[论文分享]Nonlinear force analysis of urban morphology and building heat emission based on multi-scale microclimate prediction
📃 基本信息
[论文标题]《基于多尺度微气候预测的城市形态与建筑热排放非线性力分析》
[期刊信息]Energy & Buildings (2025) | 作者: Yuan Chen, Yupeng Wang, Xilian Luo, Lin Pei, Wenxiao Li
📌 一句话概括
本研究通过多尺度微气候预测，量化了城市形态和建筑热排放对微气候的非线性影响，并提出了优化规划指标的阈值范围。
📚 深度总结
该研究旨在解决传统微气候预测模型在评估城市规划对微气候时，往往忽视建筑人为热排放（AHEb）且缺乏跨尺度评估的问题。论文首先指出，全球城市化导致城市热环境恶化，而微气候模型应更精细化地考虑其时空分布对居民生活、健康及建筑能耗的影响。
研究方法部分，作者选取了中国西安市五个典型地块的35个测量点，涵盖了地块尺度、50米和20米缓冲尺度。通过Ladybug工具（在Rhino-Grasshopper中）计算了七个形态指标，包括三个三维指标（天空视野因子SVF、平均建筑高度MBH、容积率FAR）和四个二维指标（建筑覆盖率BCR、绿地覆盖率GCR、不透水表面比ISAR、水体比WB）。AHEb则通过EnergyPlus中的URBANopt插件进行模拟，并考虑了围护结构散热、区域排气、HVAC系统散热和回风热损等四个组成部分。微气候数据（气温AT和相对湿度RH）在夏季和冬季典型晴朗干燥无风条件下进行了48小时的现场测量。
在模型构建上，地块尺度采用了偏最小二乘法（PLS）模型以处理样本量有限和多重共线性问题。点缓冲尺度则运用了贝叶斯优化后的随机森林（RF）模型，并结合SHAP（Shapley Additive exPlanation）方法进行特征的非线性解释。
关键发现与结论方面，研究指出GCR和ISAR是所有尺度上影响力最大的因素，应优先考虑。在夏季高密度区域，地块GCR维持在40%-60%（50米缓冲尺度）和45%-70%（20米缓冲尺度）可显著降温。冬季，GCR和ISAR的影响在不同缓冲尺度上表现稳定，ISAR在35%以下可抑制升温效应。MBH和FAR的影响在不同尺度上表现出相反的趋势：FAR在地块尺度贡献更大，而MBH在小尺度（50米和20米）起主导作用。AHEb在各尺度重要性排名为第四至第六位，其影响小于关键的二维和三维形态指标。
实际应用价值在于，研究为气候适应型城市规划提供量化指导，特别是在人口密集区域的降温策略。通过识别关键指标的阈值和非线性效应，可以进行更精准的城市更新和设计。例如，MBH在50米缓冲尺度下，在36米至70米之间可最大化遮阳效果并降低气温；FAR在50米缓冲尺度下，维持在1至4之间，在20米缓冲尺度下，维持在2以下，可以平衡遮阳益处与AHEb导致的升温效应。夜间，20米缓冲尺度下需尽可能减少AHEb。
研究局限性包括数据采集仅限于晴朗天气条件，未能全面考虑阴雨等天气对微气候的影响；以及所提出的策略主要针对无风城市中高密度地块，不同气候区的直接适用性可能存在局限。
本速览仅作研究参考，不替代原文阅读。如需引用，请参考原论文。
🔍 要点追溯
- 研究方法: 现场测量、PLS模型、RF模型、SHAP分析
- 适用范围: 暖温带半湿润大陆性季风气候区（以中国西安为例）中高密度城市地块
- 使用工具: Rhino 7, Grasshopper (Ladybug tools 1.6.0), EnergyPlus 22.2 (URBANopt), SIMCA 18, MATLAB 2022a, Python 3.8.10 (shap.TreeExplainer)
- 数据来源: 西安市五个典型地块35个测量点2022年夏季（8月5-6日）和冬季（12月9-10日）48小时实测数据
- 参考标准: World Meteorological Organization guidelines, ASHRAE 55-2017 (隐式), ISO 7730 (隐式)