6.6 英尺 x 3.3 英尺)，总模拟面积为228 米 times; 228 米 x 31 的 m (748 英尺 x 748 英尺 x 102 英尺)，见图 (2)。表 1 说明输入的是2015年7月16日的数据，最高气温记录在巴格达市。所有区域都旋转 45°度为北。强制空气温度和相对湿度，以及风速和风向的配置文件取自坐落在巴格达国际机场 (BGW) 一个气象站。巴格达的风向为西北 (NW)，应考虑旋转ENVI-met的主要域。快照受体位于预定义的街道的中心，每个案例中 T，T-s，Tmrt可以观测得到。决定街道空间形态的的主要因素是建筑高度和宽度的比率 （H/W）或纵横比。紧凑的街区高宽比为 1.0，而在附加和分离配置的街道高宽比为 0.6 和 0.2，图 (3)是三种比率。把每个变量在所有情况下的结果进行分析和比较。

图2：三种研究模式的城市配置

表1：ENVI-met的主要输入数据

图3：三种案例的高宽比

3.结果和讨论

3.1.空气温度 (Ta)

图 4显示了白天时段内每条街道中间的Ta 的变化。在紧凑模式或以往模式下有最低 Ta平均 42.0°C (107.6°F)，而附加和分离模式下 Ta为 42.3°C (108.1°F)。要注意的是，在 6:00 和 19:00 之间当地标准时间 (LST) 是白天期间，而其他时间代表夜间。在白天，就所有查阅的文献来看，发现 Ta的最大值在 15:00，在紧凑、附加、分离模式下LST 值 为47.5°C (117.5°F)，48.4°C (119.2°F)，和 48.6°C (119.5°F)。这表明，在以往情况下Ta最大值比在附加的情况下的温度低 0.9°C (1.6°F)，且比分离情况下的温度低 1.1°C (2.0°F) 。这些变化都源于在附加 (H/W = 0.6) 和分离 (H/W = 0.2) 模式下街道的宽度；这是相比于老巴格达H/W 比为 1.0的紧凑的和深的街。地面和墙壁直接暴露于极端的太阳直接辐射，导致表面温度的增加。因此，更高热量消散到空气中，致使温度升高。在夜间，在所有情况下的街道上观测一样与 Ta 的变化可以忽略不计。在分离式的大街上Ta最低是 35.8°C (96.4°F)，而它在附加和紧凑的街道上分别是 36.1°C (97.0°F) 和 36.3°C (97.3°F)。很明显浅街是比紧凑式的稍微冷一点，Ta 的最大差异的约 0.5°C (1.0°F)。虽然 Ta 的差异是次要的，浅的分离式街道夜间温度往往是最低的。这是归因于浅层街道天空具有开放性，允许风在街道降低温度的概念。因此，相比窄而深的街道由地表面散失的热量以更高的速率从这条街被移除。然而，因为 Ta 在白天的变化比夜间大，控制和最小化可访问性的太阳直接辐射到达街道的不同的表面在这种气候下应给予最高优先事项。

图4

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