基于ENVI-met的城市綠地微氣候模擬研究進展*

李英男 韓依紋

1 江蘇大學(xué)藝術(shù)學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

2 華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 武漢 430074

綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分為城市提供了一系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，其中，氣候調(diào)節(jié)功能通過影響城市熱環(huán)境可以改善居民在室外空間的舒適度[1]。城市綠地的氣候調(diào)節(jié)功能具有尺度差異性，其中城市尺度上可形成“冷島”效應(yīng)，局地尺度可影響區(qū)域的微氣候[2－3]。微氣候(microclimate)是由下墊面的不同構(gòu)造特征所引起的近地面大氣和土壤表層中小范圍的氣候環(huán)境，特指水平方向上0.1~1 000 m、垂直方向上100 m范圍以內(nèi)的對象區(qū)域[4]，由于其尺度易把握、優(yōu)化手段施行性強、受景觀營造影響大等特點，近年來頗受風(fēng)景園林學(xué)科關(guān)注。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，城市微氣候特征的分析手段從以實測為主逐漸轉(zhuǎn)為與計算機模擬相結(jié)合的多元評估路徑，突破了傳統(tǒng)實地氣象監(jiān)測過程中人力和時間耗費較大的局限性。

目前，常用于城市微氣候模擬的CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件有Fluent，Star-CCM＋，PHOENICS和ENVI-met等，其中，ENVI-met在綠化環(huán)境評估中有較強優(yōu)勢，能夠模擬植物對環(huán)境的作用過程，適用于室外空間景觀營造的多情景預(yù)判，而其他CFD軟件偏好于建筑內(nèi)外的氣流和傳熱的物理過程模擬，多用于建筑節(jié)能與暖通空調(diào)分析等[5－6]。ENVI-met在近10年間被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于城市微氣候的評估中，并推動了該研究領(lǐng)域的快速發(fā)展，截至2015年，有約50%的城市微氣候研究使用ENVI-met[7]。因此，對ENVI-met模型在城市綠地微氣候應(yīng)用的研究進程進行梳理和歸納非常必要。

本文回顧近10年來基于ENVI-met模擬的城市綠地微氣候研究，旨在總結(jié)并歸納研究特點和重點，以期更準確地掌握其研究背景及發(fā)展方向，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實踐提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 ENVI-met模型的原理及功能

ENVI-met是一款數(shù)值模擬模型，致力于城市微氣候的模擬，由德國美因茨大學(xué)的Michael Bruse教授及其團隊于1998年開發(fā)。該模型基于流體力學(xué)和熱力學(xué)方程式，根據(jù)設(shè)定進行迭代運算的原理，模擬城市中“地表－植物－大氣”的相互作用，進而定量化闡述城市規(guī)劃形態(tài)和景觀要素對復(fù)雜空間微氣候的影響特點[8]。通過20多年的發(fā)展和逐步改進，ENVI-met模擬輸出的數(shù)據(jù)精度不斷提高，在中小尺度空間的微氣候模擬優(yōu)勢明顯，可用于日照、空氣污染物擴散、建筑物理、藍綠技術(shù)、風(fēng)場、人體熱舒適度分析等課題研究。

城市綠地類型及其布局多樣性導(dǎo)致了區(qū)域小氣候差異的形成[9]。ENVI-met包含若干個子模型(如植物模型、土壤模型、空氣模型、建筑模型等)，其可模擬綠地中空氣溫濕度、地表溫度、輻射通量、湍流和微粒擴散沉積等微氣候變量的時空變化，并銜接其BIO-met模塊計算人體熱舒適指數(shù)，從而為城市室外空間的優(yōu)化策略制定提供參考[10]。

2 基于ENVI-met的城市綠地微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)

ENVI-met旨在探索城市綠地中微氣候指示因子變化規(guī)律及其驅(qū)動要素，其具體應(yīng)用可概括為3個方面:緩解熱島效應(yīng)、改善人體熱舒適度、消減空氣污染物。

1)緩解熱島效應(yīng)。ENVI-met的應(yīng)用使街區(qū)尺度下對熱島緩解的可能性得到進一步證實。與其他熱島效應(yīng)觀測手段(如地面氣象觀測、熱紅外遙感等)相比，ENVI-met可基于時空變化特征實現(xiàn)研究區(qū)域微氣候的預(yù)判。降溫強度是衡量綠地緩解城市熱島效應(yīng)的主要方式，常用的降溫觀測指標(biāo)包含空氣溫度、地表溫度、輻射溫度等[11]。植被主要通過蒸騰和光合作用，并利用樹冠遮蔭攔截太陽輻射的方式實現(xiàn)其降溫功能[2]。ENVI-met在綠地降溫的模擬應(yīng)用可分為3個方面:一是根據(jù)植物的光合速率模擬蒸騰量和葉片溫度；二是以ENVI-met植物數(shù)據(jù)庫為平臺，利用葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)和葉面積密度(leaf area density，LAD)作為變量模擬樹木的降溫表現(xiàn)[12]；三是通過調(diào)整綠地布局結(jié)構(gòu)、綠量、景觀材料等參數(shù)配置模擬這些變化對綠地內(nèi)輻射和通風(fēng)的影響，從而達到更佳的降溫效果。

2)改善人體熱舒適度。室外熱舒適指數(shù)是綜合多個氣象因子反應(yīng)人體對城市綠地?zé)岘h(huán)境反饋的主要評價指標(biāo)，涉及的氣象因子有空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速和輻射溫度[13]，可通過調(diào)節(jié)以上指數(shù)進而改善人體熱舒適度。模型中可直接進行計算的熱舒適指數(shù)有PMV(Predicted Mean Vote)、SET (Standard Effective Temperature)、PET(Physiological Equivalent Temperature)、UTCI(Universal Thermal Climate Index)。基于ENVI-met對人體熱舒適度的研究多集中于夏季[11，14]，夏季最主要的影響因子是輻射強度(也被表述為“輻射平衡”[15])，利用ENVI-met可調(diào)整場地中景觀材料的反射率和樹冠遮蔭形成的陰影，以此對輻射強度進行干涉。部分學(xué)者也探討了冬季熱舒適的影響要素，冬季熱舒適的主要提升手段是注重保溫，特別是樹木在冬季處于落葉期時，如何通過植被搭配減少強風(fēng)對熱舒適度的干擾是該季節(jié)的主要研究問題[16]。

3)消減空氣污染物。通過ENVI-met可評估不同大小的空氣顆粒物沉積與擴散、反應(yīng)性與非反應(yīng)性氣體濃度，以分析不同緩解空氣質(zhì)量的策略[17]?，F(xiàn)階段研究最常用的空氣污染指示因子有空氣顆粒物PM2.5，PM10，以及生物性揮發(fā)性的氮氧化合物(NOx)等[18]。ENVI-met在消減空氣污染物方面的應(yīng)用可歸納為兩個方面:一是通過ENVI-met將樹木模擬為多孔屏障，同時考慮植被空氣動力因素，探討不同樹種葉片密度和垂直分布差異導(dǎo)致污染物的不同擴散模式[19]；二是根據(jù)熱環(huán)境的不同，某些樹種會釋放出更多的生物性揮發(fā)性有機化合物，這些化合物是臭氧形成的前驅(qū)物，利用ENVI-met模擬可篩選異戊二烯排放較低的植物，進而優(yōu)化空氣質(zhì)量[20]。

3 基于ENVI-met的城市綠地微氣候調(diào)節(jié)途徑

3.1 城市綠地布局結(jié)構(gòu)

ENVI-met模型可調(diào)整綠地內(nèi)部空間布局，從而設(shè)置多樣化情景，并通過對比各情景內(nèi)的布局觀測微氣候的響應(yīng)特征。Sodoudi等[12]模擬了不同朝向的帶狀綠地與風(fēng)向耦合關(guān)系對降溫的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者平行時可有效改善通風(fēng)并促使降溫幅度增大。Zhao等[21]模擬了居民區(qū)中樹木的種植間距對微氣候的影響，發(fā)現(xiàn)等間距種植的喬木配置遮蔭效果最佳，可避免樹冠重疊而阻塞風(fēng)道。邢洋等[22]發(fā)現(xiàn)樹冠基部較低的濃密喬木更適合種植在公園邊界作為屏障，以此阻礙道路上汽車尾氣排放的PM2.5，PM10等污染物向公園內(nèi)擴散，而公園內(nèi)部則應(yīng)種植樹冠基部高的大喬木，允許風(fēng)穿透樹冠下空間，防止顆粒物在空氣中的沉積。

3.2 綠量和植物配置

城市綠地中合理的綠量控制和植物配置能有效改善微氣候。ENVI-met的三維數(shù)值模塊可模擬植物與周圍空氣的熱交換過程，并通過樹冠和根系分布情況表現(xiàn)不同的植物特征，從而被應(yīng)用于各類綠地微氣候的模擬觀測[23]?；贓NVI-met模擬的綠量和植物配置對微氣候的影響可概括為以下3個方面:

1)綠化覆蓋率。綠化覆蓋率是從二維的視角量化綠地的指標(biāo)，指用地范圍內(nèi)綠化覆蓋面積占總面積的比例，增加綠化覆蓋率可有效改善熱環(huán)境[24]，探究合理的綠化覆蓋率對微氣候調(diào)節(jié)有較大的實踐指導(dǎo)意義。Middel等[3]研究了美國鳳凰城的居民區(qū)降溫策略，發(fā)現(xiàn)樹冠覆蓋與降溫效應(yīng)呈線性關(guān)系，每當(dāng)增長1%的樹冠覆蓋可降低空氣溫度0.14℃；Ng等[25]模擬了香港街區(qū)建筑和綠化覆蓋率共同變化的33個情景，發(fā)現(xiàn)城市綠化覆蓋率達到33%時可降低空氣溫度1℃；Haseh[26]通過模擬伊朗的伊斯法罕市庭院中不同樹冠覆蓋的熱環(huán)境表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)干旱地區(qū)庭院的綠化覆蓋率為50%時熱舒適和通風(fēng)最佳。

2)植被類型。當(dāng)綠化覆蓋率小于40%時，植被類型和種植結(jié)構(gòu)對微氣候的影響較大[27]。一般認為，喬木是調(diào)節(jié)微氣候的最有效方式、灌木次之、草坪的影響效果最弱[28]。Kim等[29]模擬對比了瀝青路面、林地與草地的熱環(huán)境表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在1.5 m高度，樹林和草地可分別降溫3.1℃和1.1℃，同時地表溫度降低15℃以上。改善綠化的垂直結(jié)構(gòu)是優(yōu)化微氣候的主要途徑之一，如Lee等[30]通過模擬發(fā)現(xiàn)，喬木與草坪結(jié)合的降溫效果優(yōu)于僅喬木種植的單層結(jié)構(gòu)，最高可降低空氣溫度4.6℃。立體綠化對室外空間的降溫幅度雖然較小，但其同樣可通過減少建筑材料反射和遮蔭提高人體熱舒適度，如Lobaccaro等[31]通過增設(shè)厚度為0.5 m、高度為16 m的綠化墻面發(fā)現(xiàn)周邊空氣溫度可降低0.5℃；Katsoulas等[32]還拓展了ENVI-met在花架對庭院熱環(huán)境改善效果的應(yīng)用，其將144棵常用花卉種植在高2.3 m的廊架上，結(jié)果顯示可降低空氣溫度0.7℃，PET值17.9℃。

3)樹冠特征。樹木的冠層結(jié)構(gòu)會影響環(huán)境的降溫增濕效應(yīng)[33]，在ENVI-met中可以設(shè)置樹高、樹冠形狀、樹冠密度等參數(shù)[34]。Battista等[35]在小型廣場模擬了不同葉面積指數(shù)(LAI)樹木的降溫效應(yīng)，結(jié)果表明LAI值越高降溫效果越好；Wang等[36]模擬了喬木對加拿大蒙特利爾市熱島效應(yīng)的緩解，并提出增大樹木冠幅在白天和晚上均可優(yōu)化降溫效果，同時通過對比縱向20 m和60 m高度的空氣溫度后發(fā)現(xiàn)，植被的近地面降溫作用相對顯著；衛(wèi)笑等[34]探討了不同樹冠形態(tài)對微氣候的影響，由此得出“上大下小”倒卵形和倒三角形樹冠的喬木降溫增濕強度，以及改善人體熱舒適度的效果最優(yōu)。

3.3 景觀材料

室外環(huán)境工程中冷卻材料的運用是優(yōu)化熱環(huán)境的手段之一，其吸收的太陽輻射量較小，可使蓄熱量和表面溫度都較低，從而減少向周圍環(huán)境放出長波輻射通量，達到降低環(huán)境溫度的目的[37]。綠地營造的地表鋪裝和構(gòu)筑物外立面冷卻材料的使用可影響室外環(huán)境溫度，ENVI-met基于開放空間和室內(nèi)環(huán)境之間的能量交換過程可模擬景觀材料的差異對微氣候的影響特征。Li等[16]對比了首爾市汝矣島公園中不同地表鋪裝在樹蔭下的微氣候指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)土壤地表比硬質(zhì)鋪裝的熱舒適改善效果更好；Chow等[38]觀測了美國亞利桑那州立大學(xué)校園中地表的熱環(huán)境，發(fā)現(xiàn)草坪比瀝青和混凝土的溫度低；Alchapar等[39]在阿根廷門多薩市模擬了18個不同反射率鋪裝情景的微氣候變化，結(jié)果表明地表鋪裝反射率每提高10%，空氣溫度可降低0.75℃。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

綠地是城市微氣候調(diào)節(jié)的重要載體，科學(xué)配置能夠增強其生態(tài)效益的發(fā)揮。ENVI-met作為目前最廣泛使用的微氣候模擬工具，對推動城市微氣候相關(guān)研究的發(fā)展有重要意義。在回顧ENVI-met對城市綠地微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)評估應(yīng)用的研究中發(fā)現(xiàn)，其時間尺度以及場地類型具有多樣性特質(zhì)。眾多學(xué)者已經(jīng)實現(xiàn)了該模型在城市街區(qū)、公園、校園、廣場、居民區(qū)、庭院等多類型綠地空間的研究。同時，也嘗試了微氣候在不同年份、不同季節(jié)、不同時段的對比，進而豐富和強化了對城市微氣候形成機制和調(diào)控策略方面的探索。綜上所述，本研究提出基于ENVI-met的城市綠地微氣候模擬評估技術(shù)框架(圖1)對應(yīng)了綠地微氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)的評估標(biāo)準和相關(guān)指數(shù)設(shè)置，從而為城市綠色空間的設(shè)計實踐提供借鑒和研究基礎(chǔ)。

圖1 基于ENVI-met模擬的城市綠地微氣候評估技術(shù)流程框架

4.2 建議

ENVI-met模型對城市綠地微氣候評估有較強的可實施性，對制定以微氣候改善為導(dǎo)向的設(shè)計優(yōu)化策略提供了科學(xué)的參考途徑。首先，設(shè)計前期對微氣候預(yù)測模擬有助于對景觀設(shè)計方案的制定提出可行性方向，如對場地軟、硬景觀配比給出特定建議。其次，ENVI-met高分辨率模擬的優(yōu)點能夠精準建立建筑和植物的模型，對建成場地進行模擬觀測，進而追蹤潛在問題并輔助分析。最后，微氣候的預(yù)測模擬可驗證環(huán)境緩解策略的有效性，以及深入揭示城市熱環(huán)境的影響機制，為提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的綠地營建提供依據(jù)，進而推動可持續(xù)城市環(huán)境的發(fā)展。盡管此模型在城市綠地微氣候模擬中已得到廣泛認可，但其應(yīng)用仍存在局限性，對此提出以下建議:

1)需糾正當(dāng)前國內(nèi)研究對ENVI-met的應(yīng)用誤區(qū)。此模型對模擬值的校驗是決定實驗結(jié)果是否具備有效性的重要環(huán)節(jié)，然而，在我國大多數(shù)研究中并未對實地氣象監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)進行對比校驗，這將影響模型的精準性[40]。此外，ENVImet模型的分辨率雖為0.5~10 m，但部分研究為了迎合更大尺寸的場地分析，設(shè)置較低分辨率，導(dǎo)致場地中許多物理因素被忽略，使結(jié)果產(chǎn)生較大誤差[41]。隨著ENVI-met模型的改進，現(xiàn)已取消了對模擬網(wǎng)格數(shù)量的限制，未來研究可嘗試更多空間復(fù)雜的場地。

2)ENVI-met中植物模型需提升。首先，該模型中對植被特征過度簡化，僅提供冠層的形狀、密度以及葉片反射率的設(shè)定，對植物落葉狀態(tài)考慮不足，其在冬季的表現(xiàn)仍有待驗證。其次，ENVI-met提供的數(shù)據(jù)資源多為歐洲的植物品種，而我國由于氣候復(fù)雜多樣，植物品種也比較豐富，在未找到適合的植物數(shù)據(jù)情況下，部分學(xué)者只利用單一植物品種在情境中增設(shè)綠化覆蓋率，這會導(dǎo)致研究結(jié)果與現(xiàn)實差異較大，從而使研究結(jié)果在實踐中的應(yīng)用也受到阻礙。因此，有必要拓展ENVI-met的植物數(shù)據(jù)庫，以便增加該模型在我國的適用性，并進一步探索由于植物多樣性形成的微氣候差異。

3)拓展ENVI-met與其他相關(guān)技術(shù)的耦合應(yīng)用。區(qū)域的氣候特點對綠地微氣候調(diào)節(jié)功能發(fā)揮有較大影響，目前大多數(shù)研究專注于單個案例的模擬與分析，而綜合分析城市環(huán)境問題需要不同尺度研究的結(jié)合。因此，未來可開發(fā)ENVI-met與其他空間分析軟件的耦合應(yīng)用，以拓展綠地對微氣候影響的多尺度效應(yīng)研究。此外，ENVI-met尚未考慮熱島效應(yīng)中的人為排熱，可嘗試與其他CFD軟件結(jié)合使用，以解決對空間熱源考慮不足的問題。