基于“生物气候场效应”的城市户外生活空间气候适应性设计方法

董芦笛 / DONG Lu-di
李孟柯 / LI Meng-ke
樊亚妮 / FAN Ya-ni

摘要：从生物气候过程的角度，提出“生物气候场”的城市户外环境空间概念，阐述了基于“场效应”的户外环境被动式生物气 候调节原理和设计思路。以“生物气候场”空间的水热通量平衡为设计核心，从界定气候设计的外部设计条件，建立设计参数指标体 系，探索便于操作的可视化设计方法等多方面，尝试建立可供风景园林设计师在设计构思过程中运用的户外环境被动式生物气候设计 方法框架，同时介绍了课题的相关研究进展。

关键词：风景园林；城市户外空间；公共生活空间；生物气候；生态场；气候适应性设计；西安城市气候

Abstract: From the perspective of bio-climate processes, the “bio-climate field” is presented in this paper as an urban outdoor environment spatial concept, and the outdoor environment passive bio-climate modulating theories and design ideas based on the “field effects” are expounded. With the water vapor and heat flux balance of the “bio-climate field” as the core, and from the various aspects including defining the outward conditions of climate design, establishing design parameters index system, and exploring the easy-operable visual design approach, the paper tries to build an available design methods frame of outdoor environment bio-climate design that can be used by landscape architects during the design process. The related research progress of the topic is introduced as well.

Key words: landscape architecture; urban outdoor space; public living space; bio-climate; ecological field; climate adaptability design; urban climate of Xi’an

1 城市户外环境生物气候设计途径

1.1 城市户外生活环境小气候改善的意义

回顾园林的发展历程，可以看到，传统园林设计是通过将风景园林 要素作为建造材料进行合理有效地布局，以及环境细部的处理，实现了户 外生活环境的气候适宜性改善。即使在极端气候条件下依然可以创造出适 宜的甚至是较为舒适的户外生活环境，并为室内气候环境的改善创造了条件。因此可以明确，风景园林的空间设计手段能够成为响应不同气候和天 气状况的环境控制措施，来获得适宜的城市户外生活空间小气候环境。成 功的园林设计不仅是满足视觉的美学设计，也必然是适宜的户外生活空间 小气候环境设计。

1.2 户外环境小气候的控制目标

城市户外生活空间环境小气候控制目标的提出，是基于我们把城市 户外生活空间作为人类户外生活的庇护场所，使其将人类对自然气候的 舒适性要求转化为对城市户外生活环境小气候的控制。如果将人的户外 行为活动划分为休闲生活和工作交通两大类，那么休闲生活行为活动作 为自主性行为，可以自主选择行为活动的空间和时间，进行空间迁移， 体现了人们对气候舒适性活动区域的选择偏好。而工作交通行为活动作 为目的性行为却受其目的性的制约，对气候舒适性的空间和时间无法自主选择，不能进行空间迁移，故需要环境提供有效气候庇护。从而形成 了城市户外环境小气候3个控制目标：第一是改善户外活动空间局部小 气候热环境舒适度，提高空间使用的动态时空适宜率，使城市居民拥有 更大限度的户外活动环境的空间利用率和时间利用率，即追求户外活动 舒适空间的增加和户外活动舒适时段的延长；第二是必须保障户外活动 空间中静态固定活动区域对热环境气候危害的有效防护；第三是提高环 境的自净能力，改善户外活动空间的空气质量，减少污染气体对人的危 害，创造健康的可呼吸环境。

1.3 户外环境被动式生物气候设计

城市户外环境设计作为一个空间限定的场地，其地表是由植物群落 和非生物环境要素——土壤、水体、铺装、建筑物等环境物质要素构成。 在场地环境内，太阳辐射、风等气候要素与场地环境的空间方位、空间形 体、开敞方式、布局模式等空间要素共同作用，形成在限定场地内“植物 群落—近地面气层—场地空间”近地面小尺度的小气候生态系统，也称为 “生物气候场”。由于场地的自然气候过程、生物的作用和热物理过程的 相互作用影响，对整体场地范围的小气候状况产生影响，同时在场地内形 成非均匀性和差异性的小范围区域微气候。这种微气候特征能够使场地在 气候不舒适的时段内，也存在供人们活动的较舒适的空间区域。借助这种“生物气候”过程作为小气候的调节途径，充分有效地利用以太阳辐射为 主体的自然生物气候能源，通过技术层面的设计，建立户外空间的气候自 调节系统，增加户外舒适活动空间、延长户外舒适活动时间，满足户外居 民活动的舒适度需求，称之为“户外环境被动式生物气候设计”，简称 “园林气候设计”(bioclimate landscape architecture design)。

户外环境生物气候设计方法可适用于各种气候区，并能应用于高品质 的室外环境营造，包括户外生活空间和城市生境。除了气候条件外，设计 需要综合考量空间需求、基地状况、景观营造、生境营造、经济文化等多 种条件。

2 “生物气候场效应”调节原理

2.1 “生物气候场”的概念

“生物气候场”(bioclimate field)是基于生物气候学中的生物气候设 计理论和物理生态学中的“生态场”理论提出的一种风景园林小气候空间 概念。即在一定空间中，按特定空间分布格局的生物群落和环境要素在自 然气候条件影响下相互作用，形成一种自调和小气候空间调节机制，通过 生物气候效应产生有规律的热环境时空变化，改变近地面层人的活动区域 的温湿度状况及风环境。

2.2 生物气候场热平衡模式

城市户外环境的物质空间构成，按气候场效应的热工功效差异，可分 为地表层的植物群落、地面(裸露土壤和硬质铺装)、景观水体、空间形体 和地表空气五大类小气候要素。在自然气候要素的影响下，以各要素为中 心，其相应的生物气候过程和气候热物理环境过程，在其周围的立体三维 空间中，形成了一个以场源要素为中心向外渐变的光照、温度、湿度、气 体成分产生变化的空间范围，这个空间范围就是“生物气候场”。它和其 他非生命的场源要素所产生的“物理气候效应场”相组合，场与场之间的 作用相互影响和叠加，共同形成小气候综合效应场。生物气候场的场效应 是一种空间效应，效应作用的大小称为场强，场强随距离的加大而逐渐减 少，场强减弱的速度也随之减少。

“生物气候场”的能量直接来源于太阳辐射和城市所释放的人为热。 其中，太阳辐射作为地表层的能量源，到达陆地表面后，部分用于植物光 合作用，部分以显热和潜热的形式返回大气中，系统内部这种能量和物质 转化过程控制着小气候环境的平均风速、温度和湿度的变化[1]。热量交换的4种方式中，对流、传导、辐射换热是显热交换，地面蒸发和植物蒸腾 的相变产生的热交换是潜热交换。热通量是单位面积单位时间由高温向低 温方向流过的热量，水热通量是地表层和近地面空气层之间的水分和热量 交换强度，由地气潜热通量和地气显热通量组成。

“生物气候场”五大小气候要素的水热通量、面积规模和分布格局的 差异决定了场效应的变化方式，也形成了场效应的调控途径。

“生物气候场”空间的能量平衡的表征指标是场空间的辐射平衡和热 量平衡。场空间的辐射平衡是：地表层净辐射＝到达地表层总辐射－地表 层反射辐射；场空间的热量平衡是：地表层净辐射得热量＝地表层贮热量＋地气显热交换量＋地气潜热交换量；近地层空气得热量＝地气显热交 换量＋地气潜热交换量＋人为热释放量。

太阳辐射分为昼夜2个时段，来源于城市生产生活所产生的人为热释 放量在城市不同地段的昼夜分布存在差异，因而形成了不同的场空间辐射 平衡和热平衡过程的昼夜模式。白天随太阳高度角的变化，太阳辐射的变 化影响了温湿度场和湍流场效应的变化。夜晚地表层贮热的散失快慢影响 了温湿度场和湍流场效应的变化。由于太阳入射角的季节变化，而形成了 太阳辐射的季节差异，导致因热交换过程的差异，而形成场空间辐射平衡 和热平衡的春秋、冬夏不同季节模式。

2.3 气候要素的场效应模式

1) 植物群落的场效应是由个体植物气候效应场组合成为群体区域效应场。

个体植物的光合作用将辐射能量转化成固定贮藏化学能，不再释放，蒸 腾作用通过水分蒸发将辐射能量转化为潜热，形成蒸散效应与空气进行潜热 交换。植物群落结构因乔灌草组合的结构差异而导致其潜热交换量的差异， 其面积大小及群落结构影响场强的变化，产生不同程度的降温增湿效应。此 外，植物还有滞尘、吸附空气中污染物质和释放令人舒适物质的作用。

2) 地面可分为裸土地面和硬质铺装。

裸土地面具有地面蒸发潜热交 换、辐射显热交换及贮热释放的延时显热交换的温湿度场效应。硬质铺装 具有反射辐射、辐射显热交换和贮热延时显热交换的温湿度场效应。

3) 景观水体具有蒸发潜热交换、贮热延时显热交换的温湿度场效应。

4) 空间形体具有日照阴影的太阳辐射遮挡和风环境的温湿度场效应。

5) 地表空气在地表层显热和潜热交换作用下，因热量不同而空气密度不同，通过空气环流、涡流、对流、湍流形成空气微循环场效应。

非均匀分布小气候要素场效应的空间叠加形成了生物气候场综合效应。

2.4 水热通量空间分布调控设计

地表层水热通量的场空间分布是决定小气候环境的主要特征，通过对 小气候要素的空间分布格局、面积、规模和水热通量线性的调控，可以影 响近地层空气热气候微循环的动态变化模式，从而调节局部区域的小气候舒适度。

白天的太阳日辐射区域为热区，遮阴区域为冷区，显热交换区为热区， 潜热交换区为冷区；地面铺装区为干区，植物群落和水体水面区为湿区；变 化区和梯度叠加区是湍流区，近地层空气的流动是由冷向热，由湿向干，形 成生物气候场效应昼模式。夜晚的延时显热交换速度慢的区域是热区，如植物群落和水体水面区，也是湿区；速度快的区域是冷区，如地面铺装区，也是干区；交汇叠加区域是湍流区，形成生物气候场效应夜模式。 通过对显热通量和潜热通量区域的面积和总量的调控，实现冷热和干湿区域两级分布的空间非均匀化、加大显潜效应强度差异，并保持总量相 对平衡，可以形成小气候微循环，扩大梯度效应影响范围，增加可供活动 的小气候舒适度区域面积。通过忽略生物气候场内小气候要素的非主导热 通量，将主导热通量指标转化为面积参数，简化场空间的能量平衡方程， 可以有效实现面积估算。

3 城市户外环境气候适应性设计的关键问题

3.1 “生物气候场”空间范围的界定

城市近地面气层，亦称“地面边界层”“表面边界层”，指离地50m 左右厚的气层，其各种属性(动量、热量等)的湍流铅直通量近似为常数。 由此可导得适合于该层的风速和温度廓线规律，故特别命名为近地层(常 值通量层)[2]。近地面层中温度、湿度、风速等气象要素随高度的变化很 大，湍流运动对该层的性质起着决定性的作用，进而又决定了整个大气边 界层的特征。近地面气层是人类和生物直接接触的气层和大气污染影响最 主要的表现场所[3]，相对应的是城市外部空间的形态和构成。

城市户外生活空间，即人群活动频繁而密集的城市街道、广场、公 园、居住区户外环境等，均分布在城市近地面气层中。“生物气候场”空 间边界的初步界定为：水平方向是城市户外生活空间的周边形体界面和场 地边界，垂直方向是地面以上24m的高度以内，地面以下0.5m的范围。 主要考虑因素是：空间周边形体界面多层建筑物均以24m(8层)为高度控 制，大乔木的高度规格一般为18m高左右，枝下高2.5m以上，而人活动 的高度在地上2m内，地下0.5m深的范围是对应地面和水体的水热蒸发和 贮热及温度变化影响范围(图1)。

3.2 “生物气候场”时间范围的界定

依据西安夏季调查，建立了西安夏季城市户外生活的行为时空分布特 征时段划分，提出舒适度需求的3类功效空间类型：开敞活动空间、遮阴 活动空间和降温活动空间。需进一步分析3类空间的面积划分合理比例， 成为小气候调控的功能需求条件(表1)。

3.3 进一步研究的关键问题

1) 以“生物气候场”空间的水热通量平衡为核心，建立户外环境气候 适应设计的量化方法，首先需要建立户外气候设计的参数指标体系，涉及 定量城市的户外热舒适气候条件指标，小气候要素的水热通量定量参数， 并将场效应的作用范围转化成量化面积指标，建构户外小气候设计的参数 指标体系。

城市户外环境热舒适气候条件指标需结合城市当地自然气候条件，将奥戈亚的“生物气候图”(图2)的气候指标转化成特定城市的气候分析图 (图3)，并建立相关设计策略。

2) 探索能够由设计师运用于设计构思的气候设计方法、不再仅仅作为 技术设计的一个环节，而是对自然生物气候回归的一种创作设计途径。这 需要结合设计过程建立相关的图式分析方法、可视化评价方法以及材料选择的参数。

4 相关研究的进展

4.1 研究基础的系统整合

对于“生物气候场”的五大类小气候要素的水热通量研究，在农业、 林业、城市物理环境等小气候研究领域已进行了大量深入的工作，有了一 定的基础。需要针对户外环境气候设计的量化需求，进一步完成设计参数 的有效转化和实测验证研究工作。

在植物方面，已利用SVAT模型建立植物冠层分层模型并测定植被蒸腾、植被和土壤之间通量模拟[1]，并提出城市绿地生态效应的主要评价指标[6]。物理环境方面，城市地面分为裸露土壤和硬质铺装，不同类型的 土壤表层热通量的日、季变化的数值已经被测定[7]，且对土壤热通量不同计算方法做了比较[8]。硬质铺装初步进行了不同铺装材料近地面的温度测试[9-10]。此外，城市空间形态研究提出了建筑物形态学参数变化对城 市边界层的影响[11]。“生物气候场”另一影响要素——景观水体的研究目 前已经对水体的蓄热与蒸发在模拟软件中进行了模拟和水平与竖直方向实 测[12-13]。风环境方面利用涡度相关系进行湍流通量测试，探索影响能量闭 合的因素[14]，初步建立了“场效应”设计参数系统整合的研究途径。

4.2 案例样本的调研与实测

本课题于2014年4月在西安主要的城市广场和公园内通过人体自身 热感受初步评价不同空间中的小气候舒适度，为夏秋两季的测试方案做准 备。2014年8月通过在晴天的不同时段不同空间对人们活动的行为注记， 分析户外环境活动时空分布规律，并根据此规律在不同时段按比例向人群 投放调研问卷来调查人群对于不同环境要素空间的选择偏好性。

在2014年夏季高温天气和秋季凉爽舒适的天气情况下，以西安大雁 塔广场及周边绿地为测试点初步完成夏秋两季测试，为建立模拟计算模型 积累了数据条件。测试垂直高度范围为0.1m、1.5m、2.5m和9.0m，水 平范围为不同类型空间边界，测试内容为测点内不同空间类型的温度场、 湿度场、风场和辐射场的立体空间分布格局、时段变化、景观水体及土壤 不同深度的温度。接下来需要将调研、问卷和实地测试的结果进行对比与 分析，并建立水热通量模拟计算模型。

5 结语

生物气候学(boiclimatology)是研究气候与生活之间的关系的一门学 问，尤其是气候对生物健康与活动场所产生的作用[15]。“生物气候场”的 提出，建立一种“户外环境被动式生物气候设计”的量化途径，更多的研 究有待进一步展开。

课题组2014年夏季和秋季户外实测项目参加人员： 西安建筑科技大学教师：董芦笛、樊亚妮、孙自然 在读硕士研究生：李孟柯、张博、陈茗、刘芳、韦东东、朱虹、姜旭艳、陈雅馨、段文嘉、孟凡、吴碧晨、贾鹏、张亚楠、田国争、王思融、王瑞瑞、孙嘉蔚、 陈彦斌、张峻、马小赫、赵一如、袁正华、曹丹阳、肖博、靳敏、尹晓敏

致谢：感谢西安市碑林区城(棚)改办的韦亚平先生和西安曲江大雁塔路景区管理有限公司行政部的支持协助。

 

参考文献：

[1] 孙睿，刘昌明.地表水热通量研究进展[J].应用生 态学报，2003，14(3)：434-438.

[2] 《大气科学辞典》编委会.大气科学辞典[M].北 京：气象出版社，1994.

[3] [EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1949127.htm

[4] 宋德萱.建筑环境控制学[M].南京：东南大学出版 社，2003.

[5] 杨柳.建筑气候学[M].北京：建筑工业出版社，2010.

[6] 蔺银鼎，韩学孟，武小刚，等.城市绿地空间结构 对绿地生态场的影响[J].生态学报，2006，26(10)： 3339-3346.

[7] 李亮，张宏.不同土壤类型的热通量变化特征[J]. 高原气象，2012，31(2)：322-328.

[8] 左金清，王介民，黄建平，等.半干旱草地地表 土壤热通量的计算及其对能量平衡的影响[J].高原气 象，2010，29(4)：840-848.

[9] 白改成，时修礼.同辐射条件下不同下垫面温度差 异分析[J].气象与环境科学，2008，31：122-124.

[10] 孙永康，刘寒晓，张艳，等.不同铺装材料地面 停车场的热效应[J].2014，34(1)：144-148.

[11] 周荣卫，蒋维楣，何晓凤，等.应用城市冠层模 式研究建筑物形态对城市边界层的影响[J].气象学 报，2008，66(4)：489-499.

[12] 于文娟.自然静水蓄热保温供暖技术研究[D].哈尔 滨：哈尔滨工业大学，2013.

[13] 蒋志祥.水体与周边植被对城市区域热湿气候影 响的动态模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2012.

[14] 温学发，于贵瑞，孙晓敏，等.复杂地形条件下森林植被湍流通量测定分析[J].中国科学，2004, 34 (增刊Ⅱ)：57-66.

[15] 杨经文. 摩天大楼：生物气候设计入门[ M]. 台 北：木马文化出版社，2004.

 

作者简介：

董芦笛/1968年生/男/江苏丹阳人/西安建筑科技 大学建筑学院风景园林系副教授，生态景观工程技术研究所所长/研究方向为风景园林规划设计、 风景园林建筑、中国传统造园理论与实践(西安 710055)

李孟柯/1989年生/女/西安建筑科技大学建筑学 院风景园林在读硕士研究生/研究方向为风景园林规划设计(西安 710055)

樊亚妮/1982年生/女/西安建筑科技大学建筑学院讲师，风景园林专业在读博士研究生/研究方向为风景园林规划设计(西安 710055)