城市化进程的加快和城市人口的增长对城市空间内的室外环境提出了更高的要求。目前对于室外环境的研究主要集中在中低纬度地区的夏季,针对严寒地区城市进行的系统性研究相对较少。同时,当前绝大多数的研究着眼于风、热、湿环境等,针对辐射环境的研究较为缺乏。而辐射环境是城市局地气候的重要组成部分,由于组成成分复杂、具有动态波动性及三维方向性等特点,辐射环境具有相当的复杂性,且在城市能量平衡及人体热舒适中起着至关重要的作用。此外,季节性差异会导致严寒地区城市区域对辐射环境产生不同需求,因而往往会在不同季节采取不同的适宜性策略与优化设计方案。本研究针对严寒地区城市,采用现场实地测试结合数值模拟的研究方法,探究了城市冠层内局地尺度不同空间布局及下垫面配置下的三维辐射环境特性,研究分析了辐射环境对热舒适的影响,并建立了基于城市冠层模式的严寒地区城市局地辐射环境动态预测与评价模型,为城市区域内辐射环境的充分利用及热舒适水平的提高提供了理论模型与评估工具。首先,以哈尔滨市中心大学校园为研究对象,利用三维辐射测试技术与固定气象观测相结合的方法,探究了冬季气象条件不同建筑形态、周围环境以及建筑以外下垫面形式下的三维短波及长波辐射通量密度时空分布规律,分析了三维来向短、长波辐射分量在平均辐射温度中所起的作用,并利用热舒适指标对冬季室外人体热舒适性进行量化,分析了辐射环境对人体热舒适的影响程度。结果表明:在严寒地区冬季,长波辐射通量密度的数值更高,短波辐射通量密度的波动程度更大;开敞程度越高,到达人行高度处的短波辐射通量密度越大,长波辐射通量密度发射量随之变大;人体吸收的水平来向的长波辐射通量密度对平均辐射温度的贡献最大;相比其他气象参数,平均辐射温度对人体热舒适的影响最大。其次,以夏季气象条件下建筑和树木遮阳区域为研究重点,对遮阳与无遮挡情况下的三维短波与长波辐射分量及热舒适指标进行了对比;分析了遮阳条件下的辐射环境变化;应用方向性天空角系数评估了局地城市形态与三维辐射环境的关系;并探讨了遮阳及向阳条件下人体热舒适水平的差异以及不同气象参数对热舒适指标影响的差别。结果表明:建筑或树木遮阳导致短波辐射分量的降低程度比对长波辐射的更高,同时使长波平均辐射温度较高,且与空气温度间有较强的相关关系,两者间的决定系数R~2超过0.8;方向性天空角系数与短波辐射通量密度呈显著正相关关系,而与长波辐射通量密度之间统计学关系不明显;夏季遮阳可以显著降低室外的热应力,为居民提供更舒适的室外活动空间。第三,基于平均辐射温度这一量化总体辐射环境的综合指标,本研究以“六方向法”确定的平均辐射温度为基准值,针对球体温度计法这一实测方法确定的平均辐射温度计算值和SOLWEIG、Ray Man及ENVI-met确定的平均辐射温度模拟值,通过相关性分析、聚类分析、敏感性分析等手段,对各方法在严寒地区城市冬夏季的平均辐射温度预测准确性与适用性进行了分析,并对各预测结果进行了修正。结果表明:球体温度计法对夏季平均辐射温度的预测准确性高于冬季;各数值模拟模型在夏季条件下对平均辐射温度的模拟结果与标准值之间的相关性更高,偏差更小;SOLWEIG在相关性和偏差上表现出比Ray Man和ENVI-met更好的模拟效果;对比Ray Man和ENVI-met,Ray Man在描述平均辐射温度变化趋势方面比ENVI-met更具优势;ENVI-met比Ray Man平均辐射温度模拟结果在数值大小上更接近基准值;本研究提出的修正方法可有效提高各方法的平均辐射温度预测能力。第四,鉴于上述辐射计算模型在严寒地区的不适用性,且修正方法依赖于对应的气候及地理背景,具有一定的经验性等问题,本研究利用课题组既有的基于城市冠层模式的区域热气候动态预测模型（UDC）,在充分计算城市冠层内各表面间角系数和天空角系数的基础上,依据短波辐射的一次辐射、多重反射规律,得到不同位置的短波辐射入射量;基于建筑外表面和地面的热量平衡模型以获得城市表面的表面温度波动规律,进而准确计算不同位置的长波辐射入射量;通过模拟人行高度位置三维来向的短、长波辐射通量密度,结合“六方向”法,使模型具备对平均辐射温度进行准确模拟的能力。将以上内容与既有UDC的热环境、风环境等计算模块进行耦合,从而建立了严寒地区城市局地辐射环境动态预测与评价模型UDC-rad。根据实测数据对模型模拟结果的验证结果表明UDC-rad模型的计算结果具有较高的可靠性,适用于进行城市局地辐射环境参数的长期动态模拟。最后,基于所建立的UDC-rad模型,采用基于响应面分析法的多因素数值试验研究方法,确定了建筑密度、容积率、建筑布局、树木覆盖率、草地覆盖率及积雪覆盖率对平均辐射温度及热舒适指标的影响。并以室外辐射环境和热舒适性为优化目标,对建筑形态和下垫面构成因素进行整体调控,得到了夏季、冬季及全年的城市区域优化设计方案。综上,本研究从不同角度对严寒地区城市局地辐射环境及热舒适参数进行了层层深入的现场实测、数据分析、模型建立、耦合开发以及优化设计,为改善严寒地区城市局地辐射环境与热舒适水平提供了数据支撑、理论依据及技术指导。