綠地空間分布格局對(duì)城市熱環(huán)境影響的數(shù)值模擬分析——以太原市為例

劉艷紅,郭晉平 (山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西 太谷 030801)

綠地空間分布格局對(duì)城市熱環(huán)境影響的數(shù)值模擬分析
——以太原市為例

劉艷紅,郭晉平*(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山西 太谷 030801)

為探尋綠地分布格局對(duì)城市熱環(huán)境的影響程度及方式,結(jié)合遙感技術(shù),運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法,對(duì)城市中五類常見(jiàn)的綠地布局形式的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果表明:將CFD技術(shù)引入城市熱環(huán)境研究,利用遙感技術(shù)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)修正,這一思路是可行的;根據(jù)典型綠地分布格局的熱環(huán)境模擬分析,楔狀格局具有較好的熱環(huán)境效應(yīng),即該格局在城市中的降溫效果最為明顯;放射狀和條帶狀的次之;點(diǎn)狀格局對(duì)周邊環(huán)境的降溫效果相對(duì)較弱,但其速度場(chǎng)內(nèi)局部漩渦最為明顯,在小范圍內(nèi)的降溫效果是比較明顯的,可以作為改善局部小氣候的手段;環(huán)狀格局降溫效果最弱.

綠地分布格局；城市熱環(huán)境；CFD數(shù)值模擬；遙感技術(shù)

20世紀(jì)以來(lái),城市化進(jìn)程中密集的人類活動(dòng)對(duì)城市景觀格局的改造已經(jīng)導(dǎo)致了諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,其中城市熱環(huán)境問(wèn)題尤為突出[1-3],城市綠地在改善城市熱環(huán)境問(wèn)題的過(guò)程中起到非常重要的作用,然而城市中用地緊張的現(xiàn)狀不能滿足單一的綠地面積擴(kuò)增,因此在有限地增加綠地面積的同時(shí),合理優(yōu)化城市綠地景觀格局,提高綠地系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)就成了改善城市熱環(huán)境問(wèn)題的重要思路[4-6].

為了在最大限度上發(fā)揮城市綠地對(duì)熱環(huán)境的改善緩解作用,本研究借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬方法,以山西省太原市為研究對(duì)象,對(duì)幾類常見(jiàn)的綠地布局形式在改善熱環(huán)境中的作用進(jìn)行了模擬分析,旨在探尋城市綠地空間分布格局對(duì)熱環(huán)境的影響程度及影響方式,以尋求提高城市綠地生態(tài)效應(yīng)的有效途徑,為日后的綠地建設(shè)提供一些借鑒.

使用 CFD模擬評(píng)價(jià)城市熱環(huán)境已較為普遍

[7-8],但以往的城市熱環(huán)境模擬大多是對(duì)某一典型區(qū)域進(jìn)行數(shù)字建模,并模擬出該區(qū)域的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù),并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較,用以定量描述熱環(huán)境的特征以及預(yù)測(cè)其發(fā)展態(tài)勢(shì)

[9-10].本文在傳統(tǒng)的框架中引入植物模型,進(jìn)而建立典型綠地分布格局的數(shù)學(xué)模型,并利用遙感技術(shù)的相關(guān)參量和結(jié)果對(duì)CFD模型的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行修正,以進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1 模型建立與參數(shù)選擇及修正

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù),就是應(yīng)用各種數(shù)學(xué)方法,進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究.在城市熱環(huán)境的研究中,運(yùn)用 CFD技術(shù)對(duì)一定空間中的氣流組織進(jìn)行模擬,通過(guò)建立數(shù)學(xué)物理模型,根據(jù)提供的合理邊界條件和參數(shù),可以對(duì)區(qū)域空氣流動(dòng)形成的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬,直觀顯示其設(shè)計(jì)結(jié)果,并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)其可行性和合理性進(jìn)行分析研究,不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.但是,CFD技術(shù)在城市尺度的研究上也存在著參數(shù)不好設(shè)置、驗(yàn)證較為困難等問(wèn)題.本研究利用遙感技術(shù)的相關(guān)參量和結(jié)果對(duì)CFD模型的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行修正.

大氣在自然界中的流動(dòng)大多是紊流,紊流脈動(dòng)動(dòng)能由切應(yīng)力產(chǎn)生的紊流脈動(dòng)動(dòng)能和樹冠尾流紊流特性的能量?jī)刹糠纸M成.在三維絕熱平均動(dòng)量方程和質(zhì)量守恒方程的基礎(chǔ)上,可以用以下控制方程描述:

(1)連續(xù)方程

(2)動(dòng)量方程

(3)能量方程

(4) 湍流輸運(yùn)方程

式中: ρ為流體的密度;t為時(shí)間; υ→是速度矢量; p為流體微元體上的壓力; τxx、τxy和τxz等是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量; Fx、Fy和Fz是微元體上的體積力; cp為比熱容; T為溫度;k為流體的傳熱系數(shù);ST為黏性耗散項(xiàng);φ′為通用變量;Г為廣義擴(kuò)散系數(shù); S為廣義源項(xiàng).

控制方程采用三維雷諾時(shí)均N-S方程,選用RNG k-ε湍流模型組成的封閉方程組.近壁處理采用固壁無(wú)滑移假設(shè)[11],并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理.模型常數(shù)為:k=0.039,ε=0.19,Cμ=0.0845,C1= 1.42,C2=1.68.

1.1 CFD植物數(shù)學(xué)模型的建立

植物冠層對(duì)流場(chǎng)的影響在于減小風(fēng)速,增大湍流效果.自然界的植物是多種多樣的,為了計(jì)算簡(jiǎn)單,必須對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化:把植物當(dāng)成多孔介質(zhì)處理,將樹冠部分考慮為一體,即將樹枝近似為樹葉;將樹干近似為密度非常稀疏的樹冠.不同形狀的樹冠形狀對(duì)流場(chǎng)的影響也有所不同,李亮等[12]針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)樹冠模型做了逐步簡(jiǎn)化,認(rèn)為采用長(zhǎng)方體模型通過(guò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整,就能夠得到比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,而且具有建模簡(jiǎn)便、計(jì)算快捷、收斂性好等優(yōu)點(diǎn).因此,本研究植物就采用長(zhǎng)方體模型,將喬木描述為:樹干高3m、直徑為0.3m的圓柱體,樹冠高4m、長(zhǎng)寬各3m的長(zhǎng)方體;灌木描述為高1m,長(zhǎng)2m,寬1m的長(zhǎng)方體;草本地被的高度近似為0.

1.2 參數(shù)選擇與修正

建立起數(shù)學(xué)模型以后,需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)才可以進(jìn)行計(jì)算.傳統(tǒng)的CFD模型參數(shù)設(shè)置是大多以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和已收集到的基礎(chǔ)資料為依據(jù),雖然大致可以反映模擬區(qū)域的實(shí)際情況,但是不準(zhǔn)確,尤其是在城市大尺度的研究中,人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的同步性和空間代表性較差,為模型參數(shù)的合理設(shè)置增加了諸多的困難.因此,結(jié)合遙感技術(shù)對(duì)在CFD模擬的參數(shù)設(shè)置的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行修改和調(diào)節(jié)是非常必要的.

為了設(shè)置合理的參數(shù),得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,根據(jù)2008年9月16日的TM遙感影像(分辨率 30m),選擇一典型綠地,建立其植物的數(shù)學(xué)模型,并以包含其綠地空間的長(zhǎng)方體區(qū)域作為計(jì)算域,在建模完成后,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,進(jìn)而針對(duì)綠地及地面等仿真對(duì)象設(shè)置其邊界條件;將計(jì)算結(jié)果與遙感影像中提取到的相應(yīng)點(diǎn)的地表溫度相比較,并根據(jù)差異進(jìn)行參數(shù)的修正,直到兩者有較好的吻合.

地表輻射溫度反演采用遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGING8.7進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,在此基礎(chǔ)上利用其空間建模工具建立地表溫度反演模型,進(jìn)而得到地表溫度.其輻射溫度反演函數(shù)為:1260.56/LOG{1+[60.776/(0.1238+0.00563156 ×$n1_6)]}-273(因?yàn)槭街械慕Y(jié)果溫度是開氏溫度,在輻射溫度模型中減去273生成攝氏溫度).

對(duì)建模后的包含綠地空間的長(zhǎng)方體計(jì)算域采用GAMBIT軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,由于綠地植物類型不同,且其形狀較復(fù)雜,為使計(jì)算網(wǎng)格更好地描述模型的結(jié)構(gòu)特征,采用對(duì)復(fù)雜邊界適應(yīng)性強(qiáng)的混合網(wǎng)格.同時(shí),對(duì)植物表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.劃分的網(wǎng)格總數(shù)為 89萬(wàn),所有網(wǎng)格扭曲率都小于0.92.

流體運(yùn)動(dòng)的控制方程選用三維雷諾時(shí)均N-S方程,內(nèi)部流場(chǎng)模擬采用分離隱式求解器,選取RNG k-ε湍流模型,模型系數(shù)采用默認(rèn)值.差分格式中,壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式,動(dòng)量方程、湍動(dòng)能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用二階迎風(fēng)差分格式,壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法.求解過(guò)程中各松弛因子為:壓力項(xiàng) 0.3,速度項(xiàng) 0.7,湍動(dòng)能項(xiàng)0.039,湍流耗散項(xiàng)0.19.

在計(jì)算范圍入口,其邊界條件設(shè)定為速度入口(velocity inlet),以該區(qū)域夏季季風(fēng)風(fēng)向東南風(fēng)、風(fēng)速5m/s進(jìn)行設(shè)定,而下游出口部設(shè)定為壓力出口(pressure outlet),地面的邊界條件設(shè)定為墻面(wall=0.0001),其余部分的邊界條件則采以對(duì)稱(symmetry)設(shè)定.將計(jì)算結(jié)果與遙感影像上提取的地表輻射溫度相比較(圖 1),可以看出CFD模擬值與實(shí)測(cè)值具有一定的偏差,兩者的吻合性較差,需進(jìn)一步對(duì)模擬的參數(shù)值進(jìn)行修正.

圖1 傳統(tǒng)設(shè)置下的CFD模擬溫度與地表實(shí)際溫度對(duì)比Fig.1 The chart of actual surface temperature and CFD simulation temperature based on traditional settings

1.2.1 進(jìn)口風(fēng)速的修正 風(fēng)在大氣邊界層中情況較為復(fù)雜,按照高度的變化,會(huì)有逐漸變化的趨勢(shì),形成具有一定規(guī)律的風(fēng)輪廓線.因此在垂直方向上保持風(fēng)速不變不大合理,需要隨著高度升高設(shè)置不同風(fēng)速值[13].在 CFD 模擬設(shè)置中,在進(jìn)風(fēng)口取多個(gè)點(diǎn)的(X,Y,Z)三維坐標(biāo),并按照不同高度的風(fēng)速變化情況設(shè)置這些點(diǎn)的風(fēng)速值,計(jì)算機(jī)將按照所提取點(diǎn)的風(fēng)速值和位置插值計(jì)算其他點(diǎn)位的風(fēng)速值,因此預(yù)先設(shè)置的點(diǎn)對(duì)越多越好.

1.2.2 地表反射率的修正 這個(gè)參數(shù)在遙感灰度圖中經(jīng)過(guò)大量的選點(diǎn)研究,可知建筑的比輻射率一般在 0.975左右;其次需要設(shè)置地表粗糙度長(zhǎng)度,地表粗糙度長(zhǎng)度表征下墊面粗糙狀況的一個(gè)特征長(zhǎng)度,體現(xiàn)各種下墊面對(duì)地表附近的風(fēng)環(huán)境運(yùn)動(dòng)起到干擾的范圍,從求取的灰度圖上進(jìn)行大量的選點(diǎn)分析得出的平均值,可以提取出不同區(qū)域的對(duì)應(yīng)地表粗糙度長(zhǎng)度值.

1.2.3 綠地?zé)彷椛涞男拚?按照原有的設(shè)置方法,綠地作為城市體塊,與建筑體塊相比,僅是具有較低的溫度,并不能很好地反映蒸騰作用對(duì)熱環(huán)境的改善作用,也不能很好的顯示綠地對(duì)周邊風(fēng)環(huán)境的影響.因此CFD模擬的深化設(shè)置中需要近似模擬這種下墊面較低的溫度和所引起的較弱的空氣運(yùn)動(dòng).由于CFD軟件中還沒(méi)有提供針對(duì)植被的參數(shù)設(shè)置,采用CFD模型中的openning數(shù)字體塊作為代表植被的媒介,將城市中較大面積的綠地專門進(jìn)行設(shè)置.引入遙感參數(shù),首先從地表溫度圖上獲得所模擬植被的地表溫度狀況,作為openning的表面溫度設(shè)置,然后從地表蒸散圖中抽取相應(yīng)的綠地蒸騰量對(duì)表示綠地的 openning進(jìn)行設(shè)置并近似模擬微弱的空氣運(yùn)動(dòng)以體現(xiàn)這些下墊面在空氣流動(dòng)中的作用.本研究重點(diǎn)探討的是綠地的布局形式對(duì)其熱環(huán)境的影響,對(duì)于綠地自身的蒸騰作用,在文中設(shè)定為理想狀態(tài)即各種格局蒸騰作用完全相同.

圖 2為模型中所取樣點(diǎn)經(jīng)參數(shù)修正后的CFD模擬溫度與地表實(shí)際溫度對(duì)比曲線.引用公式(5),計(jì)算各個(gè)樣點(diǎn)經(jīng)參數(shù)修正后的 CFD模擬與實(shí)測(cè)溫度的相對(duì)誤差值.通過(guò)計(jì)算得出10個(gè)不同樣點(diǎn)的平均相對(duì)誤差為3.6%,模擬結(jié)果的可信程度較高.

圖2 修正后的CFD模擬溫度與地表實(shí)際溫度對(duì)比Fig.2 The chart of actual surface temperature and CFD simulation temperature based on changing parameters

利用遙感熱環(huán)境分析的一些思想和結(jié)論修改部分CFD設(shè)置,使其更符合熱環(huán)境的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),經(jīng)過(guò)選點(diǎn)對(duì)比研究(圖 2),并進(jìn)行各取樣點(diǎn)的相對(duì)誤差計(jì)算,其值均小于 6%,可以看出兩者的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)、熱環(huán)境關(guān)系具有一致性.由于地表溫度圖的遙感求取方法精度較高,可以認(rèn)為此時(shí) CFD 模擬結(jié)果較為合理,由此可以該狀態(tài)下的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行城市綠地的熱環(huán)境模擬分析.

2 綠地分布格局的熱環(huán)境效應(yīng)模擬分析

在城市綠地中,常見(jiàn)的布局格式有以下幾種:點(diǎn)狀結(jié)構(gòu);帶狀結(jié)構(gòu):包括如條帶狀、環(huán)狀、放射狀等;楔狀結(jié)構(gòu):楔狀結(jié)構(gòu)是指綠地分布由郊區(qū)伸入到市中心,呈現(xiàn)出從寬到窄的綠帶.這種結(jié)構(gòu)多為利用河流、起伏的地形、放射干道等并結(jié)合市郊農(nóng)田、防護(hù)林而形成的;混合式結(jié)構(gòu):由前三種結(jié)構(gòu)綜合而成,可以做到城市綠地點(diǎn)、線、面結(jié)合,形成較完整的體系(圖3).

圖3 城市綠地布局的基本形式Fig.3 The basic forms of distribution of urban green space

根據(jù)綠地分布格局,結(jié)合前文中的植物模型,運(yùn)用AutoCAD軟件選擇在500×1000m的區(qū)域內(nèi),建立以上 5種常見(jiàn)的綠地分布典型格局的數(shù)學(xué)模型.為了對(duì)不同分布格局的降溫效應(yīng)做比較,建模時(shí)把綠地面積定義為實(shí)際計(jì)算面積的 50%,以此作為控制指標(biāo).模型建立后,采用 Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為下一步 CFD計(jì)算做準(zhǔn)備.CFD計(jì)算所進(jìn)行的參數(shù)選擇,通過(guò)參數(shù)修正的方法逐一設(shè)置.經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算,輸出距地面為2m高度水平面上的溫度場(chǎng)及風(fēng)速場(chǎng).

利用CFD進(jìn)行城市熱環(huán)境分析,主要利用風(fēng)環(huán)境作為城市熱環(huán)境變化的主要流通手段.而且城市的熱島效應(yīng)也是依靠通風(fēng)狀況來(lái)進(jìn)行緩解.因此城市熱環(huán)境的分布格局與城市風(fēng)環(huán)境息息相關(guān).本文重點(diǎn)分析幾類典型綠地分布格局的內(nèi)部溫度場(chǎng)(即綠地內(nèi)部的自身熱量交流)和風(fēng)速場(chǎng)(即綠地與外部環(huán)境的熱量交換)兩方面的問(wèn)題.

2.1 溫度場(chǎng)分析

在設(shè)定邊界溫度相等的情況下,經(jīng)過(guò)內(nèi)部的熱量交換后,溫度較低并趨于平均的區(qū)域,說(shuō)明其內(nèi)部熱交換充分,綠地格局自身的通透性較好,反之亦然;而溫差較大的區(qū)域,則反映出區(qū)域內(nèi)熱交換弱,綠地對(duì)其周邊環(huán)境的影響力較弱.

從各類綠地分布格局的溫度場(chǎng)模擬圖(圖4)可以看出:點(diǎn)狀格局只有在植被分布密集的區(qū)域即植被覆蓋率較高的情況下,內(nèi)部熱交換頻繁,溫度較低;“點(diǎn)”與“點(diǎn)”之間也有一定的熱量交換,溫度介于綠地內(nèi)外之間,并且呈現(xiàn)出相鄰兩“點(diǎn)”面積越大,對(duì)“點(diǎn)”之間區(qū)域的溫度影響越明顯;而在總體點(diǎn)狀綠地外圍,溫度較進(jìn)口平均溫度高,離進(jìn)口較遠(yuǎn)的區(qū)域,高溫現(xiàn)象尤為明顯.條帶狀分布格局中總體溫度較低,在兩條綠帶所形成的廊道里低溫效應(yīng)尤為明顯,這也與景觀生態(tài)學(xué)中的廊道效應(yīng)理論相吻合.在環(huán)狀分布格局中,模擬區(qū)域的總體溫度偏高,低溫區(qū)域主要集中在環(huán)形綠地帶之間及其下風(fēng)方向,這與環(huán)形綠帶形狀相對(duì)閉合,較難形成相互間的熱交換有關(guān).放射狀分布格局和楔狀格局的溫度場(chǎng)分布有一定的相似之處,模擬區(qū)域內(nèi)總體溫度較低,可以成為緩解城市熱環(huán)境的“冷源”,而且在綠地的下風(fēng)方向形成較大面積的“極低溫”冷源區(qū),在楔狀格局中這種現(xiàn)象更為突出.

圖4 溫度場(chǎng)模擬Fig.4 Simulation diagram of temperature field

將各類分布格局的溫度模擬圖,按照溫度等級(jí)分為高溫區(qū)、較高溫區(qū)、中溫區(qū)(等于設(shè)置的進(jìn)口溫度)、較低溫區(qū)、低溫區(qū),統(tǒng)計(jì)其所占面積百分比并計(jì)算整個(gè)模擬區(qū)域的均溫,可以發(fā)現(xiàn):低溫區(qū)、較低溫區(qū)面積所占比例有如下規(guī)律,楔狀格局＞放射狀格局＞條帶狀格局＞點(diǎn)狀格局＞環(huán)狀格局,而高溫區(qū)和較高溫區(qū)則反映為,點(diǎn)狀格局＞環(huán)狀格局＞放射狀格局＞楔狀格局＞條帶狀格局.這說(shuō)明:條帶狀格局內(nèi)部熱交換頻繁,使之內(nèi)部溫度趨于較低但比較均勻的狀態(tài),而楔狀格局次之,也是一種理想的布局形式,點(diǎn)狀格局模擬區(qū)域內(nèi)溫差較明顯,植被覆蓋集中的區(qū)域溫度明顯較低,而其他區(qū)域則要高于平均溫,環(huán)狀格局則處于整個(gè)區(qū)域均溫最高的位置,該布局形式通透性不好,內(nèi)部的熱交換較緩.

2.2 速度場(chǎng)分析

在設(shè)定的進(jìn)口(右側(cè))風(fēng)速相等的情況下,下風(fēng)出口方向風(fēng)速越大,綠地與外界的熱交換越強(qiáng),如果其內(nèi)部均溫較低,則對(duì)周邊環(huán)境的降溫效果越明顯;速度漩渦越明顯,則反映出相應(yīng)區(qū)域的風(fēng)速較大,局部熱交換強(qiáng)烈,一般情況下,速度其對(duì)應(yīng)的是模擬區(qū)域內(nèi)的低溫區(qū).

圖5 速度場(chǎng)模擬Fig.5 Simulation chart of velocity field

從各類綠地分布格局的速度場(chǎng)模擬圖(圖5)可以看出,出口風(fēng)速有以下的規(guī)律:楔狀格局＞放射狀格局＞條帶狀格局＞點(diǎn)狀格局＞環(huán)狀格局,結(jié)合圖4可以認(rèn)為:楔狀格局對(duì)周圍熱環(huán)境有著較好緩解作用,其自身內(nèi)部熱交換充分,總體溫度較低,出口方向風(fēng)速較大,與外界可以形成很好地交流;放射狀和條帶狀次之,當(dāng)然條帶狀格局要發(fā)揮較好的熱環(huán)境效應(yīng),必須是綠帶排列方向與盛行風(fēng)向平行;點(diǎn)狀格局對(duì)周邊環(huán)境的降溫效果要弱些,但其速度場(chǎng)內(nèi)局部漩渦最為明顯,這說(shuō)明點(diǎn)狀格局中的各“綠點(diǎn)”(即組成該格局的各塊綠地)在小范圍內(nèi)的降溫效果還是比較明顯的,可以作為改善局部小氣候的手段;環(huán)狀格局降溫效果最弱,內(nèi)部均溫較高,出口風(fēng)速較小,與外界的熱交換既不充分也不能帶來(lái)明顯的降溫效果,但如果防風(fēng)林等防護(hù)類綠地用此類分布格局,則能減少綠地內(nèi)外的能量交換,起到較好的作用.

3 建議

在城市綠地建設(shè)中,在條件允許的情況下,楔形綠地可以作為城市綠地建設(shè)的首選形式,以實(shí)現(xiàn)城市綠地良好的生態(tài)效應(yīng);而點(diǎn)狀格局形式自由靈活,可以作為改善局部小氣候的手段;環(huán)狀格局則是防風(fēng)林等防護(hù)類綠地用的理想布局形式.

本文只對(duì) 5種典型的常見(jiàn)綠地分布格局做了模擬分析,當(dāng)然,在實(shí)際的綠地規(guī)劃建設(shè)中,受現(xiàn)實(shí)因素所限,綠地布局形式是多種多樣的,這就需要規(guī)劃時(shí)結(jié)合現(xiàn)狀條件,靈活布置.總的來(lái)說(shuō),選用模擬的綠地空間分布格局類型中速度漩渦明顯,自身均溫較低的與出口風(fēng)速較大,能促使綠地內(nèi)外熱量迅速交換的格局相結(jié)合,一定能達(dá)到較為理想的降溫效果.

4 結(jié)論

4.1 運(yùn)用CFD模擬方法,結(jié)合遙感技術(shù),來(lái)探討城市綠地分布格局對(duì)其熱環(huán)境的影響,這一思路是可行的.

4.2 在常見(jiàn)的城市綠地布局形式中,降溫效應(yīng)由強(qiáng)到弱依次為:楔狀、放射狀和條帶狀、點(diǎn)狀、環(huán)狀.由此說(shuō)明,在楔狀格局有良好的聯(lián)通性,能夠較強(qiáng)地實(shí)現(xiàn)景觀生態(tài)中的“廊道效應(yīng)”,而放射狀和條帶狀(綠帶排列方向與盛行風(fēng)向平行時(shí))也有類似的特征;點(diǎn)狀格局由于其面積較小,難以在大尺度上對(duì)熱環(huán)境有明顯的影響,但在小范圍內(nèi)還是有一定的降溫效果;環(huán)狀格局的聯(lián)通性最弱,能量交換不頻繁,對(duì)周圍熱環(huán)境的影響不明顯.

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Numerical simulation for the influence of green space patterns on urban thermal environment: Taking Taiyuan City as an example.

LIU Yan-hong, GUO Jin-ping*(The Forestry College, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China). China Environmental Science, 2011,31(8)：1403～1408

The temperature and velocity fields of five common forms for urban green space pattern were simulated by CFD and remote sensing technology, in order to find the influence extent and the influence way of green space pattern on urban thermal environment. The result shows that it is feasible that CFD numerical simulation technology can be introduced to the study of urban thermal environment, with remote sensing technology to modify the parameters of the CFD model. From the simulation analysis of urban thermal environment based on the typical green space patterns, the following results can be got: Wedge-shaped pattern has the best thermal environment effect, in other words, the cooling effect of wedge-shaped pattern is the strongest for urban; the cooling effect of radial and banded pattern follows after wedge-shaped pattern; the cooling effect of point pattern is relatively weak; and the cooling effect of ring pattern is the weakest. Although the cooling effect of point pattern is relatively weak, the local vortex of velocity fields is the most obvious, so it can be used a means to improve the local micro-climate. Base on the study results, some corresponding proposals for urban green space planning and constructing are posed.

green space pattern；urban thermal environment；CFD numerical simulation；remote sensing technology

X144

A

1000-6923(2011)08-1403-06

2011-02-10

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2008010)

* 責(zé)任作者, 教授, jinpguo@sohu.com

劉艷紅(1978-),女,山西嵐縣人,講師,碩士,主要從事城市景觀生態(tài)及園林規(guī)劃設(shè)計(jì)研究.發(fā)表論文10余篇.