综述：微气候模拟工具评估城市热缓解：植被与城市表面策略以实现可持续环境

《Climate》：Microclimatic Simulation Tools to Evaluate Urban Heat Mitigation: Vegetation and Urban Surface Strategies for Sustainable Environments

　　

近几十年来，城市化的快速扩张加剧了城市热岛效应（UHI），这是由于植被覆盖减少、吸热材料的广泛使用以及地表和大气温度升高（可能达到5–6℃）所驱动的。这些条件对福祉、生活质量和人类健康产生负面影响。为此，大量研究基于高反照率材料（high-albedo materials）和城市植被（urban vegetation）探讨了缓解策略。本系统综述分析了2016年至2025年间发表的225篇同行评审文章，内容涉及城市热缓解、地表热状况、城市植被、室外热舒适（outdoor thermal comfort）和微气候模拟（microclimate simulations）。该综述提供了全面的综合，突出了关键发现及对未来研究的启示。根据柯本–盖革气候分类（K?ppen–Geiger classification），大多数研究在湿润亚热带和温暖地中海气候中进行。分析聚焦于城市峡谷（urban canyon）干预措施，其中植被主要被建模为遮阴树（shading trees，占79.2%），其他形式包括草地或灌木（grass or shrubs，占27.1%），研究主要在夏季进行。结果表明，结合植被和高反照率表面（≈0.8）的综合缓解策略通常比单独干预措施提供更大的降温效益。总体而言，研究结果强调了植被遮阴与表面特性之间相互作用对于缓解室外空间城市热的重要性。

论文主体部分总结如下：

**3.1. 城市微气候模拟软件的比较概述**
研究人员利用多种工具评估植被和反照率等缓解策略，这些工具可分为六类：辐射与热舒适模型（如RayMan、SOLWEIG）用于估算平均辐射温度；区域和城市气候模型（如WRF模型、UWG）分析城市级气候影响；建筑能耗模拟（如EnergyPlus、TRNSYS）评估建筑热性能；参数化设计工具（如Honeybee、Ladybug）集成气候流；专用计算流体动力学（CFD）软件包（如ANSYS Fluent、OpenFOAM）分析流体传热；微气候模型（如FITNAH 3D、CAT模型）预测城市峡谷温度。ENVI-met是文献中最常应用的微气候平台（占64%的研究），其广泛采用与其在单一建模框架内表示土壤-植被-大气（SVAT）相互作用并生成热舒适指标的能力有关。该软件将植物视为生物活性主体，计算蒸散和光合作用的动态过程，可进行精细空间分辨率（低至0.5 m）和时间分辨率（10 s）的三维分析。然而，模型选择应依据研究目标、空间尺度、计算需求和验证要求，而非软件流行度。

**3.2. 文献计量方面**
此系统综述聚焦于2016至2025年间使用微气候模拟工具评估基于植被的干预措施和高反照率路面作为城市热缓解策略的原创文章。关键词共现网络显示，“室外热舒适”、“ENVI-met”、“UHI”和“微气候”处于网络中心，表明该领域围绕通过微气候模拟研究城市背景下的室外热舒适。主题集群包括：粉色集群（室外热舒适、植被、树木、平均辐射温度），浅蓝色集群（微气候、城市形态、生理等效温度PET），红色集群（UHI、城市绿化、热环境、局部气候区LCZ），黄色集群（城市规划、反照率、绿色屋顶、降温效应）。年发文量自2016年逐步增长，2020年达到峰值，之后持续产出。地理上，亚洲贡献最大，其次是欧洲和美洲。发文最多的期刊包括《Building and Environment》、《Sustainable Cities and Society》、《Sustainability》、《Urban Forestry and Urban Greening》和《Urban Climate》，合计约占49.3%。ENVI-met作为跨年份、国家和期刊的方法学工具占主导地位。

**3.3. 城市与气候评估**
约51.3%的研究在亚洲进行，22.5%在欧洲，18%在美洲，其余8.2%在其他地区。研究覆盖46个国家，主要集中在纬度20°至60°之间。对研究地点进行柯本–盖杰气候分类分析，发现Cfa气候（温带炎热夏季、无旱季）占主导（约27.3%），对应中国香港、南京等城市。气候类型Dsa、Dsb、Bsh和Am代表性最低。主要缓解策略包括：土地利用/覆盖（占49.3%）、城市设计（占33.2%）和城市规划（占17.5%）。研究区域以居住区为主（占43.2%），主要涉及城市峡谷、庭院和城市公园尺度。城市峡谷的纵横比（AR）和街道朝向是关键因素。研究优先考虑温带气候和居住/大都市背景，倾向于空间和土地覆盖干预。研究区分了地表UHI（SUHI）和大气UHI（AUHI）缓解过程：植被通过遮阴和蒸散发挥作用，高反照率材料通过增加太阳反射减少热储存。综合缓解策略通常比单独干预提供更大的热效益。

**3.4. 模拟场景中的城市表面与建筑材料**
城市表面分为五类：墙体（反照率0.2–0.7，占27.5%）、屋顶（0.1–0.8，占25%）、路面（0.6–0.8，占17.5%）、地面（0.1–0.3，占15%）和道路（0.1–0.5，占15%）。路面具有最宽的反照率范围，常用材料为混凝土和沥青。高反照率材料（如白色弹性涂层，反照率0.72）可显著降低表面温度。路面反照率随时间变化：沥青从0.05–0.15增至0.13–0.25，混凝土从0.23–0.35降至0.13–0.25。光谱反射率和反照率也受材料干湿状态影响。高反照率材料可分为屋顶用和道路/路面用两类，大规模使用可降低冷却能耗12%–25%（住宅）、5%–18%（办公）和7%–17%（商业）。

**3.5. 模拟场景中基于植被的缓解策略**
树木是最常见的植被策略，占79.2%的论文。树木的降温能力取决于其结构特征：总高度、树干高度、冠幅、冠型、叶面积密度（LAD）和叶面积指数（LAI）。树木高度范围2.0–22.0 m，冠幅1.5–17.0 m，冠型以球形（53.8%）和圆柱形（46.2%）为主。落叶树种占73.1%，常绿树种占26.9%。LAI值范围0.7–7.0 m²/m²，常用2 m²/m²。不同气候组下的树木结构特征存在差异。为最大化降温性能，应避免树冠重叠、为建筑提供额外遮阴、并保持通风走廊。低纬度城市应优先考虑遮阴效益，高纬度城市可兼顾蒸散和遮阴。

**3.6. 模拟场景中的方法论框架**

**3.6.1 数据获取**
ENVI-met软件用于评估建筑和城市规划对环境变量的影响，可模拟表面、植被和空气之间的复杂相互作用，空间尺度0.5–10 m，时间步长10 s。研究多在夏季进行（占78.5%），因为此时UHI效应最严重。数据采集方式包括：固定站（气象服务/气象站，占38.2%）、现场测量（35.0%）、天气文件（TMY3、TMY2、EPW，10.4%）、卫星遥感（7.5%）、移动站（7.2%）和人口数据集（1.7%）。卫星数据主要用于提取地表温度（LST）和建立局部气候区（LCZ）。使用最多的卫星是Landsat（57.7%），其次为Sentinel-2（15.4%）、Terra（11.5%）等。

**3.6.2 模拟参数与模型**
ENVI-met输入参数分为“区域输入文件”（几何数据）、“配置文件”（初始计算参数和边界条件）和“数据库”（植被、土壤分层和层数据）。模拟场景数量通常为2–18个，最大持续时间48小时，周期2天。所有研究均包含一个基准情景（当前条件）和多个修改情景。增加树木数量60%可显著降低LCZ-4、LCZ-5和LCZ-6的室外温度；将沥青表面反照率提高0.4也有显著降温效果。

**3.6.3 模拟模型验证**
验证通常使用空气温度和相对湿度作为变量。最常用的统计指标包括决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和平均绝对百分比误差（MAPE）。MAPE范围1.22%–12.93%，RMSE范围0.005–5.25，MAE范围0.021–4.2。验证准确性强烈依赖于所选气候参数、监测设计、边界条件和模型参数化。平均辐射温度（MRT）的误差通常高于空气温度。

**4. 讨论**
城市热缓解研究已从UHI效应诊断转向基于模拟的干预策略评估。ENVI-met的主导地位反映了其整合气流、辐射交换、植被过程、表面温度和热舒适评估的能力。地理和气候分布显示研究集中在Cfa气候区，热带、干旱和大陆气候代表不足。综合缓解策略（植被+高反照率材料）比单独干预更有效。植被提供遮阴和蒸散，高反照率材料减少热储存，二者协同降低表面温度和平均辐射温度。研究主要在夏季进行，数据采集全天进行，但过渡季节和夜间研究较少。未来研究应涵盖关键季节和过渡季节。研究尺度以城市峡谷尺度的居住区为主。路面反照率范围最宽（0.06–0.8），0.8为最优化值。方法学上，需要将遥感、LCZ分类、现场测量和微气候模拟进行多尺度耦合。从卫星观测到行人尺度热力学模拟的过渡为基于证据的框架提供了支持。气候响应型城市设计应根据柯本–盖杰分类调整策略。研究空白包括地理和气候不平衡、ENVI-met主导而其他平台比较有限、模型校准和验证方法异质性大、依赖LST和空气温度而非人体热暴露指标。未来方向应优先考虑方法学协调、标准化协议、纳入以人为中心的热舒适指标（MRT、PET、UTCI），以及综合绿色-蓝色-灰色基础设施评估。

**5. 结论**
本系统综述分析了225篇关于植被和高反照率路面用于城市热缓解的论文。树木遮阴可降低城市表面温度，冠幅更宽、叶密度更大的树木降温效果更显著。主要发现包括：ENVI-met、室外热舒适、UHI、微气候、城市热缓解和城市绿化是核心主题；主要期刊贡献49.3%的文章；亚洲和欧洲是主要产出地；Cfa气候占主导；土地利用/覆盖策略使用频率最高（49.3%），居住区是主要研究区域（43.2%）；城市表面反照率范围：墙体0.2–0.7、屋顶0.1–0.8、路面0.6–0.8、地面0.1–0.3、道路0.1–0.5；树木结构特征与气候组相关；夏季研究占78.5%；Landsat卫星使用最频繁；模拟场景数2–18个，最大时长48小时。从方法论角度，ENVI-met的主导地位要求高分辨率三维建模，但需标准化多尺度框架，整合遥感、LCZ分类、现场验证和先进热指标（UTCI、PET）。未来研究应优先进行多平台比较、覆盖更多气候区，并集成热舒适指标。