張少杰，周子慧，水滔滔，何晴晴

(1.安徽建筑大學 a.建筑與規(guī)劃學院，b.環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601;2.安徽省BIM工程中心，安徽 合肥 230601;3.安徽省裝配式研究院，安徽 合肥 230601)

快速城市化進程催生了大量的高密度城市建成區(qū)，因此對城市微氣候的研究愈加被當代學者所重視.而在眾多影響城市微氣候的因素中，物質(zhì)空間肌理形態(tài)對微氣候的影響作用十分顯著.通過對校園肌理形態(tài)參數(shù)對外部空間微氣候影響的研究，可以獲得兩者相互影響規(guī)律，建立起校園肌理形態(tài)要素與外部空間微氣候間相互影響的物理機制，進而以此來指導校園設計、更新或改造[1-3].

Fazia等利用ENVI-met討論了街道縱橫比和方向?qū)θ梭w舒適度的影響[4]，Gusson等利用ENVI-met 對地區(qū)進行微氣候模型構(gòu)建，并對比了兩者的建筑密度和建筑類型對微氣候的影響[5]，Lyu等利用ENVI-met 證明使用SVF(包括建筑高度、布局和密度)等綜合參數(shù)可以反演城市形態(tài)對熱舒適的局部影響[6]，Jin等研究了街道的微氣候、建筑物采暖對周圍熱環(huán)境的影響以及街道的形態(tài)特征與微氣候和人類舒適度之間的關(guān)系[7].Wei等通過ENVI-met結(jié)合實測氣象數(shù)據(jù)值分析了影響室外熱環(huán)境時空分布的不同因素[8].丁沃沃等分析了嚴寒地區(qū)城市氣候和城市形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)機理，研究了溫度、風速與建筑密度的關(guān)系[9].丁波榮等對哈爾濱街區(qū)形態(tài)要素與溫度的相關(guān)性進行了分析[10]，黃葉梅等利用ENVI-met分析城市道路肌理在中微觀層面的微氣候狀況[11].杜思宏等利用ENVI-met定量研究了沈陽街區(qū)城市形態(tài)指標與空氣溫度、地表溫度及平均風速的相關(guān)性[12].

城市形態(tài)和城市微氣候二者關(guān)系的連接點是城市形態(tài)的指標參數(shù)，研究形態(tài)參數(shù)的合理閾值是確立設計原則、修訂城市建設規(guī)范的重要基礎[13].在對城市肌理形態(tài)要素定量研究時，單純提高反射率不一定能改善室外熱環(huán)境[14]，而迎風面建筑密度(λF)可以作為淺街谷風環(huán)境的研究補充[15].在城市中心區(qū)可通過增加高層建筑的底層架空空間以及加強公共活動空間的地面滲透性能來改善街區(qū)室外熱環(huán)境[16].張叢驗證可通過模擬軟件推算不同水體布局模型導致的廣場微氣候因子的變化情況[17]，黃葉梅等驗證了ENVI-met可用于研究空間形態(tài)與尺度人體舒適性的影響[18].鄧寄豫提出從街區(qū)肌理形態(tài)層面對街區(qū)物質(zhì)空間形態(tài)的相關(guān)參數(shù)與控制因素進行解析與分類量化[19].

城市空間肌理是由路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與街區(qū)尺寸等結(jié)構(gòu)要素和城市建筑單體、綠化、水體、不同材質(zhì)的地表面等肌理元素組成.當前針對城市空間肌理形態(tài)對微氣候影響的定量研究表明，影響微氣候的城市空間肌理形態(tài)參數(shù)，主要包括建筑密度、建筑高度、天空開闊度、綠地率等.現(xiàn)階段的城市空間肌理形態(tài)與微氣候關(guān)聯(lián)性的研究多針對城市的大尺度空間，而對于校園等小尺度空間的關(guān)注與研究較少.本研究通過研究校園肌理形態(tài)參數(shù)對外部空間微氣候的影響，可以更深入地理解校園肌理形態(tài)對空間微氣候的影響規(guī)律，從而提出有效的優(yōu)化策略，并以此來指導校園設計、更新或改造.

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)域位于安徽省合肥市蜀山區(qū)，屬于夏熱冬冷地區(qū).夏季平均氣溫為27.5～28.5 ℃；冬季月平均氣溫為 1.5～5.0 ℃.城市主導風向為東南風，其中夏季東南風，冬季偏北風，年平均風速為1.6～3.3 m/s.研究區(qū)域位于安徽建筑大學南校區(qū)內(nèi)，為學校主要教學區(qū)域，場地面積約83 622 m2.路網(wǎng)為中心環(huán)路與四周正交道路相結(jié)合.主要建筑有主教樓、東西輔樓、機電樓、逸夫樓和圖書館，其中主教樓為底層架空建筑；下墊層種類主要包括花崗巖硬質(zhì)鋪裝、草地和水體.

1.2 研究方法

1.2.1 ENVI-met模型構(gòu)建

以2021年4月29日為例進行模擬前的氣象參數(shù)設定，由位于安徽建筑大學校內(nèi)型號為 PC-8的物聯(lián)網(wǎng)氣象站獲得4月29日當天的溫度、濕度、風速、風向等初始數(shù)據(jù)，其他未列出參數(shù)均按照軟件默認設置.模擬時間設定為日出前5點至日落后20點，共15 h.主要參數(shù)設置詳見表1.

表1 4月49日初始氣象參數(shù)統(tǒng)計表

所選區(qū)域為梯形，下底約為 1 100 m，場地寬約為 800 m.由于建筑模型不可緊貼邊界，所以模型場地尺度設定為 1 160 m×860 m.模型平面上單位網(wǎng)格尺寸設為 5 m×5 m，網(wǎng)格數(shù)共 232×172個.高度層面，場地內(nèi)最高建筑高度為 78 m，由于模型高度需為實際高度的兩倍，故將高度單位網(wǎng)格設為 4 m，網(wǎng)格數(shù)為 39個.在最終構(gòu)建的模型中，網(wǎng)格分辨率為 5 m×5 m×4 m，網(wǎng)格數(shù)為 232×172×39個.

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

1.2.2.1 基于實測數(shù)據(jù)的 ENVI-met 模擬數(shù)據(jù)校驗

關(guān)于數(shù)值模擬結(jié)果驗證的相關(guān)研究很多，將 ENVI-met模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的曲線相比較，或者利用其他軟件的模擬結(jié)果進行對比驗證，結(jié)果表明ENVI-met數(shù)值模擬技術(shù)可有效預測城市空間的微氣候情況.本文選擇國際廣泛應用的均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)兩個指標作為模擬數(shù)值精度的驗證指標，選擇模型決定系數(shù)(Determinate Coefficient,R2)作為評價模型優(yōu)劣的指標.

1.2.2.2 模擬數(shù)據(jù)的待分析樣點選擇

本研究根據(jù)下墊層的不同種類選擇了三個測點，分別設置儀器于中心廣場(測試點1)、操場草坪(測試點2)和水體旁(測試點3)，具體位置如圖1所示.

圖1 三個測點現(xiàn)場照片

借助研究區(qū)域的CAD作為數(shù)值模擬的底圖，利用ENVI-met 建立研究區(qū)的建筑模型、植被模型和下墊層模型，并借助氣象站的初始數(shù)據(jù)作為輸入條件，模擬研究區(qū)域 8：00—18：00的微氣候變化狀況.將模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行比較，分析本研究 ENVI-met 模型的精確度.其后通過更改校園肌理形態(tài)參數(shù)，定量分析校園肌理形態(tài)對校園室外空間微氣候影響的物理機制.

2 結(jié)果與分析

2.1 模型精度驗證

根據(jù)實測氣象數(shù)據(jù)和模型模擬輸出的微氣候數(shù)據(jù)繪制出相關(guān)圖表，如圖2所示.根據(jù)前人的研究，對于模擬結(jié)果的誤差分析，溫度的 RMSE值在1.31～1.63 ℃之間，相對濕度的 MAPE 值不超過5%，即可認定實測與模擬數(shù)據(jù)之間的誤差在有效范圍內(nèi).對研究區(qū) 3個測試點氣象數(shù)據(jù)實測值與模擬值的誤差分析表明，空氣溫度和相對濕度模擬值與實測值之間的均方根誤差(RMSE)、平均絕對百分比誤差(MAPE)基本符合相關(guān)指標，如圖3所示，故模型精度滿足研究要求.

圖2 各測點溫度、濕度對比

圖3 各測點模擬與實測溫度、濕度散點圖及決定系數(shù)R2值

2.2 容積率對微氣候影響的模擬研究

2.2.1 空氣溫度

構(gòu)建容積率為 0、3.07、5.76的場地數(shù)值模型，利用 ENVI-met分別對其進行模擬.根據(jù)模擬結(jié)果(圖4)，進一步說明合理增加場地容積率可以降低場地的平均氣溫.將場地容積率為 0、3.07、5.76 的模型所模擬空氣溫度的極值以及具體的溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均空氣溫度隨著場地容積率的增加而降低，同時場地內(nèi)的溫度波動略有增大，場地熱環(huán)境穩(wěn)定性有所降低.

圖4 不同容積率下的場地模擬空氣溫度極值

2.2.2 相對濕度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖5所示，隨著場地容積率的增加，場地濕度極值變化不明顯.將場地容積率為 0、3.07、5.76的場地模型所模擬相對濕度的極值及具體的相對濕度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，場地容積率的變化對場地平均相對濕度影響不大.

2.2.3 風速

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖6所示，將場地容積率分別為 0、3.07、5.76的場地模型所模擬的風速極值以及具體的風速模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，當建筑為普通建筑時，平均風速會隨著場地容積率的增加而有所降低；但當建筑為底層架空建筑時，其所在區(qū)域風速明顯增大，通風效果明顯增強.

圖6 不同容積率下的場地模擬風速極值

2.2.4 平均輻射溫度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖7所示，增加場地最北側(cè)的建筑后，其所在區(qū)域平均輻射溫度明顯降低，推測出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因為底層架空建筑的遮擋減少了太陽直接輻射，從而導致平均輻射溫度明顯降低.將場地容積率分別為 0、3.07、5.76的場地模型所模擬的平均輻射溫度極值以及具體的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，隨著場地容積率的增大，其平均輻射溫度會有所降低.

圖7 不同容積率下的場地模擬平均輻射溫度極值

2.3 硬質(zhì)鋪裝覆蓋率對微氣候影響的模擬研究

2.3.1 空氣溫度

構(gòu)建硬質(zhì)鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的數(shù)值模型，利用 ENVI-met 分別對三個模型進行模擬.根據(jù)模擬結(jié)果，如圖8所示，增加了硬質(zhì)鋪裝的區(qū)域，其氣溫與此前相比上升了約 1 ℃.而當場地硬質(zhì)鋪裝覆蓋率達到 33%時，場地外部空間氣溫為 25.71～29.71 ℃，場地平均氣溫保持上升趨勢.根據(jù)相應的溫度模擬圖可知，場地內(nèi)新增鋪裝區(qū)域空氣溫度上升約0.9 ℃.

圖8 不同硬質(zhì)鋪裝覆蓋率下的場地模擬空氣溫度極值

將場地硬質(zhì)鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的模型所模擬空氣溫度的極值以及相應的溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均空氣溫度隨著場地硬質(zhì)鋪裝率的增加而升高，同時場地內(nèi)的溫度波動略有增大，場地外部空間熱環(huán)境的穩(wěn)定性有所降低.

2.3.2 相對濕度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖9所示，增加了硬質(zhì)鋪裝的區(qū)域，其相對濕度與此前相比降低了約6%.而當場地硬質(zhì)鋪裝覆蓋率達到33%時，場地外部空間相對濕度為27.71%～42.55%，場地平均相對濕度維持下降趨勢.根據(jù)相對濕度模擬圖可知，場地內(nèi)新增鋪裝區(qū)域相對濕度與此前相比下降了約5%.

圖9 不同硬質(zhì)鋪裝覆蓋率下的場地模擬相對濕度極值

將場地硬質(zhì)鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的場地模型所模擬相對濕度的極值以及相應的濕度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均相對濕度隨著場地硬質(zhì)鋪裝率的增加而降低.

2.3.3 平均輻射溫度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖10所示，增加了硬質(zhì)鋪裝的區(qū)域，其平均輻射溫度與此前相比上升了約0.7 ℃.當場地硬質(zhì)鋪裝覆蓋率達到 33%時，場地外部空間平均輻射溫度為 29.61～61.34 ℃，場地平均熱輻射溫度保持上升趨勢.根據(jù)相應的平均輻射溫度模擬圖可知，場地內(nèi)新增鋪裝區(qū)域平均輻射溫度上升約 0.6 ℃.

圖10 不同硬質(zhì)鋪裝覆蓋率下的場地模擬平均輻射溫度極值

將場地硬質(zhì)鋪裝覆蓋率為 0、20%、33%的模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均輻射溫度會隨著場地硬質(zhì)鋪裝率的增加略有升高，但影響效果不明顯.

2.4 綠地率對微氣候影響的模擬研究

2.4.1 空氣溫度

構(gòu)建綠地率為 0、25%、45%的數(shù)值模型，利用 ENVI-met分別對三個模型進行模擬.根據(jù)模擬結(jié)果，如圖11所示,將場地綠地率為 0、25%、45%的模型所模擬空氣溫度的極值以及相應的溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均空氣溫度隨著綠地率的增加而有所下降，同時場地內(nèi)由植被覆蓋面積變化而引起的氣溫波動較小，場地外部空間熱環(huán)境較穩(wěn)定.此外，由模擬圖可知,植被對場地外部空間高溫區(qū)域的冷卻效果較明顯.

圖11 不同綠地率下的場地模擬空氣溫度極值

2.4.2 相對濕度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖12所示，將場地綠地率為 0、25%、45%的模型所模擬相對濕度的極值以及相應的濕度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均濕度隨著場地綠地率的增加而增加，植被對場地外部空間的濕度影響較為明顯.

圖12 不同綠地率下的場地模擬空氣濕度極值

將場地綠地率為 0、25%、45%的模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均熱輻射溫度隨著場地綠地率的增加而降低，植被對場地外部空間的平均輻射溫度影響效果明顯.

2.4.3 平均輻射溫度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖13所示，當場地綠地率增加，場地外部空間平均輻射溫度保持下降趨勢，其中新增植被的區(qū)域其平均熱輻射溫度與此前相比下降約 17 ℃.將場地綠地率為 0、25%、45%的場地模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均熱輻射溫度隨著場地綠地率的增加而降低，植被對場地外部空間的平均輻射溫度影響效果明顯.

圖13 不同綠地率下的場地模擬平均輻射溫度極值

2.5 水體覆蓋率對微氣候影響的模擬研究

2.5.1 空氣溫度

構(gòu)建水體覆蓋率為0、10%、20%的數(shù)值模型，利用 ENVI-met分別對三個模型進行模擬.根據(jù)模擬結(jié)果，如圖14所示，當場地水體覆蓋率為10%時，場地外部空間氣溫為25.23～29.37 ℃，場地中新增水體所在區(qū)域的氣溫較此前降低約1 ℃，場地室外空間平均氣溫略有下降.繼續(xù)增加水體面積，當場地水體覆蓋率達到 20%時，場地外部空間氣溫為25.21～29.34 ℃，新增水體所在區(qū)域氣溫下降約1 ℃，場地平均氣溫維持下降趨勢.

圖14 不同水體覆蓋率下的場地模擬空氣溫度極值

將場地水體覆蓋率為0、10%、20%的模型所模擬空氣溫度的極值以及相應的溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均空氣溫度隨著場地水體覆蓋率的增加而有所下降，且水體對外部空間中的高溫區(qū)域有較明顯的冷卻效果.同時場地內(nèi)由水體面積變化而引起的氣溫波動較小，場地外部空間熱環(huán)境較穩(wěn)定.

2.5.2 相對濕度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖15所示，當場地水體覆蓋率增加為10%時，場地外部空間相對濕度為27.82%～42.71%.根據(jù)對應的濕度模擬圖可知，場地中新增水體所在區(qū)域的相對濕度較此前增加約 6%，場地室外空間平均相對濕度略有增加.當場地水體覆蓋率達到 20%時，場地外部空間相對濕度為27.90%～43.23%，而新增水體所在區(qū)域相對濕度相較此前增加約 5%，場地平均濕度呈增長趨勢.

圖15 不同水體覆蓋率下的場地模擬相對濕度極值

將場地水體覆蓋率為 0、10%、20%的模型所模擬相對濕度的極值以及相應的濕度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，研究區(qū)域的平均濕度隨著場地水體覆蓋率的增加而增加，水體對所在區(qū)域濕度的影響較大.

2.5.3 平均輻射溫度

根據(jù)模擬結(jié)果，如圖16所示，將場地水體覆蓋率為 0、10%、20%的模型所模擬平均輻射溫度的極值以及相應的平均輻射溫度模擬圖進行對比分析.結(jié)果表明，在其他肌理形態(tài)參數(shù)不變的情況下，場地外部空間的平均輻射溫度受場地水體影響較小.

圖16 不同水體覆蓋率下的場地模擬平均輻射溫度極值

3 結(jié)論

本文重點關(guān)注校園肌理形態(tài)參數(shù)對校園外部空間微氣候的影響.利用ENVI-met作為微氣候研究的數(shù)值模擬軟件，通過對模擬結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論：

1)場地容積率對場地微氣候的影響主要體現(xiàn)在對其風速和平均輻射溫度的影響上.容積率對校園外部空間微氣候的影響：隨著場地容積率的增大，其外部空間平均氣溫略有升高、濕度幾乎無變化,平均風速呈下降趨勢，而當新增建筑為底層架空建筑時，其所在區(qū)域平均風速明顯增大，通風效果明顯增強.此外，研究表明場地的平均熱輻射溫度受容積率影響較大.

2)硬質(zhì)鋪裝覆蓋率對場地微氣候的影響主要體現(xiàn)在對其氣溫以及相對濕度的影響上.硬質(zhì)鋪裝覆蓋率對校園外部空間微氣候的影響：隨著硬質(zhì)鋪裝面積的增加，場地外部空間的平均輻射溫度及平均風速所受影響較小，而場地外部空間平均氣溫以及平均相對濕度所受影響較大.

3)綠地率對場地微氣候的影響主要體現(xiàn)在對其氣溫以及平均熱輻射溫度的影響上.綠地率對校園外部空間微氣候的影響：隨著植被面積的增加，場地外部空間的平均相對濕度及風速所受影響較小，而場地外部空間的平均氣溫和平均熱輻射溫度所受影響較大.

4)水體覆蓋率對場地微氣候的影響主要體現(xiàn)在對其氣溫以及相對濕度的影響上.水體覆蓋率對校園外部空間微氣候的影響：隨著水體面積的增加，場地外部空間的平均輻射溫度及風速所受影響較小，而場地外部空間的平均氣溫和平均相對濕度所受影響較大.

針對夏熱冬冷地區(qū)，可通過合理增加場地容積率、降低硬質(zhì)鋪裝率，將植物更多栽種于場地外部高溫區(qū)域等規(guī)劃手段有針對性地提高校園室外空間的環(huán)境質(zhì)量.