城市建筑布局要素對區(qū)域熱環(huán)境影響的ENVI-met模擬與分析
——以南京江北新區(qū)部分區(qū)域為例

張桂欣 劉祎 祝善友

1 南京信息工程大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210044

2 南京創(chuàng)藍(lán)科技有限公司，南京 211135

3 南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院，南京 210044

1 引言

城市化進(jìn)程的不斷加快，改變了城市下墊面類型與空間幾何形態(tài)。道路走向、建筑布局、下墊面性質(zhì)等要素影響了到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度、地表長波輻射、空氣對流熱交換等過程，從而對局地?zé)岘h(huán)境等城市微氣候具有顯著影響（Unger, 2004; 吳婕等, 2015）。開展城市規(guī)劃建設(shè)對城市熱環(huán)境的影響研究，對于保持城市健康可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。

在城市尺度上，許多學(xué)者利用實(shí)地觀測、遙感監(jiān)測、計算機(jī)數(shù)值模擬等手段，開展了城市規(guī)劃與建設(shè)對城市熱環(huán)境的影響研究，其中城市綠地、水體等地表類型面積與布局變化的影響研究較為常見，研究結(jié)果總體表明綠地增加與水體恢復(fù)會降低局地氣溫與熱島強(qiáng)度，而且熱環(huán)境改善效果與綠地、水體布局密切相關(guān)（苗世光等, 2013; 王曉云等, 2018;耿紅凱等, 2020; McRae et al., 2020）。

在小區(qū)尺度上，相對于城市尺度，能夠更加詳細(xì)地分析居住區(qū)規(guī)劃要素改變對區(qū)域熱環(huán)境的影響。典型研究例如，Chen et al.（2004）對深圳某住宅建筑室外熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)綠化對熱環(huán)境有一定改善作用，同時建筑形態(tài)、規(guī)劃布局改變均可影響熱環(huán)境狀況；王偉武和張雍雍（2010）將植被指數(shù)、地表反照率、建筑密度、建筑高度、容積率與地表溫度進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)與地表溫度相關(guān)性最高，對溫度的影響程度大于建筑密度等其他要素；薛思寒等（2018）研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整建筑密度、街道布局形式等空間圍合度參數(shù)，可以對熱環(huán)境有不同程度的調(diào)節(jié)；殷實(shí)等（2019）研究表明建筑物密集布局會導(dǎo)致街道通風(fēng)環(huán)境較差，但密集布局所形成的大高寬比街道又起到了良好遮陽效果；Shareef and Abu-Hijleh（2020）利用ENVI-met模擬了迪拜某區(qū)域的建筑物方向和高度改變對氣溫的影響，結(jié)果表明西北—東南方向的建筑物高度增加可以使氣溫下降1.1°C。

綜合分析國內(nèi)外研究成果可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場觀測基礎(chǔ)上，利用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)開展城市規(guī)劃建設(shè)對城市熱環(huán)境影響的定量分析已成為研究熱點(diǎn)。在微氣候影響機(jī)制的模擬研究中，探討建筑物方位與材料、綠化、水體等影響因素的研究較多，而考慮城市空間幾何形態(tài)有關(guān)的建筑物高度及其布局的研究相對較少。從城市建設(shè)用地來看，綠地與水體可用于規(guī)劃布局的面積畢竟有限，調(diào)整街道或建筑布局形式已成為改善城市熱環(huán)境的重要方式（王若晨等, 2020）。因此有關(guān)城市建筑布局要素對局地?zé)岘h(huán)境影響的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

本研究采用微氣候模擬軟件ENVI-met，選擇江北新區(qū)頂山街道規(guī)劃前后變化較大的某小尺度局部區(qū)域作為試驗區(qū)，以2013 年8 月8 日南京出現(xiàn)的一次高溫天氣為示例日期，在開展現(xiàn)狀真實(shí)場景的氣溫空間分布模擬基礎(chǔ)上，以擬規(guī)劃建設(shè)的一個二類居住用地區(qū)域為例，通過設(shè)計不同詳細(xì)規(guī)劃方案，分別探討建筑物高度與建筑間距之比（H/W）、建筑布局變化對居住小區(qū)熱環(huán)境的影響，以期為城市規(guī)劃布局策略提供參考。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)

選擇南京市江北新區(qū)頂山街道的局部區(qū)域作為真實(shí)場景，開展ENVI-met 模式模擬研究，評估ENVI-met 模擬區(qū)域熱環(huán)境的合理性。頂山街道位于江北新區(qū)核心區(qū)，南臨長江，北枕老山，區(qū)域面積62.8 km2。真實(shí)場景模擬區(qū)域面積為4.93 km2，圖1 給出了2011 年3 月14 日獲取的GeoEye-1 真彩色合成圖像，土地覆蓋類型包括道路、低矮建筑物、農(nóng)田、綠化等自然下墊面，區(qū)域內(nèi)布設(shè)了頂山自動氣象站。

在《南京江北新區(qū)總體規(guī)劃（2014-2030 年）》中，該區(qū)域農(nóng)田多被改造為城市用地，包括商業(yè)用地、二類居住用地、文化設(shè)施用地、科技研發(fā)用地、娛樂康體用地等，規(guī)劃前后下墊面類型變化較大。根據(jù)《南京江北新區(qū)總體規(guī)劃（2014-2030 年）》，選擇擬規(guī)劃建設(shè)的某個二類居住用地區(qū)域，參考城市總體規(guī)劃規(guī)范，在滿足居住小區(qū)規(guī)劃控制指標(biāo)的前提下，設(shè)計不同的詳細(xì)規(guī)劃方案作為規(guī)劃場景，開展建筑高度—間距比（H/W）、建筑布局等參數(shù)改變對熱環(huán)境影響的模擬研究。

2.2 研究數(shù)據(jù)

（1）氣象站觀測數(shù)據(jù)

收集江北新區(qū)頂山國家自動氣象站的2013 年8 月8 日08:00（北京時間，下同）至8 月9 日08:00逐小時氣象觀測數(shù)據(jù)，包括氣溫、相對濕度、露點(diǎn)以及瞬時風(fēng)速等，用于城市熱環(huán)境ENVI-met 數(shù)值模擬計算的邊界條件，以及模擬結(jié)果精度的評估。

（2）建筑空間分布數(shù)據(jù)

建筑空間分布數(shù)據(jù)是由城市數(shù)據(jù)團(tuán)提供。城市數(shù)據(jù)團(tuán)是上海脈策數(shù)據(jù)科技有限公司旗下的原創(chuàng)數(shù)據(jù)媒體，在國家信息中心發(fā)布的《2017 中國大數(shù)據(jù)發(fā)展報告》中，排名進(jìn)入大數(shù)據(jù)領(lǐng)域前十。城市數(shù)據(jù)團(tuán)可提供用于城市研究的各種高精度數(shù)據(jù)，其中建筑空間分布數(shù)據(jù)包含建筑物位置、輪廓與層數(shù)信息，數(shù)據(jù)格式為shp，坐標(biāo)系為WGS-84。將城市建筑分布數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)建筑物位置、輪廓與衛(wèi)星影像高度重合，而且建筑層數(shù)與實(shí)地調(diào)查結(jié)果也非常一致，這說明建筑分布數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高。研究中設(shè)定建筑物每層高度為3 m，利用建筑層數(shù)乘以樓層高度，得到建筑物高度數(shù)據(jù)。采用Vertex 激光測距儀的激光測量方式，隨機(jī)測量15 棟建筑物高度，測量時保持儀器與目標(biāo)建筑物之間水平距離在20 m 以內(nèi)，每棟建筑物測量3 次，取平均值作為最終高度，用于驗證城市數(shù)據(jù)團(tuán)提供的建筑物數(shù)據(jù)精度，結(jié)果表明根據(jù)樓層數(shù)據(jù)得出的建筑物高度均方根誤差為2.8 m。

3 研究方法

3.1 ENVI-met 微氣候模式模擬

ENVI-met 是由Bruse 和Fleer 基于流體力學(xué)和熱力學(xué)理論開發(fā)的城市微氣候模擬軟件（Bruse and Fleer, 1998），用于模擬城市小尺度范圍地表、建筑、植被與大氣之間的相互作用，被廣泛用于城市微 氣 候 模 擬 研 究（Chow et al., 2011; 秦 文 翠 等,2015; 祝善友等, 2017; 盧薪升和楊鑫, 2018; 岳小智等, 2018; McRae et al., 2020; Shareef and Abu-Hijleh,2020）。

ENVI-met 模擬水平范圍為0.1～2.5 km，空間分辨率≤10 m，時間步長≤10 s。模式采用一維邊界模型計算大氣邊界層過程，三維主模型下方為自由出流，頂部為強(qiáng)迫邊界，即將一維邊界模型在高度z 處的計算結(jié)果直接賦給三維模型的頂部網(wǎng)格。主模型區(qū)域包含土壤、植被、大氣、建筑模型。本文使用的是ENVI-met 4.0 版本。

在真實(shí)場景下，選取頂山街道部分區(qū)域利用ENVI-met 模式模擬區(qū)域微氣候。模式相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：利用2011 年3 月14 日成像的GeoEye-1衛(wèi)星影像（圖1），通過目視解譯方法得到該區(qū)域的下墊面土地利用類型數(shù)據(jù)；設(shè)置模擬區(qū)域網(wǎng)格數(shù)目在x、y、z方向上分別為222、222、25，網(wǎng)格水平、垂直方向的空間分辨率分別為10 m、4 m，模擬時段為2013 年8 月8 日09:00 至9 日08:00，共計24 h；三維主模型區(qū)域外側(cè)設(shè)置5 個由瀝青路面及混凝土路面交替排列的嵌套網(wǎng)格，模擬區(qū)域包含建筑物、植被、農(nóng)田和街道等多種類型，邊界模型選擇強(qiáng)迫式。

在規(guī)劃場景下，根據(jù)《南京江北新區(qū)總體規(guī)劃（2014-2030 年）》，選擇擬規(guī)劃建設(shè)的某個二類居住用地區(qū)域，參考相關(guān)規(guī)劃規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置不同的建筑H/W以及建筑布局形式，開展不同規(guī)劃場景的ENVI-met 模擬與對比分析。為確保不同試驗方案模擬結(jié)果之間的可比性，在ENVI-met 模式參數(shù)設(shè)置時，根據(jù)居住小區(qū)大小，將規(guī)劃場景所有模擬試驗的網(wǎng)格數(shù)目在x、y、z方向上分別為設(shè)置為119、106、25，其他輸入?yún)?shù)與真實(shí)場景相同。

3.2 規(guī)劃場景下建筑布局參數(shù)設(shè)置

研究區(qū)屬冬冷夏熱建筑氣候區(qū)劃，根據(jù)居民居住區(qū)的分級控制規(guī)模特點(diǎn)，選擇小區(qū)作為研究基本單元?！赌暇┙毙聟^(qū)總體規(guī)劃（2014-2030 年）》僅規(guī)定了用地類型，未給出詳細(xì)的建筑物及其分布規(guī)劃數(shù)據(jù)。根據(jù)城市詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計（段漢明等,2016）與城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB 50180-2018），參考居住區(qū)用地平衡控制指標(biāo)、人均居住用地控制指標(biāo)、住宅建筑凈密度最大值的控制指標(biāo)、住宅容積率最大值控制指標(biāo)、住宅建筑間距指標(biāo)、住宅建筑層數(shù)、住宅建筑空間高寬比、住宅小區(qū)道路分級、居住區(qū)內(nèi)公共綠地指標(biāo)及各級綠地設(shè)置要求等方面，通過改變建筑物高度與建筑間距的比值（H/W）、建筑布局形式兩個參數(shù)，模擬分析建筑布局要素變化對區(qū)域熱環(huán)境的影響。

（1）不同建筑H/W參數(shù)設(shè)置

為了研究居住小區(qū)建筑H/W值改變對區(qū)域熱環(huán)境的影響，設(shè)計了3 組不同的H/W對比試驗。建筑間距W設(shè)定為滿足最高建筑日照間距的最小值，通過改變建筑高度H以控制H/W值，氣象背景條件、道路、植被分布及小區(qū)周邊環(huán)境設(shè)置等參數(shù)均保持不變。在居住小區(qū)建筑方式中，行列式對區(qū)域熱環(huán)境影響的負(fù)面作用相對較?。返?2012），因此試驗建模中所有建筑按行列式排列，各試驗三維建模如圖2 所示。

（2）不同建筑布局形式設(shè)置

建筑布局形式是指建筑單體與建筑組團(tuán)不同的排列組合方式，會對區(qū)域內(nèi)空氣流動產(chǎn)生阻礙或促進(jìn)作用，并直接影響地塊所接收的太陽輻射與通風(fēng)環(huán)境，進(jìn)而影響區(qū)域熱環(huán)境。根據(jù)常見的居住小區(qū)建筑布局形式，本研究設(shè)計了3 種不同居住小區(qū)建筑布局形式，分別為片塊式、圍合式及軸線式，其ENVI-met 三維建模如圖3 所示，其他規(guī)劃控制指標(biāo)均保持相同。

圖3 （a）片塊式、（b）圍合式、（c）軸線式建筑布局三維建模（灰色為建筑；綠色為植被；白色為硬質(zhì)地面）Fig. 3 3D models for different building layouts: (a) Block type; (b) enclosed type; (c) axial type. Gray: building, Green: Vegetation, White:impervious hard ground

4 結(jié)果與分析

4.1 ENVI-met 模擬氣溫精度分析

以頂山自動氣象站觀測氣溫作為標(biāo)準(zhǔn)，圖4 給出了ENVI-met 模擬氣溫與觀測氣溫之間的對比。根據(jù)圖4a，ENVI-met 模擬氣溫與實(shí)測氣溫之間的日變化趨勢相似，總體上來看模式模擬值略高于實(shí)測值，在夜間時段（19:00 至23:00）模擬誤差相對較大；由圖4b 可知，模擬氣溫與觀測氣溫之間的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)r為0.96（p＜0.001），模擬氣溫的均方根誤差為1.26°C，這表明ENVI-met微氣候模式能夠以較高精度模擬氣溫時間變化，可將模式模擬結(jié)果用于開展建筑布局要素對區(qū)域熱環(huán)境的影響研究。

圖4 2013 年8 月8 日08:00 至8 月9 日08:00 頂山自動氣象站觀測氣溫與ENVI-met 模擬氣溫對比：（a） 24 h 氣溫變化曲線對比；（b）模擬氣溫與觀測氣溫散點(diǎn)圖Fig. 4 Air temperature comparison between station observation and ENVI-met model simulation during the period of 0800 LST 8 August to 0800 LST 9 August 2013: (a) Comparison of 24-h temperature variance curves; (b) scatter diagram between the simulated and observed air temperatures

4.2 建筑H/W 變化對區(qū)域熱環(huán)境影響分析

以2013 年8 月8 日08:00、14:00 及22:00 為例，分別對應(yīng)于氣溫開始升高、達(dá)到最高值、接近最低值的3 個時刻，針對規(guī)劃場景為1190 m ×1060 m 大小的區(qū)域，對比分析3 種不同H/W情況下的2 m 高度氣溫空間分布模擬結(jié)果。在ENVI-met模擬風(fēng)速的相關(guān)研究中，王振（2008）利用武漢寶成路街區(qū)的室外實(shí)測風(fēng)速作為參考，發(fā)現(xiàn)夏季07:00 至19:00 時段不同測點(diǎn)的風(fēng)速模擬平均誤差不超過0.2 m/s；Krüger et al. （2011）研究表明，當(dāng)模式輸入風(fēng)速小于2 m/s 和時，模擬風(fēng)速與實(shí)測值吻合較好（R2=0.80），當(dāng)輸入風(fēng)速大于2 m/s 時，模擬值偏高（R2=0.80）。這些相關(guān)研究說明了ENVI-met 模式模擬風(fēng)速的空間分布合理性，本文在不同建筑布局要素對熱環(huán)境影響分析中，采用了ENVI-met 模式模擬的14:00 時風(fēng)速輔助分析氣溫空間分布差異。

在08:00（圖5），H/W為0.7 的情況下，區(qū)域整體氣溫偏高，平均氣溫為31.66°C，分別較H/W為1.4、2.8 的 情 況 高0.15°C 和0.27°C。在14:00（圖6），H/W為0.7 的模擬氣溫進(jìn)一步升高，平均氣溫達(dá)到36.19°C，最高氣溫達(dá)38.13°C；H/W為2.8 的氣溫最低，與H/W為1.4 的平均氣溫分別為35.89°C 和35.63°C。在08:00 和14:00，區(qū)域氣溫都呈現(xiàn)出西南向東北方向逐漸下降的特點(diǎn)，西南區(qū)域的氣溫差異更為明顯，且硬質(zhì)地面上方的氣溫最高，主要是因為白天氣溫隨時間變化與太陽輻射、空氣的流動等因素有關(guān)。在平坦空曠地區(qū)，太陽輻射到達(dá)地面被反射或吸收后經(jīng)長波輻射傳播回空氣中，使空氣溫度上升，而隨著H/W的增加，建筑物高度增大，遮擋了到達(dá)地面的部分太陽直接輻射，使得建筑陰影下的近地表氣溫明顯低于光照區(qū)域。

圖5 2013 年8 月8 日08:00 頂山氣象站2 m 高度氣溫空間分布：（a）H/W=0.7；（b）H/W=1.4；（c）H/W=2.8Fig. 5 Air temperature distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 0800 LST 8 August 2013: (a) H/W=0.7; (b) H/W=1.4;(c) H/W=2.8

根據(jù)14:00 2 m 高度的風(fēng)速空間分布（圖7），在不同H/W情況下，與西南風(fēng)向垂直的小區(qū)外圍主干道路風(fēng)速較低，風(fēng)速由西南向東北方向逐漸降低。對比不同H/W情況下的模擬風(fēng)速，H/W為1.4 的情況下風(fēng)速較高，最大值達(dá)4.35 m/s，出現(xiàn)在居住小區(qū)西南組團(tuán)區(qū)域（圖7b 白圈區(qū)域），風(fēng)吹至建筑墻面向下方偏轉(zhuǎn)，與水平方向氣流在建筑側(cè)面形成渦旋，在迎風(fēng)面形成下行氣流，在背風(fēng)面形成上升氣流，與陰影區(qū)結(jié)合形成低溫舒適區(qū)（圖6b）。隨著H/W從1.4 增大到2.8，建筑物與道路形成了“城市峽谷”，建筑物對風(fēng)的阻礙作用增加，通風(fēng)能力減弱，風(fēng)速下降。

圖6 2013 年8 月8 日14:00 頂山氣象站2 m 高度氣溫空間分布：（a）H/W=0.7；（b）H/W=1.4；（c）H/W=2.8Fig. 6 Air temperature distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 1400 LST 8 August 2013: (a) H/W=0.7; (b) H/W=1.4;(c) H/W=2.8

圖7 2013 年8 月8 日14:00 頂山氣象站2 m 高度風(fēng)速分布：（a）H/W=0.7；（b）H/W=1.4；（c）H/W=2.8Fig. 7 Wind speed distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 1400 LST 8 August 2013: (a) H/W=0.7; (b) H/W=1.4;(c) H/W=2.8

在22:00（圖8），H/W為0.7、1.4 和2.8 情況下的平均氣溫分別為32.69°C、32.56°C 和32.48°C，H/W為0.7 時的平均氣溫最高。在這3 種情況下，氣溫隨著西南方向的小區(qū)邊緣向東北方向的小區(qū)內(nèi)部逐漸升高，其原因是風(fēng)速較小情況下的地表長波輻射是夜間散熱主要方式，小區(qū)內(nèi)部天空開闊度較小，建筑物阻礙了長波輻射散失，導(dǎo)致熱量積聚，氣溫下降幅度較小。H/W較大情況下，夜間雖然散熱能力較弱，但由于白天地面吸收熱量較少，氣溫并不高于H/W較小的情況。

圖8 2013 年8 月8 日22:00 頂山氣象站2 m 高度氣溫空間分布：（a）H/W=0.7；（b）H/W=1.4；（c）H/W=2.8Fig. 8 Air temperature distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 2200 LST 8 August 2013: (a) H/W=0.7; (b) H/W=1.4;(c) H/W=2.8

綜合上述分析，結(jié)合居住小區(qū)建筑H/W規(guī)劃控制指標(biāo)，適當(dāng)降低城市建筑容積率、合理布置高層建筑群，可在一定程度上降低夏季氣溫。已有研究也證實(shí)，在炎熱氣候區(qū)，通過增加H/W能夠產(chǎn)生所需要的陰影區(qū)域，從而使氣溫下降（Andreou,2014; Shareef and Abu-Hijleh, 2020），H/W大 于2可以有效改善居住區(qū)夏季熱環(huán)境（Ali-Toudert and Mayer, 2006）。

4.3 建筑布局變化對區(qū)域熱環(huán)境影響分析

類似地，以08:00、14:00 及22:00 為例，針對規(guī)劃場景為1190 m × 1060 m 大小的區(qū)域，對比分析3 種不同建筑規(guī)劃布局形式下的2 m 高度氣溫空間分布模擬結(jié)果。

在08:00（圖9），片塊式、圍合式與軸線式布局模擬氣溫平均值相差不大，分別為31.39°C、31.37°C 和31.31°C。從空間分布來看，片塊式布局東南建筑群大多與主導(dǎo)風(fēng)向垂直，高低錯落，分布方式不規(guī)則，使得夏季風(fēng)被阻滯，空氣流動性降低，導(dǎo)致氣溫升高（圖9a 白圈區(qū)域）。片塊式建筑布局的整體氣溫呈現(xiàn)西北低、東南高的變化趨勢，中心組團(tuán)大面積綠地區(qū)域氣溫較低。圍合式布局的整體氣溫偏低，迎風(fēng)面采用點(diǎn)群式建筑布局，使得空氣順利流通進(jìn)入小區(qū)，外圍高層建筑對太陽輻射的遮擋作用降低了附近區(qū)域氣溫。軸線式除與西南風(fēng)向垂直的主干道路氣溫較高以外，其它區(qū)域氣溫均較低。

圖9 2013 年8 月8 日08:00 頂山氣象站2 m 高度氣溫空間分布：（a）片塊式；（b）圍合式；（c）軸線式Fig. 9 Air temperature distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 0800 LST 8 August 2013:(a) block type; (b) enclosed type;(c) axial type

在14:00，綜合分析2 m 高度的氣溫（圖10）與風(fēng)速空間分布（圖11），3 種不同建筑布局情況下的氣溫與風(fēng)速分布差異明顯，在高層建筑的陰影區(qū)域因直接太陽輻射被部分遮擋而形成了低溫區(qū)。在片塊式布局中，道路曲折，建筑高低錯落，風(fēng)進(jìn)入內(nèi)部區(qū)域的阻力較大，風(fēng)速最小值低至0.02 m/s，出現(xiàn)在與風(fēng)向垂直的建筑區(qū)及高層建筑區(qū)。片塊式東南組團(tuán)高層建筑群區(qū)域的內(nèi)部空氣流動使得不同層氣溫進(jìn)行交換，對周圍氣溫產(chǎn)生影響，出現(xiàn)了小面積風(fēng)速較高區(qū)域，其他被道路分隔的建筑片塊區(qū)，風(fēng)速均較低。西南組團(tuán)多為低層建筑，風(fēng)速接受阻力較小，到達(dá)較為空曠的綠地區(qū)后風(fēng)速明顯增大，最高達(dá)到了2.4 m/s，綠地集中區(qū)域在良好的通風(fēng)條件下氣溫較低。對比圖10a 和圖11a 可以發(fā)現(xiàn)，片塊式布局情況下風(fēng)速較高區(qū)域，如西北組團(tuán)內(nèi)部、中間綠化區(qū)域、東南組團(tuán)內(nèi)部，氣溫相對偏低。

圖10 2013 年8 月8 日14:00 頂山氣象站2 m 高度氣溫空間分布：（a）片塊式；（b）圍合式；（c）軸線式Fig. 10 Air temperature distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 1400 LST 8 August 2013: (a) block type; (b) enclosed type; (c) axial type

在3 種不同建筑布局規(guī)劃中，圍合式平均氣溫最高，達(dá)35.72°C。圍合式布局形式中的路網(wǎng)較為稠密且分布不規(guī)則，外圍高層建筑較多。居住小區(qū)入口設(shè)置在主導(dǎo)風(fēng)來向，并以散點(diǎn)式布置中低層建筑，入口主干道風(fēng)速達(dá)到2 m/s，其他支路風(fēng)速較小，整體分布較為均勻，氣流在圍合建筑前形成漩渦，低風(fēng)速區(qū)與氣溫分布的高值區(qū)域吻合。在整體上，對比分析圖10b 和圖11b，圍合式布局的氣溫與風(fēng)速呈現(xiàn)出了西南向東北逐漸降低的規(guī)律，主要原因是建筑物之間形成的路網(wǎng)方向與西南風(fēng)向一致，流動較為通暢的空氣影響了區(qū)域不同位置的氣溫差異。

圖11 2013 年8 月8 日14:00 頂山氣象站2 m 風(fēng)速分布：（a）片塊式；（b）圍合式；（c）軸線式Fig. 11 Wind speed distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 1400 LST 8 August 2013: (a) block type; (b) enclosed type;(c) axial type

軸線式建筑布局較為規(guī)整，兩條主干道路垂直交叉，西南—東北方向主干道路的風(fēng)速較大，最大超過了4 m/s，模擬氣溫與圍合式布局類似，大致呈現(xiàn)出西南高東北低的分布趨勢。東南—西北方向主干道被高層建筑圍擋，風(fēng)速較低。氣流遇到第一排建筑物被迫向上抬升，建筑物兩側(cè)周邊形成的空氣流動向后排建筑物移動，后排建筑物區(qū)域特別是距離空曠道路較遠(yuǎn)的位置處于弱氣流區(qū)，風(fēng)速較低。

在22:00，片塊式布局的東南組團(tuán)氣溫偏高（圖12a 白圈區(qū)域），主要是因為該區(qū)域建筑較高、天空開闊度較小，地表長波輻射熱量散失較慢，氣溫下降幅度較小。圍合式布局的內(nèi)部建筑局部氣溫高于32°C（圖12b 白圈區(qū)域），無大面積高溫區(qū)。相比之下，軸線式高溫區(qū)面積較大，東北建筑組團(tuán)模擬氣溫均較高，許多區(qū)域超過了33°C，氣溫最大值與最小值相差0.86°C，主要是因為建筑布局方向與風(fēng)向垂直，阻礙了風(fēng)的有效流動，熱量散失速度較慢，氣溫較高。

圖12 2013 年8 月8 日22:00 頂山氣象站2 m 高度氣溫空間分布：（a）片塊式；（b）圍合式；（c）軸線式Fig. 12 Air temperature distribution Dingshan meteorological station at the height of 2 m at 2200 LST 8 August 2013: (a) block type; (b) enclosed type; (c) axial type

綜合上述模擬分析，在考慮建筑物布局規(guī)劃時，為了改善區(qū)域熱環(huán)境，可以在小區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向入口附近設(shè)置低矮建筑，以形成更好的通風(fēng)條件，提高熱量運(yùn)移與流通速度；與主導(dǎo)風(fēng)向垂直的建筑采用散點(diǎn)式布局，并使主干道路與主導(dǎo)風(fēng)向形成一定角度，在主干道交叉路口處，利用綠化、水體景觀等代替低矮建筑，以增大通風(fēng)斷面，使主導(dǎo)風(fēng)向的空氣順利進(jìn)入垂直向道路。

5 結(jié)論

在南京江北新區(qū)頂山街道某區(qū)域真實(shí)場景的ENVI-met 微氣候模擬基礎(chǔ)上，改變居住小區(qū)建筑物高度與間距比（H/W）、建筑布局形式，模擬分析了建筑布局改變對區(qū)域熱環(huán)境的影響。通過研究，得出如下結(jié)論：

（1）在真實(shí)場景下，ENVI-met 模式能夠準(zhǔn)確模擬2 m 高度氣溫，模擬氣溫與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)為0.96，為后續(xù)開展建筑要素改變對區(qū)域熱環(huán)境的影響模擬奠定了基礎(chǔ)。

（2）H/W值可在一定程度上影響區(qū)域熱環(huán)境，適當(dāng)增加H/W可在一定程度上降低夏季氣溫。在模擬的3 種H/W情況中，平均氣溫在H/W為0.7時最高，在H/W為2.8 時最低，風(fēng)速在H/W為1.4 時達(dá)到最大，綜合分析氣溫與風(fēng)速的時空分布，H/W為1.4 時的熱環(huán)境更為舒適。

（3）建筑布局形式對區(qū)域熱環(huán)境具有重要影響。片塊式布局各片塊間相互獨(dú)立，熱環(huán)境變化與各組團(tuán)布局形式有關(guān)；在3 種建筑布局形式中，圍合式布局的氣溫相對較低，但其布局形式會對風(fēng)速產(chǎn)生一定阻礙作用；軸線式布局中與風(fēng)向垂直的主干道風(fēng)速較大，但整體氣溫相對偏高，夜間熱島效應(yīng)較強(qiáng)。

（4）居住小區(qū)中建筑與道路形成的“峽谷”形態(tài)對區(qū)域熱環(huán)境起著自然調(diào)節(jié)作用，不同的H/W、建筑布局形式直接影響著空氣溫度與風(fēng)速，建筑物的合理布局對緩解城市熱島效應(yīng)具有重要意義。

本文以一個居住小區(qū)24 h 氣溫的逐時空間分布模擬與分析為例，重點(diǎn)從定性角度討論了建筑布局要素改變對熱環(huán)境的影響，而有關(guān)不同季節(jié)、不同氣象條件下的熱環(huán)境時空分布特征模擬以及不同建筑要素構(gòu)成的區(qū)域空間幾何形態(tài)、綠化面積與分布、地表通風(fēng)潛力等因素對局地?zé)岘h(huán)境的定量影響分析，需要在觀測數(shù)據(jù)驗證基礎(chǔ)上深入開展研究。