吳 娛 彭昌海,2

(1東南大學(xué)建筑學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室, 南京 210096)

處于夏熱冬冷地區(qū)的江南村鎮(zhèn)河網(wǎng)縱橫密集,水道、湖泊與村鎮(zhèn)的選址、總體布局及微氣候環(huán)境緊密相關(guān).水體除具有與觀賞、交通、生活相關(guān)的作用外,其區(qū)別于陸地面的物理特性體現(xiàn)出不可替代的生態(tài)效應(yīng)價值.首先,由于熱容量大、蒸發(fā)潛熱大及水面反射率小等特性,水體上空通常會形成特殊的微氣候,進而對周圍環(huán)境的氣溫、相對濕度、風(fēng)速產(chǎn)生地域性、季相性與晝夜性產(chǎn)生影響[1].其次,水體作為開放空間,整體粗糙度小于建筑覆蓋區(qū)域,能夠形成風(fēng)道并提高風(fēng)速[2],從而改善村鎮(zhèn)自然通風(fēng)狀況,影響水體溫濕度效應(yīng)強度及傳播范圍[3].上述水體對于風(fēng)熱濕環(huán)境的影響,將以獨立或疊加的形式作用于人體,影響熱舒適狀況,進而在物理與心理層面對微氣候環(huán)境產(chǎn)生影響.

建成環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致水體微氣候效應(yīng)隨局地環(huán)境特征變化而產(chǎn)生顯著差異.這種局地環(huán)境特征包括水體自身物理特征、外部空間特征及植被形態(tài)特征.其中水體自身物理特征主要包括水體形狀、面積、狀態(tài)、分布等.Sun等[4]探究了水體面積、幾何形狀、與城市中心的距離、周邊建成區(qū)比例與水體冷島效應(yīng)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)水體面積影響最大.Syafii等[5]通過室外實體模型的熱環(huán)境測試,評估不同形態(tài)池塘水體對熱環(huán)境的影響,提出面積較大且與風(fēng)向平行的水體具有更好的冷卻效果.李孔清等[6]運用統(tǒng)計學(xué)方法分析水體對城鎮(zhèn)建筑風(fēng)熱濕環(huán)境的影響,得到了水體大小、離建筑物距離、來流溫濕度等因素與室內(nèi)相對濕度的量化關(guān)系.水體的微氣候調(diào)節(jié)性同樣受到外部空間與植被對其作用強度與傳播范圍的影響.Hathway等[7]發(fā)現(xiàn)城市河流周邊的建筑空間形態(tài)對水體緩解熱島效應(yīng)的效果存在一定影響,開放的街道和廣場更有利于河流對城市熱島效應(yīng)的緩解.宋曉程等[8]分析了北方濱水區(qū)建筑布局、容積率、堤岸高度、濱水間距和綠化對水體周邊環(huán)境中水蒸氣擴散及溫度的影響,認為容積率低且中部存在通風(fēng)廊道的濱水布局更有利于促進水體的溫度調(diào)節(jié)作用.Shi等[9]通過實測和模擬證明了植被與水體存在協(xié)同冷卻效應(yīng),并且植物葉面積指數(shù)會對冷卻效果產(chǎn)生影響.Fung等[10]研究了夏季不同天氣狀況下水體對于草地?zé)岘h(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)存在樹木遮陰的水體會對草地?zé)岘h(huán)境產(chǎn)生更有益的影響.上述水體對室外微氣候影響的研究,大多聚焦于水體對城市熱島效應(yīng)的緩和作用,關(guān)于受自然條件與局地氣候環(huán)境影響更大的村鎮(zhèn)社區(qū)的相關(guān)研究則較少.村鎮(zhèn)的地形地貌、選址布局及空間形態(tài)與城市存在較大的差異,現(xiàn)有關(guān)于城市水體微氣候效應(yīng)的研究難以應(yīng)用于村鎮(zhèn).因此針對村鎮(zhèn)這類特殊的聚落形態(tài),水體的微氣候冷卻效應(yīng)尚待深入研究.

本文采用實測與模擬相結(jié)合的方法,以江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)為例,研究了村鎮(zhèn)水體的氣溫冷卻效應(yīng).首先,對比分析了冬季與夏季、夜間與日間村鎮(zhèn)水體冷卻效應(yīng)的影響范圍與影響強度,得到了水體冷卻值的時空分布規(guī)律.然后,通過對模擬數(shù)據(jù)的定量分析,得出不同村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)對水體冷卻值的影響效果,構(gòu)建了各項形態(tài)要素指標(biāo)與水體冷卻值的多元線性回歸模型.

1 研究區(qū)域

宜興市地處江蘇省西南端,屬于夏熱冬冷地區(qū),全年溫暖濕潤,日照充足,主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng).受太湖水汽的影響,宜興降水量豐沛,年降水量約為1 229.9 mm[11].本研究所選取的周鐵鎮(zhèn)位于宜興市東北部與太湖鄰近的區(qū)域,屬于河網(wǎng)密布型平原村鎮(zhèn),水體空間對于該類村鎮(zhèn)來說至關(guān)重要.研究的具體范圍見圖1,與《宜興市村鎮(zhèn)布局規(guī)劃(2019版)》[12]中劃定的周鐵歷史鎮(zhèn)區(qū)范圍一致.圖中,Z0～Z9為10個測試點.研究區(qū)域內(nèi)各項建筑與環(huán)境指標(biāo)見表1,為村鎮(zhèn)衛(wèi)星圖及CAD平面圖在ArcGIS軟件中的計算結(jié)果.該區(qū)域占地面積約為0.18 km2,建筑密度為44.95%,容積率為0.85,平均建筑高度為6.05 m,區(qū)別于其他非傳統(tǒng)聚落,具有鮮明的江南傳統(tǒng)聚落形態(tài)特征.村鎮(zhèn)中的水體率為8.96%,東西和南北方向的2條河流在村鎮(zhèn)中交叉分布.

圖1 研究區(qū)域與實測測點圖

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場實測方案及儀器

為獲得準確的村鎮(zhèn)氣候數(shù)據(jù),驗證模擬結(jié)果的有效性,為后續(xù)數(shù)值模擬提供邊界條件,本研究于2020-12-21T09:00—17:00和2020-12-22T09:00—17:00在宜興市周鐵鎮(zhèn)進行實地測試.測試時段內(nèi)天氣晴朗,風(fēng)速較為穩(wěn)定,且日照充足.參考標(biāo)準[13]所描述的室內(nèi)外熱環(huán)境物理量的測量方法、測量范圍和精度要求,制定定點測試方案.測試儀器包括用于測量溫度、濕度和風(fēng)速的手持式氣象記錄儀,用于測量水體表面溫度的接觸式溫度表和用于測量村鎮(zhèn)周邊氣候環(huán)境的固定式氣象站,相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 測試儀器及其相關(guān)參數(shù)

手持式氣象記錄儀的測量高度為距地面1.5 m,記錄間隔為1 min.所選測點均位于主要人行活動空間中,并具有不同的空間特點,能夠代表性地反映村鎮(zhèn)的空間類型(如公共廣場、街巷、院落空間等).測點與水體的最短距離均小于110 m,以保證其處于水體冷卻效應(yīng)的作用范圍內(nèi)[14].將鄰近水體的測點Z0和Z4作為水體空間微氣候數(shù)據(jù)的采集點,在測點Z0處采用接觸式溫度表自動記錄水體表面溫度,記錄間隔為1 min.選擇村鎮(zhèn)周邊無遮擋的點位架設(shè)固定式氣象站,每隔30 min記錄太陽輻射強度、空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向角,以確定模擬的邊界條件.

2.2 數(shù)值模擬

本文采用ENVI-met軟件進行數(shù)值模擬.該軟件基于計算流體力學(xué)、熱力學(xué)和城市氣象學(xué)等相關(guān)理論,主要用于模擬局地尺度的建筑、地表、植被和大氣之間的交互作用過程.采用三維非靜力不可壓縮流體Navier-Stokes方程求解風(fēng)場,其中的湍流模型采用標(biāo)準k-ε模型[15].目前,該軟件已廣泛應(yīng)用于評價水體與綠化空間對城市微氣候的影響[9,16-17].

利用ENVI-met軟件建立的簡化村鎮(zhèn)數(shù)值模型見圖2.計算網(wǎng)格長2 m,寬2 m,高1.5 m,計算域?qū)?94 m,長538 m,高60 m.設(shè)模型域的實際高度為h,計算域高度為5h,實際模擬范圍與研究范圍相比在4個邊界上各擴大了10h,以還原實際村鎮(zhèn)中周邊環(huán)境的影響.模型中的建筑物、地表材質(zhì)參數(shù)等依據(jù)村鎮(zhèn)中的實際材質(zhì)種類設(shè)置,同時參考《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176—2016)[18]與軟件ENVI-met內(nèi)置的材質(zhì)庫,具體屬性值見表2和表3.

圖2 簡化的村鎮(zhèn)數(shù)值模型

表2 建筑物材質(zhì)屬性設(shè)置

表3 地表材質(zhì)屬性設(shè)置

根據(jù)軟件ENVI-met的官方建議,模擬應(yīng)在日出之前開始,并且總運行時間需大于6 h,以克服初始化的影響.因此,本研究的模擬均于前一日的4:00開始,于模擬日期的24:00結(jié)束,模擬時長共計44 h.依據(jù)24 h內(nèi)的天氣類型以及實測數(shù)據(jù)的準確性,采用2020-12-22測量的數(shù)據(jù)進行模擬的有效性驗證.輸入的邊界氣象數(shù)據(jù)依據(jù)村鎮(zhèn)周邊開敞處的氣象站設(shè)置(見表4和圖3(a)).太陽輻射數(shù)據(jù)通過軟件內(nèi)置的輻射模型計算,并依據(jù)實測太陽輻射值進行系數(shù)校準.

表4 模擬邊界條件設(shè)置

(a) 2020-12-22

(b) 2021-01-29

(c) 2020-08-23

為進一步研究冬季和夏季典型氣象日的水體冷卻效應(yīng),本文設(shè)置了冬季有/無水體和夏季有/無水體4種工況.由于周鐵鎮(zhèn)中地表面層大多由混凝土材質(zhì)鋪裝而成,并且在多數(shù)村鎮(zhèn)的新建過程中原水體區(qū)域常常被改造為混凝土或瀝青路面,因此無水工況中的水體均用混凝土路面替代.模擬所采用的夏季與冬季典型氣象日參數(shù)由村鎮(zhèn)氣象站的實測數(shù)值計算得到,能夠代表該地區(qū)在本年度冬夏兩季最為典型的氣象狀況,計算方法參考《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準》(JGJ 286—2013)[19],具體參數(shù)見表4、圖3(b)和(c).

2.3 相關(guān)指標(biāo)計算

2.3.1 水體冷卻值

已有研究[5,9-10]所計算的水體冷卻值通常為實測水體處氣溫與無水體參考點處氣溫的差值,但這種計算方法無法消除不同外部氣象條件與建成環(huán)境的影響,計算的冷卻值無法精確反應(yīng)水體對氣溫的影響.因此,本文通過模擬有/無水體2種工況的方法,將冷卻值定義為有水工況與無水工況的差值,以消除其他變量的影響.由于距地面1.5 m處的熱環(huán)境與行人活動舒適度的關(guān)系最為密切,因此取該高度的氣溫進行水體冷卻值計算.水體對空氣溫度的冷卻值計算公式為

ΔT=Tw-Tn

(1)

式中,Tw、Tn分別為有、無水工況下距地面1.5 m處的空氣溫度值.

2.3.2 村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)

在以往國內(nèi)外相關(guān)研究中選取的形態(tài)因子通常對微氣候有明顯影響作用,并且易于提取與量化,能夠在設(shè)計與改造中進行調(diào)控.水體自身物理特征(如水體形狀、面積、分布等)是影響水體冷卻效應(yīng)的重要因素,能夠解釋水體冷卻程度變化的大部分原因;而水體外部空間與綠化特征同樣會對這種冷卻效應(yīng)產(chǎn)生促進或抑制作用.

本文中選取的村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)如下:① 水體形態(tài)指標(biāo),包括水體率和水體距離.其中,水體率為研究范圍內(nèi)水體面積與研究范圍面積的比值;水體距離為測點與水體邊界的最近距離.② 綠化形態(tài)指標(biāo),由綠化率表示,是指研究范圍內(nèi)公共綠化面積與研究范圍面積的比值.③ 建筑空間形態(tài)指標(biāo),包括容積率、建筑密度、總墻體面積、平均建筑高度、建筑高度離散度和天空可視度.其中,容積率為研究范圍內(nèi)的總建筑面積與研究范圍面積的比值;建筑密度為研究范圍內(nèi)的總建筑基底面積與研究范圍面積的比值;總墻體面積為研究范圍內(nèi)建筑墻體面積的總和;平均建筑高度為研究范圍內(nèi)所有單體建筑高度的平均值;建筑高度離散度為研究范圍內(nèi)建筑高度的標(biāo)準差;天空可視度為室外空間中未被遮擋的天空區(qū)域與半球天空面的比值.

依據(jù)村鎮(zhèn)衛(wèi)星圖與CAD總平面圖,通過地理信息系統(tǒng)(GIS)對各類指標(biāo)進行提取.使用軟件ArcGIS中的緩沖區(qū)分析模塊,在每個測點周圍以150、100、50、40、30、20、10 m為半徑創(chuàng)建圓形緩沖區(qū).將緩沖區(qū)圖層與村鎮(zhèn)建筑、水體、綠化圖層進行連接和相交處理,通過計算平均值、總和、方差的方式得出各類指標(biāo).此方法適用于計算水體率、容積率、建筑密度、總墻體面積、平均建筑高度和建筑高度離散度.水體距離采用軟件ArcGIS中的近鄰分析工具,統(tǒng)計每一測點距離水體邊界的最近距離.天空可視度(SVF)通過軟件ENVI-met的內(nèi)置模型計算,計算過程中考慮建筑與植被的影響.

2.4 多元回歸模型

為保證數(shù)據(jù)的全面性同時減少冗余,在研究范圍內(nèi)每隔20 m選取模擬數(shù)據(jù)測點,使所取數(shù)據(jù)涵蓋不同的水體、綠化與建筑形態(tài)類型,同時又避免產(chǎn)生由于數(shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致模型過擬合的情況.在研究范圍內(nèi)共取得360個測點,按照2.3節(jié)中的指標(biāo)計算方法計算水體冷卻值及其對應(yīng)的村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo).

在研究村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)與水體冷卻值的量化關(guān)系前,采用相關(guān)性分析方法對形態(tài)參數(shù)進行敏感性分析,以顯著性檢驗中的p值和皮爾遜相關(guān)系數(shù)為判斷依據(jù),分析各項影響因子對水體冷卻值變化的顯著性和重要性.依據(jù)敏感性分析結(jié)果剔除不顯著相關(guān)的變量,再對存在嚴重共線性的指標(biāo)進行剔除與精簡,將剩余變量通過逐步回歸的方法進行多元回歸分析,從而建立一個包含不同類型形態(tài)指標(biāo)的精簡模型,以便在保留關(guān)鍵自變量的同時保持對因變量的最高解釋力度.

3 結(jié)果與分析

3.1 有效性驗證

為驗證模擬結(jié)果的有效性,除常用的回歸分析外,本文還采用均方根誤差(RMSE)、平均偏差誤差(MBE)、平均絕對誤差(MAE)進行評估.MBE用于確定模擬值與實測值存在正偏差還是負偏差.MAE為模擬值與實測值之間絕對誤差的平均值,與RMSE一起用于評價模擬值和實測值之間的平均差距.

本研究對周鐵鎮(zhèn)中10個實測測點的空氣溫度、相對濕度進行了測量值與模擬值的對比驗證,每個參數(shù)的驗證均基于81對實測值與模擬值.由于本研究重點關(guān)注水體的微氣候效應(yīng),因此對水體表面溫度也進行了驗證.

圖4為實測值與模擬值的回歸分析曲線.測點Z0的水體表面溫度線性回歸決定系數(shù)R2、RSME值、MBE值、MAE值分別為0.78、1.48、-1.34、1.34.表5為單個測點與所有測點的空氣溫度和相對濕度誤差評估結(jié)果.文獻[20]指出,R2>0.69的模擬結(jié)果通常能夠準確預(yù)估實際測量值.通過回歸分析可知,空氣溫度、相對濕度、水體表面溫度的R2均大于0.69,表明模擬值與實測值之間具有較強的相關(guān)關(guān)系.此外,所有測點的空氣溫度與相對濕度RSME值分別為0.78 ℃和5.54%,水體表面溫度RSME值為1.48 ℃,均在可接受范圍內(nèi).

(a) 空氣溫度

(b) 相對濕度

(c) 水體表面溫度

模擬結(jié)果的誤差主要體現(xiàn)在趨勢和數(shù)值差異2個方面.從趨勢來看,以圖5中測點Z6的實測值與模擬值變化為例,軟件ENVI-met無法精確捕捉測試點被陰影遮蔽的瞬時狀態(tài),并將其反映到氣溫變化上,因此氣溫隨時間的變化幅度小于實測值.從數(shù)值上看,氣溫的MBE值除測點Z2和Z5外均為負值,相對濕度的MBE值除測點Z2外均為正值,表明軟件ENVI-met會低估溫度和高估相對濕度.水體溫度的MBE值均為負值,且大于空氣溫度,說明模擬結(jié)果會低估水體溫度,從而高估水體對于空氣溫度的冷卻效應(yīng).

綜上可知,實測結(jié)果與模擬結(jié)果存在一定的差異,但軟件ENVI-met的模擬結(jié)果仍可以再現(xiàn)村鎮(zhèn)內(nèi)部微氣候時空分布的重要特征.

表5 空氣溫度模擬誤差評估

圖5 測點Z6的空氣溫度實測值與模擬值對比

3.2 水體微氣候冷卻效應(yīng)分析

本文將各時刻研究范圍內(nèi)的冷卻值劃分為7個區(qū)間,統(tǒng)計每個冷卻值區(qū)間所對應(yīng)的空間面積占比,作為該冷卻值區(qū)間的空間比率.同時，統(tǒng)計各時刻研究范圍內(nèi)ΔT的最小值ΔTmin以及平均值ΔTave,結(jié)果見圖6.由圖可知,冬、夏兩季水體的存在均會使得周邊區(qū)域的空氣溫度降低,但針對不同季節(jié)和時刻、不同水體布局以及村鎮(zhèn)形態(tài),冷卻范圍和強度會表現(xiàn)出一定的差異.

由圖6(a)可知,冬季研究范圍內(nèi)ΔTmin在14:00達到全天最小值-1.247 ℃,在7:00達到全天最大值-0.372 ℃;ΔTave在14:00達到全天最小值-0.188 ℃,在7:00達到全天最大值-0.063 ℃.從ΔT的逐時空間比率分布來看,73%～93%區(qū)域的ΔT處于-0.2～0 ℃之間,并且最多僅有2%區(qū)域的ΔT達到-1 ℃以下,說明在冬季水體對空氣溫度的冷卻效應(yīng)只集中在較小的空間范圍內(nèi),且冷卻強度較小.

由圖6(b)可知,夏季研究范圍內(nèi)ΔTmin在12:00達到全天最小值-2.341 ℃,在6:00達到全天最大值-0.572 ℃;ΔTave在14:00達到全天最小值-0.323 ℃,在6:00達到全天最大值-0.107 ℃.從ΔT的逐時空間比率分布來看,57%～87%區(qū)域的ΔT處于-0.2～0 ℃之間,并且在9:00—17:00有5%以上的區(qū)域ΔT<-1 ℃,表明夏季的冷卻強度與范圍明顯大于冬季,日間的冷卻強度與范圍明顯大于夜間.

綜上所述,在四肢骨折后關(guān)節(jié)僵硬患者康復(fù)中應(yīng)用針對性護理,可有效改善關(guān)節(jié)活動度,有利于構(gòu)建和諧護患關(guān)系。

為探究同一季節(jié)相同時刻的ΔT分布,以夏季典型氣象日15:00的模擬數(shù)據(jù)為例進行分析.將水體區(qū)域設(shè)為焦點區(qū)域,沿南北方向選取觀測線L1,沿東西方向選取觀測線L2,觀測線位置見圖7.由圖可知,水體對氣溫的冷卻范圍遠大于水體所在的區(qū)域,并且隨著向村鎮(zhèn)內(nèi)部的擴展,冷卻強度逐漸下降.圖8給出了觀測線L1、L2上的ΔT分布.由圖可知,觀測線L1上的冷卻強度明顯大于L2,且處于上風(fēng)向的冷卻強度和范圍均小于下風(fēng)向.由圖8(b)可知,觀測線L1上的水體與夏季主導(dǎo)風(fēng)向形成了風(fēng)速較大的通風(fēng)廊道,而風(fēng)速的增大可增強水體的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)以及水體與周圍空氣之間的對流換熱,導(dǎo)致冷卻強度增大;觀測線L2上的水體周邊建筑密集,且與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角較大,導(dǎo)致水面上空風(fēng)速較小,冷卻強度隨之降低.由此可知,風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ谒w的冷卻效果和范圍存在較大影響.

(a) 冬季典型氣象日

(b)夏季典型氣象日

圖6 ΔT逐時空間比率分布圖

(a) ΔT空間分布

(b) 風(fēng)速風(fēng)向分布

(a) L1

(b) L2

3.3 水體冷卻值影響要素量化分析

為了進一步探究不同季節(jié)、不同時刻村鎮(zhèn)形態(tài)要素與水體冷卻值的量化關(guān)系,將測點的Δt數(shù)據(jù)劃分為冬季日間(8:00—17:00)、冬季夜間(17:00—8:00)、夏季日間(7:00—18:00)、夏季夜間(18:00—7:00),分別計算冬季日間平均冷卻值ΔTwd和冬季夜間平均冷卻值ΔTwn、夏季日間平均冷卻值ΔTsd和夏季夜間平均冷卻值ΔTsn,并將其與對應(yīng)的村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)進行相關(guān)性分析.

表6給出了不同計算半徑r時水體率指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù).統(tǒng)計結(jié)果表明,平均冷卻值與水體率呈負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.722～-0.389.平均冷卻值與水體距離呈正相關(guān)關(guān)系,與ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn的相關(guān)系數(shù)分別為0.435、0.379、0.468、0.421.水體率和水體距離是影響水體冷卻值的2個重要指標(biāo).對于不同分類的平均冷卻值而言,夏季的相關(guān)性高于冬季,日間的相關(guān)性高于夜間.ΔTwd、ΔTsd、ΔTsn與r=20 m時的水體率相關(guān)性最高,ΔTwn與r=30 m時的水體率相關(guān)性最高.

表6 水體率與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù)

表7給出了不同計算半徑時綠化率指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù).由表可知,平均冷卻值與r>20 m時的綠化率指標(biāo)存在明顯的負相關(guān)關(guān)系.其中,夏季的相關(guān)性高于冬季,日間和夜間的相關(guān)性差異較小,并且ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn均與r=150 m時的綠化率相關(guān)性最高.

表8給出了不同計算半徑時建筑指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù).由表可知,平均冷卻值與所有計算半徑下的容積率、建筑密度、總墻體面積均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,與r=150,10 m時的建筑高度離散度呈正相關(guān),與r=150,100，50，40，30，10 m時的平均建筑高度呈負相關(guān).平均冷卻值與SVF呈較強的負相關(guān)關(guān)系,與ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn的相關(guān)系數(shù)分別為-0.520、-0.458、-0.533、-0.480.對于不同分類的平均冷卻值而言,每個建筑指標(biāo)的最大相關(guān)半徑不盡相同.

表7 綠化率與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù)

在完成上述相關(guān)性分析后,利用所選村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)構(gòu)建水體冷卻值的多元線性回歸模型.首先篩選出p<0.01的指標(biāo),但其中一些指標(biāo)之間仍存在嚴重共線性問題,如容積率與建筑密度、水體率與水體距離.根據(jù)上述指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)系數(shù),剔除容積率、總墻體面積、水體距離等與水體冷卻值相關(guān)性較弱的指標(biāo).然后，將剩余指標(biāo)輸入多元回歸模型,通過逐步回歸的方法,得出多元線性回歸模型為

ΔTwd=-0.47W20-0.448G150+0.12B50-

0.058H50+0.219

(2)

0.038H50+0.132

(3)

ΔTsd=-0.871W20-0.911G150+0.195B40-

0.083H40+0.304

(4)

ΔTsn=-0.403W20-0.57G150+0.142B50-

0.07H50+0.246

(5)

式中,W20為r=20 m時的水體率;G150為r=150 m時的綠化率;B50,B40分別為r=50,40 m時的建筑密度;H50、H40分別為r=50,40 m時的平均建筑高度.

表9給出了多元線性回歸模型的各項參數(shù).由表可知,各個自變量在t檢驗中的p值均小于0.05,表明模型的回歸系數(shù)均具有顯著性;共線性檢驗中的方差膨脹系數(shù)V均小于5,表明模型不存在多重共線性問題;在模型方差檢驗中的p值均小于0.01,表明該模型具有極顯著的統(tǒng)計學(xué)意義.由各個模型的R2可知,各項形態(tài)要素對ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn的解釋度分別為59.7%、52.1%、62.2%、53.6%,其中ΔTsd的模型擬合度最高.

通過對比各模型的標(biāo)準化回歸系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),各個因素對冷卻值的影響程度由大到小依次為水體率、平均建筑高度、綠化率、建筑密度.隨著水體率、平均建筑高度、綠化率的增大以及建筑密度的減小,平均冷卻值不斷減小,水體冷卻強度不斷增大.對于不同季節(jié)、不同時刻的回歸結(jié)果而言,水體率對于日間冷卻值的影響程度大于夜間,對于夏季冷卻值的影響程度大于冬季.

表8 建筑指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù)

表9 村鎮(zhèn)形態(tài)要素與水體冷卻值多元回歸模型綜合分析

3.4 分析與討論

通過對水體冷卻效應(yīng)的時空分布特征分析發(fā)現(xiàn),夏季的冷卻范圍及強度大于冬季,日間的冷卻范圍及強度大于夜間.這也印證了Fung等[10]的研究成果:天氣狀況會對水體冷卻效果產(chǎn)生一定的影響,太陽輻射強度達到一定閾值是實現(xiàn)水體冷卻效果的必要條件.此外,風(fēng)向風(fēng)速也會對水體的冷卻范圍和強度產(chǎn)生較大影響,風(fēng)速的增大會加強這種冷卻效應(yīng),而風(fēng)向則會影響冷卻效應(yīng)的空間分布.

除氣象要素以外,r>20 m時的綠化率指標(biāo)與冷卻值存在明顯的負相關(guān)關(guān)系,說明綠化的存在能夠增強水體冷卻效果.這與文獻[9]的結(jié)論一致:藍綠空間的冷卻效果會超過單獨存在的植被或水體,這種現(xiàn)象被稱為綠化與水體產(chǎn)生的協(xié)同冷卻效應(yīng).綠化空間相比建筑空間而言較為空曠,對風(fēng)的阻擋作用較小,而水體對空氣溫度的影響主要是通過空氣對流來傳播的,因此綠化的存在能夠增大水體冷卻效應(yīng)的傳播范圍.

建筑形態(tài)要素往往通過對風(fēng)速的作用,間接影響水體冷卻效應(yīng).文獻[8]指出,容積率較低且中部存在較為寬敞通風(fēng)廊道的濱水布局通常更利于水體對于建成區(qū)域的溫度調(diào)節(jié).本文結(jié)果表明，建筑容量指標(biāo)中的容積率、建筑密度與冷卻值呈正相關(guān)關(guān)系.究其原因在于,建筑物的存在會減弱風(fēng)速,從而削減水體的冷卻效果;在建筑較為密集的區(qū)域,大量的建筑陰影已提供了較強的冷卻效果,水體的冷卻效果隨之被削減.建筑豎向指標(biāo)中的平均高度與冷卻值呈負相關(guān),說明平均高度越高,冷卻值越小,冷卻強度越大;這是因為在建筑容量相同的區(qū)域,建筑高度的增大往往導(dǎo)致風(fēng)速增大,從而影響水體的冷卻效果.

以往研究大多從定性描述的角度出發(fā),得出濱水空間形態(tài)對水體冷卻效應(yīng)的影響規(guī)律;本文則量化了各項村鎮(zhèn)形態(tài)要素對于水體冷卻效應(yīng)的影響,對比分析了這些要素之間的影響程度.本文提出的水體冷卻值多元回歸模型能夠在設(shè)計初期為村鎮(zhèn)水體空間的設(shè)計與改造提供微氣候?qū)用娴募夹g(shù)支撐.設(shè)計者可以根據(jù)不同的既有村鎮(zhèn)形態(tài)合理設(shè)置水體形態(tài),利用水體冷卻效應(yīng)人為地控制與調(diào)整村鎮(zhèn)的微氣候環(huán)境,并使該調(diào)控手段發(fā)揮最大效益.在水體形態(tài)不易被改造的情況下,設(shè)計者可以通過改變建筑與綠化形態(tài),來增強或削減水體的冷卻效應(yīng),從而達到改善室外熱舒適與減小建筑能耗的目的.然而,回歸模型中的形態(tài)要素指標(biāo)并不能完全解釋水體冷卻值的變化;這是因為風(fēng)速風(fēng)向?qū)λw冷卻效應(yīng)的空間分布有較大影響,但村鎮(zhèn)形態(tài)要素與風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系較難被量化為形態(tài)參數(shù)置入回歸方程中.因此,后續(xù)需要繼續(xù)研究形態(tài)參數(shù)計算方法,以提升模型的計算精度.

4 結(jié)論

1) 水體冷卻效應(yīng)隨季節(jié)變化、晝夜交替而發(fā)生改變.水體的夏季冷卻效果及范圍明顯大于冬季,日間冷卻效果及范圍大于夜間.

2) 風(fēng)向風(fēng)速影響水體冷卻值在村鎮(zhèn)中的空間分布.能夠與主導(dǎo)風(fēng)向形成通風(fēng)廊道的水體具有較強的冷卻效果,而走向與主導(dǎo)風(fēng)向夾角較大的水體則表現(xiàn)較弱的冷卻效果.水體下風(fēng)向的冷卻強度及范圍通常大于上風(fēng)向.

3) 通過量化分析村鎮(zhèn)形態(tài)要素與水體冷卻值的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),水體率與水體距離是影響水體冷卻值的重要因素.隨著村鎮(zhèn)空間水體率的增加以及水體距離的減小,水體冷卻強度不斷增大.建筑形態(tài)和綠化指標(biāo)同樣會對冷卻值產(chǎn)生影響,水體周邊環(huán)境中的綠化率越大、建筑密度越小,水體冷卻強度越大.

4) 適當(dāng)?shù)乃w空間設(shè)置能夠改善村鎮(zhèn)的微氣候環(huán)境,提高人體室外熱舒適性,同時有利于周圍建筑節(jié)能.對于水體自身而言,面積大且與風(fēng)向平行布置的水體具有較強的冷卻效果;對于外部空間環(huán)境而言,建筑密度低、天空開闊度大的周邊環(huán)境空間形態(tài),能夠增大水體冷卻效應(yīng)的傳播范圍;對于植被特征而言,增大水體周邊植被覆蓋率有利于產(chǎn)生水綠協(xié)同冷卻效應(yīng),進一步增強冷卻效果.因此,在實踐過程中,設(shè)計人員應(yīng)從村鎮(zhèn)整體環(huán)境出發(fā)看待水體的冷卻效果.將不同的空間要素合理地與水體要素組合在一起,才能實現(xiàn)最佳的微氣候調(diào)節(jié)效果,進而創(chuàng)造更宜居的村鎮(zhèn)室外空間.