張偉 ，王凱麗，梁勝，杜心宇，劉路云，陳存友*，胡希軍

1. 中南林業(yè)科技大學風景園林學院/湖南省自然保護地風景資源大數據工程技術研究中心/城鄉(xiāng)景觀生態(tài)研究所，湖南 長沙 410004；2. 五礦礦業(yè)（安徽）開發(fā)有限公司，安徽 合肥 230000

城市空間擴張導致城市不斷向郊區(qū)蔓延，而郊區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，湖泊、河流等濕地資源豐富，形成多個“冷源”，對于周圍區(qū)域熱環(huán)境具有較大的改善作用（崔麗娟等，2015；陸芊芊等，2020）。因此，研究城市近郊湖泊“冷島效應”的變化特征和規(guī)律對指導湖區(qū)規(guī)劃建設，加強“湖陸環(huán)流”作用，充分利用自然資源改善局域熱環(huán)境以及提高湖區(qū)生態(tài)環(huán)境適宜性具有重要意義（王煜東等，2016）。

目前關于城市水體“冷島效應”的研究主要集中在2個方面。水體“冷島效應”作用機理：一些學者選擇湖泊水體作為研究對象（朱春陽，2015；紀鵬等，2017；梁勝等，2020），部分學者則選擇城市河流（Katayama et al.，1991；Hathway et al.，2012），方法多采用實地測量法，研究發(fā)現(xiàn)水體對周邊區(qū)域具有明顯的“冷島”作用。水體“冷島效應”影響因素：從水體自身因素出發(fā)，針對水體面積、形狀指數、深度的變化探究對水體降溫增濕效應的影響（張偉等，2021）；從水體周邊環(huán)境因素出發(fā)，針對建筑布局、建筑高度、建筑后退距離、城市形態(tài)等要素，結合 CFD、ENVI-met等數值模擬方法探究各要素對水體“冷島效應”發(fā)揮的影響（Han et al.，2020；張棋斐等，2018；戴茜等，2019；尹杰等，2019）。隨著計算機數值模擬更加的精細化，對植被、硬質等影響因素的研究更加深入（宋曉程等，2016；馮嫻慧等，2017）。

總體來看，多數研究選擇城市市區(qū)湖泊作為研究主體，從城市尺度上肯定了湖泊“冷島效應”的作用，而選擇城市近郊湖泊的研究較少（文莉娟等，2008；馬寧等，2016；楊朝斌等，2021）。城市近郊作為市郊的連接樞紐，開發(fā)模式與市區(qū)相近，開發(fā)戰(zhàn)略地位逐年升高（張振鵬等，2014）。本研究選擇長沙市近郊區(qū)同升湖，采用實地測量分析湖泊“冷島效應”的變化規(guī)律，結合CFD情景模擬分析湖泊周邊建筑因子對溫度場的影響，通過控制單一影響因子的變化模擬探究建筑因子對湖泊“冷島效應”的影響機制，對未來湖區(qū)規(guī)劃開發(fā)建設以及充分發(fā)揮湖泊“冷島效應”的作用具有重要指導意義。

1 研究區(qū)域概況

同升湖位于長沙市雨花區(qū)中部偏南（111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N），距離建成區(qū) 9.5 km 的城市近郊。本文將同升湖以及北面和南面兩個水庫及周邊600 m范圍用地作為研究區(qū)域（如圖1），占地總面積101.5 hm2，其中水體面積34.54 hm2。研究區(qū)域共有建筑740棟，目前湖泊周邊仍在開發(fā)建設，研究湖泊水體對周邊熱環(huán)境的影響具有重要意義（如圖2）。

圖2 研究區(qū)域周邊環(huán)境Fig. 2 Surrounding environment of the study area

2 研究方法

2.1 平行定點實測法

2.1.1 樣點與樣線設計

根據夏季實測風向（偏南風）以及長沙市夏季歷史主導風向（東南風）在湖泊周邊分別設置3條樣線，分別位于同升湖東南側（上風向）、西北側（下風向）和東側（垂直風向）。樣線設置保持由湖岸向周圍呈直線分布，分別在每條樣線上等距劃分5個測點（0、150、300、450、600 m），并在距離湖泊水體岸邊2000 m雨花區(qū)同升街道新興村衛(wèi)生室附近選擇3個測點作為對照點，受到湖泊水體的影響可忽略（研究表明100—150 m范圍內湖泊小氣候的尺度效應明顯）。樣點布置與對照點的布置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域和對照區(qū)域樣線及樣點布置Fig. 1 Sample point layout in the study area and control area

通過對研究區(qū)域 15個樣方中的建筑數量、建筑布局方式、綠地率、綠地組成方式和硬質鋪裝比率等環(huán)境因素進行統(tǒng)計，并對其進行打分評價（見表1），為分析樣點周圍環(huán)境差異性提供依據。

表1 樣方環(huán)境參數變量統(tǒng)計Table 1 Environmental parameter variable statistics of sample square

2.1.2 測量內容及方法

（1）天氣條件：選擇晴朗無云、晴朗少云以及無風或者微風的天氣，在樹蔭下距地面1.5 m處連續(xù)觀測，若測量時天氣發(fā)生變化，出現(xiàn)雷雨天氣，則放棄測量數據（避免太陽直射、強風等因素的影響）。

（2）測定方法：從夏季（6—8月）每個月中挑選符合測量條件的3 d（見表2），測量時間08:00—19:00，每隔1小時同步記錄3次各測點及對照點的溫度、風速風向。

表2 測量時間Table 2 Measuring time

（3）測量儀器：溫度測量選用德圖TESTO08H1溫濕度計（測定范圍：?10—60 ℃，分辨率：0.11 ℃；0.1% RH），風速測量儀器選用GM890數字風速儀（測定范圍：0—45 m·s?1）。

2.2 CFD數值模擬法

2.2.1 模型建立

結合衛(wèi)星地圖采用 CAD軟件三維建模的模式進行三維模型繪制，為方便 CFD后期模擬對研究區(qū)域建筑形狀、建筑外立面、植被高度等進行適當簡化（圖3）。

圖3 研究區(qū)域三維模型和計算域平面圖Fig. 3 Three-dimensional model of the study area and Computational domain plan

2.2.2 模型計算過程

（1）計算域劃分

將 AUTO CAD2018中建立的三維模型導入ANSYS WORKBENCH中的 DESIGN MODELER中進行處理，劃分得到流體計算域，并對不同邊界面進行命名，包括速度入口、壓力出口、壁面和對稱面。計算域大小2500 m×2800 m×180 m，充分滿足情景模擬需求（姜平等，2020）。

（2）網格劃分

采用非結構化網格（網格具有較好的靈活性、適應性），對建筑外立面與地面的交界處、植被區(qū)域進行局部加密處理，其余部分則采用精度較大網格（程雪玲等，2015）。整體網格劃分數量在1205萬，網格質量控制在0.3以上，滿足模擬需求。

2.2.3 計算設置

采用ANSYS Fluent 20.0作為計算平臺，選擇壓力基求解器，計算方程選用RNG k-ε模型，選擇速度入口壓力出口邊界條件，并設置相關參數完成模擬計算。

（1）輻射模型

選擇Solar Ray Tracing作為太陽輻射的計算算法。太陽直射輻射量 604 W·m?2，散射輻射量 318 W·m?2，太陽入射系數1.0，地面反射率0.38。

（2）湍流模型

選擇 RNG k-ε模型進行數值模擬，相比FLUENT中提供計算的其它湍流模型（單方程(Spalart-Allmaras)模型、雙方程模型、k-w及 RSM模型和LES等），該方程模型更適用于低速湍流數值模擬，應用更加廣泛（Patankar et al.，1983）。

（3）多孔介質模型

研究區(qū)域位于長沙市郊區(qū)，湖泊周圍的植物環(huán)境以及地形較市區(qū)更加復雜，在構建植物模型時，考慮后期模擬的周期以及電腦配置的需求，針對場地內部復雜地形的區(qū)域建立三維模型，綠地密度950 kg·m2，導熱系數 0.42 W·m2·K?1，植物孔隙率取夏季常綠植物0.55（Molina-Aiz et al.，2006）。

（4）組分運輸模型

本文考慮水體蒸發(fā)產生的水蒸氣與空氣主要組成組分（N2和O2）的輸運、擴散過程中沒有發(fā)生化學反應，選擇通用有限速率模型中的無反應物質輸運模型（Nagarajan et al.，2004）。

（5）出入口邊界條件

模擬采用速度入口（velocity-inlet）、壓力出口（pressure-outlet）邊界條件，具體參數見表3。

表3 入口來流參數Table 3 Inlet flow parameters

入口速度的分布采用指數模型，速度與高度之間的變化關系如式（1）：

式中：

x——高度；

u(x10)——高度10 m處的風速；

α——地面粗糙度指數，根據《建筑結構荷載規(guī)范》，本文取為0.25。

2.3 CFD情景模擬驗證

通過模擬得到1.5 m高度處溫度云圖，讀取定點實測各測點位置溫度值，并與定點實測同時刻（夏季6—8月14:00溫度平均值）溫度進行對比及相關性分析。

由圖4可知，CFD模擬結果與實測數據之間的溫度誤差為0.33 ℃。測點1、測點2、測點3、測點8、測點12、測點13、測點14的實測數據與模擬數據基本吻合；測點4、測點5實測值低于模擬結果，是由于測點4、測點5距離湖泊較遠，周圍植被較豐富，測量時受到植被的遮陰作用，實際模擬時，對于周邊植被并沒有考慮單體植物遮陰的影響，使得模擬溫度較大；測點6、測點7實測溫度低于模擬溫度是由于測點距離同升湖水體較近，且測點位于馬路旁邊，樣線位置與主導風的作用方向一致，實際測量時溫度值受到湖泊水體的影響較大，導致實測溫度低于模擬溫度；測點10、測點11實測溫度值相較于其它測點變化最大，是由于測點位于高大的喬木下，導致實測溫度與模擬相比較低。實測數據與模擬數據之間相關系數r=0.929，表明二者之間存在強相關性。CFD模擬結果與實測數據吻合程度較高，具備科學性與合理性。

圖4 實測數據與模擬數據對比分析和相關性分析Fig. 4 Comparative analysis and correlation analysis between measured data and simulated data

3 實測與模擬結果分析

3.1 實測結果分析

3.1.1 整體日變化規(guī)律

對每個月測量的3 d的數據進行平均值處理，得到各個月份白天08:00—19:00的湖泊溫度日變化規(guī)律表，根據樣線樣點選取的條件，分為主導風向上風向、垂直向、下風向3組數據，對表上測定的各個樣點以及對照點的數據求平均數，得到湖泊溫度日變化規(guī)律。

由圖5可知，湖泊具有明顯的“冷島效應”特征。在08:00—19:00時間段內，研究區(qū)域溫度與對照區(qū)域溫度變化趨勢相似，呈“倒U型”分布，均是在下午13:00—14:00時間段溫度達到最高。研究區(qū)域溫度變化范圍 29.98—36.20 ℃，最大溫差6.22 ℃；對照區(qū)域溫度變化范圍30.55—37.04 ℃，最大溫差6.49 ℃，高于研究區(qū)域0.27 ℃。通過對研究區(qū)域與對照區(qū)域夏季溫度進行平均值計算，研究區(qū)域日均溫度 33.83 ℃，對照區(qū)域日均溫度34.38 ℃，平均溫度差值0.55 ℃，表明夏季白天湖泊對周圍環(huán)境一直存在降溫作用。湖泊的降溫效應隨時間的推移逐漸增強，在13:00—14:00左右，降溫效應最顯著，受太陽輻射的影響，夏季 12:00—13:00時間段內，太陽對地面的輻射強度達到峰值，溫度升高加快，溫度增長速率最快。

圖5 研究區(qū)域與對照區(qū)域溫度日變化規(guī)律Fig. 5 Diurnal changes in temperature between the studied area and the control area

3.1.2 不同風向區(qū)域日變化規(guī)律

（1）將位于不同風向的3條樣線（樣線1、樣線2、樣線3）上所有測點以及對照點夏季3個月同一時刻的實測數據進行平均值處理，得到不通風向區(qū)域夏季湖泊溫度日變化規(guī)律圖（如圖 6），夏季湖泊各樣線溫度日變化趨勢相似，整體溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，樣線 1溫度在 30.49—36.38 ℃，日均溫度34.16 ℃；樣線2溫度在29.26—35.74 ℃，日均溫度33.42；樣線3溫度在30.19—36.48 ℃，日均溫度 34.38 ℃；對照區(qū)域溫度在30.55—37.04 ℃，日均溫度34.38 ℃。溫度分布呈現(xiàn)下風向<垂直向<上風向<對照區(qū)域。

圖6 不同風向區(qū)域湖泊溫度日變化規(guī)律Fig. 6 Diurnal variation of lake temperature in different wind directions

（2）將不同風向區(qū)域與對照區(qū)域夏季各時刻實測數據取差值（如圖 7），不同風向區(qū)域溫度與對照區(qū)域之間的差值變化呈現(xiàn)下風向>垂直向>上風向，下風向區(qū)域的溫度明顯低于其它區(qū)域，降溫最大幅度集中在 13:00—14:00，表明湖泊降溫效應的強度與夏季日間最高溫度相關。上風向區(qū)域、下風向區(qū)域、垂直向區(qū)域與對照區(qū)域的日均溫度差值分別為0.22、0.96、0.47 ℃，湖泊對下風向區(qū)域的降溫作用明顯，降溫幅度最大。

圖7 不同風向區(qū)域與對照區(qū)域日均溫差Fig. 7 The difference in daily average temperature between areas with different wind directions and the control area

3.2 CFD情景模擬分析

圖8為實際算例1.5 m高度溫度分布圖，由表4知，研究區(qū)域內溫度幅度為30.10—38.72 ℃，湖泊周邊以及下風向區(qū)域的溫度明顯低于其它區(qū)域。

表4 改變建筑高度和建筑間距溫度變化表Table 4 Changes in temperature when building height and building spacing are changed

圖8 實際算例1.5 m高度處溫度分布和風速矢量圖Fig. 8 Actual calculation example Temperature distribution and wind speed vector diagram at a height of 1.5 m

（1）東南部區(qū)域

湖泊周圍高層建筑群，對速度入口的來流存在阻滯效應和繞流作用，建筑迎風面風速 0.8—1.1 m·s?1，建筑背風面形成湍流區(qū)，風速在0.35—0.45 m·s?1，建筑群過道以及邊緣形成的穿流區(qū)和角流區(qū)，風速在2.20—2.30 m·s?1。高層建筑群周圍局部熱量堆積，形成空氣積溫，加上建筑表面以及地面的輻射作用，溫度變化在37.50—38.50 ℃。植被區(qū)域對太陽輻射存在一定程度的遮擋作用，溫度在35.0—36.50 ℃。由于水氣的蒸發(fā)擴散力與主導風作用方向相反，湖泊水體的降溫作用在距湖岸 100 m范圍明顯。

（2）湖泊中心區(qū)域

由風速矢量圖可知，氣流在經過上風向區(qū)域建筑、植物的阻隔及削減作用，形成多股分流，導致湖面上水蒸氣擴散過程中受到不同方向氣流作用，風速變化范圍在0.90—2.23 m·s–1。高風區(qū)氣流流動快，帶走的熱量多，溫度在30.12—30.25 ℃；低風區(qū)氣流流動緩慢，水分蒸發(fā)的熱量被帶走的少，溫度在32.80—34.30 ℃。湖岸地面反射率小，溫度略高，在35.50—35.80 ℃。

（3）西北部區(qū)域

區(qū)域內部建筑數量少，多為點群式分布，湖泊水體在太陽輻射作用下產生的蒸發(fā)擴散力與上風向氣流的作用力方向一致，形成助推作用，整體風速變化在0.48—2.38 m·s–1，對下風向區(qū)域產生明顯的降溫作用，溫度變化范圍35.25—37.88 ℃。在植被區(qū)域，水蒸氣的聚集使得溫度下降，在 35.60—35.75 ℃。由于區(qū)域內部建筑對氣流的阻礙作用小，湖泊水體對周圍600 m范圍內仍存在降溫作用。

（4）東北部和西南部區(qū)域

區(qū)域內部建筑數量較多，建筑密度大，分布形式多樣，主要有行列式、圍合式、點群式3種布局，對溫度的影響作用較復雜。由圖可知，高溫區(qū)域主要分布在建筑群周圍，建筑群外圍溫度變化趨于平緩。與湖岸呈行列式布局的建筑組團，建筑之間風環(huán)境暢通，對風環(huán)境改善明顯，增強了湖泊對周邊環(huán)境的降溫效應，溫度在37.20—37.56 ℃；圍合式布局的建筑組團對建筑迎風面的氣流形成較大阻礙作用，建筑內部氣流流動不暢，在建筑迎風面形成高溫區(qū)，溫度變化在37.0—38.20 ℃。環(huán)狀布局的建筑阻斷湖泊上方冷空氣向周圍環(huán)境的傳輸，導致冷空氣在建筑附近堆積，最終被建筑表面及地面所產生的輻射能量抵消，溫度在36.80—37.90 ℃；分布雜亂、無序建筑間距小點狀式布局的建筑群，溫度在36.90—38.10 ℃，其雜亂的分布導致建筑群內部形成湍流區(qū)域，對湖泊降溫效應存在消極作用。

湖泊水體對東北部區(qū)域降溫范圍在 50 m左右，西南部建筑群部分建筑位于水庫下方，受水體的影響降溫范圍可達200—300 m，溫度在35.40—36.10 ℃。

3.3 改變單一影響因子情景模擬分析

結合數值模擬分析結果可知，建筑因子（建筑高度、建筑布局、建筑密度、建筑后退湖岸距離）影響湖泊“冷島效應”的發(fā)揮。由于研究區(qū)域位于城市近郊，湖泊周圍建筑基本為別墅建筑，整體高度低于市區(qū)。在設計改變建筑高度因子時，結合計算機性能將研究區(qū)域建筑高度增加10 m和20 m，模擬改變建筑高度對湖泊“冷島效應”的影響。位于湖泊水體周邊不同區(qū)域的建筑排布方式多樣，建筑間距也不同，在設計改變建筑后退湖岸距離和建筑間距因子的模擬時，考慮建筑后退湖岸100、200 m和建筑間距增大2倍的模擬算例。

3.3.1 建筑后退湖岸100 m和200 m

在實際算例模型的基礎上，保持其它條件不變，去掉距湖岸周圍 100 m和 200 m范圍內的建筑，總計87棟和220棟，其他參數設置保持與實際算例一致，網格數量分別為1137萬和1048萬。

圖9、10為建筑后退湖岸100 m和200 m的溫度分布圖和風速矢量圖，整體溫度值較實際算例下降，湖區(qū)周邊局域溫度因建筑后退距離增大呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。

圖9 建筑后退湖岸100 m溫度分布和風速矢量圖Fig. 9 Vector diagram of temperature distribution and wind speed at 100 m of building receding lake shore

（1）東南部區(qū)域

建筑后退湖岸100 m，高層建筑群背風面建筑數量減少，湍流區(qū)面積減小，風速在 0.38—0.50 m·s?1，建筑過道之間的穿流區(qū)風速在 2.30 m·s?1。湖岸與建筑之間形成開敞空間，湖陸環(huán)流作用增強，溫度較實際算例下降0.17—0.22 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖岸周圍高層建筑數量減少，氣流流動暢通，通風效果改善明顯，風速在0.37—2.31 m·s?1，建筑周圍溫度較實際算例下降0.27—0.78 ℃。植被區(qū)域溫度在 35.63—35.72 ℃，水體的降溫范圍在50—100 m。

圖10 建筑后退湖岸200 m溫度分布圖和風速矢量圖Fig. 10 Vector diagram of temperature distribution and wind speed at 200 m of building receding lake shore

（2）湖泊中心區(qū)域

建筑后退湖岸距離增大，湖岸周圍氣流受到建筑的阻礙作用減小，湖泊水體上方氣流分布變得均勻，水體上方高溫區(qū)和低溫區(qū)的面積減小。建筑后退湖岸100 m，風速在 1.36—2.22 m·s?1，溫度下降0.06—0.12 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖面上方氣流流線趨向直線變化，風速在1.45—2.35 m·s?1，水氣分布趨于均勻，溫度下降0.15—0.29 ℃。湖岸區(qū)域雖然建筑數量減少，但地面輻射增強，溫度變化不大，在35.60—35.95 ℃。

（3）西北部區(qū)域

增大建筑后退湖岸距離，西北部區(qū)域建筑數量減少，角隅區(qū)與穿流區(qū)面積減小，氣流中水蒸氣含量增加，降溫作用明顯。建筑后退湖岸100 m，風速在 0.35—2.32 m·s?1，溫度降低 0.10—0.58 ℃，降溫范圍在550—650 m；建筑后退湖岸200 m，風速在 0.30—2.25 m·s?1，溫度下降 0.35—0.77 ℃。西北部水體周邊建筑少，去除部分建筑對區(qū)域溫度變化影響不大，溫度在35.25—35.70 ℃。水體周邊的植被區(qū)域溫度下降0.20—0.25 ℃，水體的降溫范圍在800 m左右。

（4）東北部和西南部區(qū)域

湖泊水體對主導風垂直向區(qū)域的降溫范圍有限，東北部與西南部區(qū)域建筑密度大，增大建筑后退湖岸距離改變了原有建筑布局，湖岸空間被打開，湖岸周圍氣流流動增強，建筑群內部風環(huán)境得到改善，空氣溫度降低。建筑后退湖岸100 m，風速在 0.25—2.18 m·s?1，溫度分降低 0.10—0.29 ℃和0.19—0.23 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖岸周圍空間變大，水氣流動暢通，溫度降低0.19—0.54 ℃和0.28—0.34 ℃，西南部區(qū)域水庫水體的降溫范圍較實際算例增大50—100 m。

3.3.2 建筑高度增加10 m和20 m

在實際算例模型的基礎上，保持其它因素不變，將研究區(qū)域內的建筑高度增加10 m和20 m，模擬參數與實際算例保持一致，模型修改后重新劃分網格，網格數量為1316萬和1474萬。

圖11、12為建筑高度增加10 m和20 m溫度分布圖和風速矢量圖，建筑高度增加，建筑周圍穿流區(qū)、渦流區(qū)、角流區(qū)的氣流強度、流向發(fā)生變化，導致溫度呈現(xiàn)差異性。

圖11 建筑高度增加10 m溫度分布圖和風速矢量圖Fig. 11 Temperature distribution map and wind speed vector diagram for 10 m increase in building height

圖12 建筑高度增加20 m溫度分布圖和風速矢量圖Fig. 12 Temperature distribution map and wind speed vector diagram for 20 m increase in building height

（1）東南部區(qū)域

建筑高度增加，氣流的流線發(fā)生改變，對入口來流的阻礙作用增強，建筑迎風面風速增加，建筑過道和角隅處的風速增加，建筑背風面的風影區(qū)面積和影響范圍增大，建筑輻射產生的能量增多，建筑群周圍空氣溫度上升。建筑高度增加10 m，穿流區(qū)和角流區(qū)風速增大 0.12 m·s?1，溫度增加 0.06—0.56 ℃；建筑高度增加20 m，渦流區(qū)風速減小0.17 m·s?1，穿流區(qū)風速減小 0.18 m·s?1，溫度增加 0.14—0.71 ℃。湖泊水體的降溫范圍減小20—50 m，降溫強度減弱。

（2）湖泊水體上方

上風向來流流速減小，建筑的分流作用增強，湖泊水體上方的氣流分布趨于離散化。建筑高度增加 10 m，風速在 1.35—2.15 m·s?1，溫度增加 0.35—0.56 ℃，湖岸周圍溫度在35.85—35.95 ℃；建筑高度增加 20 m，風速在 1.25—2.10 m·s?1，溫度增加 0.50—0.63 ℃，湖岸周圍溫度在 35.92—36.05 ℃。

（3）西北部區(qū)域

區(qū)域內部建筑多為點狀分布，建筑間距大，分布散，增加建筑高度導致建筑周邊角流區(qū)的氣流流速增大，整體溫度變化較小。建筑高度增加10 m，角流區(qū)風速最大可達 2.20 m·s?1，溫度增加 0.03—0.15 ℃；建筑高度增加 20 m，角流區(qū)風速在 2.12 m·s?1左右，溫度增加 0.17—0.60 ℃。湖泊水體降溫范圍在350—500 m，較實際算例減小100—250 m。

（4）東北部和西南部區(qū)域

區(qū)域內部建筑密集，建筑高度增加，位于主導風迎風面的前排建筑對氣流的阻擋作用增強，建筑迎風面以及前排建筑穿流區(qū)風速增大。導致后排建筑群內部氣流流通受阻，湍流效應增強，形成空氣積溫，室外熱舒適度下降。建筑高度增加10 m，風速在 0.23—2.32 m·s?1，溫度分別增加 0.01—0.07 ℃和0.08—0.20 ℃；建筑高度增加20 m，背風區(qū)風速在 0.18 m·s–1左右，風速最高可達 2.40 m·s?1，東北部和西南部區(qū)域溫度分別增加 0.14—0.15 ℃和0.22—0.37 ℃。西南部水庫對周圍環(huán)境的降溫范圍在200—250 m，較實際算例下降50 m左右。

3.3.3 建筑間距增大2倍

在不改變計算域大小的情況下，將實際算例模型中建筑之間的間距分別擴大2倍（去除相鄰一排建筑），其它參數保持與實際算例一致，網格數量1054萬。圖13為建筑增大2倍的溫度分布圖和風速矢量圖，建筑間距變大，建筑內部氣流暢通，風速變大，帶走更多的輻射熱，建筑群內部溫度變化明顯。

圖13 建筑間距增大2倍溫度分布圖和風速矢量圖Fig. 13 The building spacing increases by 2 times the temperature distribution map and the wind speed vector diagram

（1）東南部區(qū)域

建筑間距增大，湖岸周圍高層建筑過道距離增大，形成明顯的風道，高層建筑之間的氣流流速變大，風速可達2.35—2.42 m·s?1，建筑背風面的渦流區(qū)風環(huán)境得到改善，風速在0.35—0.55 m·s?1。氣流加速帶走更多的輻射熱，空氣溫度降低 0.12—0.23 ℃。湖泊水體的影響范圍減小20—30 m。

（2）湖泊水體上方

上風向氣流流速增大，導致湖面上方水氣流動加快，風速在1.57—2.25 m·s?1，溫度較實際算例降低0.23—0.45 ℃。

（3）西北部區(qū)域

區(qū)域內部建筑數量少，增大建筑間距的影響不明顯，整體風速在 0.44—2.30 m·s?1，溫度變下降0.27 ℃左右。距離湖泊水體較近的建筑周圍，水體的降溫作用明顯，溫度在34.99—35.38 ℃；距離湖泊水體較遠的建筑周圍，水體降溫作用有限，溫度在 37.62—37.72 ℃。植被區(qū)域溫度變化范圍在35.55—35.65 ℃，湖泊水體對該區(qū)域的降溫范圍在500—600 m，較實際算例增大。

（4）東北部和西南部區(qū)域

建筑間距增大 2倍，原有的建筑布局、建筑形式發(fā)生改變，建筑群之間形成通道，有利于湖泊水體水氣的傳輸，促進湖泊水體的降溫作用。東北部區(qū)域風速在 0.28—2.42 m·s?1，溫度降低 0.13—0.26 ℃；西南部區(qū)域受到水庫水體的影響，整體熱環(huán)境優(yōu)于西北部區(qū)域，風速在 0.25—2.25 m·s?1，溫度下降0.27—0.41 ℃，水體的影響范圍在300—350 m。

4 結論

本文以城市近郊區(qū)湖泊水體作為研究對象，采用平行定點實測法結合CFD情景模擬法交互驗證，通過改變建筑后退湖岸距離、建筑高度、建筑間距等參數模擬不同情境下建筑因子對湖泊“冷島效應”的影響。結果發(fā)現(xiàn)，同升湖周邊開發(fā)強度適宜，生態(tài)效益良好，湖泊水體對周邊環(huán)境存在一定的降溫作用。具體結論如下：

（1）城市近郊湖泊水體對周邊區(qū)域的日均“冷島”幅度在0.55 ℃，湖泊“冷島效應”的強度與距湖岸距離呈顯著負相關，湖泊水體周邊降溫作用最顯著，在距湖岸300 m范圍內降溫效應明顯，對主導風下風向區(qū)域的影響高于上風向和垂直向區(qū)域，降溫強度可達0.96 ℃。

（2）CFD情景模擬結果與實測數據之間存在較高的擬合程度，相關性系數r=0.929，具有科學性和合理性，可將其作為城市湖泊“冷島效應”后續(xù)模擬的研究工具。

（3）湖泊周邊建筑空間形態(tài)是影響湖泊“冷島效應”發(fā)揮的主要影響因素，不同工況下的模擬導致湖泊“冷島效應”的分布規(guī)律及空間特征存在差異性。增加建筑高度，上風向區(qū)域氣流的傳輸受阻，建筑周圍穿流區(qū)、角隅區(qū)風速增大，建筑背風面熱環(huán)境變差，增加臨近湖泊水體周圍的建筑高度會阻斷湖泊與周圍環(huán)境之間的“湖陸環(huán)流”效應，應合理控制湖泊水體周圍的建筑高度；增大建筑后退距離對湖泊水體周邊熱環(huán)境的改善明顯，能夠增加水氣向周圍區(qū)域的傳輸距離，提高水體周邊活動的舒適性。增大建筑間距有利于改善建筑內部風環(huán)境質量，提高建筑內部自然通風，緩解建筑內部的積溫現(xiàn)象。

5 討論

選擇城市近郊湖泊水體通過實測分析湖泊“冷島效應”日變化規(guī)律、月變化規(guī)律、時空分布規(guī)律和模擬探究湖區(qū)周邊各影響因子對湖泊“冷島效應”的影響程度對指導未來湖區(qū)開發(fā)建設以及緩解局部熱環(huán)境是一種有效的方式。由于研究樣本湖泊選擇單一，研究過程中只針對已建設開發(fā)區(qū)域做的理想假設，除水體、綠地以外對其它下墊面均設置為裸地，需要在今后的研究中做進一步優(yōu)化補足。充分驗證城市市區(qū)湖泊與城市郊區(qū)湖泊的關聯(lián)性，為湖泊小氣候研究提供理論基礎，最大發(fā)揮湖泊水體的生態(tài)效能，創(chuàng)造適宜的人居生態(tài)環(huán)境。