城市空间规划设计的形态学视角的热环境模拟

形态学视角的热环境模拟

 

２０世纪以来，城市化进程加速发展-高强度的开发和密集式的人类活动给城市景观格局特别是城市热环境带来了严重干预［５］，极端天气变化频次增加，严重地影响着居民的身体健康和生活品质。为了量化城市的几何特征．研判出哪些特征对城市热环境的影响大．国内外众多学者将形态学的观点与热环境研究相结合，从绿地形态、街区形态、建筑形态三方面探讨热环境与城市形态之间的定量关系。

 

３．１．１绿地形态

 

大量研究证明，绿化可以降低周围环境温度和增加空气湿度，形成公园冷岛效应其中-绿地空间构型对冷岛强度有重要影响：８＇９］。植被的降温效果主要是通过蒸腾、通风和提供遮阴［１-完成的，ＥＮＶＩ－ｍｅｔ是一款三维非静态模型，可以计算感热和蒸腾通量模拟植被降温效果。绿地形态相关的研究集中在平面布局和竖向结构两个方向，平面领域多利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ模拟点状、带状绿地的降温效果：１１］，以及绿地的集中、分散布局对热环境缓解的影响１２］；竖向方面研究乔灌草组合搭配＾］、植被高度变动对热Ｍ的消减。随着研究的深人，一些学者突破传统的绿地形态研究方向，从多个视角探讨绿化形式与热环境的关系，Ｂａｕ就集中与分散的绿地布局与上下风向进行了耦合研究［１１］，从而就风环境层面建立了绿地形态与减温效果的关联。

戴菲等将带状道路绿地与道路断面结构相关联，利用模型ＬＥＯＮＡＲＤＯ模块将模拟计算结果图像化，可查看温度湿度参数与道路绿化断面形式的机理关联［１４］。吴昌广根据现场调査将植物模型分为３层，对每层的叶面积密度进行定义，从而实现精确模拟湿热地区乔木、草地和水体三类街头绿地的微气候效应Ｄ５］。

 

总体来说，绿地形态与热环境研究的文献较多，近年来，研究视角也有所创新深化，但绿色空间形态的量化一般是通过生态学视角的景观度量进行的［１６］，包括表示斑块形状复杂性的陆地形状指数以及表示绿色斑块碎裂的斑块密度和边缘密度［１７］，利用ＥＮＶＩ—ｍｅｔ模拟热环境与这些绿地形态指数关系的文献较少，是未来学者们研究拓展的一个方向。

 

３．１．２街区形态

 

国内外学者在街区形态与热环境方面的研究主要关注街道高宽比、街道朝向与天空可视因子（ＳＶＦ）。随着研究的深人，有关街道层面的形态学研究更加精细，街道形态学指标划分更为详细，如街道长径比、开闭比、平滑比、对称比、弧线比等ＤＭ９］。相关研究多针对特定地区街道形式和炎热干燥环境进行的，Ｓｈａｒｍｉｒｉ等利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ对达卡传统居住区的髙宽比、ＳＶＦ对城市环境的影响进行模拟［２°］，殷施等以我国华南地带特有的骑楼街道为原型建立老街模型，以行人的热舒适性为感官标准，模拟了骑楼街道的方位与高宽比的协同效应［１Ｓ］。

 

３．１．３建筑形态

 

城市热环境的影响因素众多，其中，建筑形态的主要影响在于改变了短波吸收、长波辐射以及两者在近地面之间的热交换模式-。相关研究集中在建筑高度、密度、闭合性及建筑群体形态方面。早期的研究多利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ单一化地探讨建筑形式、高度和方位布局，Ｂｅｔａ等利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔＢＥＴＡ５以北九州的两组具有不同方位的建筑群为研究对象，探讨了方位与空气温度和平均辐射温度的关系［２２］。

后期的研究集中于系统性地论述建筑形态各要素的关联。Ｔｏｎｇ等最近总结出了南京当地最常见的９种建筑形态，在软件中输人初始条件和边界条件后，利用１．５ｍ处行人高度的结果计算建筑密度、高度、平面开度与微气候的５个要素之间的分布差异胡春景等在ＥＮＶＩ－ｍｅｔ中建模以及输人气候参数后，从板式和塔式的建筑形态与并列式、错列式和斜列式的建筑组合视角模拟了天津市的居住区微气候环境［２４］。

 

3.２下垫面类型与城市微气候

 

城市下垫面是大气底部与地表的接触面，在此范围内，不同地表与大气进行着辐射、能量、水汽等双向交换过程，深刻地影响着街区微环境，而ＥＮＶＩ－ｍｅｔ作为一款模拟地表、植物、空气相互作用的辅助规划的工具，能动态地清晰展现不同下垫面与大气间的交换过程。

 

绿地植被是下垫面类型之一，也是风景园林专业借此打造美好人居环境的重点方式，相关研究集中于探讨不同绿地类型、数量与温度湿度的关联。Ｍａｎａｔ等利用实测和模拟方法对日本佐贺大学进行了调查，得出当树木数量增加２０％时，夏季校园平均最高温度下降达到２．２７°Ｃ的结论［２５］。

Ｅｄｗａｒｄ对香港不同高度的绿色屋顶进行了模拟，认为乔木比草地更能降低空气温度［２６］。材质与反射率是ＥＮＶＩ－ｍｅｔ在下垫面方面研究的另一个重点，一些研究对城市常见的铺装材料，如沥青、混凝土、水泥地、瓷砖、大理石、花岗岩与温湿度进行了研究［２＞２９］，通过数值模拟展现出不同材料在不同高度下的温度差异。

 

虽然ＥＮＶＩ－ｍｅｔ研究在下垫面与微气候方面取得丰硕成果，但是下垫面一般指的是城市建筑屋顶、水泥道路、透水砖广场、绿地、水体、林地等直接与大气进行交换的表面。根据目前的研究情况来看，针对水体以及有复杂地形起伏的山地及林地所造成的热辐射差异的研究过少。

 

 

城市环境中的颗粒物主要来自于汽车尾气排放、锅炉燃烧、废弃物焚烧等［３°］，因此，利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ模拟污染物沉积与扩散的研究多在城市道路、街道峡谷和停车场进行。国内利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ进行空气质量模拟的起步时间晚，侧重于道路和居住区绿地植被配置对大气颗粒物的扩散影响的模拟［３１］；国外利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ模拟大气质量的研究起步早，前期研究关注城市肌理形态对空气质量的影响［３２’３３］，２０１６年开始涌现了大量有关绿色基础设施对颗粒物消减的性能评价，如采用综合弥散沉积方法评价绿色基础设施类型和尺度对近地面道路空气质量的影响Ｍ、树冠特性对ＰＭｌ。

局部分布的模拟％。从利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ模拟颗粒物与灰色基础设施的关联到绿色基础设施的转变是风景园林专业对接时代前沿热点研究的体现，也是ＥＮＶＩ－ｍｅｔ研究领域在新时代的拓展。

 

 

当前，城市建设活动的增加和城市结构的过度分散导致热岛效应频发，失调的公共开放空间规划设计加剧了热应激状况，严重影响居民的身心健康［３６］。

 

３．４．１热祭适性指标

 

热舒适性通常被定义为人体对热环境感到满意的心理状态，身体感觉太热或太冷都能引起主观心理上的不适。随着热应激频发，利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ研究热舒适性的文献也大量涌现，主要针对地中海沿岸和东亚、南亚的湿热和干热环境进行的，研究场地包括居住区、校园、街道、公园等场所。早期的户外热舒适性沿用室内热舒适的标准，但室外的人体热感受不同于室内。

在室外，人与周围环境的热交换更频繁更复杂，因此，产生了一些针对室外热舒适评价的通用指标，如ＰＥＴ、ＭＲＴ、预测平均投票数（ＰＭＶ）和通用热气候指数（ＵＴＣＩ），以上指标中，使用频率最高的是ＰＥＴ，多数有关ＥＮＶＩ－ｍｅｔ的热舒适性研究采用通用指标中的两个。

 

 

影响室外热舒适性的关键因子是辐射温度、气温、风速、相对湿度［３７］，但目前利用ＥＮＶＩ－ｍｅｔ的研究多为热应激状况，因此，热舒适性的营造在于降温、引风和增加湿度。ＥＮＶＩ－ｍｅｔ拥有大气模型和热舒适性计算器Ｂｉｏｍｅｔ，能根据气候指标模拟人体热感受，多领域学者通过模拟得出热舒适性的营造策略。降温方面，充分利用建筑檐篷、拱廊、拱门结构来减少阳光暴晒［３８］，提高街道高宽比［３９］，倡导使用高反射率材料以及集中式、形态复杂的绿地布置方式［４１］均能实现降温。

引风方面，加大建筑楼栋间距，形成疏朗式布局，增加孔隙，促进通风和空气流动［４２］，街道方向和树木种植也可以适当地平行于风向设计，从而形成风廊［４３］。相对湿度方面，在热暴露地区采用水池和喷水能明显增加湿度［２９］，动态水体热舒适性指数大于静态水体，水体布置在树荫下和迎风面位置增湿效果更强［４４］。提高绿化覆盖率、减少城市硬质化率［３９］的策略通过植被蒸腾作用同样能增加空气湿度。

 

４结语

 

（１）随着学科发展，国内外相关研究总数持续增加，研究领域逐渐拓宽，研究方向不断深化。国外研究由早期关注城市设计与城市微气候到人体热舒适度研究，再到如今强调利用绿色基础设计缓解气候问题并提出策略，关键词时区和突发词图谱显示国外ＥＮＶＩ－ｍｅｔ研究呈现综合，多样化且无明显中心的趋势，已经形成完整的研究网络体系；国内研究起步晚，但起点高，一开始就致力于利用各类绿地改善人体舒适度，近期研究侧重于大城市下垫面与地表能量平衡。

 

（２）跨学科趋势明显，环境科学、生态学、工程学、自然地理学、城市规划学者均对ＥＮＶＩ－ｍｅｔ进行了深人研究。国内的作者一机构合作网络零散，联系少、成果稀少；国外研究呈现密集的网络状，其中，Ｔｏｂｉ和Ｒｉｃｃａｒｄｏ教授、香港中文大学、亚利桑那州立大学等在合作网络中具备重要地位，是图谱中的纽带。ＳＭＳｔａｉｎａＷｅＣｉｒｉｅｓａｎｉｉＳｏｃｉｅｔｙＢｕｉｌｄｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ应用的核心来源。

 

（３）国内外学者将形态学观点与热环境模拟相结合，形态学视角的热环境模拟成为ＥＮＶＩ－ｍｅｔ研究的重点方向，其下又包括绿地形态、街区形态和建筑形态；下垫面类型与城市微气候方面的研究利用了ＥＮＶＩ－ｍｅｔ材质库，探讨了城市建筑屋顶、城市不同材质道路及绿地与微环境的关联，但与水体、山地关系的研究较少；空气污染检测与调控方面的国外研究起步早，随着生态文明建设和绿色基础设施概念的提出，利用ＥＮＶｌ－ｍｅｔ研究从早期关注灰色基础设施与空气质量转变为绿色基础设施与空气质量的关系；基于人体感知的热舒适性研究是以人体感受为对象的评价系统，ＥＮＶＩ－ｍｅｔ具备人体舒适性计算器Ｂｉｏｍｅｔ及大气模型，常利用ＰＥＴ、ＭＲＴ、ＰＭＶ等指标进行表达，热舒适性营造的关键在于降温、通风与增加空气湿度。

 

５研究展望

 

关键词共现时区图中最右侧的词反映着近期的关注焦点，而突变时间序列反映着短期内变化较大的变量，中介中心性高但频次低的关键词说明该词在知识图谱中起重要连接和转折作用但相关研究较少，根据以上三项并结合未来多学科协同发展趋势，未来研究可从以下方向突破：

 

５．１完善科学研究领域，构建舒适性微小气候环境

 

ＥＮＶＩ－ｍｅｔ提供多种模型，目前研究集中于热缓解、热舒适性和污染物沉积扩散方面，与土壤相关的水循环和气体交换、与植被相关的叶面积指数和密度的研究较少，但该类词在网络中起重要连接转折作用，对该方向的研究有所欠缺，扩大并完善ＥＮＶＩ－ｍｅｔ研究内容以多方面可持续管理城市微小气候。

 

Ｓ．２推进技术平台的对接，促使学科创新性深化发展

 

当今，学科交叉环境下，需加强ＥＮＶＩ－ｍｅｔ与其他信息平台之间的对接。①资料收集与数据共享：气象参数除来源于气象站和实测外，还可以通过建立与遥感之间数据处理链，根据机载光谱数据和高程数据自动生成区域输人文件［４５］。

 

此外，模型也可以与其他软件耦合提高模拟精度及创新研究方向，如与瞬态系统仿真程序相结合能弥补ＥＮＶＩ－ｍｅｔ在简化结构方面带来的误差与建筑能源模拟工具相结合能将仿真结果精确地转换到Ｅｎｅｒ－ｇｙＰｌｕｓ中。②结果表达与准确性：在实操过程中，将ＥＮＶＩ－ｍｅｔ与ＲＡＹＭＡＮ等其他模拟软件、实测等多种方法相结合以相互佐证保证模拟的准确性。