■ 劉海萍 LIU Haiping 宋德萱 SONG Dexuan

0 引言

近年來，隨著城市化程度的提高，城市熱島問題進(jìn)一步加劇。上海全市自20 世紀(jì)90 年代以來平均氣溫上升1.1℃[1]，尤其城區(qū)表現(xiàn)出明顯的升高趨勢，位于城市中心的住區(qū)熱環(huán)境也隨之發(fā)生潛在變化；而2020年暴發(fā)的新冠疫情讓人們意識到空間環(huán)境的重要性，開始更加注重所在住區(qū)的外部公共空間，如承載著居民日常的通行及休憩活動(dòng)的道路、公共綠地、小游園等常用活動(dòng)場所，其熱環(huán)境質(zhì)量影響著居民的體驗(yàn)感、活動(dòng)行為甚至健康。面對全國目前的大規(guī)模老舊住區(qū)改造，如何更好地改善住區(qū)的室外熱環(huán)境，成為建設(shè)健康城市、提升人居環(huán)境質(zhì)量的必要課題。

1 研究方法及目的

住區(qū)熱環(huán)境受多種因素影響，包括城市氣候、住區(qū)下墊面、建筑布局、綠化、水體、季節(jié)、天氣條件、人類活動(dòng)等；而綠化控制作為其中較為經(jīng)濟(jì)且實(shí)施性強(qiáng)的方式之一，是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

目前，針對熱環(huán)境的研究方法主要有實(shí)測及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，尤以后者優(yōu)勢突出?，F(xiàn)階段常用的城市微氣候模擬軟件ENVI-met 適用于中小尺度研究，其對建模中較為復(fù)雜的綠化要素自附綠化數(shù)據(jù)庫，并且可根據(jù)高度、葉密度、根密度等參數(shù)定義新的綠化類型，針對包含綠化要素的熱環(huán)境研究是較為理想的模擬工具。在不同氣候條件下，已有研究[2-7]采用該軟件做過熱環(huán)境的相關(guān)研究。

本文的最終目的是通過實(shí)測方法探究綠化要素對住區(qū)熱環(huán)境的影響，故決定采用城市微氣候模擬軟件ENVI-met 對實(shí)測案例進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以檢驗(yàn)該軟件在住區(qū)尺度熱環(huán)境模擬應(yīng)用中的可行性與可靠性。

2 住區(qū)微氣候?qū)崪y

2.1 研究區(qū)域概況

本次研究選取上海市楊浦區(qū)同濟(jì)大學(xué)校區(qū)以南的一處典型老舊小區(qū)（圖1）為對象。上海市地處夏熱冬冷地區(qū)，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候；其最熱月在7 月，夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，冬季為西北風(fēng)。根據(jù)《上海市氣候變化監(jiān)測公報(bào)（2017 年）》對1961—2017 年上海市的氣候變化分析，在50 多年時(shí)間內(nèi)，上海地面氣溫顯著上升，高溫日增多，冬季縮短、夏季延長，熱島強(qiáng)度增強(qiáng)。在此氣候背景下，對夏季熱環(huán)境的研究顯得尤為重要。樣本小區(qū)始建于1952年，以6 層樓梯房為主，面積約19 hm2；其整體規(guī)劃受周邊城市道路的影響，建筑朝向以南偏西為主。

圖1 研究區(qū)域范圍及實(shí)景

2.2 實(shí)測方法

本次室外熱環(huán)境監(jiān)測設(shè)置28 個(gè)測點(diǎn)，參數(shù)主要包括空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速。由于測點(diǎn)較多且設(shè)備有限，實(shí)測采用多點(diǎn)流動(dòng)測試并取平均值的方式。所有測點(diǎn)高度均設(shè)置在地面上方1.5 m，沿小區(qū)內(nèi)兩條主要干道分布；且根據(jù)街道走向及分類比較，將測點(diǎn)分為A、B 兩組，即A 組測點(diǎn)（A1～A14）沿南北向街道（同三路）分布，B 組測點(diǎn)（B1～B14）沿東西向街道（濟(jì)二路）分布（圖2）。由于測點(diǎn)A2處較為開闊，周圍無綠化影響，將其設(shè)置為對照點(diǎn)；同時(shí)考慮植被因素的影響，設(shè)置多處對比測點(diǎn)（即測點(diǎn)間距離較近但綠化狀態(tài)不同，如在喬木冠層陰影內(nèi)與陰影外、草地及臨近的鋪裝上方等），以盡可能保證在其他背景因素相同或相似的狀態(tài)下進(jìn)行比較研究。

圖2 樣本住區(qū)熱環(huán)境實(shí)測點(diǎn)分布

實(shí)測時(shí)間為2017 年全年4 個(gè)不同季節(jié)的典型氣象日。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析得知，相較于其他季節(jié)，夏季實(shí)測數(shù)據(jù)在熱環(huán)境研究中更具研究意義，故本文重點(diǎn)選取夏季典型高溫日（2017 年7—8 月）實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

3 ENVI-met 理論驗(yàn)證模型

本研究采用ENVI-met V4.1 模擬軟件。為檢驗(yàn)軟件在街區(qū)尺度上的模擬精度及收斂時(shí)長，在進(jìn)行正式模擬前，需首先確定最適合的邊界條件及垂直網(wǎng)格形式。本節(jié)將采用簡化的理論檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在保證初始值不變的前提下，分別改變邊界條件及垂直網(wǎng)格尺寸，并分析比較模擬結(jié)果的異同，以獲得更佳的模擬設(shè)置條件。

3.1 理論驗(yàn)證模型

研究之初，首先通過理論檢驗(yàn)?zāi)Ｐ痛_定合適的邊界條件及垂直網(wǎng)格形式。簡化后的模型實(shí)際尺寸為86 m×94 m（X×Y），各方向單元網(wǎng)格邊長為2 m，其他各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)詳見表1。模型為兩棟高18 m 的正南北向建筑（46 m×18 m），組團(tuán)中央布置6 m 寬的綠化，綠化與建筑之間為道路。為方便模擬結(jié)果的比較，在街區(qū)中部設(shè)置3 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)a1～a3（圖3）。

表1 ENVI-met 模擬數(shù)據(jù)輸入值設(shè)置

圖3 理論檢驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫媸疽鈭D及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

3.2 確定邊界條件

ENVI-met 軟件在設(shè)定模擬條件時(shí)，有3 種不同的邊界條件（linked boundary condition，簡稱LBC）可供選擇，分別為開式、閉式及循環(huán)式。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果（圖4、5），3 種LBC 模擬所耗費(fèi)的時(shí)間基本一致。

圖4 3 種LBC 空氣溫度模擬分布圖（街區(qū)橫切面）

（1）從圖4 的溫度模擬分布看，開式邊界與循環(huán)式邊界相差不大，而閉式邊界在來風(fēng)邊界處差別相對明顯，且溫差最高可達(dá)1.0℃；除上風(fēng)向區(qū)域外，模型大部分區(qū)域溫差可控制在0.34～0.83℃范圍內(nèi)。這是由于閉式邊界沿來風(fēng)方向的模擬區(qū)域邊界值被復(fù)制到旁邊網(wǎng)格，而開式邊界受周邊區(qū)域的影響較小。另外，根據(jù)圖5 街道中部剖面的風(fēng)場顯示，3 種邊界條件對模型內(nèi)部風(fēng)速影響不大。

圖5 3 種LBC 空氣流速模擬分布圖（街區(qū)縱剖面）

（2）通過對模擬結(jié)果的數(shù)值分析可知，3 種LBC 的模擬計(jì)算結(jié)果亦比較相似。另外，開式邊界對溫度及相對濕度的控制較好；閉式邊界則有利于模擬風(fēng)環(huán)境；而循環(huán)式邊界能夠減少特定案例控制方程的迭代次數(shù)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

經(jīng)綜合比較，開式邊界受邊界的影響較小，對溫度的控制更好，且適用于溫濕度等易受太陽輻射、下墊面特征等外界條件影響的氣象參數(shù)模擬，因此在后續(xù)的模擬中，將采用開式邊界。

3.3 確定垂直網(wǎng)格形式

ENVI-met 軟件共有2 種垂直網(wǎng)格形式，即等距式和遞進(jìn)式。其中，遞進(jìn)式可以伸縮比（s）數(shù)值簡單概括。當(dāng)s＝0 時(shí)，與等距式類似；且s最大不超過20%。本小節(jié)將選取5種典型情況進(jìn)行對比，除等距式外，其他4 種情況以不同的遞進(jìn)式作為測試（表2）。其中，考慮到近地面網(wǎng)格尺寸盡量小，而遠(yuǎn)離地面處需減少網(wǎng)格數(shù)量以控制運(yùn)算量，特增加離地面20 m 以上再遞進(jìn)的方式。從表2 的數(shù)據(jù)來看，不同網(wǎng)格形式的模型總高度差別較大；然而比較模擬結(jié)果（圖6）發(fā)現(xiàn)，模型核心區(qū)域的溫度場及風(fēng)場差異并不大，尤其是不同伸縮比的遞進(jìn)式結(jié)果非常相似。

表2 不同垂直網(wǎng)格形式的離地高度單位：m

圖6 不同垂直網(wǎng)格形式下監(jiān)測點(diǎn)的空氣溫度及空氣流速

（1）在模型總高度與建筑頂端之間保證足夠距離的前提下，不同的垂直網(wǎng)格形式對溫度場及風(fēng)場的影響不大，且25 m 高度之上的風(fēng)速受地面建筑及綠化的影響大大減弱；而等距式在地面上方第一個(gè)網(wǎng)格的細(xì)分能夠在近地面分析時(shí)提供更詳實(shí)的數(shù)據(jù)，保證人行高度（1.4～1.8 m）各項(xiàng)氣候數(shù)據(jù)的采集。

（2）不同垂直網(wǎng)格形式對空氣溫度的影響明顯，溫度差異較大（溫差最高達(dá)1.1℃）；但對風(fēng)速的影響較弱。雖然各類情況在高度上存在較大差異，但整體溫度及風(fēng)速數(shù)值沿高度方向呈現(xiàn)一致的垂直變化趨勢。

由此可見，在保證足夠模型邊界尺寸的基礎(chǔ)上，等距式及不同伸縮比的遞進(jìn)式垂直網(wǎng)格對模擬結(jié)果的影響均較小，相互之間的相對誤差也都在可控范圍內(nèi)。但考慮到等距式在近地面的網(wǎng)格細(xì)分優(yōu)勢，本文接下來將優(yōu)先采用等距網(wǎng)格。

4 熱環(huán)境模擬

4.1 模擬對象及參數(shù)設(shè)置

采用ENVI-met 軟件對樣本住區(qū)進(jìn)行街區(qū)尺度模擬，將計(jì)算區(qū)域的實(shí)測數(shù)據(jù)作為邊界條件輸入，同時(shí)設(shè)定表面氣流風(fēng)速為1.5 m/s（地面以上10 m 高度） 的東南向來風(fēng)，具體參數(shù)設(shè)定如表3 所示。

表3 ENVI-met 模型邊界條件設(shè)置參數(shù)

模型運(yùn)算范圍確定為540 m×540 m，研究區(qū)域在水平方向劃分為180×180 個(gè)網(wǎng)格（分辨率dx=dy=3 m）。研究區(qū)域內(nèi)的建筑高度為18 m，為保證上部邊界的足夠高度，將模型總高度設(shè)置為58.5 m。依據(jù)上節(jié)對理論驗(yàn)證模型的分析，選擇等距型垂直網(wǎng)格形式；同時(shí)，模型內(nèi)設(shè)置的28 個(gè)采集模擬數(shù)據(jù)的監(jiān)測點(diǎn)，均根據(jù)樣本住區(qū)內(nèi)對應(yīng)的實(shí)測點(diǎn)位置確定。

樣本住區(qū)的下墊面包括水泥路面、綠地、廣場鋪裝及建筑瓦面屋頂。其中，綠地主要有以草地為主公共綠地、以梧桐樹等密葉樹為主的道路綠地及以水杉等疏葉樹為主的宅旁綠地（圖7），根據(jù)樣本住區(qū)實(shí)地調(diào)研的不同樹種分別進(jìn)行自定義。

圖7 密葉樹與疏葉樹實(shí)景及葉密度指數(shù)示意圖

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 住區(qū)溫濕度分布

對樣本住區(qū)夏季各典型高溫日的24 h 空氣溫度進(jìn)行模擬，分析氣溫變化幅度。與日間相比，整個(gè)住區(qū)在夜間的氣溫變化幅度并不顯著，這表明太陽輻射的存在會(huì)增加區(qū)域溫差值；而隨著日間不同時(shí)段太陽高度角、太陽輻射量的變化，住區(qū)整體氣溫變化幅度亦發(fā)生顯著變化。當(dāng)太陽輻射逐漸加強(qiáng)時(shí)，住區(qū)溫度也在不斷升高，且在15∶00 左右達(dá)到一天中的最高值；之后，太陽輻射逐漸減弱，住區(qū)氣溫變化幅度也隨之降低。

結(jié)合樣本住區(qū)在15∶00 的溫濕度模擬分布（圖8、9）可以看出：模擬區(qū)域內(nèi)的喬木集中布置區(qū)溫度相對更低，且對比測點(diǎn)中相鄰的綠化區(qū)與非綠化區(qū)，最大溫差出現(xiàn)在15∶00；同時(shí)，綠化區(qū)及下風(fēng)向區(qū)域的相對濕度均有所提高，且后者更明顯。

圖8 樣本住區(qū)15∶00 時(shí)空氣溫度模擬分布圖

圖9 樣本住區(qū)15∶00 時(shí)相對溫度模擬分布圖

4.2.2 熱舒適與平均輻射溫度

熱舒適評價(jià)指標(biāo)與平均輻射溫度、溫濕度、風(fēng)速等均相關(guān)，其中平均輻射溫度（MRT）反映了周邊壁面的平均表面溫度，對熱舒適影響極大。

從15∶00 的平均輻射溫度空間分布結(jié)果（圖10）來看，在住區(qū)街道區(qū)域內(nèi)，MRT呈不均勻分布，且分布情況與綠化位置及種類相關(guān)。

圖10 樣本住區(qū)15∶00 時(shí)MRT 模擬分布圖

（1）喬木可顯著減小MRT，相較其他臨近區(qū)域，種植有喬木的區(qū)域最大降幅高達(dá)20℃。

（2）中心綠化與無綠化處的MRT值則差別不大，在住區(qū)內(nèi)屬于數(shù)值明顯較高的區(qū)域。這是由于開闊的草地雖然能增加局部濕度，但對夏季空氣溫度可能有升溫的反效果，且缺少對直接輻射的干預(yù)，因而對人行高度的舒適度無明顯改善。

（3）部分區(qū)域雖不在建筑陰影以及樹蔭內(nèi)，但其MRT值仍比空曠地有一定降幅（低7℃左右）。這說明MRT除了被陰影影響外，還受其他因素影響。對比現(xiàn)狀情況發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生降幅的區(qū)域正是灌木覆蓋區(qū)，由于大部分灌木在1.5 m 高度以下，不會(huì)影響人體的直接輻射值，但灌木依然會(huì)對人行高度的MRT有降低作用，體現(xiàn)了灌木對熱環(huán)境的改善潛力；而對于同一高度，草地并未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

由此可見，綠化調(diào)節(jié)熱環(huán)境的能力會(huì)因種類的不同而顯著不同。從模擬數(shù)值看，喬木的致涼能力最佳，灌木次之，草地最不明顯。

5 實(shí)測與模擬對比

對比分析ENVI-met 模擬與實(shí)測結(jié)果，可選擇對應(yīng)測點(diǎn)或多測點(diǎn)平均值進(jìn)行比較，結(jié)果如下。

5.1 空氣溫度及相對濕度

對比不同區(qū)域測點(diǎn)（A6、A7、B6、B14）空氣溫度及相對濕度的實(shí)測與模擬數(shù)值（圖11）可以看出，空氣溫度模擬值與實(shí)測值的平均差值在0.6℃以內(nèi)，相對濕度的平均差值在5%以內(nèi)，且兩者在日間的差距相對較大。其中：測點(diǎn)A6及B14均在樹下，且后者的實(shí)測值與模擬值更為接近；測點(diǎn)A6和A7位于住區(qū)主要車行道上，日間實(shí)測時(shí)不斷有人群、車輛經(jīng)過，因而實(shí)測值的準(zhǔn)確性會(huì)受到干擾。

圖11 不同區(qū)域測點(diǎn)空氣溫度及相對濕度實(shí)測值與模擬值對比

中心綠化測點(diǎn)B4～B7距離較近，有不同的下墊面及遮蔽情況，如測點(diǎn)B5位于涼亭下方，測點(diǎn)B6位于開敞的綠地中央。對比這4 個(gè)測點(diǎn)的空氣溫度實(shí)測值與模擬值（表4），結(jié)果顯示：實(shí)測值及模擬值的溫度高低排序一致；且實(shí)測值中，溫度最高值與最低值的差值較大。究其原因，一部分是由于模型單元網(wǎng)格較大（3 m），測點(diǎn)距離較近的情況下，計(jì)算精度會(huì)受影響。因此，在重點(diǎn)研究相近測點(diǎn)時(shí)，精確細(xì)致的網(wǎng)格劃分更有助于提高準(zhǔn)確性。

作為居民主要活動(dòng)場所的中心綠化位于兩條主要道路中間，除住宅旁的小型喬木外，均為開敞的大面積草地。表5 的溫度數(shù)據(jù)顯示，草地中心區(qū)上方的空氣溫度比周邊高約0.4℃，與實(shí)測數(shù)據(jù)相符，進(jìn)一步證明大片草地并未有明顯的降溫效應(yīng)，甚至在某些情況下還會(huì)導(dǎo)致升溫。另一處街邊游園位于兩條主要車行道交叉口處，被群落豐富的喬木、灌木覆蓋，喬木下方的溫度比草地平均低0.8℃；而該區(qū)域在5 m 以下高度為枝葉繁茂的灌木，風(fēng)速在此被阻擋減弱，溫度普遍比高大喬木下方高0.2℃，MRT值也相差更大。另外，模擬區(qū)域東側(cè)邊界的圍合庭院以高度在18 m 以上的水杉樹為主，樹下空間較開闊。從模擬結(jié)果看，由于半圍合開口朝向來風(fēng)方向，15∶00 受高溫來風(fēng)影響，整片區(qū)域并未與實(shí)測的涼爽感覺全然吻合。因此，若以靠近模型邊界的區(qū)域作為研究對象，仍需將附近現(xiàn)存建筑考慮其中，以避免模擬邊界對來風(fēng)的不當(dāng)影響。

表5 樣本住區(qū)中心廣場、街邊游園及圍合庭院15∶00 的空氣溫度、風(fēng)速模擬對比

5.2 相關(guān)性分析

實(shí)測階段共設(shè)置28 個(gè)測點(diǎn)，模擬則可提取任一網(wǎng)格的氣候數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS，對測點(diǎn)所在位置的空氣溫度實(shí)測值及模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。為排除極端數(shù)據(jù)的影響，取同一測點(diǎn)在夏季典型天氣的平均值進(jìn)行研究（圖12）。結(jié)果顯示：① 空氣溫度的實(shí)測值與模擬值存在顯著相關(guān)關(guān)系（R2=0.727，P＜0.001），數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的趨勢相同、大小基本相符；②兩者空氣溫度的平均差值在0.6 ℃以內(nèi)，證明了模型預(yù)測空氣溫度指標(biāo)的準(zhǔn)確性。偏差的存在可能與實(shí)測的準(zhǔn)確度有關(guān)，也可能是受到不包含在模擬中的其他因素影響，如人為活動(dòng)、交通熱量釋放等。這表明ENVI-met 模擬對含有綠化要素的室外熱環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的描述是準(zhǔn)確的，可較好地預(yù)測室外溫度及相對濕度的分布情況。

圖12 空氣溫度實(shí)測值與模擬值相關(guān)性分析

6 結(jié)語

本文主要是針對上海典型住區(qū)的熱環(huán)境研究，由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜性，實(shí)地測量過程中會(huì)受到多種因素的干擾，如人行、車流及其他潛在要素的影響，因此實(shí)測數(shù)據(jù)是在多種自然及社會(huì)因素共同作用下的結(jié)果。當(dāng)研究者需要對某一要素進(jìn)行深入探究時(shí)，實(shí)測方法存在不可逾越的局限性；而軟件模擬可人為設(shè)定環(huán)境特征值，根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同案例進(jìn)行對比，可彌補(bǔ)實(shí)測的不足，由此成為微氣候量化研究的有效方法。

本研究在對樣本住區(qū)模擬前，先通過理論驗(yàn)證模型分析，選擇合適的邊界條件及垂直網(wǎng)格形式；后采用SPSS 軟件將得到的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，并進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，二者結(jié)果接近，具有顯著相關(guān)性，證實(shí)了ENVI-met 軟件在室外熱環(huán)境模擬方面的可靠性，且該軟件所得的微氣候數(shù)據(jù)全面、清晰，可為設(shè)計(jì)決策提供良好依據(jù)。在今后的研究中，將致力于提煉綠化的可控要素進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步對綠化影響熱環(huán)境的機(jī)制進(jìn)行研究。