基于数据的微气候分析在干旱炎热城市街区中用于热舒适度优化

《Sustainable Cities and Society》：Data-Driven Microclimate Analysis for Thermal Comfort Optimization in Arid-Hot Urban Blocks

如何利用POI空间聚类、气象监测及微气候模型评估新疆石河子历史商业街的热舒适阈值与干预效果，并揭示日间高温峰值（15-17时）与遮阴区域温差7.6°C的时空特征，提出高叶面积指数植被替代方案可降低UTCI 4.4°C。

　　

袁苏|余涵|吴学正|乐轩|乔燕|杨玉腾|李杰|罗志文

大连工业大学建筑与美术学院，中国大连116024

摘要

本研究探讨了气候变化和城市衰败如何影响中亚地区的居民福祉，重点关注新疆北部的石河子市。通过多种数据来源，评估了历史商业区夏季的极端高温情况。研究采用了兴趣点（POI）的空间聚类、实地气象监测、主观调查和微气候建模方法，来评估室外热环境的时空变化。根据通用热气候指数（UTCI）和参与者的反馈，建立了本地化调整的热舒适阈值。研究还评估了针对性的热缓解措施，发现日间热应力峰值出现在下午晚些时候，阴凉区和无遮挡区的温差为7.6°C。在174名参与者中，66.1%的人表示感到温暖或炎热，但仍有62.1%的人认为环境可以接受。热舒适度与辐射偏好之间存在显著的负相关关系。校准后的中性UTCI值为27.2°C，可接受的舒适温度范围为19.4°C至28.1°C。基于模拟的改进方案表明，用叶面积指数较高的植物替代现有树木可有效降低温度，UTCI值可降低4.4°C。本研究为中亚炎热干旱地区的历史商业街区建立了具体的热舒适度基准，为欧亚干旱走廊的气候适应性城市更新提供了可转移的、基于证据的框架。

引言

中亚地区包括哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦以及中国西北部和阿富汗的部分地区，主要具有炎热干旱的气候特征。IPCC报告指出，该地区的变暖速度超过全球平均水平，预计降水量将减少10–20%（IPCC 2021）。夏季强烈的热浪和持续的高温加剧了中亚和中国西北部的健康风险，每升高1°C，中暑和与热相关的死亡率会增加4–7%（Li等人，2023；Guo等人，2018）。此外，频繁的沙尘暴导致PM₁₀浓度升高，加重了呼吸系统疾病并限制了户外活动（Issanova等人，2018）。作为历史上的欧亚贸易通道关键区域，中亚由于干旱的地形和依赖绿洲的居住模式，人口密度普遍较低且分布不均。这使得高活动区域尤为重要。

在中国，西北部的炎热干旱地区，特别是新疆的塔里木盆地和吐鲁番盆地，极端夏季天气事件的频率、范围和强度都在增加（Xu等人，2024；Yuan等人，2023）。热浪与干旱的结合在中国西北部和中部越来越常见（Xu等人，2024；Zeng等人，2024；Sun等人，2024）。由于通风不良、植被稀少和热吸收表面的存在，城市微气候更容易受到热退化的影响（Mandjoupa等人，2025）。研究表明，自然景观系统（如绿洲水库）通过蒸散作用和微气候调节，可以显著降低沙漠边缘地区的气温（Jiao等人，2024）。

城市中的核心商业街区在社会和经济方面发挥着重要作用。与封闭的商业综合体不同，历史悠久的露天商业街道是动态的、以行人为导向的空间，具有更高的空间渗透性和历史连续性（Yu等人，2024）。它们吸引人群和维持当地经济的成功在很大程度上依赖于一个热舒适的室外环境。在炎热干旱的气候条件下，高太阳辐射、低湿度和较大的昼夜温差往往导致白天环境不适（Ji等人，2022），尤其是在高峰时段影响了开放空间的使用。

然而，大多数研究集中在密集的大都市区域或通用的城市空间。很少有研究针对干旱内陆城市的历史商业区，这些地区的形态限制和微气候条件存在显著差异。此外，在校准历史商业街区热舒适阈值方面存在重要的研究空白。现有的舒适度指数通常未经调整就直接应用，尽管这些地区具有独特的空间形态和长期形成的行为模式。这阻碍了这些脆弱地区的情境敏感型城市更新和气候适应。

越来越多的研究探讨了城市室外环境中的热舒适度，使用了生理等效温度（PET）、UTCI、预测平均投票（PMV）和标准有效温度（SET）等指标。在热带和亚热带城市的研究中，评估了建筑形态、遮阳、植被和铺装材料对室外热感知的影响（Kotharkar等人，2024；Haeri等人，2023；Deevi和Chundeli，2020；Li等人，2022；Deng和Wong，2020）。在炎热干旱的环境中，UTCI被越来越多地验证为评估极端太阳辐射和热压力下热舒适度的合适指标（Wang等人，2024；Yin等人，2021）。本研究使用UTCI作为热舒适度的主要指标，其定义为在参考条件下引起与实际室外环境相同生理负荷所需的等效温度（Blazejczyk等人，2011）。鉴于历史商业街区的开放性质和气候的变异性，UTCI是评估热环境和评估设计干预的有效工具。

目前大多数研究依赖于通用的舒适度模型，而没有根据当地气候和适应模式进行区域校准的舒适度阈值。这在干燥的内陆地区尤为问题，因为居民的热适应性和历史街区的热动态可能与大城市有很大不同。虽然在欧洲或沿海城市已经应用了参与式制图和多源数据分析方法，但在内陆中亚这些方法还较为缺乏。先进的时空感知和建模工具已被越来越多地用于推断城市环境模式。例如，Wang等人（Wang等人，2025）引入了一种基于时空演变的数据补全方法，显著提高了复杂城市环境中稀疏人群感应数据的可靠性。但这些方法很少用于评估小规模历史商业环境中的行人热体验。

本研究通过研究新疆北部石河子市的一个历史商业街区，填补了这一研究空白。石河子市具有典型的炎热干旱气候特征。通过空间聚类、热测量、模拟和问卷调查，本研究旨在探索室外热环境的变化，使用UTCI校准热舒适阈值，并提出减少热不适的设计策略。研究结果为改善炎热干旱城市的历史城区热环境提供了见解，支持欧亚干旱走廊的可持续城市更新。

图1

案例研究

石河子市位于中国西北部的新疆维吾尔自治区，处于准噶尔盆地边缘。根据柯本气候分类，它属于半干旱气候（BSk），其特点是强烈的太阳辐射、低湿度和显著的昼夜温差（Smallcombe等人，2021）。强烈的日间太阳辐射和浅色铺装或建筑立面的高表面反照率会导致视觉不适和眩光，使得室外导航变得困难

测量的气象参数

基于三天的实地测量，本研究选择7月8日的数据集进行模拟，因为该日期的气候具有代表性。图3显示的热环境测量结果显示，在直接太阳辐射下，商业街区的最高温度出现在15:00至17:00之间。暴露在阳光下的仪器记录的温度略高于阴凉区域的温度。

问卷结果分析

本研究在实地测量期间发放了问卷，确保受访者的性别、年龄和城市居民特征与中国第七次全国人口普查的人口结构相匹配。为了减少回答偏差，征求了参与者的同意，以鼓励他们客观完成问卷。问卷设计基于以往研究的格式，详细问卷表格见附件

室外气象参数投票与UTCI的耦合分析

本研究采用Bin作为温度频率方法对室外气象偏好投票数据进行分类（Yau和Chew，2009）。使用1℃作为间隔，根据测量数据计算出的UTCI作为因变量（Python）。考虑到当地人口密度较低，每个间隔至少包含五个受访者样本。然后通过线性方程确定偏好与UTCI之间的关系

街区的改进策略

这个历史商业街区位于城市区域，最初建于1950年。其主要外部立面由历史红色砖墙和灰色水泥抹灰构成，灰色水泥砂浆的反射率为0.32（Heshmat Mohajer等人，2022）。地面材料主要是普通草坪，部分草坪上铺设了石板。场地下层的硬质铺装由黑色和灰色混合石材组成

局限性

本研究存在几个局限性。由于天气和地区限制，实地测量仅在7月的连续三天内进行。虽然使用了长期气象数据和模拟方法，但未来的研究应包括多季节观测和纵向测量，以验证和扩展这些发现。模拟仅基于7月8日的条件，未来的研究应考虑多天模拟以探索更多变化

结论

本研究聚焦于新疆北部的石河子市，该市以高温和低降水量为特征。通过分析多源数据，包括城市兴趣点（POI）和空间聚类，识别出了关键的城市街区，并通过实地测量、问卷调查和模拟研究了历史商业区的微气候和热环境。

根据核密度强度，这些POI被分类为商业和金融服务设施、医疗设施等

CRediT作者贡献声明

袁苏：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取、数据管理。余涵：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论、数据分析、概念化。吴学正：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件应用、方法论、数据分析、概念化。乐轩：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件应用、方法论、数据分析、概念化。乔燕：可视化、软件应用

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金 [资助编号 52278093] 的财政支持。