基于計(jì)算力流體力學(xué)的城市近郊湖泊“冷島效應(yīng)”及其情景模擬研究
——以長沙市同升湖為例

張偉 ，王凱麗，梁勝，杜心宇，劉路云，陳存友*，胡希軍

1. 中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院/湖南省自然保護(hù)地風(fēng)景資源大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心/城鄉(xiāng)景觀生態(tài)研究所，湖南 長沙 410004；2. 五礦礦業(yè)（安徽）開發(fā)有限公司，安徽 合肥 230000

城市空間擴(kuò)張導(dǎo)致城市不斷向郊區(qū)蔓延，而郊區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，湖泊、河流等濕地資源豐富，形成多個(gè)“冷源”，對(duì)于周圍區(qū)域熱環(huán)境具有較大的改善作用（崔麗娟等，2015；陸芊芊等，2020）。因此，研究城市近郊湖泊“冷島效應(yīng)”的變化特征和規(guī)律對(duì)指導(dǎo)湖區(qū)規(guī)劃建設(shè)，加強(qiáng)“湖陸環(huán)流”作用，充分利用自然資源改善局域熱環(huán)境以及提高湖區(qū)生態(tài)環(huán)境適宜性具有重要意義（王煜東等，2016）。

目前關(guān)于城市水體“冷島效應(yīng)”的研究主要集中在2個(gè)方面。水體“冷島效應(yīng)”作用機(jī)理：一些學(xué)者選擇湖泊水體作為研究對(duì)象（朱春陽，2015；紀(jì)鵬等，2017；梁勝等，2020），部分學(xué)者則選擇城市河流（Katayama et al.，1991；Hathway et al.，2012），方法多采用實(shí)地測(cè)量法，研究發(fā)現(xiàn)水體對(duì)周邊區(qū)域具有明顯的“冷島”作用。水體“冷島效應(yīng)”影響因素：從水體自身因素出發(fā)，針對(duì)水體面積、形狀指數(shù)、深度的變化探究對(duì)水體降溫增濕效應(yīng)的影響（張偉等，2021）；從水體周邊環(huán)境因素出發(fā)，針對(duì)建筑布局、建筑高度、建筑后退距離、城市形態(tài)等要素，結(jié)合 CFD、ENVI-met等數(shù)值模擬方法探究各要素對(duì)水體“冷島效應(yīng)”發(fā)揮的影響（Han et al.，2020；張棋斐等，2018；戴茜等，2019；尹杰等，2019）。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬更加的精細(xì)化，對(duì)植被、硬質(zhì)等影響因素的研究更加深入（宋曉程等，2016；馮嫻慧等，2017）。

總體來看，多數(shù)研究選擇城市市區(qū)湖泊作為研究主體，從城市尺度上肯定了湖泊“冷島效應(yīng)”的作用，而選擇城市近郊湖泊的研究較少（文莉娟等，2008；馬寧等，2016；楊朝斌等，2021）。城市近郊作為市郊的連接樞紐，開發(fā)模式與市區(qū)相近，開發(fā)戰(zhàn)略地位逐年升高（張振鵬等，2014）。本研究選擇長沙市近郊區(qū)同升湖，采用實(shí)地測(cè)量分析湖泊“冷島效應(yīng)”的變化規(guī)律，結(jié)合CFD情景模擬分析湖泊周邊建筑因子對(duì)溫度場(chǎng)的影響，通過控制單一影響因子的變化模擬探究建筑因子對(duì)湖泊“冷島效應(yīng)”的影響機(jī)制，對(duì)未來湖區(qū)規(guī)劃開發(fā)建設(shè)以及充分發(fā)揮湖泊“冷島效應(yīng)”的作用具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域概況

同升湖位于長沙市雨花區(qū)中部偏南（111°53′—114°15′E、27°51′—28°41′N），距離建成區(qū) 9.5 km 的城市近郊。本文將同升湖以及北面和南面兩個(gè)水庫及周邊600 m范圍用地作為研究區(qū)域（如圖1），占地總面積101.5 hm2，其中水體面積34.54 hm2。研究區(qū)域共有建筑740棟，目前湖泊周邊仍在開發(fā)建設(shè)，研究湖泊水體對(duì)周邊熱環(huán)境的影響具有重要意義（如圖2）。

圖2 研究區(qū)域周邊環(huán)境Fig. 2 Surrounding environment of the study area

2 研究方法

2.1 平行定點(diǎn)實(shí)測(cè)法

2.1.1 樣點(diǎn)與樣線設(shè)計(jì)

根據(jù)夏季實(shí)測(cè)風(fēng)向（偏南風(fēng)）以及長沙市夏季歷史主導(dǎo)風(fēng)向（東南風(fēng)）在湖泊周邊分別設(shè)置3條樣線，分別位于同升湖東南側(cè)（上風(fēng)向）、西北側(cè)（下風(fēng)向）和東側(cè)（垂直風(fēng)向）。樣線設(shè)置保持由湖岸向周圍呈直線分布，分別在每條樣線上等距劃分5個(gè)測(cè)點(diǎn)（0、150、300、450、600 m），并在距離湖泊水體岸邊2000 m雨花區(qū)同升街道新興村衛(wèi)生室附近選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)作為對(duì)照點(diǎn)，受到湖泊水體的影響可忽略（研究表明100—150 m范圍內(nèi)湖泊小氣候的尺度效應(yīng)明顯）。樣點(diǎn)布置與對(duì)照點(diǎn)的布置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域和對(duì)照區(qū)域樣線及樣點(diǎn)布置Fig. 1 Sample point layout in the study area and control area

通過對(duì)研究區(qū)域 15個(gè)樣方中的建筑數(shù)量、建筑布局方式、綠地率、綠地組成方式和硬質(zhì)鋪裝比率等環(huán)境因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行打分評(píng)價(jià)（見表1），為分析樣點(diǎn)周圍環(huán)境差異性提供依據(jù)。

表1 樣方環(huán)境參數(shù)變量統(tǒng)計(jì)Table 1 Environmental parameter variable statistics of sample square

2.1.2 測(cè)量內(nèi)容及方法

（1）天氣條件：選擇晴朗無云、晴朗少云以及無風(fēng)或者微風(fēng)的天氣，在樹蔭下距地面1.5 m處連續(xù)觀測(cè)，若測(cè)量時(shí)天氣發(fā)生變化，出現(xiàn)雷雨天氣，則放棄測(cè)量數(shù)據(jù)（避免太陽直射、強(qiáng)風(fēng)等因素的影響）。

（2）測(cè)定方法：從夏季（6—8月）每個(gè)月中挑選符合測(cè)量條件的3 d（見表2），測(cè)量時(shí)間08:00—19:00，每隔1小時(shí)同步記錄3次各測(cè)點(diǎn)及對(duì)照點(diǎn)的溫度、風(fēng)速風(fēng)向。

表2 測(cè)量時(shí)間Table 2 Measuring time

（3）測(cè)量儀器：溫度測(cè)量選用德圖TESTO08H1溫濕度計(jì)（測(cè)定范圍：?10—60 ℃，分辨率：0.11 ℃；0.1% RH），風(fēng)速測(cè)量儀器選用GM890數(shù)字風(fēng)速儀（測(cè)定范圍：0—45 m·s?1）。

2.2 CFD數(shù)值模擬法

2.2.1 模型建立

結(jié)合衛(wèi)星地圖采用 CAD軟件三維建模的模式進(jìn)行三維模型繪制，為方便 CFD后期模擬對(duì)研究區(qū)域建筑形狀、建筑外立面、植被高度等進(jìn)行適當(dāng)簡化（圖3）。

圖3 研究區(qū)域三維模型和計(jì)算域平面圖Fig. 3 Three-dimensional model of the study area and Computational domain plan

2.2.2 模型計(jì)算過程

（1）計(jì)算域劃分

將 AUTO CAD2018中建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH中的 DESIGN MODELER中進(jìn)行處理，劃分得到流體計(jì)算域，并對(duì)不同邊界面進(jìn)行命名，包括速度入口、壓力出口、壁面和對(duì)稱面。計(jì)算域大小2500 m×2800 m×180 m，充分滿足情景模擬需求（姜平等，2020）。

（2）網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（網(wǎng)格具有較好的靈活性、適應(yīng)性），對(duì)建筑外立面與地面的交界處、植被區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，其余部分則采用精度較大網(wǎng)格（程雪玲等，2015）。整體網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量在1205萬，網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.3以上，滿足模擬需求。

2.2.3 計(jì)算設(shè)置

采用ANSYS Fluent 20.0作為計(jì)算平臺(tái)，選擇壓力基求解器，計(jì)算方程選用RNG k-ε模型，選擇速度入口壓力出口邊界條件，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)完成模擬計(jì)算。

（1）輻射模型

選擇Solar Ray Tracing作為太陽輻射的計(jì)算算法。太陽直射輻射量 604 W·m?2，散射輻射量 318 W·m?2，太陽入射系數(shù)1.0，地面反射率0.38。

（2）湍流模型

選擇 RNG k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬，相比FLUENT中提供計(jì)算的其它湍流模型（單方程(Spalart-Allmaras)模型、雙方程模型、k-w及 RSM模型和LES等），該方程模型更適用于低速湍流數(shù)值模擬，應(yīng)用更加廣泛（Patankar et al.，1983）。

（3）多孔介質(zhì)模型

研究區(qū)域位于長沙市郊區(qū)，湖泊周圍的植物環(huán)境以及地形較市區(qū)更加復(fù)雜，在構(gòu)建植物模型時(shí)，考慮后期模擬的周期以及電腦配置的需求，針對(duì)場(chǎng)地內(nèi)部復(fù)雜地形的區(qū)域建立三維模型，綠地密度950 kg·m2，導(dǎo)熱系數(shù) 0.42 W·m2·K?1，植物孔隙率取夏季常綠植物0.55（Molina-Aiz et al.，2006）。

（4）組分運(yùn)輸模型

本文考慮水體蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣與空氣主要組成組分（N2和O2）的輸運(yùn)、擴(kuò)散過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，選擇通用有限速率模型中的無反應(yīng)物質(zhì)輸運(yùn)模型（Nagarajan et al.，2004）。

（5）出入口邊界條件

模擬采用速度入口（velocity-inlet）、壓力出口（pressure-outlet）邊界條件，具體參數(shù)見表3。

表3 入口來流參數(shù)Table 3 Inlet flow parameters

入口速度的分布采用指數(shù)模型，速度與高度之間的變化關(guān)系如式（1）：

式中：

x——高度；

u(x10)——高度10 m處的風(fēng)速；

α——地面粗糙度指數(shù)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本文取為0.25。

2.3 CFD情景模擬驗(yàn)證

通過模擬得到1.5 m高度處溫度云圖，讀取定點(diǎn)實(shí)測(cè)各測(cè)點(diǎn)位置溫度值，并與定點(diǎn)實(shí)測(cè)同時(shí)刻（夏季6—8月14:00溫度平均值）溫度進(jìn)行對(duì)比及相關(guān)性分析。

由圖4可知，CFD模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的溫度誤差為0.33 ℃。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)12、測(cè)點(diǎn)13、測(cè)點(diǎn)14的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本吻合；測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5實(shí)測(cè)值低于模擬結(jié)果，是由于測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5距離湖泊較遠(yuǎn)，周圍植被較豐富，測(cè)量時(shí)受到植被的遮陰作用，實(shí)際模擬時(shí)，對(duì)于周邊植被并沒有考慮單體植物遮陰的影響，使得模擬溫度較大；測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7實(shí)測(cè)溫度低于模擬溫度是由于測(cè)點(diǎn)距離同升湖水體較近，且測(cè)點(diǎn)位于馬路旁邊，樣線位置與主導(dǎo)風(fēng)的作用方向一致，實(shí)際測(cè)量時(shí)溫度值受到湖泊水體的影響較大，導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度低于模擬溫度；測(cè)點(diǎn)10、測(cè)點(diǎn)11實(shí)測(cè)溫度值相較于其它測(cè)點(diǎn)變化最大，是由于測(cè)點(diǎn)位于高大的喬木下，導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫度與模擬相比較低。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)之間相關(guān)系數(shù)r=0.929，表明二者之間存在強(qiáng)相關(guān)性。CFD模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合程度較高，具備科學(xué)性與合理性。

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析和相關(guān)性分析Fig. 4 Comparative analysis and correlation analysis between measured data and simulated data

3 實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1.1 整體日變化規(guī)律

對(duì)每個(gè)月測(cè)量的3 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，得到各個(gè)月份白天08:00—19:00的湖泊溫度日變化規(guī)律表，根據(jù)樣線樣點(diǎn)選取的條件，分為主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)向、垂直向、下風(fēng)向3組數(shù)據(jù)，對(duì)表上測(cè)定的各個(gè)樣點(diǎn)以及對(duì)照點(diǎn)的數(shù)據(jù)求平均數(shù)，得到湖泊溫度日變化規(guī)律。

由圖5可知，湖泊具有明顯的“冷島效應(yīng)”特征。在08:00—19:00時(shí)間段內(nèi)，研究區(qū)域溫度與對(duì)照區(qū)域溫度變化趨勢(shì)相似，呈“倒U型”分布，均是在下午13:00—14:00時(shí)間段溫度達(dá)到最高。研究區(qū)域溫度變化范圍 29.98—36.20 ℃，最大溫差6.22 ℃；對(duì)照區(qū)域溫度變化范圍30.55—37.04 ℃，最大溫差6.49 ℃，高于研究區(qū)域0.27 ℃。通過對(duì)研究區(qū)域與對(duì)照區(qū)域夏季溫度進(jìn)行平均值計(jì)算，研究區(qū)域日均溫度 33.83 ℃，對(duì)照區(qū)域日均溫度34.38 ℃，平均溫度差值0.55 ℃，表明夏季白天湖泊對(duì)周圍環(huán)境一直存在降溫作用。湖泊的降溫效應(yīng)隨時(shí)間的推移逐漸增強(qiáng)，在13:00—14:00左右，降溫效應(yīng)最顯著，受太陽輻射的影響，夏季 12:00—13:00時(shí)間段內(nèi)，太陽對(duì)地面的輻射強(qiáng)度達(dá)到峰值，溫度升高加快，溫度增長速率最快。

圖5 研究區(qū)域與對(duì)照區(qū)域溫度日變化規(guī)律Fig. 5 Diurnal changes in temperature between the studied area and the control area

3.1.2 不同風(fēng)向區(qū)域日變化規(guī)律

（1）將位于不同風(fēng)向的3條樣線（樣線1、樣線2、樣線3）上所有測(cè)點(diǎn)以及對(duì)照點(diǎn)夏季3個(gè)月同一時(shí)刻的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，得到不通風(fēng)向區(qū)域夏季湖泊溫度日變化規(guī)律圖（如圖 6），夏季湖泊各樣線溫度日變化趨勢(shì)相似，整體溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，樣線 1溫度在 30.49—36.38 ℃，日均溫度34.16 ℃；樣線2溫度在29.26—35.74 ℃，日均溫度33.42；樣線3溫度在30.19—36.48 ℃，日均溫度 34.38 ℃；對(duì)照區(qū)域溫度在30.55—37.04 ℃，日均溫度34.38 ℃。溫度分布呈現(xiàn)下風(fēng)向<垂直向<上風(fēng)向<對(duì)照區(qū)域。

圖6 不同風(fēng)向區(qū)域湖泊溫度日變化規(guī)律Fig. 6 Diurnal variation of lake temperature in different wind directions

（2）將不同風(fēng)向區(qū)域與對(duì)照區(qū)域夏季各時(shí)刻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取差值（如圖 7），不同風(fēng)向區(qū)域溫度與對(duì)照區(qū)域之間的差值變化呈現(xiàn)下風(fēng)向>垂直向>上風(fēng)向，下風(fēng)向區(qū)域的溫度明顯低于其它區(qū)域，降溫最大幅度集中在 13:00—14:00，表明湖泊降溫效應(yīng)的強(qiáng)度與夏季日間最高溫度相關(guān)。上風(fēng)向區(qū)域、下風(fēng)向區(qū)域、垂直向區(qū)域與對(duì)照區(qū)域的日均溫度差值分別為0.22、0.96、0.47 ℃，湖泊對(duì)下風(fēng)向區(qū)域的降溫作用明顯，降溫幅度最大。

圖7 不同風(fēng)向區(qū)域與對(duì)照區(qū)域日均溫差Fig. 7 The difference in daily average temperature between areas with different wind directions and the control area

3.2 CFD情景模擬分析

圖8為實(shí)際算例1.5 m高度溫度分布圖，由表4知，研究區(qū)域內(nèi)溫度幅度為30.10—38.72 ℃，湖泊周邊以及下風(fēng)向區(qū)域的溫度明顯低于其它區(qū)域。

表4 改變建筑高度和建筑間距溫度變化表Table 4 Changes in temperature when building height and building spacing are changed

圖8 實(shí)際算例1.5 m高度處溫度分布和風(fēng)速矢量圖Fig. 8 Actual calculation example Temperature distribution and wind speed vector diagram at a height of 1.5 m

（1）東南部區(qū)域

湖泊周圍高層建筑群，對(duì)速度入口的來流存在阻滯效應(yīng)和繞流作用，建筑迎風(fēng)面風(fēng)速 0.8—1.1 m·s?1，建筑背風(fēng)面形成湍流區(qū)，風(fēng)速在0.35—0.45 m·s?1，建筑群過道以及邊緣形成的穿流區(qū)和角流區(qū)，風(fēng)速在2.20—2.30 m·s?1。高層建筑群周圍局部熱量堆積，形成空氣積溫，加上建筑表面以及地面的輻射作用，溫度變化在37.50—38.50 ℃。植被區(qū)域?qū)μ栞椛浯嬖谝欢ǔ潭鹊恼趽踝饔?，溫度?5.0—36.50 ℃。由于水氣的蒸發(fā)擴(kuò)散力與主導(dǎo)風(fēng)作用方向相反，湖泊水體的降溫作用在距湖岸 100 m范圍明顯。

（2）湖泊中心區(qū)域

由風(fēng)速矢量圖可知，氣流在經(jīng)過上風(fēng)向區(qū)域建筑、植物的阻隔及削減作用，形成多股分流，導(dǎo)致湖面上水蒸氣擴(kuò)散過程中受到不同方向氣流作用，風(fēng)速變化范圍在0.90—2.23 m·s–1。高風(fēng)區(qū)氣流流動(dòng)快，帶走的熱量多，溫度在30.12—30.25 ℃；低風(fēng)區(qū)氣流流動(dòng)緩慢，水分蒸發(fā)的熱量被帶走的少，溫度在32.80—34.30 ℃。湖岸地面反射率小，溫度略高，在35.50—35.80 ℃。

（3）西北部區(qū)域

區(qū)域內(nèi)部建筑數(shù)量少，多為點(diǎn)群式分布，湖泊水體在太陽輻射作用下產(chǎn)生的蒸發(fā)擴(kuò)散力與上風(fēng)向氣流的作用力方向一致，形成助推作用，整體風(fēng)速變化在0.48—2.38 m·s–1，對(duì)下風(fēng)向區(qū)域產(chǎn)生明顯的降溫作用，溫度變化范圍35.25—37.88 ℃。在植被區(qū)域，水蒸氣的聚集使得溫度下降，在 35.60—35.75 ℃。由于區(qū)域內(nèi)部建筑對(duì)氣流的阻礙作用小，湖泊水體對(duì)周圍600 m范圍內(nèi)仍存在降溫作用。

（4）東北部和西南部區(qū)域

區(qū)域內(nèi)部建筑數(shù)量較多，建筑密度大，分布形式多樣，主要有行列式、圍合式、點(diǎn)群式3種布局，對(duì)溫度的影響作用較復(fù)雜。由圖可知，高溫區(qū)域主要分布在建筑群周圍，建筑群外圍溫度變化趨于平緩。與湖岸呈行列式布局的建筑組團(tuán)，建筑之間風(fēng)環(huán)境暢通，對(duì)風(fēng)環(huán)境改善明顯，增強(qiáng)了湖泊對(duì)周邊環(huán)境的降溫效應(yīng)，溫度在37.20—37.56 ℃；圍合式布局的建筑組團(tuán)對(duì)建筑迎風(fēng)面的氣流形成較大阻礙作用，建筑內(nèi)部氣流流動(dòng)不暢，在建筑迎風(fēng)面形成高溫區(qū)，溫度變化在37.0—38.20 ℃。環(huán)狀布局的建筑阻斷湖泊上方冷空氣向周圍環(huán)境的傳輸，導(dǎo)致冷空氣在建筑附近堆積，最終被建筑表面及地面所產(chǎn)生的輻射能量抵消，溫度在36.80—37.90 ℃；分布雜亂、無序建筑間距小點(diǎn)狀式布局的建筑群，溫度在36.90—38.10 ℃，其雜亂的分布導(dǎo)致建筑群內(nèi)部形成湍流區(qū)域，對(duì)湖泊降溫效應(yīng)存在消極作用。

湖泊水體對(duì)東北部區(qū)域降溫范圍在 50 m左右，西南部建筑群部分建筑位于水庫下方，受水體的影響降溫范圍可達(dá)200—300 m，溫度在35.40—36.10 ℃。

3.3 改變單一影響因子情景模擬分析

結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，建筑因子（建筑高度、建筑布局、建筑密度、建筑后退湖岸距離）影響湖泊“冷島效應(yīng)”的發(fā)揮。由于研究區(qū)域位于城市近郊，湖泊周圍建筑基本為別墅建筑，整體高度低于市區(qū)。在設(shè)計(jì)改變建筑高度因子時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)性能將研究區(qū)域建筑高度增加10 m和20 m，模擬改變建筑高度對(duì)湖泊“冷島效應(yīng)”的影響。位于湖泊水體周邊不同區(qū)域的建筑排布方式多樣，建筑間距也不同，在設(shè)計(jì)改變建筑后退湖岸距離和建筑間距因子的模擬時(shí)，考慮建筑后退湖岸100、200 m和建筑間距增大2倍的模擬算例。

3.3.1 建筑后退湖岸100 m和200 m

在實(shí)際算例模型的基礎(chǔ)上，保持其它條件不變，去掉距湖岸周圍 100 m和 200 m范圍內(nèi)的建筑，總計(jì)87棟和220棟，其他參數(shù)設(shè)置保持與實(shí)際算例一致，網(wǎng)格數(shù)量分別為1137萬和1048萬。

圖9、10為建筑后退湖岸100 m和200 m的溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖，整體溫度值較實(shí)際算例下降，湖區(qū)周邊局域溫度因建筑后退距離增大呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。

圖9 建筑后退湖岸100 m溫度分布和風(fēng)速矢量圖Fig. 9 Vector diagram of temperature distribution and wind speed at 100 m of building receding lake shore

（1）東南部區(qū)域

建筑后退湖岸100 m，高層建筑群背風(fēng)面建筑數(shù)量減少，湍流區(qū)面積減小，風(fēng)速在 0.38—0.50 m·s?1，建筑過道之間的穿流區(qū)風(fēng)速在 2.30 m·s?1。湖岸與建筑之間形成開敞空間，湖陸環(huán)流作用增強(qiáng)，溫度較實(shí)際算例下降0.17—0.22 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖岸周圍高層建筑數(shù)量減少，氣流流動(dòng)暢通，通風(fēng)效果改善明顯，風(fēng)速在0.37—2.31 m·s?1，建筑周圍溫度較實(shí)際算例下降0.27—0.78 ℃。植被區(qū)域溫度在 35.63—35.72 ℃，水體的降溫范圍在50—100 m。

圖10 建筑后退湖岸200 m溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖Fig. 10 Vector diagram of temperature distribution and wind speed at 200 m of building receding lake shore

（2）湖泊中心區(qū)域

建筑后退湖岸距離增大，湖岸周圍氣流受到建筑的阻礙作用減小，湖泊水體上方氣流分布變得均勻，水體上方高溫區(qū)和低溫區(qū)的面積減小。建筑后退湖岸100 m，風(fēng)速在 1.36—2.22 m·s?1，溫度下降0.06—0.12 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖面上方氣流流線趨向直線變化，風(fēng)速在1.45—2.35 m·s?1，水氣分布趨于均勻，溫度下降0.15—0.29 ℃。湖岸區(qū)域雖然建筑數(shù)量減少，但地面輻射增強(qiáng)，溫度變化不大，在35.60—35.95 ℃。

（3）西北部區(qū)域

增大建筑后退湖岸距離，西北部區(qū)域建筑數(shù)量減少，角隅區(qū)與穿流區(qū)面積減小，氣流中水蒸氣含量增加，降溫作用明顯。建筑后退湖岸100 m，風(fēng)速在 0.35—2.32 m·s?1，溫度降低 0.10—0.58 ℃，降溫范圍在550—650 m；建筑后退湖岸200 m，風(fēng)速在 0.30—2.25 m·s?1，溫度下降 0.35—0.77 ℃。西北部水體周邊建筑少，去除部分建筑對(duì)區(qū)域溫度變化影響不大，溫度在35.25—35.70 ℃。水體周邊的植被區(qū)域溫度下降0.20—0.25 ℃，水體的降溫范圍在800 m左右。

（4）東北部和西南部區(qū)域

湖泊水體對(duì)主導(dǎo)風(fēng)垂直向區(qū)域的降溫范圍有限，東北部與西南部區(qū)域建筑密度大，增大建筑后退湖岸距離改變了原有建筑布局，湖岸空間被打開，湖岸周圍氣流流動(dòng)增強(qiáng)，建筑群內(nèi)部風(fēng)環(huán)境得到改善，空氣溫度降低。建筑后退湖岸100 m，風(fēng)速在 0.25—2.18 m·s?1，溫度分降低 0.10—0.29 ℃和0.19—0.23 ℃；建筑后退湖岸200 m，湖岸周圍空間變大，水氣流動(dòng)暢通，溫度降低0.19—0.54 ℃和0.28—0.34 ℃，西南部區(qū)域水庫水體的降溫范圍較實(shí)際算例增大50—100 m。

3.3.2 建筑高度增加10 m和20 m

在實(shí)際算例模型的基礎(chǔ)上，保持其它因素不變，將研究區(qū)域內(nèi)的建筑高度增加10 m和20 m，模擬參數(shù)與實(shí)際算例保持一致，模型修改后重新劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1316萬和1474萬。

圖11、12為建筑高度增加10 m和20 m溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖，建筑高度增加，建筑周圍穿流區(qū)、渦流區(qū)、角流區(qū)的氣流強(qiáng)度、流向發(fā)生變化，導(dǎo)致溫度呈現(xiàn)差異性。

圖11 建筑高度增加10 m溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖Fig. 11 Temperature distribution map and wind speed vector diagram for 10 m increase in building height

圖12 建筑高度增加20 m溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖Fig. 12 Temperature distribution map and wind speed vector diagram for 20 m increase in building height

（1）東南部區(qū)域

建筑高度增加，氣流的流線發(fā)生改變，對(duì)入口來流的阻礙作用增強(qiáng)，建筑迎風(fēng)面風(fēng)速增加，建筑過道和角隅處的風(fēng)速增加，建筑背風(fēng)面的風(fēng)影區(qū)面積和影響范圍增大，建筑輻射產(chǎn)生的能量增多，建筑群周圍空氣溫度上升。建筑高度增加10 m，穿流區(qū)和角流區(qū)風(fēng)速增大 0.12 m·s?1，溫度增加 0.06—0.56 ℃；建筑高度增加20 m，渦流區(qū)風(fēng)速減小0.17 m·s?1，穿流區(qū)風(fēng)速減小 0.18 m·s?1，溫度增加 0.14—0.71 ℃。湖泊水體的降溫范圍減小20—50 m，降溫強(qiáng)度減弱。

（2）湖泊水體上方

上風(fēng)向來流流速減小，建筑的分流作用增強(qiáng)，湖泊水體上方的氣流分布趨于離散化。建筑高度增加 10 m，風(fēng)速在 1.35—2.15 m·s?1，溫度增加 0.35—0.56 ℃，湖岸周圍溫度在35.85—35.95 ℃；建筑高度增加 20 m，風(fēng)速在 1.25—2.10 m·s?1，溫度增加 0.50—0.63 ℃，湖岸周圍溫度在 35.92—36.05 ℃。

（3）西北部區(qū)域

區(qū)域內(nèi)部建筑多為點(diǎn)狀分布，建筑間距大，分布散，增加建筑高度導(dǎo)致建筑周邊角流區(qū)的氣流流速增大，整體溫度變化較小。建筑高度增加10 m，角流區(qū)風(fēng)速最大可達(dá) 2.20 m·s?1，溫度增加 0.03—0.15 ℃；建筑高度增加 20 m，角流區(qū)風(fēng)速在 2.12 m·s?1左右，溫度增加 0.17—0.60 ℃。湖泊水體降溫范圍在350—500 m，較實(shí)際算例減小100—250 m。

（4）東北部和西南部區(qū)域

區(qū)域內(nèi)部建筑密集，建筑高度增加，位于主導(dǎo)風(fēng)迎風(fēng)面的前排建筑對(duì)氣流的阻擋作用增強(qiáng)，建筑迎風(fēng)面以及前排建筑穿流區(qū)風(fēng)速增大。導(dǎo)致后排建筑群內(nèi)部氣流流通受阻，湍流效應(yīng)增強(qiáng)，形成空氣積溫，室外熱舒適度下降。建筑高度增加10 m，風(fēng)速在 0.23—2.32 m·s?1，溫度分別增加 0.01—0.07 ℃和0.08—0.20 ℃；建筑高度增加20 m，背風(fēng)區(qū)風(fēng)速在 0.18 m·s–1左右，風(fēng)速最高可達(dá) 2.40 m·s?1，東北部和西南部區(qū)域溫度分別增加 0.14—0.15 ℃和0.22—0.37 ℃。西南部水庫對(duì)周圍環(huán)境的降溫范圍在200—250 m，較實(shí)際算例下降50 m左右。

3.3.3 建筑間距增大2倍

在不改變計(jì)算域大小的情況下，將實(shí)際算例模型中建筑之間的間距分別擴(kuò)大2倍（去除相鄰一排建筑），其它參數(shù)保持與實(shí)際算例一致，網(wǎng)格數(shù)量1054萬。圖13為建筑增大2倍的溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖，建筑間距變大，建筑內(nèi)部氣流暢通，風(fēng)速變大，帶走更多的輻射熱，建筑群內(nèi)部溫度變化明顯。

圖13 建筑間距增大2倍溫度分布圖和風(fēng)速矢量圖Fig. 13 The building spacing increases by 2 times the temperature distribution map and the wind speed vector diagram

（1）東南部區(qū)域

建筑間距增大，湖岸周圍高層建筑過道距離增大，形成明顯的風(fēng)道，高層建筑之間的氣流流速變大，風(fēng)速可達(dá)2.35—2.42 m·s?1，建筑背風(fēng)面的渦流區(qū)風(fēng)環(huán)境得到改善，風(fēng)速在0.35—0.55 m·s?1。氣流加速帶走更多的輻射熱，空氣溫度降低 0.12—0.23 ℃。湖泊水體的影響范圍減小20—30 m。

（2）湖泊水體上方

上風(fēng)向氣流流速增大，導(dǎo)致湖面上方水氣流動(dòng)加快，風(fēng)速在1.57—2.25 m·s?1，溫度較實(shí)際算例降低0.23—0.45 ℃。

（3）西北部區(qū)域

區(qū)域內(nèi)部建筑數(shù)量少，增大建筑間距的影響不明顯，整體風(fēng)速在 0.44—2.30 m·s?1，溫度變下降0.27 ℃左右。距離湖泊水體較近的建筑周圍，水體的降溫作用明顯，溫度在34.99—35.38 ℃；距離湖泊水體較遠(yuǎn)的建筑周圍，水體降溫作用有限，溫度在 37.62—37.72 ℃。植被區(qū)域溫度變化范圍在35.55—35.65 ℃，湖泊水體對(duì)該區(qū)域的降溫范圍在500—600 m，較實(shí)際算例增大。

（4）東北部和西南部區(qū)域

建筑間距增大 2倍，原有的建筑布局、建筑形式發(fā)生改變，建筑群之間形成通道，有利于湖泊水體水氣的傳輸，促進(jìn)湖泊水體的降溫作用。東北部區(qū)域風(fēng)速在 0.28—2.42 m·s?1，溫度降低 0.13—0.26 ℃；西南部區(qū)域受到水庫水體的影響，整體熱環(huán)境優(yōu)于西北部區(qū)域，風(fēng)速在 0.25—2.25 m·s?1，溫度下降0.27—0.41 ℃，水體的影響范圍在300—350 m。

4 結(jié)論

本文以城市近郊區(qū)湖泊水體作為研究對(duì)象，采用平行定點(diǎn)實(shí)測(cè)法結(jié)合CFD情景模擬法交互驗(yàn)證，通過改變建筑后退湖岸距離、建筑高度、建筑間距等參數(shù)模擬不同情境下建筑因子對(duì)湖泊“冷島效應(yīng)”的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同升湖周邊開發(fā)強(qiáng)度適宜，生態(tài)效益良好，湖泊水體對(duì)周邊環(huán)境存在一定的降溫作用。具體結(jié)論如下：

（1）城市近郊湖泊水體對(duì)周邊區(qū)域的日均“冷島”幅度在0.55 ℃，湖泊“冷島效應(yīng)”的強(qiáng)度與距湖岸距離呈顯著負(fù)相關(guān)，湖泊水體周邊降溫作用最顯著，在距湖岸300 m范圍內(nèi)降溫效應(yīng)明顯，對(duì)主導(dǎo)風(fēng)下風(fēng)向區(qū)域的影響高于上風(fēng)向和垂直向區(qū)域，降溫強(qiáng)度可達(dá)0.96 ℃。

（2）CFD情景模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間存在較高的擬合程度，相關(guān)性系數(shù)r=0.929，具有科學(xué)性和合理性，可將其作為城市湖泊“冷島效應(yīng)”后續(xù)模擬的研究工具。

（3）湖泊周邊建筑空間形態(tài)是影響湖泊“冷島效應(yīng)”發(fā)揮的主要影響因素，不同工況下的模擬導(dǎo)致湖泊“冷島效應(yīng)”的分布規(guī)律及空間特征存在差異性。增加建筑高度，上風(fēng)向區(qū)域氣流的傳輸受阻，建筑周圍穿流區(qū)、角隅區(qū)風(fēng)速增大，建筑背風(fēng)面熱環(huán)境變差，增加臨近湖泊水體周圍的建筑高度會(huì)阻斷湖泊與周圍環(huán)境之間的“湖陸環(huán)流”效應(yīng)，應(yīng)合理控制湖泊水體周圍的建筑高度；增大建筑后退距離對(duì)湖泊水體周邊熱環(huán)境的改善明顯，能夠增加水氣向周圍區(qū)域的傳輸距離，提高水體周邊活動(dòng)的舒適性。增大建筑間距有利于改善建筑內(nèi)部風(fēng)環(huán)境質(zhì)量，提高建筑內(nèi)部自然通風(fēng)，緩解建筑內(nèi)部的積溫現(xiàn)象。

5 討論

選擇城市近郊湖泊水體通過實(shí)測(cè)分析湖泊“冷島效應(yīng)”日變化規(guī)律、月變化規(guī)律、時(shí)空分布規(guī)律和模擬探究湖區(qū)周邊各影響因子對(duì)湖泊“冷島效應(yīng)”的影響程度對(duì)指導(dǎo)未來湖區(qū)開發(fā)建設(shè)以及緩解局部熱環(huán)境是一種有效的方式。由于研究樣本湖泊選擇單一，研究過程中只針對(duì)已建設(shè)開發(fā)區(qū)域做的理想假設(shè)，除水體、綠地以外對(duì)其它下墊面均設(shè)置為裸地，需要在今后的研究中做進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)足。充分驗(yàn)證城市市區(qū)湖泊與城市郊區(qū)湖泊的關(guān)聯(lián)性，為湖泊小氣候研究提供理論基礎(chǔ)，最大發(fā)揮湖泊水體的生態(tài)效能，創(chuàng)造適宜的人居生態(tài)環(huán)境。