基于ENVI-met模擬的南京典型歷史街區(qū)微氣候數(shù)值分析

楊 陽，唐曉嵐，吉倩妘，孫梅霞

（南京林業(yè)大學 風景園林學院，江蘇 南京 210037；2.東南大學 建筑學院，江蘇 南京210096）

城市歷史街區(qū)作為公眾活動高度集聚的公共空間，其微氣候的質量對市民體驗和感知城市有重要的影響。歷史街區(qū)在形成與改造的過程中，因地制宜地充分考慮了人、城市、建筑、地、水、植物、風、空氣等因素，其所處位置、布局形態(tài)等因素真實記錄了當?shù)丨h(huán)境的微氣候數(shù)據(jù)和原始格局，因而呈現(xiàn)出街區(qū)間差異明顯的微氣候。氣象學中通常會根據(jù)空間尺度的不同將氣候分為大氣候、中氣候、局地氣候和微氣候[1]。微氣候指的是小尺度范圍內的氣候狀況，包括溫度、風速、相對濕度和太陽輻射等氣候因子，這些氣候因子通常會受到大氣與下墊面之間的熱過程變化的影響[2]。

20世紀70年代開始，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提出，國際學者展開了室外不同領域微氣候的研究。Ferdinando Salata等人通過將模擬輸出與實測數(shù)據(jù)相結合探討了室外微氣候與人體舒適度研究[3]；Farzaneh Soflaei等人研究了伊朗傳統(tǒng)庭院空間微氣候與庭院朝向、規(guī)模、比例大小之間的相關性[4]；Meredith Martin P等人對舊金山常見的樹種對微氣候的影響進行了分析[5]；Marianna Tsitoura等人量化分析了影響城市夏季露天氣候的相關因子[6]。在微氣候研究不斷發(fā)展的當前，針對城市歷史街區(qū)實證研究顯得相對缺乏[7－8]，且研究多側重考慮溫度、風速等單一氣候要素。為此，本文就南京市老門東歷史街區(qū)內部不同的四個區(qū)域對微氣候多因子展開模擬分析，結合實地人體熱感覺問卷調查分析，探討歷史街區(qū)空間特征與城市微氣候關聯(lián)性，進而為街區(qū)微氣候環(huán)境的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究對象

南京位于長江下游，地理坐標為31°14'-32°37'N，118°22'-119°14'E。地處北亞熱帶季風氣候，年降水量1 200 mm，年平均溫度15.4℃，年最高溫度39.7℃，最低溫度－13.1℃。如圖1所示，本研究對象為老門東歷史街區(qū)，位于南京市秦淮區(qū)中華門以東，是傳統(tǒng)民居聚集地，集中體現(xiàn)了南京老城傳統(tǒng)民居的街區(qū)風貌。街區(qū)北起長樂路、南抵明城墻、東至江寧路，總占地面積約70萬m2。選取街區(qū)內4塊具有典型性的空間作為微氣候水平分布的研究樣地，并在每塊樣地內部相對中心位置設置觀測點（見圖2和表1）。

圖1 老門東歷史街區(qū)研究區(qū)域平面圖

圖2 研究區(qū)ENVI-met2D模型及選擇樣地空間、觀測點

表1 研究街區(qū)空間類型和觀測點坐標

1.2 模擬軟件

本研究選擇的Envi-met4.0軟件是由德國學者開發(fā)的非商業(yè)數(shù)值模擬軟件，是首個在流動力學、熱力學及城市氣象學等相關規(guī)律基礎上對城市微氣候環(huán)境的影響因子進行整體數(shù)值模擬的軟件。軟件主要用于中小尺度模式的城市微氣候模擬，模擬結果與實測數(shù)據(jù)的相關性已得到國內外學者的廣泛證實[9-11]。Envi-met軟件有以下優(yōu)點：（1）可同時模擬溫度、風速、濕度等參量的空間、時間分布；（2）空間分辨率最小可達到0.5 m，便于展開對小尺度步行街的研究；（3）能夠考慮到綠化植被對城市微氣候的影響。

1.3 模擬參數(shù)

基于Envi-met4.0軟件對老門東歷史街區(qū)在2017年7月23日的微氣候展開模擬，模擬時間為0:00－24:00，根據(jù)南京氣象數(shù)據(jù)資料設定相同初始模擬氣象參數(shù)，初始在凌晨0點溫度30℃，相對濕度89%，風速3.6 km/h，風向西北。當日最高溫度在14點為40℃，最低溫度在凌晨3點為28℃（見表2和圖3）。

表2 模擬的研究區(qū)域基本地理信息

圖3 7月23日南京市二十四小時溫度、濕度、風速變化

2 結果與分析

對老門東街區(qū)的微氣候模擬，從微氣候各項數(shù)值隨時間動態(tài)變化和水平空間分布角度分析街區(qū)內部氣象變化信息，各氣候要素水平空間分布選擇下午變化幅度較大的14點、16點、18點3個時間點,微氣候數(shù)值輸出高度選擇接近人體的1.8 m。

2.1 溫度時空分布

2.1.1 溫度水平空間分布

14點、16點、18點街區(qū)溫度空間分布差別較大（見圖4-圖6，圖中不同顏色表示的溫度范圍區(qū)間不一致，下同）。14點，街區(qū)不同空間內部的溫度高低分布為：CY＜ST＜SD＜RP；16點、18點，不同空間內部溫度高低分布為：ST＜SD＜CY＜RP。CY、ST空間較其他空間溫度低，這與歷史街區(qū)建筑墻體間相互阻擋，使太陽輻射減少，局部小氣候特征充分展現(xiàn)有關。

圖4 14：00街區(qū)內部溫度分布圖

圖5 16：00街區(qū)內部溫度分布圖

圖6 18：00街區(qū)內部溫度分布圖

2.1.2 溫度隨時間動態(tài)變化

街區(qū)在當日1-23點之間溫度變化分別是：4個觀測點溫度均屬于穩(wěn)步增長，最低溫度一般都出現(xiàn)在凌晨 0-7點， 在 15點溫度同時達到最高值，ST1、CY2、SD3、RP4觀測點最高溫度分別為：38.079、37.742、38.234、38.870℃，而后隨時間持續(xù)下降（見圖7）。從4個觀測點的溫度-時間變化走勢圖發(fā)現(xiàn)：ST1溫度總體上均低于其他三個觀測點（CY2、SD3、RP4）；RP4觀測點溫度白天時段均高于其他三個觀測點；4個觀測點的溫度始終低于南京市當日氣溫。18點、19點、20點，ST1與南京市當日氣溫溫差達到一天中相對最大值，溫差分別為：5.349、4.475、5.884 ℃。

圖7 1-23點4個觀測點溫度變化

使用溫度變化率K（K=ΔT/Δt）比較不同空間分布的樣點當日溫度從最小值升至最大值所用時間的長短。通過計算可得，KST1=1.468、KCY2=1.454、KSD3=1.362、KRP4=1.456。 SD3 的溫度變化率明顯小于其他三者，這與其空間區(qū)域綠地植物群落配置豐富，綠化較好，溫度波動幅度較小有關。

表3 各觀測點溫度變化速率

2.2 風速時空分布

2.2.1 風速水平空間分布

從3個時間點風速水平分布上來看，街區(qū)不同空間內部的風速高低分布為：CY＜RP＜SD＜ST，且4個空間風速差別較大（見圖8-圖10）。CY內部風速最低，始終接近于無風狀態(tài)；ST內部風速始終保持較高狀態(tài)，其內部局部紅色區(qū)域為整個街區(qū)風速最高點。

圖8 14：00街區(qū)內部風速分布圖

圖9 16：00街區(qū)內部風速分布圖

圖10 18：00街區(qū)內部風速分布圖

2.2.2 風速隨時間動態(tài)變化

從風速隨時間變化來看，4個觀測點風速變化幅度都比較小 （見圖11），ST1風速變化范圍為0.509～0.709 m/s；CY2 風速變化范圍為 0.002～0.005 m/s；SD3 風速變化范圍為 0.385～0.507 m/s；RP4 內部風速變化范圍為0.309～0.512 m/s。ST 1風速始終比其他3個觀測點高，風速始終最大，且風速始終大于0.5 m/s；CY2風速始終最低接近0 m/S。SD3與RP4風速相接近。16點、18點4個觀測點的風速差別較大；18點，ST1與CY2風速差值達到最大值0.700 m/s，ST1與RP4點風速差值為0.221 m/s，接近RP4點風速值50%。

2.3 相對濕度時空分布

從3個時間點相對濕度水平分布上來看，街區(qū)不同空間內部的相對濕度高低分布為：ST＞SD＞CY＞RP，且各區(qū)濕度差別較大（見圖12-圖14）。ST內部相對濕度在整個街區(qū)中始終保持較高值，這與巷道狹長結構受到建筑墻壁遮擋，太陽輻射較少，空氣中水分蒸發(fā)較少有關。其他三個空間區(qū)域中，SD空間也保持較高的相對濕度。

圖11 1-23點4個觀測點風速變化

圖12 14：00街區(qū)內部相對濕度分布圖

圖13 16：00街區(qū)內部相對濕度分布圖

圖14 18：00街區(qū)內部相對濕度分布圖

如圖15所示，7-19點4個觀測點相對濕度動態(tài)變化趨勢均為先快速下降，至14點達到一天中最低值，隨后緩慢上升的狀態(tài)。ST1相對濕度始終比其他三個觀測點較高，17點，ST1與RP4相對濕度差值達到一天中最大值，相差7.22%。RP4相對濕度總體上為4個觀測點中最低點。

圖15 7-19點4個觀測點濕度變化

2.4 地表反射太陽輻射時空分布

如圖16-圖18所示，14點地表反射太陽輻射量分布為：ST內部的地表反射太陽輻射強度約119～127 W/m2，CY 內部約 103～111 W/m2，SD 內部約 107～111 W/m2，RP 內部約 127～135 W/m2。 16 點、18 點各空間地表反射太陽輻射顯著降低。 16 點各空間內部地表反射太陽輻射分別為：ST（51.5～55.5 W/m2）、CY（61.5～66.9 W/m2）、SD （45.5～49.5 W/m2）、RP （61.5～66.9 W/m2）；18 點各空間內部地表反射太陽輻射分別為：ST （8.00～10.00 W/m2）、CY（11.00～12.04 W/m2）、SD（7.00～8.00 W/m2）、RP（10.50～12.04 W/m2）。

白天時段的7-19點，4個觀測點地表反射太陽輻射整體呈先上升后快速下降的趨勢，13點左右各觀測點達到一天中地表反射太陽輻射最大值 （見圖19）。RP4地表反射太陽輻射整體上大于其他3個觀測點，ST1、CY2反射輻射始終低于RP4。10點-14點時間段CY2觀測點地表反射太陽輻射明顯低于其他3個，這與歷史街區(qū)庭院規(guī)劃比較密集，空間較小，所有墻相互緊靠，四周圍合，暴露在陽光下的面積較少原因有關。

圖16 14：00街區(qū)內部地表反射太陽輻射分布圖

圖17 16：00街區(qū)內部地表反射太陽輻射分布圖

圖18 18：00街區(qū)內部地表反射太陽輻射分布圖

圖19 7-19點4個觀測點地表反射太陽輻射變化

2.5 室外訪問調查分析

7月23日，進行室外調查訪問，分5個時間點、在4個空間區(qū)域共收集到1 200份問卷（各時間點各研究區(qū)分別50份），問卷的主要內容是人體熱感覺溫度投票。考慮夏季季節(jié)氣候，將投票等級分為7級，分別為：很熱、熱、溫暖、一般溫暖、正常、一般涼快、很涼快。受訪群眾中女性占53%，青年人（＜25歲）占68%。為保證問卷科學性，篩選掉不正常的問卷，將每一時間點投票的中第25%和第75%外的的樣本評估為離群值并剔除。最后，有1 879樣本進行進一步分析，每個時間點的樣本數(shù)量為：6點 413份（22%），10點 357份（19%），14點 338份 （18%），18點 432份 （23%），22點 338份（18%）。4個區(qū)域室外群眾主觀熱感覺感受分布見圖20。6點、22點4個空間群眾體感熱感覺大致一致，街區(qū)熱感覺整體比較涼爽。10點、14點、18點群眾普遍認為鋪裝空地熱感覺較熱，14點所有群眾均認為鋪裝空地熱感覺過熱。5個調查時段，群眾均認為巷道空間是4個調查空間中熱感覺更涼快的區(qū)域（見圖20）。

圖20 當日不同時刻不同區(qū)域熱感覺投票分布

3 不同空間區(qū)域與微氣候關聯(lián)性討論

在綜合模擬分析，并問卷訪問調查街區(qū)微氣候4塊樣地時間和空間分布特征的基礎上，從巷道空間、庭院空間、林蔭空間、鋪裝空地空間角度研究不同空間區(qū)域之間微氣候的差異。

3.1 巷道空間

老門東街區(qū)巷道東西兩側均為民居建筑的墻面，墻體高度超過10 m，兩面墻相互平行形成相互遮擋，有效地減少了地表面接收的太陽輻射熱量，對于降低巷道內部溫度，防止巷道夏季溫度過高有著重要作用。模擬的結果：一天中ST1溫度總體上均低于其他三個觀測點（見圖7）正是對這一現(xiàn)象的反應。14點后ST1地表反射太陽輻射陡然下降說明：巷道細長狹窄的空間，建筑墻體間遮擋有效地減少了太陽輻射的熱，對太陽的遮擋，降低了建筑與巷道地面的再輻射。在一天中絕大多數(shù)的日照時間里，巷道大部分區(qū)域可以完全躲避太陽的直射，只有在中午時段，太陽高度角較大時，陽光方可以直接照射入巷道內。

巷道朝向對內部的微氣候變化起到很大的影響，由于城市地理位置的差異，不同的城市存在不同角度的熱軸，當巷道朝向接近熱軸時，會導致街道內部溫度升高[12]。老門東巷道由于其朝向為南偏東17°，避開了南京城市西南向熱軸且與夏季盛行東南向風相近，使得巷道內部整體風速相對較高（見圖11）。巷道狹長南北通透的格局，能夠滿足街區(qū)通風的需求，這些因素對降低內部溫度有著重要作用。問卷調查顯示所有受訪群眾均認為巷道空間是街區(qū)人體熱感覺最涼快的地點，說明群眾生活體驗的主觀感受與模擬結果相一致。

3.2 庭院空間

老門東歷史街區(qū)為傳統(tǒng)民居，庭院規(guī)劃比較密集，民居庭院空間比較小，所有墻相互緊靠，且庭院四周圍合，暴露在陽光下的面積較小。在一天大多時間里，庭院的墻壁對陽光的遮擋盡可能降低了太陽輻射對地表的直接加熱，這與模擬的結果（見圖16）地表反射的太陽輻射變化在10-14觀測到CY2數(shù)值遠小于其他3個觀測點相一致。溫度空間分布標明庭院內部溫度始終比室外鋪裝空地溫度低，受訪群眾的熱感覺人體感受結果與此相同（見圖17）。街區(qū)天井式庭院空間具有良好的微氣候調節(jié)能力，周圍的墻壁具有良好的保溫隔熱性能，墻壁的材料多是黏土磚、土、木材和天然石塊，這些材料本身的性能具有良好的熱穩(wěn)定性和恒溫特性。同時，居民習慣在庭院內布置綠化植物，這進一步對內部微氣候有良好的調節(jié)作用。值得注意的是，庭院的通風與其他空間相比并不是十分理想，由于空間圍合，布置緊密，內部風速為整個街區(qū)的最低點，且接近于無風狀態(tài)（見圖11）。

3.3 鋪裝空地空間

白天時段，鋪裝空地空間溫度、地表反射太陽輻射均保持較高的狀態(tài)，內部相對濕度處于較低狀態(tài)。鋪裝空間由于較為開敞，四周遮擋較少，太陽輻射較多，夏季局部溫度較高。白天時段，問卷調查的人體熱感覺溫度相對過熱（見圖17），區(qū)域人體度舒適度較差。這些空間，夏季應適當增加遮陰空間，如提供傘亭、遮陽亭，且可以通過設施增加局部空氣濕度，增添綠色植物的做法來調節(jié)局部過熱的微氣候環(huán)境[13]。

3.4 林蔭空間

城市街區(qū)中，林蔭空間是一個良好自然調節(jié)器，具有調節(jié)和改善局部微氣候的作用[10，14]。圖19顯示白天日照時段，SD3＜ST1＜RP4，SD3觀測點由于有高大的喬木枝葉，形成的濃蔭能都遮擋太陽的直接輻射和路面、墻體和構筑物的反射熱。同時，植物葉片大量蒸騰水分，吸收和消耗太陽輻射熱，對環(huán)境能夠進行有效降溫，緩解城市熱島現(xiàn)象，所以室外有成片植物的區(qū)域溫度明顯比鋪裝空地溫度低。成片喬木和綠地結合的場地的空氣溫度比較其他單片草地、單棵喬木具有更好調節(jié)微氣候的作用，局部空間的溫度更低（見圖4-圖6）。喬灌草結合的樹蔭地綠化空間較其他單一組合、人工硬質鋪裝地空間在夏季具有更好調節(jié)熱環(huán)境的作用。

4 結語

城市步行街的微氣候環(huán)境一方面受到街道所處周邊環(huán)境的影響，另一方面街道本身的空間形式特征對于街道的微氣候影響也較大。利用Envi-met軟件模擬分析步行街空間形式與微氣候環(huán)境的關聯(lián)性，數(shù)據(jù)顯示街區(qū)不同空間性質、結構、分布均對內部的微氣候要素產生一定的影響。本研究針對具有一定典型性的城市歷史街區(qū)的微氣候進行了相關模擬，對夏季微氣候進行了24小時的逐時監(jiān)測，同時結合大量問卷調查數(shù)據(jù)，得出街區(qū)不同空間微氣候具有不同效應的結論，對不同空間與微氣候關聯(lián)系進行了深入分析。在今后的研究中，從試驗設計的真實準確和操作的角度出發(fā)，可采用ENVI-met模擬軟件與實測相結合的方式對歷史街區(qū)不同空間的微氣候進行更加詳細研究。考慮一年四季氣候的變化，還應對其他季節(jié)街區(qū)的微氣候進行模擬、實測研究，同時還應加長分析研究區(qū)域微氣候的天數(shù)，綜合評估分析。采用實測數(shù)值與模擬數(shù)值研究相結合，并加入問卷調查形式驗證城市歷史街區(qū)微氣候效應的科學性，為進一步優(yōu)化和改善城市街區(qū)微氣候環(huán)境提供相關策略。