近日，哥本哈根大学余兆武研究团队发表了理论研究论文：一个理想化(Idealized)的有效缓解城市热岛效应的城市热安全格局模型。希望为城市热环境缓解研究提供一个新的思路。

研究背景

城市绿色基础设施被认为是一种缓解城市热岛效应的有效方法，但是目前大多数研究是基于不同案例（城市）进行研究其现状的景观组成与配置等对热岛效应缓解的效应，从而提出缓解城市热岛效应的政策建议，如什么大小形状与景观格局降温效应最佳。但是由于城市是一个复杂的巨系统，基于不同案例的研究产生了许多截然相反的结果，无法提供具有普遍性的规律，也无法提供一种普遍的能够缓解城市热岛效应的最优的空间格局。

研究问题

(1) 运用演绎分析，跳出目前普遍运用的研究逻辑（基于具体的案例）提出一个理想化的能够最佳缓解城市热岛效应的理论模型。且这一模型兼具可量化同时也是可操作性的特性

(2) 同时分析这一模型的局限性。

模型构建

城市热安全格局模型(urban thermal security pattern model, TSPurban)的构建主要有以下三部分。

1. 基本前提 (Fundamental premise)

众所周知，城市绿色空间（UGI）的大小是影响降温效果的最关键且正相关的因素之一 。UGI不仅降低了自身温度，还降低了其周围的温度。然而，UGI的冷却效果随着距边界的距离而减小并最终消失。因此，可以推导出关于UGI冷却效果的两个基本概念，即阈值大小和冷却距离（图1A）。

余兆武等人将UGI的冷却效果定义为UGI与周围环境之间的温度差。最大UGI冷却距离定义为UGI边缘与温度变化的第一个转折点之间的距离（与UGI温度相比）。这个转折点是最大DT（T =温度），并定义为冷却强度。冷却效率（根据UGI的大小）定义为每个UGI的面积与其最大maximum T之间的曲线（图1B）。冷却效率曲线表明，在达到稳定的T最大值之前，DT将随着UGI尺寸的增加而迅速增加。这是效率的阈值（TVoE），类似于经济学中的“边际效用递减法”（图1B）。冷却效率曲线可以通过对数函数近似表示，这意味着计算对数函数的倒数可以得到给定UGI的TVoE点（在该倒数函数中x：y等于1：1；当x> y时，意味着UGI的冷却效率正在降低）。因此，我们可以使用最小的UGI面积来计算TVoE值以获得最大的冷却效果。

Figure 1. (A) Two basic concepts derived from the physical properties ofUGI– threshold size and cooling distance. (B)The cooling efficiency curve of UGI. An increase in UGI size from q1 to q2leads to a large DT (u2- u1), while an increase in UGI size from q3 to q4 leads to a small DT (u4– u3). The size of q2-q1 is equal to q4-q3.

2. 概念构建 (Conceptual schematic)

基于以上推理，提出并定义了三种概念性UGI类型（图2）。具体而言，效率型（Efficient Type）（图 2B）定义为实现冷却效果的UGI最有效尺寸，可以将其计算并表示为TVoE（如上所述）。效率型是缓解城市热岛效应和气候适应的关键控制节点。此外，效率类型也是平衡城市发展和缓解城市热岛效应最有效规模，这对决策者和城市规划者来说是至关重要。简而言之，效率型的UGI类型可以使用最小的面积来实现最大的冷却效果。因此，对于冷却效果而言，这是UGI最重要的类别。

生态型（Ecology Type）（图 2C）表示足够大的UGI，其中冷岛效率在一定范围内保持稳定（图1B），但同时它具有很强的冷岛强度并提供多种生态系统服务（即调节城市小气候，减少城市洪水并提供动植物栖息地（图1B）。在城市内部，生态类型通常很少见，通常占据大片蓝绿色空间（例如，纽约的中央公园和北京的奥林匹克公园），并且具有相当独立的生态系统。这种类型可与岛屿生物地理学的大陆-岛屿分布模式相媲美。广阔的“岛屿”提供了与丰富物种多样性相关的最全面的生态系统服务（将在文讨论）。在大“岛”周围的小“岛”（即有效类型和基本类型）可能符合岛屿生物地理学原理。UGI的生态型通常很少见，并且由于城市内土地资源的缺乏而难以规划（理论上，生态类型与有效类型之间的大小比为1：6，见图3E）。但是，这种类型是提供各种生态系统服务并形成优化的城市热安全模式所必不可少的部分。

基本型（Elementary Type）（图 2A）代表UGI小而分散的模式，包括小型公园，后院花园和小池塘等。尺寸，形状和周围环境会显着影响这些UGI类型的冷却效果。通常，基本型较小，分散，冷却强度低且冷却距离短（或没有冷却距离），并且可能仅包含一种简单的生态系统服务。

Figure 2. Three basic types of UGIdeduced from the size and cooling distance of each. The circle and square represent water bodies and green spaces. (A) This pattern represents the conceptual elementary UGI type. It can be such as the backyard garden, tree-lined streets of a certain width, etc. (B) This arrangement represents the conceptual efficient UGI type. This type is the most critical and calculable type in the TSPurbanmodel. (C) The largest circle in (C) represents the conceptual ecological UGI type. It is rare to see ecological UGI in the city however, it has comprehensive ecosystem services associated with rich species diversity.

3. 模型建构 (Hypothetical build and apply)

过去的大多数城市规划实践都将城市物理发展（例如人口增长预测等）作为优先事项（Pickett等，2016）。本研究尝试从相反的角度构建假设模型，即对UGI进行优先排序的策略。根据中心地理论，本模型也提出了五个简化假设以发展假设模型：

   （1）均匀，无界，各向同性的抽象空间（全部为平面），

   （2）均匀分布的建成区（建筑物的高度和密度相同）和人口，

   （3）均匀的入射太阳辐射和反射率，

   （4）静止区域，没有风或空气流动，

   （5）所有UGI都以等距的三角形网格存在。

根据这些假设，冷岛效应取决于UGI的物理特性。从理论上讲，能够最有效的进行降温效应的最佳UGI空间模式由特定的UGI大小（如果UGI的大小相等）确定，然后确定城市中可开发的土地。但是，当UGI大小不相等时，冷岛强度的对数函数（图1B）变得很重要。因此，结合三种UGI类型（基本，效率和生态型），我们假设这三种UGI基本框架构成了理想化城市热安全模式模型（TSPurban）。每个高等级的UGI都可以提供比低等级的UGI更强的降温效果。根据这种逻辑，假设的理想化TSPurban优先考虑相应绿地的大小，形成（分层）网络，然后在城市规划中设计其他土地利用类型（图3E）。最后，TSPurban可以构建为基于缓解城市热岛效应的城市UGI空间结构。图4显示了TSPurban的简单抽象3D模型。

Figure 3. (A–C) From single UGI to multiples, the circular shape of UGI cooling distances leads to either unserved or overserved cooling areas. To avoid this deficiency, we suggest hexagonal-shaped cooling ranges, as shown in (D). Within a given area, there must be fewer high-order ecological types relative to the efficient types and much lower order-elementary types, as shown in (D). For any given order, theoretically, the UGIs will be equidistant from each other. The higher-order UGIsneeds to be placed further apart than the lower order UGIs. (E) One ecological type plus six efficient types and some elementary types within a hexagonal pixel frame the hypothetical idealized TSPurban model. The blank spaces are for other land uses within a city, such as developed areas. In theory, this pattern could be the idealized model to cool the urban areas most effectively or the so-calledTSPurban.

Figure 4. the simple abstract 3D model of TSPurban

进一步讨论

由于本模型是通过演绎分析推导出的理想化的模型，一般来说在现实世界是不存在的，但是这个并不影响其作为一种新的思考方式，同时作为一个新的发现的价值。因为城市是一个复杂的巨系统，本模型的价值在于通过抽象的模型来解释复杂的事物，这一思维方式能够为相关研究提供新的思路。

本研究也探讨了其适用性与潜在的影响因素以及确定性与不确定性的方面，从而更为完整的将这一模型阐述清晰。具体的讨论请参见原文。

1. 模型适用性 (Applicability of the model)

2. 潜在影响因素 (Potential influencing factors)

3. 确定性与不确定性 (Certainty and uncertainty)

结论

迄今为止，大量的研究探索热岛效应和相关的缓解策略。但是，大多数有关UGI降温效果的研究都是基于案例的，目的是探索UGI的现有景观组成和空间配置的效果，而不是对整个城市的最优的空间格局进行建模。因此，在本研究中，我们扩展了现有的研究逻辑和框架。我们从现有研究中提取了最关键的影响因素，并提出了三种基本的UGI类型（生态，效率的和基本型），它们都是可计算的和适用的。随后，我们提出了一个假设的理想化TSPurban模型，但是由于所讨论的潜在影响因素和不确定性，理想的TSPurban模型通常无法在现实世界中找到。

诚然，在TSPurban模型中基于物理属性（阈值大小和冷却距离）的UGI冷却效果几乎是不可能找到的。值得一提的是，这种模式也受到中心地理论的启发。但是，TSPurban模型的更先进的部分是我们仅考虑UGI的物理属性，而中心地理论的假设前提包括许多心理学和人类行为，这使模型更加复杂。城市是一个开放的，复杂的巨系统，其中各种因素都会影响UGI和TSPurban模型的冷却效果。然而，TSPurban模型的意义在于，这种假设的理想化的模型在于使用抽象模型来解释复杂的事物。它可以帮助我们更好地了解UGI的冷岛效应，并在进行气候适应决策时加以考虑。此外，该模型还可以扩展到区域规模，可以称为区域热安全模式模型。因此，我们认为这一模型（研究逻辑）是研究UGI的冷岛效应并减轻热岛效应的一种新路径。

作者简介

余兆武，博士，助理教授，现就职于哥本哈根大学地球科学与自然资源管理系。主要研究城市生态、城市气候与规划、城镇化及生态环境效应。Email: zhyu@ign.ku.dk