论文标题：Unregulated Vertical Urban Growth Alters Microclimate: Coupling Building-Scale Digital Surface Models with High-Resolution Microclimate Simulations

论文链接：https://doi.org/10.3390/smartcities8060191

期刊名称：Smart Cities

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/smartcities

近日，来自里约热内卢州立大学的研究员Luiz Carlos Teixeira Coelho博士及其团队在Smart Cities期刊上发表了一篇文章。该研究以巴西里约热内卢人口密集、垂直化程度极高的里约达斯佩德拉斯贫民窟为对象，基于激光雷达和摄影测量数据（2013年、2019年和2024年）生成的数字表面模型（DSMs）与微气候模拟相结合，评估城市形态变化及其热效应。通过时空地理分析追踪垂直扩张（新增楼层）和拆除模式，同时使用ENVI-met模拟绘制了十年间的气温异常，揭示了非正规住区无序、快速的垂直建设会显著改变局地气流与地表能量平衡，加剧城市热岛效应，导致区域温度明显升高，且建筑密集区的热环境恶化尤为突出。该研究为拉美、亚洲、非洲等地区的可持续发展提供了重要警示，同时也凸显了出台公共政策、限制无序垂直扩张并通过绿地建设、自然通风优化、适宜建材推广等手段缓解热环境问题的迫切性。

研究过程与结果

本研究以三次在里约热内卢市上空进行的航空摄影测量和激光雷达（LiDAR）飞行数据作为主要资料开发，这些数据均基于里约市政府通过佩雷拉帕索斯市政城市规划研究所（IPP—Instituto Municipal de Urbanismo Pereira Passos）签署的合同以及 TOPOCART Topografia、Engenharia e Aerolevantamentos S/S Ltda 公司。

研究方法分为四个主要阶段：（1）地理数据处理与数字表面模型生成；（2）城市形态变化分析；（3）微气候模拟模型构建；（4）模拟结果分析与比较。

对于三个时期（2013、2019、2024），从激光雷达点云数据中生成了数字表面模型。处理流程包括：点云分类（将地面点与建筑物、植被等非地面点分离）、滤波、插值，最终生成空间分辨率为1米的DSM栅格数据。这些DSM精确捕捉了包括建筑物高度在内的地表要素三维形态。同时，利用同期正射影像辅助识别地物类别，并为后续建模提供纹理参考。

2013年合成高程模型的生成

基于三个时期的DSM数据，进行了时空地理分析。通过建筑物足迹矢量数据与DSM的叠加，提取了各时期建筑物的高度信息。通过对比不同时期的建筑物高度，量化了垂直扩张的程度（即新增楼层数）以及拆除模式。分析重点关注了建筑密度、平均建筑高度、天空可视因子等城市形态参数的变化。

高度差与楼层增加之间的关系

使用ENVI-met 5.7软件进行微气候模拟。为每个时期（2013、2019、2024）构建了独立的三维模型，模型域覆盖里约达斯佩德拉斯的核心区域。

用于创建微气候模拟的参数

时空分析结果显示，2013年至2024年间，里约达斯佩德拉斯的城市形态发生了显著变化。总体趋势表现为持续的垂直化进程。在第一个阶段（2013–2019 年），大量建筑增建了一至四层，其中 296 栋增建一层，120 栋增建两层。在第二阶段（2019–2024 年），垂直增长急剧下降，仅有 21 栋楼层增加，10 栋楼增加 3 层，只有 2 栋楼层增加 4 层。拆除数量保持稳定，新增一层和未变的建筑数量也保持稳定，表明垂直化进程趋于饱和或放缓。三个时期的平均建筑高度分别为9.67 米、10.06 米、10.30 米。这些数值表明研究区域在十一年间平均海拔上升了约 0.63 米。

2013年至2019年间的垂直增长（灰色显示的建筑保持原有高度，而其他颜色的建筑则发生高度变化，如地图图例所示）

2019年至2024年的垂直增长（灰色显示的建筑保持原有高度，而其他颜色的建筑则发生高度变化，如地图图例所示）

微气候模拟的结果聚焦于三个周期午夜观测到的潜在气温，模型显示多年间空间空气温度模式保持一致，日落后数小时内热岛现象显著持续存在。这种行为可能与建筑材料的热量保持有关，这些材料会随着时间缓慢释放热量，同时缺乏绿地和建筑间距，从而促成城市热岛的形成。总体来看，三次模拟一致显示研究区北部存在明显强烈的热岛效应，河岸温度较低，但在废弃的 Delfim 建筑附近的开阔地带则不然。

2013年潜在气温

2019年潜在气温

2024年潜在气温

将建筑高度与 2024 年模拟的潜在空气温度相关联，其中建筑高度以更深的灰色表示。地图显示出一个明显且强烈的热岛效应，位于高楼密集区的温度超过 32.78℃。这与贫民窟其他部分形成对比，那里的潜在空气温度和平均建筑高度都较低。最高气温峰值（用红色/粉色表示）恰好与最高海拔和高层建筑最密集的区域重合。相反，最低气温（蓝色显示）位于地形最低的区域，即溪流最深处，自然地形可能促进降温。研究区域内的热梯度显著，最凉爽和最热地区相差近五摄氏度，凸显了城市形态产生的极端微气候变异。

利用2024年潜在空气温度模拟，分析潜在空气温度与高度之间的关系

对三个时期的微气候模拟进行集中对比，发现一个关键趋势：从 2013 年到 2024 年，以单边变暖为特征，存在孤立的气温区间平均升温高达 0.46℃，且无可观测区域出现下降。这些增温口袋与经历垂直建筑扩张的区域一致（黄色表示），表明局部密度化（即使是少数建筑）是该环境中微气候变暖的主要驱动力，在现有稳定框架上叠加额外热量。河岸（尤其是最西段）是唯一建筑高度变化不会增加空气温度的区域。然而，西岸有一小段例外，显示出气温上升，该区域经历了特别密集的施工。这些升温区域与经历了垂直建筑扩张的区域（图中黄色部分）高度吻合，表明局部高密度化（即使只有几栋建筑）是该地区微气候变暖的主要驱动因素，在原有稳定的气候框架上叠加了额外的热量。河岸（尤其是其最宽处）是唯一一个建筑高度变化并未导致气温升高的区域。然而，西侧河岸的一小段区域却是个例外，该区域出现了气温升高。这片特定区域经历了特别密集的建设。

2013年至2024年间潜在空气温度的变化

通过数字表面模型与微气候模拟，分析里约达斯佩德拉斯贫民窟 2013、2019、2024 年的城市形态与热环境变化，结果显示：该区域近年间建筑垂直化趋势显著，建设活动活跃，建筑楼层与平均高度持续上升；区域整体热应力突出，午后热胁迫强烈，清晨高温则由高平均辐射温度所致。尽管因 2013 年已处于高密度人口状态，热岛空间格局无明显改变，但夜间降温缓慢、高温持续，建筑与地表材质、通风条件不足加剧了热岛效应并推高能耗；河岸区域气温相对偏低，而德尔菲姆废弃建筑因结构、布局及周边地表植被特征，即便非人口密集区仍存在高温蓄积。此外，区域近 11 年潜在气温呈持续小幅上升趋势，具有显著警示意义。本研究采用的模拟方法虽缺乏本地实地测量直接验证，受限于研究区安全与地形条件难以开展大规模实测，但可为难以进入的非正式聚居区提供可行的微气候温度变化评估手段。

除此之外，本文考虑了潜在的缓解策略。为了减轻这些影响，可采用高反射率（高反照率）的表面材料和增加植被覆盖率的城市规划策略。这些措施不仅可以改善微气候，还可以提高居民的生活质量。同时确保社区参与决策，制定积极应对社会环境不平等问题的政策，从而增强社会凝聚力和气候适应能力。

研究总结

该研究聚焦里约达斯佩德拉斯贫民窟，发现无序垂直扩张显著加剧城市热岛效应，2013至2024年区域气温上升超0.4℃，现有建筑密度已锁定不利热环境，进一步扩张将加剧高温问题。研究指出当前微气候模型存在局限，需整合更精细数据提升预测精度，并强调需摒弃自上而下的改造模式，借助参与式GIS、微气候建模等工具，结合巴西《城市法》框架，通过战略性绿化、改善通风等针对性措施，实现贫民窟气候敏感型升级。这项研究为全球南方非正规住区的宜居性提升、可持续发展提供了重要参考，助力打破气候与社会脆弱性循环，构建更公平、更具韧性的城市环境。

Smart Cities 期刊介绍

主编：Pierluigi Siano, University of Salerno, Italy

发表与智慧城市相关所有领域的研究论文、通讯论文和综述等，主题包括但不限于：智慧城市信息通信技术 (ICT)、面向智慧城市的物联网、智能传感、智能电网和智能基础设施、智能交通和移动、智能能源、智能建筑、智能管理、智能经济、智能医疗等。