城市綠地風(fēng)環(huán)境模擬與多尺度應(yīng)用研究綜述*

王 敏 周夢潔

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院景觀學(xué)系 上海 200092

2 上海市城市更新及其空間優(yōu)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092

快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致城市更多下墊面變得粗糙，風(fēng)速變小，高密度城區(qū)溫度升高，大氣污染加劇。應(yīng)對由此帶來的環(huán)境危機(jī)和健康問題，國內(nèi)外許多城市建設(shè)開始重視通風(fēng)廊道和風(fēng)環(huán)境，關(guān)注城市綠地與通風(fēng)效應(yīng)的密切關(guān)聯(lián)。風(fēng)環(huán)境的研究方法最初有實(shí)地測試法和風(fēng)洞試驗(yàn)法，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法(Computational Fluid Dynamics，CFD)的發(fā)展，大量學(xué)者開始使用模擬軟件從不同空間尺度研究城市形態(tài)要素與風(fēng)環(huán)境之間的相關(guān)性[1]，從建筑、場地、街區(qū)到城區(qū)均有涉及，風(fēng)環(huán)境模擬研究逐步呈現(xiàn)出多要素、多尺度特征。本文試圖梳理主流風(fēng)環(huán)境模擬軟件特征，探討其在多尺度綠地空間中應(yīng)用的實(shí)效性，旨在整合城市綠地影響風(fēng)環(huán)境的研究方法和相關(guān)成果，明晰研究進(jìn)展與知識(shí)缺口。

1 風(fēng)環(huán)境模擬軟件特征梳理與比較

研究選取目前最常用的5種模擬軟件從建模特征、模擬參數(shù)和可視化功能等角度進(jìn)行特征梳理和對比分析，這5種模擬軟件是指城市微氣候仿真軟件Envi-met、流體與傳熱學(xué)計(jì)算軟件Phoenics、流體數(shù)值模擬軟件Fluent、環(huán)境系統(tǒng)分析軟件Airpak，以及可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)分析工具Ecotect。模擬軟件操作流程均由前處理階段(以建模、劃定網(wǎng)格、設(shè)定參數(shù)為核心)、模擬計(jì)算階段和導(dǎo)入結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析的后處理階段共3部分組成。

1.1 建模特征

多數(shù)軟件具有與專業(yè)建模工具的接口，建模難度相對較低。Envi-met開放性最強(qiáng)，設(shè)有最多類型接口，包括Open Street Map、GIS、CAD等；Phoenics、Ecotect和Fluent均設(shè)有CAD、SU等2～3種接口；而Airpak僅對CAD文件開放。

就建模功能而言，Envi-met的建模界面通過二維平面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)輸入帶有ID代碼的要素，包含建筑、植物、下墊面、水源等豐富的材質(zhì)庫類型，最終模型可趨向精細(xì)化；Ecotect的界面相對最友好，功能豐富，可以快速建立起直觀的三維模型，但需要對所有模型對象重新賦予材質(zhì)；Phoenics可直接建立簡單模型，可添加固體、通風(fēng)口等物體類型并賦予固、液、氣體等材料屬性，還可通過葉面積指數(shù)、拖拽系數(shù)等參數(shù)設(shè)置來定義綠色植物[2]；Fluent和Airpak帶有多種工程化模型部件，如風(fēng)扇、熱源和隔板等影響流體運(yùn)動(dòng)的元素。在綠地建模過程中，植物也應(yīng)采用幾何體的形式進(jìn)行簡化并區(qū)分材質(zhì)。

在建模參數(shù)設(shè)定方面，Envi-met需設(shè)置環(huán)境參數(shù)、模型占地面積和邊界長度、網(wǎng)格數(shù)量和大小、嵌套網(wǎng)格層數(shù)等；Ecotect需要繪制地平面(即分析圖的范圍輪廓) 及確定網(wǎng)格數(shù)量和大?。黄渌浖t無需在建模前設(shè)定。

1.2 模擬參數(shù)

在網(wǎng)格設(shè)定方面，Envi-met和Ecotect只需設(shè)置數(shù)量和大小，默認(rèn)網(wǎng)格均勻分布，設(shè)定要求較低。Envi-met需要在建模之前就設(shè)定好網(wǎng)格，因此建模范圍受限較大。Ecotect可以在建模后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其他3個(gè)軟件在劃分網(wǎng)格時(shí)較復(fù)雜，需根據(jù)具體模型設(shè)定合適的網(wǎng)格類型，其中Airpak相對更智能，有自動(dòng)化生成與檢查的功能，操作更簡易；Phoenics的網(wǎng)格劃分可選加密、均勻、漸變等類型；而Fluent包含線、面、體等網(wǎng)格類型，結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格形式，可通過定義每條邊網(wǎng)格數(shù)量、尺寸控制網(wǎng)格疏密程度。

在參數(shù)設(shè)定上，Ecotect最簡便，可直接加載項(xiàng)目所在地的氣象數(shù)據(jù)，或在WinAir4插件中導(dǎo)入風(fēng)向、平均風(fēng)速、時(shí)間等氣候數(shù)據(jù)。Envi-met需要設(shè)置模擬的具體時(shí)間、時(shí)長、模式與參數(shù)，并根據(jù)計(jì)算需要輸入更多物理參數(shù)，其中簡單模式需輸入溫度、風(fēng)速、風(fēng)向；中等模式需輸入10m高度處測試的風(fēng)速、風(fēng)向、測試點(diǎn)的粗糙度，各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度與濕度，以及可選參數(shù)如土壤溫濕度、污染源信息和云層覆蓋情況等；高等模式則有更多信息如大氣污染情況、室內(nèi)溫度、葉反射率等。Phoenics除設(shè)定外部溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、參考位置、類型、粗糙度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和邊界條件外，還需定義收斂參數(shù)、松弛因子等模型參數(shù)。Fluent還需定義風(fēng)速入口和壓力出口，并自行輸入動(dòng)態(tài)方程，因其專業(yè)要求過高，不適用于一般使用者。

1.3 可視化功能

各個(gè)軟件均能記錄溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻、太陽輻射等基本數(shù)據(jù)的矢量、云圖、流線分析，而后期處理功能則各具特色。Envi-met具有植物反射率、葉片溫度、氣孔阻力等30余種豐富的繪圖變量，可對比不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及查看每個(gè)具體網(wǎng)格點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)環(huán)境參數(shù)變化并導(dǎo)出表格數(shù)據(jù)。Ecotect可以查看二維切片的圖像，觀察不同高度處的風(fēng)力差異。Fluent和Airpak可制作動(dòng)畫及生成模擬信息報(bào)告。后處理功能最弱的是Phoenics，可分析的變量少，網(wǎng)格較粗糙，需外接其他端口進(jìn)行進(jìn)一步圖像分析與處理。

2 風(fēng)環(huán)境模擬在城市綠地研究中的多尺度應(yīng)用

2.1 不同空間尺度的模擬研究

2.1.1 城區(qū)尺度

城區(qū)尺度下多利用站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，運(yùn)用實(shí)測法的難度較高。馮嫻惠[3－4]通過對廣州市區(qū)的風(fēng)速風(fēng)向測定，發(fā)現(xiàn)河流、山林及大型綠地促進(jìn)了周圍大氣的流動(dòng)，可以充分利用此類生態(tài)用地產(chǎn)生吹向城市組團(tuán)內(nèi)的“林源風(fēng)”。但其如何改善通風(fēng)則需要更多數(shù)據(jù)才能獲取結(jié)論，因此有效的風(fēng)環(huán)境模擬是該尺度研究下的重要工具，需要精細(xì)的下墊面信息以支撐模型構(gòu)建。大尺度的研究區(qū)域?qū)δM軟件的網(wǎng)格設(shè)定要求較高，因此宏觀城市區(qū)域尺度下的研究多應(yīng)用Grapes等專業(yè)的大氣模擬工具或Phoenics、Fluent等具有強(qiáng)大建模和網(wǎng)格劃分功能的模擬軟件，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜下墊面的精確描述與風(fēng)場模擬[5－6]。有學(xué)者首先通過實(shí)測街區(qū)內(nèi)的兩組數(shù)據(jù)分別作為初始參數(shù)和模擬比對參數(shù)，進(jìn)而利用Phoenics模擬洛陽市澗西區(qū)的冬季風(fēng)環(huán)境并研究街道空間形態(tài)要素對其影響[7]。

城區(qū)尺度下綠地對風(fēng)環(huán)境的影響顯著。斯圖加特的氣候?qū)W家在模擬冷空氣流動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)綠地是重要的補(bǔ)償空間和空氣流動(dòng)通道[8]。馮嫻惠[9]以城市下墊面是否疊加綠地作為自變量，運(yùn)用大氣模擬軟件Grapes對廣州市的近地風(fēng)場進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)城市綠地能夠與周圍建成區(qū)之間形成局地風(fēng)場的圈層效應(yīng)，強(qiáng)化周邊區(qū)域風(fēng)速，利于污染空氣稀釋。周媛[10]利用Airpak模擬5種不同綠地格局情境下的大氣環(huán)境效應(yīng)，指出若再添加相等面積的公園綠地，其空間分布會(huì)顯著影響城市的風(fēng)速、地面溫度及SO2的蔓延。

2.1.2 片區(qū)尺度

本文將片區(qū)定義為由多個(gè)街區(qū)構(gòu)成的地塊，是介于城區(qū)與街區(qū)之間的中觀研究尺度，該尺度研究成果相對較少。馮嫻惠[11]在研究綠地對風(fēng)的環(huán)境效益時(shí)，通過監(jiān)測大型綠地及帶有綠地干道的大氣環(huán)境狀況發(fā)現(xiàn)集中布局一定面積的綠地更有利于風(fēng)的形成，結(jié)合大型綠地四周的通風(fēng)管道更能增強(qiáng)風(fēng)的作用范圍。但是此類實(shí)測結(jié)論受到監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置的影響，往往只能得出定性結(jié)果。在模擬方面，現(xiàn)狀研究所運(yùn)用的工具主要有Phoenics、Fluent及Envi-met，研究對象對街道、建筑、綠地等均有涉及。如Guo Fei等[12]利用Phoenics模擬比較優(yōu)化前后的整體風(fēng)熱環(huán)境，結(jié)果表明使用通風(fēng)路徑、不同高度的混合建筑物，增加建筑物高度以減少土地覆蓋范圍等策略可以改善城市通風(fēng)性能。郭恒[13]以3.2km2的CBD街區(qū)為模擬對象，總結(jié)出規(guī)劃層面影響人行高度風(fēng)環(huán)境的因子，針對單項(xiàng)因子進(jìn)行演變和建模，并利用風(fēng)速比大小判斷各因子對其影響大小和變化規(guī)律。在綠地研究方面，陳亭[14]選取商住混合、住宅為主，以水體或山體和綠地為主等不同類型的片區(qū)，通過增加綠量和改變綠化聚合度，與現(xiàn)狀對比以討論城市下墊面差異對氣溫時(shí)空分布的影響，認(rèn)為綠化覆蓋率和聚合度與微氣候改善程度成正比。還有學(xué)者通過對開放空間及周邊進(jìn)行風(fēng)場模擬研究風(fēng)環(huán)境的歷史演變，認(rèn)為具有豐茂植被的開放空間能為周邊地區(qū)補(bǔ)充新鮮空氣起到積極作用，宜確?？臻g的開放度、綠量以及合理的植物配置模式[15]。

2.1.3 街區(qū)尺度

街區(qū)尺度下的研究成果雖豐富但針對城市綠地的探索較少，模擬工具主要是Fluent和Envimet。實(shí)測往往作為對比與校正模擬結(jié)果的參考數(shù)據(jù)，比如郭飛[16]在對高密度街區(qū)人行高度風(fēng)環(huán)境研究中就利用實(shí)地考察的數(shù)據(jù)作為邊界條件，并與Phoenics模擬結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者具有較好一致性。另外，以綠地為對象的研究開始更多關(guān)注空間格局的影響效應(yīng)，如馮嫻惠等[17]通過對城市社區(qū)進(jìn)行模擬、設(shè)置含有不同植被類型和綠地率的綠地布局方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)綠地格局變化會(huì)引起區(qū)域微氣候風(fēng)溫環(huán)境的變化，且其風(fēng)速大小、風(fēng)場分布、溫度分布都具有一定的規(guī)律性。還有學(xué)者從多角度對街區(qū)風(fēng)環(huán)境影響進(jìn)行分析，指出除了考慮不同綠化種類的布置方式外，還應(yīng)充分利用綠地格局對街區(qū)微氣候的影響，在綠化均勻布局的前提下，在氣溫較高區(qū)域應(yīng)合理增添綠化面積，或在迎風(fēng)區(qū)域設(shè)置大面積綠化開敞空間[18]。段佳佳[19]對5種街區(qū)綠地格局類型的夏季微氣候特征進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)測驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證了綠地格局要素與微氣候之間的關(guān)系并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。

2.1.4 場地尺度

場地是具有單一用地類型的微觀尺度范圍，可對整體環(huán)境或其中的某種要素進(jìn)行研究，較常見的研究對象有住宅小區(qū)、校園、街谷、建筑群、居住區(qū)綠地、街旁綠地等，也會(huì)涉及對鄉(xiāng)村、海濱或窯洞等特殊環(huán)境的建筑布局、下墊面的討論?？傮w而言，場地尺度下的建筑相關(guān)研究較多，對于植物配置、綠地布局的研究也逐步增多，且研究切入點(diǎn)較上述3個(gè)尺度更豐富。小尺度下能全面獲取一定時(shí)間內(nèi)場地整體風(fēng)環(huán)境的數(shù)據(jù)，因此大量研究會(huì)同時(shí)進(jìn)行實(shí)測與模擬，以便在保證與實(shí)測結(jié)果相近的情況下有效進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及策略研究，比如劉濱誼等[20]在住區(qū)風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化過程中，通過實(shí)測與模擬結(jié)合的方式確認(rèn)不良風(fēng)場集中區(qū)域，運(yùn)用綠地布局改善行人高度風(fēng)環(huán)境，并基于CFD平臺(tái)對優(yōu)化方案進(jìn)行預(yù)想模擬。各種模擬工具在這一尺度研究中均有涉及，其中Envimet多用于綠地，Phoenics和Ecotect常用于整體環(huán)境的分析，若以建筑或街谷為研究對象則常用Fluent和Airpak。

有學(xué)者將綠化與建筑相結(jié)合進(jìn)行研究，如秦文翠等[21]通過比較住宅區(qū)的實(shí)際狀況與設(shè)有屋頂綠化的狀況，對兩種場景下的三維數(shù)值模型展開微氣候模擬分析。王凱[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)林帶高于建筑時(shí)，林帶對風(fēng)環(huán)境的影響程度受其疏密度影響，疏密度較高的常綠林帶對風(fēng)向和風(fēng)速影響很大。也有研究關(guān)注綠地中的各類要素，比如通過實(shí)測與模擬對街旁綠地的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行綜合評估，探討要素與微氣候特征的關(guān)系[23]；還有研究綠地中的植被分布特征，如居住區(qū)綠地布局中喬木量、綠地率、喬木相對位置、喬木間距等指數(shù)對風(fēng)環(huán)境的影響[24]。綠地的布局模式也是研究熱點(diǎn)，宋培豪[25]結(jié)合實(shí)地調(diào)查與軟件模擬證實(shí)了集中式綠地在降溫、通風(fēng)方面優(yōu)于分散式綠地；還有學(xué)者認(rèn)為不同綠地布局模式對風(fēng)速分布的影響并不大，“分散式＋綠色屋頂”情景的整體風(fēng)環(huán)境略優(yōu)于分散式綠地布局[26]。除此之外，還有學(xué)者以綠地量與格局結(jié)構(gòu)作為自變量對風(fēng)環(huán)境進(jìn)行相關(guān)研究，如張偉[27]、ZHANG H等[28]通過對居住區(qū)典型綠地形態(tài)和綠地量化指標(biāo)的研究，發(fā)現(xiàn)生態(tài)綠地率、生態(tài)綠化容積率、分離度指數(shù)和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，樹木斑塊的景觀多樣性指數(shù)、喬木斑塊偏離度指數(shù)和風(fēng)速呈正相關(guān)。

另外，植被對風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)亦是頗受關(guān)注的內(nèi)容，通過此類研究可評判軟件是否支持植物的模擬。最適合植物模擬的軟件是Envi-met，可根據(jù)植物高度將其簡化為一維矩形模型，同時(shí)系統(tǒng)按照植物類型賦予標(biāo)準(zhǔn)化的葉面積指數(shù)和根系面積指數(shù)，以模擬不同植物類型包括小型冠層矮樹、草地或參天大樹等[29]。Phoenics也可滿足綠色植物的微氣候模擬，有學(xué)者研究了住區(qū)中單排樹木、雙排樹木，及樹木和草地互植等不同綠化模式的應(yīng)用如何改善冬季室外風(fēng)環(huán)境[30]。Fluent同樣能實(shí)現(xiàn)綠色植被在風(fēng)環(huán)境中的模擬(如研究樹木樹冠間距、排數(shù)、孔隙率、植栽方式等參數(shù))，以優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)配比綠色植物。

2.2 多尺度研究現(xiàn)狀對比與分析

2.2.1 多尺度的綠地研究工具

綜觀各個(gè)軟件的應(yīng)用研究，現(xiàn)有風(fēng)環(huán)境模擬軟件可基本支持不同空間尺度的綠地研究，研究尺度越小，研究內(nèi)容與模擬工具越豐富。尺度越小的空間對建模要求越低，模擬計(jì)算時(shí)間短，且研究成果更具針對性。實(shí)測法的運(yùn)用趨勢類似，大尺度空間的參考數(shù)據(jù)則更多來自氣象站點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果。在現(xiàn)階段的風(fēng)環(huán)境研究領(lǐng)域中，數(shù)值模擬是主流研究方法，實(shí)測數(shù)據(jù)更多作為輔助工具對模型進(jìn)行邊界條件控制和模擬結(jié)果修正。

就模擬工具而言，Envi-met和Ecotect更適用于中小尺度的流場模擬，其中Envi-met在國內(nèi)外應(yīng)用范圍最廣且已基本成熟，其對綠地類型的設(shè)定也更為精確；Ecotect所需參數(shù)少、模擬時(shí)間短、結(jié)果易于分析比較，但同時(shí)其模擬精度無法與其他專業(yè)軟件相比，所以常被用于方案初期的性能模擬，目前多為以建筑單體或群體為研究對象。Airpak目前的應(yīng)用尚不廣泛，主要對小尺度場地進(jìn)行概念設(shè)計(jì)階段的模擬和預(yù)測，較大尺度的研究可行性還需驗(yàn)證。Fluent和Phoenics可滿足任何尺度的流場模擬，所需模擬時(shí)長更久。有學(xué)者對Fluent和Envi-met進(jìn)行模擬對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)軟件模擬結(jié)果吻合度較好，在一定程度上都可以有效評估行人高度風(fēng)熱環(huán)境，而且Fluent的模擬結(jié)果可以清晰表達(dá)建筑形態(tài)的凹凸變化、外開口距離，通風(fēng)走廊、通風(fēng)夾道處的風(fēng)環(huán)境變化[31]。目前基于Phoenics的研究多為整體風(fēng)環(huán)境的模擬與分析，其關(guān)注建筑形態(tài)布局、街道空間形態(tài)、下墊面類型等因素產(chǎn)生的影響。

2.2.2 多尺度的綠地研究類型

整體而言，風(fēng)環(huán)境的研究以小尺度的模擬最為飽和，成果最豐富；其次是街區(qū)尺度，其中單個(gè)街區(qū)是研究主流；城區(qū)尺度和片區(qū)尺度的研究成果最少。由于影響通風(fēng)的因素較多，針對不同目的所具體討論的研究對象也有所不同。成果最多的是建筑領(lǐng)域的研究，包括室內(nèi)通風(fēng)、建筑形態(tài)或建筑布局等；對于街道空間的討論也視角豐富，多見于以街谷為對象，討論高寬比、支路密度、沿街建筑屋頂形式等因素如何影響通風(fēng)；綠地的研究盡管數(shù)量相對較少，但方向較為多元，從綠地的植被布置、綠化模式，到是否有屋頂綠化、立體綠化，再到綠地格局與布局，均有文章涉及。

以綠地為對象的研究中，城區(qū)尺度下綠地對通風(fēng)的積極影響已被初步證實(shí)但成果不多，研究重點(diǎn)在于現(xiàn)狀綠地分布的基礎(chǔ)上如何更好地布局關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將盛行風(fēng)和局地風(fēng)帶入城區(qū)內(nèi)部；片區(qū)尺度的綠地研究成果也相對較少，僅關(guān)注綠量與綠地結(jié)構(gòu)帶來的影響；街區(qū)尺度的研究既有綠量、空間布局、格局類型等整體層面的內(nèi)容，也有植被類型和綠化模式等微觀視角的切入；場地尺度下的綠地研究類型與街區(qū)尺度類似，在綠化、植被本身的生物學(xué)特征方面有更多成果。

3 結(jié)語

本文以城市綠地為視角對目前常用的風(fēng)環(huán)境模擬軟件進(jìn)行梳理，從3個(gè)關(guān)鍵方面比較其優(yōu)缺點(diǎn)。對軟件在不同尺度綠地空間下的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并從綠地研究工具與類型的角度對比總結(jié)了目前的研究現(xiàn)狀及模擬軟件在多尺度綠地空間中的應(yīng)用可行性。

近年來興起的城市綠地對風(fēng)環(huán)境影響的研究涉及不同空間尺度下的探討，但城區(qū)與片區(qū)尺度的研究相對較少；相對于建筑布局方面的成果，以綠地格局為自變量的研究尚處起步階段，且尚未深入思考綠地與城市其他要素的空間關(guān)系對于風(fēng)環(huán)境的影響。在城市存量發(fā)展新階段，如何結(jié)合環(huán)境特征合理布置新增綠地、優(yōu)化綠地格局、以更好地改善城市通風(fēng)是構(gòu)建高效綠地生態(tài)空間亟需解決的問題。風(fēng)環(huán)境模擬軟件的多尺度合理應(yīng)用將更準(zhǔn)確的實(shí)際結(jié)果反饋給規(guī)劃設(shè)計(jì)師和決策者，能有效提升綠地規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性，是改善城市微氣候、實(shí)現(xiàn)低碳持續(xù)發(fā)展的有力支撐。