街頭喬木景觀結(jié)構(gòu)的微氣候效應數(shù)值仿真

張 鑫，蔡籽焓，黃曉光

(河北工業(yè)大學，天津 300130)

1 引言

城市內(nèi)的瀝青柏油路面和建筑物隨著城市發(fā)展進程的加快不斷增多，改變了城市熱環(huán)境以及城市下墊面的性質(zhì)。人工建筑物的增多對城市街頭的微氣候效應產(chǎn)生了影響[1]，同時會產(chǎn)生熱島效應，根據(jù)空間尺度的不同，可將氣候分為四大類：微氣候、全球性風帶氣候、局地氣候和地區(qū)性大氣候。城市的氣候長期受到多種因素的影響，包括太陽產(chǎn)生的輻射、人文地理環(huán)境以及大氣中存在的環(huán)流等。

城市中微氣候的形成離不開城市下墊面、建筑以及街頭喬木景觀與大氣之間存在的熱過程，同時會受到大氣濕度、下墊面性質(zhì)、城市設置布置以及局部太陽輻射等因素的影響[2]。高仰馳[3]等人將測點設置在五種不同的空間中，獲取微氣候的變化特征，通過舒適指數(shù)分析人體熱舒適度受不同空間的影響，完成微氣候效應數(shù)值模擬。羅鳳敏[4]等人統(tǒng)計分析研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，在站點風速變化特征、大氣溫度、蒸發(fā)量、地表溫度、降水量和相對濕度等變化特征的基礎上完成微氣候效應的數(shù)值模擬分析。在上述方法的基礎上，引入ENVI-met軟件，提出街頭喬木景觀微氣候效應數(shù)值模擬方法，分析街頭喬木景觀對微氣候效應產(chǎn)生的影響。

2 街頭喬木景觀微氣候效應數(shù)值模擬

2.1 傳熱過程

街頭喬木景觀對微氣候的影響可以描述為以下兩種傳熱過程的耦合：

1)城市固體壁面與太陽之間存在的輻射傳熱；

2)空氣與城市固體壁面之間存在的對流換熱。

2.1.1 固體熱平衡分析

所有固體表面單元i在城市中都滿足下述熱平衡關(guān)系

ZRi+Di+Vi+Ti+Ji=0

(1)

式中，ZRi描述的是附近環(huán)境與單元i之間的潛熱換熱量；Di描述的是太陽輻射；Vi描述的是墻體內(nèi)側(cè)單元i的導熱量；Ti描述的是單元i從其它表面和天空獲取的長波輻射；Ji代表的是附近空氣與單元i之間產(chǎn)生的對流換熱量。

2.1.2 角系數(shù)

在單元之間角系數(shù)的基礎上計算其輻射傳熱過程。對街頭喬木景觀微氣候模擬時，需要獲取固體表面的位置和形狀，為了簡化求解過程，街頭喬木景觀微氣候效應數(shù)值模擬方法通過蒙特卡洛法求解。射線在表面網(wǎng)格單元中的出發(fā)點是不存在規(guī)律的，具有隨機性，網(wǎng)格單元不同位置中存在射線的概率都是相同的。用平行四邊形表示三維空間中存在的表面網(wǎng)格，并在下式的基礎上計算射線出發(fā)點的位置

(2)

式中，β、χ均為隨機數(shù)，在區(qū)間[0，1]內(nèi)取值；(xi，yi，zi)描述的是網(wǎng)格頂點對應的坐標。

設Gij代表的是角系數(shù)，可通過下式計算得到

(3)

式中，Mij代表的是j面吸收射線的總數(shù)；Mtot代表的是射線從i面射出的數(shù)量。

2.1.3 太陽輻射得熱

在微環(huán)境中太陽輻射發(fā)揮著重要作用，太陽輻射對壁面加熱分為兩種途徑，第一種為天空散射，第二種為直射[5，6]。

1)直射輻射投射量

設χi代表的是太陽直射到網(wǎng)格i的比率，其計算公式如下

(4)

式中，Mi描述的是射線到達太陽的距離。

設RDi代表的是太陽直射到達網(wǎng)格i的輻射能量，其表達式如下

RDi=SiχiONcos ?

(5)

式中，?描述的是太陽入射角；Si代表的是網(wǎng)格i對應的面積；ON描述的是法向太陽輻射強度，其表達式如下

ON=O0A1/sinh

(6)

式中，h代表的是太陽高度角；A代表的是大氣透過率；O0代表的是太陽常數(shù)。

2)天空散射輻射量

設Rsi代表的是天空散射到表面網(wǎng)格i的輻射熱量[7，8]，其計算公式如下

Rsi=OSHSiGis

(7)

式中，Gis描述的是針對天空，網(wǎng)格i對應的角系數(shù)；OSH描述的是天空太陽在晴天環(huán)境下產(chǎn)生的輻射強度，街頭喬木景觀微氣候效應數(shù)值模擬方法通過Berlage公式完成輻射強度OSH的計算

(8)

3)輻射系統(tǒng)內(nèi)太陽輻射的分配

設WDi代表的是網(wǎng)格i吸收的總太陽輻射，WRi代表的是網(wǎng)格i反射的總太陽輻射，其計算公式分別如下

(9)

式中，βi描述的是針對短波，網(wǎng)格i的吸收率。

能量WRi在網(wǎng)格中會發(fā)生若干次反射，最后被不同表面吸收，街頭喬木景觀微氣候效應數(shù)值模擬方法采用杰勃哈特法計算其它表面網(wǎng)格吸收反射能量WRi的吸收量WAij

(10)

2.2 街頭喬木景觀微氣候效應模擬方法

采用ENVI-met軟件進行街頭喬木景觀微氣候效應仿真[9，10]，在城市氣象學、計算流體力學、熱力學和傳熱過程的基礎上完成街頭喬木景觀微氣候效應的數(shù)值模擬。

ENVI-met軟件的操作較為簡單，通過定義初始條件、邊界條件就可以模擬相關(guān)參數(shù)的交換過程，包括輻射、風流量、湍流量和熱流量等，輸出氣象參數(shù)，如平均輻射溫度、空氣溫度、風向、濕度、風向和速度等?？梢栽贓NVI-met軟件中設置與實際情況相符的建筑物，并在數(shù)值模擬過程中納入植物產(chǎn)生的光合作用，根據(jù)自己的需求，用戶在ENVI-met軟件中設置植物類型[11，12]。ENVI-met軟件的模塊如圖1所示。

ENVI-met仿真模型由一維邊界層模型和三維核心子模型構(gòu)成，污染源、建筑物、下墊面屬性、水體和植被等設置在三維模型中。一維模型中包括土壤模型，在土壤系統(tǒng)中可按照從上到下的順序計算熱量和水分的交換。選擇模型的下墊面時，需要保證上風邊界，ENVI-met仿真模型如圖2所示。

圖1 ENVI-met軟件模塊

ENVI-met軟件中需要計算的參數(shù)如表1所示。

圖2 ENVI-met仿真模型

表1 ENVI-met仿真模型參數(shù)

1)大氣模型

大氣模型的主要作用是在熱力學基本原理和流體力學基本原理的基礎上模擬并預測長短波輻射量、濕溫度和風環(huán)境的演變過程，即在大氣中通過守恒方程模擬水蒸氣、熱量和湍流之間存在的能量交換。

2)土壤模型

ENVI-met模型邊界表面的濕度、溫度以及人工構(gòu)筑物表面均可利用土壤模型完成計算。根據(jù)用戶自身需求也可以在ENVI-met模型中定義不同類型的土壤。

3)植物模型

植物模型主要通過周圍環(huán)境與葉片氣孔的蒸騰散濕量、葉面蒸發(fā)量以及顯熱熱流完成水熱交換。用一維柱狀模型代替ENVI-met軟件中的植物，針對深度和高度都不相同的植物類型，街頭喬木景觀微氣候效應數(shù)值模擬方法分別采用根面積指數(shù)和葉面積指數(shù)[13]描述。

4)構(gòu)筑物表面模型

將穩(wěn)態(tài)能量平衡方程應用在ENVI-met模型中的構(gòu)筑物表面模型中，完成建筑屋面和外墻傳熱的計算，導熱系數(shù)、發(fā)射率和反射率均屬于構(gòu)筑物的熱物理性質(zhì)，通過構(gòu)筑物表面模型可在ENVI-met模型中模擬人行道、天空、土壤和建筑的長短波輻射作用。

3 數(shù)值模擬

1)微氣候效應受喬木結(jié)構(gòu)的影響

街頭綠化中的喬木組合類型較多，冠形和高度都不同的喬木組合產(chǎn)生的微氣候效應都不相同。將加楊、旱柳組合作為觀測點1，將加楊、旱柳、榆樹組合作為觀測點2、將樟子松、旱柳、榆樹組合作為觀測點3。不同測點在早上八點到晚上六點的微氣候變化情況如圖3所示。

由圖3(a)中的數(shù)據(jù)可知，全天平均溫度為樟子松、旱柳、榆樹組合高于加楊、旱柳組合高于加楊、旱柳、榆樹組合，其中加楊、旱柳組合與加楊、旱柳、榆樹組合的溫度值相近，加楊、旱柳、榆樹組合與樟子松、旱柳、榆樹組合的溫差最大。由溫度變化情況可知，空氣溫度會受到樹種豐富程度的影響，降溫能力隨著樹種豐富度的增大而增強。對比加楊、旱柳組合與樟子松、旱柳、榆樹組合的溫度變化情況可知，雖然加楊、旱柳組合的喬木豐富度程度低于樟子松、旱柳、榆樹組合的喬木豐富程度，但其降溫效果較好，造成這種現(xiàn)象的主要原因是加楊的體形較為高大，形成的空間具有較小的SVF值和較大的郁閉度，因此樟子松、旱柳等喬木對天空的遮蔽程度遠不及加楊，由此可知加楊的降溫效果較高，樹下的太陽輻射強度得以降低。

圖3 測點1、測點2和測點3處的微氣候效應

分析圖3(b)可知，全天濕度平均值為加楊、旱柳、榆樹組合高于樟子松、旱柳、榆樹組合高于加楊、旱柳組合。但加楊、旱柳組合的濕度在11：00-15：00時間段內(nèi)高于樟子松、旱柳、榆樹組合，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，太陽輻射強度在該時間段內(nèi)較強，在蒸騰作用[14，15]下植物會將自身的水分散發(fā)到附近環(huán)境中，樟子松的蒸騰能力要遠低于加楊。

由圖3(c)可知，風速具有隨機性的特點，在三類喬木組合中，樟子松、旱柳、榆樹組合的風速值最小，剩余兩個組合的風速值相差較小。

2)微氣候效應受種植密度的影響

街頭喬木的種植量可通過種植密度、綠量和覆蓋率得以體現(xiàn)，將種植密度作為本次研究的影響因子，研究微氣候效應受街頭喬木種植密度的影響，如圖4所示。設置組合1和組合2，以上兩個組合均由加楊和旱柳兩類喬木構(gòu)成，但其種植間距分別為10m/株、15m/株。

圖4 微氣候效應受種植密度的影響

分析圖4可知，組合1的溫度低于組合2，由此可知，降溫能力隨著種植密度的增大而增強；組合1的濕度高于組合2，由此可知，增濕能力隨著種植密度的增大而降低；對比組合1和組合2全天的平均風速變化可知，組合2的風速低于組合1的風速，表明在一定程度上增加街頭喬木景觀的種植密度可以減小風速。

3)微氣候受群落單元平面布局的影響

設置組合3、組合4和組合5，以上組合均由加楊、旱柳和榆樹構(gòu)成，但其開口特征不同，分別為雙側(cè)開口、單側(cè)開口和閉合無開口。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，局地微氣候會受到街頭喬木布局的影響，其中影響最為顯著的為風環(huán)境，微氣候受群落單元平面布局的影響如圖5所示。

圖5 微氣候受群落單元平面布局的影響

分析圖5可知，在測試時間段內(nèi)組合3、組合4和組合5的濕度和溫度相差較小，造成這種現(xiàn)象的主要原因是喬木冠副直徑大于開口距離，因此街頭喬木景觀對周圍環(huán)境濕度和溫度的影響較小。由圖5中的數(shù)據(jù)可知，與風速對微氣候效應產(chǎn)生的影響相比，街頭喬木景觀的平面布局產(chǎn)生的影響較為復雜，其中組合5的全天風速低于組合4的全天風速低于組合3的全天風速。

4 結(jié)束語

街頭喬木景觀是城市格局中較為重要的元素，分析街頭喬木景觀產(chǎn)生的微氣候效應對提高環(huán)境熱舒適度、設計植物景觀具有重要意義。

通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，街頭喬木景觀的平面布局、種植量以及喬木結(jié)構(gòu)都會對微氣候效應產(chǎn)生影響：

1)針對街頭喬木景觀內(nèi)部風環(huán)境，景觀平面布局產(chǎn)生的影響較為復雜；

2)在微氣候效應數(shù)值模擬過程中，街頭喬木景觀的形態(tài)特征產(chǎn)生的影響較為全面。