城市绿地风环境模拟与多尺度应用研究综述*

王 敏 周梦洁

1 同济大学建筑与城市规划学院景观学系 上海 200092

2 上海市城市更新及其空间优化技术重点实验室 上海 200092

快速城镇化导致城市更多下垫面变得粗糙，风速变小，高密度城区温度升高，大气污染加剧。应对由此带来的环境危机和健康问题，国内外许多城市建设开始重视通风廊道和风环境，关注城市绿地与通风效应的密切关联。风环境的研究方法最初有实地测试法和风洞试验法，随着计算机数值模拟法(Computational Fluid Dynamics，CFD)的发展，大量学者开始使用模拟软件从不同空间尺度研究城市形态要素与风环境之间的相关性[1]，从建筑、场地、街区到城区均有涉及，风环境模拟研究逐步呈现出多要素、多尺度特征。本文试图梳理主流风环境模拟软件特征，探讨其在多尺度绿地空间中应用的实效性，旨在整合城市绿地影响风环境的研究方法和相关成果，明晰研究进展与知识缺口。

1 风环境模拟软件特征梳理与比较

研究选取目前最常用的5种模拟软件从建模特征、模拟参数和可视化功能等角度进行特征梳理和对比分析，这5种模拟软件是指城市微气候仿真软件Envi-met、流体与传热学计算软件Phoenics、流体数值模拟软件Fluent、环境系统分析软件Airpak，以及可持续建筑设计分析工具Ecotect。模拟软件操作流程均由前处理阶段(以建模、划定网格、设定参数为核心)、模拟计算阶段和导入结果数据进行可视化分析的后处理阶段共3部分组成。

1.1 建模特征

多数软件具有与专业建模工具的接口，建模难度相对较低。Envi-met开放性最强，设有最多类型接口，包括Open Street Map、GIS、CAD等；Phoenics、Ecotect和Fluent均设有CAD、SU等2～3种接口；而Airpak仅对CAD文件开放。

就建模功能而言，Envi-met的建模界面通过二维平面网格节点输入带有ID代码的要素，包含建筑、植物、下垫面、水源等丰富的材质库类型，最终模型可趋向精细化；Ecotect的界面相对最友好，功能丰富，可以快速建立起直观的三维模型，但需要对所有模型对象重新赋予材质；Phoenics可直接建立简单模型，可添加固体、通风口等物体类型并赋予固、液、气体等材料属性，还可通过叶面积指数、拖拽系数等参数设置来定义绿色植物[2]；Fluent和Airpak带有多种工程化模型部件，如风扇、热源和隔板等影响流体运动的元素。在绿地建模过程中，植物也应采用几何体的形式进行简化并区分材质。

在建模参数设定方面，Envi-met需设置环境参数、模型占地面积和边界长度、网格数量和大小、嵌套网格层数等；Ecotect需要绘制地平面(即分析图的范围轮廓) 及确定网格数量和大小；其他软件则无需在建模前设定。

1.2 模拟参数

在网格设定方面，Envi-met和Ecotect只需设置数量和大小，默认网格均匀分布，设定要求较低。Envi-met需要在建模之前就设定好网格，因此建模范围受限较大。Ecotect可以在建模后再进行网格划分。其他3个软件在划分网格时较复杂，需根据具体模型设定合适的网格类型，其中Airpak相对更智能，有自动化生成与检查的功能，操作更简易；Phoenics的网格划分可选加密、均匀、渐变等类型；而Fluent包含线、面、体等网格类型，结构化和非结构化的网格形式，可通过定义每条边网格数量、尺寸控制网格疏密程度。

在参数设定上，Ecotect最简便，可直接加载项目所在地的气象数据，或在WinAir4插件中导入风向、平均风速、时间等气候数据。Envi-met需要设置模拟的具体时间、时长、模式与参数，并根据计算需要输入更多物理参数，其中简单模式需输入温度、风速、风向；中等模式需输入10m高度处测试的风速、风向、测试点的粗糙度，各个时间点的温度与湿度，以及可选参数如土壤温湿度、污染源信息和云层覆盖情况等；高等模式则有更多信息如大气污染情况、室内温度、叶反射率等。Phoenics除设定外部温度、风速、风向、参考位置、类型、粗糙度等基础数据和边界条件外，还需定义收敛参数、松弛因子等模型参数。Fluent还需定义风速入口和压力出口，并自行输入动态方程，因其专业要求过高，不适用于一般使用者。

1.3 可视化功能

各个软件均能记录温度、湿度、风向、风速、风频、太阳辐射等基本数据的矢量、云图、流线分析，而后期处理功能则各具特色。Envi-met具有植物反射率、叶片温度、气孔阻力等30余种丰富的绘图变量，可对比不同时间点的数据，以及查看每个具体网格点在一段时间内的风环境参数变化并导出表格数据。Ecotect可以查看二维切片的图像，观察不同高度处的风力差异。Fluent和Airpak可制作动画及生成模拟信息报告。后处理功能最弱的是Phoenics，可分析的变量少，网格较粗糙，需外接其他端口进行进一步图像分析与处理。

2 风环境模拟在城市绿地研究中的多尺度应用

2.1 不同空间尺度的模拟研究

2.1.1 城区尺度

城区尺度下多利用站点数据进行数值模拟研究，运用实测法的难度较高。冯娴惠[3－4]通过对广州市区的风速风向测定，发现河流、山林及大型绿地促进了周围大气的流动，可以充分利用此类生态用地产生吹向城市组团内的“林源风”。但其如何改善通风则需要更多数据才能获取结论，因此有效的风环境模拟是该尺度研究下的重要工具，需要精细的下垫面信息以支撑模型构建。大尺度的研究区域对模拟软件的网格设定要求较高，因此宏观城市区域尺度下的研究多应用Grapes等专业的大气模拟工具或Phoenics、Fluent等具有强大建模和网格划分功能的模拟软件，以实现复杂下垫面的精确描述与风场模拟[5－6]。有学者首先通过实测街区内的两组数据分别作为初始参数和模拟比对参数，进而利用Phoenics模拟洛阳市涧西区的冬季风环境并研究街道空间形态要素对其影响[7]。

城区尺度下绿地对风环境的影响显著。斯图加特的气候学家在模拟冷空气流动时发现绿地是重要的补偿空间和空气流动通道[8]。冯娴惠[9]以城市下垫面是否叠加绿地作为自变量，运用大气模拟软件Grapes对广州市的近地风场进行试验，发现城市绿地能够与周围建成区之间形成局地风场的圈层效应，强化周边区域风速，利于污染空气稀释。周媛[10]利用Airpak模拟5种不同绿地格局情境下的大气环境效应，指出若再添加相等面积的公园绿地，其空间分布会显著影响城市的风速、地面温度及SO2的蔓延。

2.1.2 片区尺度

本文将片区定义为由多个街区构成的地块，是介于城区与街区之间的中观研究尺度，该尺度研究成果相对较少。冯娴惠[11]在研究绿地对风的环境效益时，通过监测大型绿地及带有绿地干道的大气环境状况发现集中布局一定面积的绿地更有利于风的形成，结合大型绿地四周的通风管道更能增强风的作用范围。但是此类实测结论受到监测点设置的影响，往往只能得出定性结果。在模拟方面，现状研究所运用的工具主要有Phoenics、Fluent及Envi-met，研究对象对街道、建筑、绿地等均有涉及。如Guo Fei等[12]利用Phoenics模拟比较优化前后的整体风热环境，结果表明使用通风路径、不同高度的混合建筑物，增加建筑物高度以减少土地覆盖范围等策略可以改善城市通风性能。郭恒[13]以3.2km2的CBD街区为模拟对象，总结出规划层面影响人行高度风环境的因子，针对单项因子进行演变和建模，并利用风速比大小判断各因子对其影响大小和变化规律。在绿地研究方面，陈亭[14]选取商住混合、住宅为主，以水体或山体和绿地为主等不同类型的片区，通过增加绿量和改变绿化聚合度，与现状对比以讨论城市下垫面差异对气温时空分布的影响，认为绿化覆盖率和聚合度与微气候改善程度成正比。还有学者通过对开放空间及周边进行风场模拟研究风环境的历史演变，认为具有丰茂植被的开放空间能为周边地区补充新鲜空气起到积极作用，宜确保空间的开放度、绿量以及合理的植物配置模式[15]。

2.1.3 街区尺度

街区尺度下的研究成果虽丰富但针对城市绿地的探索较少，模拟工具主要是Fluent和Envimet。实测往往作为对比与校正模拟结果的参考数据，比如郭飞[16]在对高密度街区人行高度风环境研究中就利用实地考察的数据作为边界条件，并与Phoenics模拟结果进行对比，发现二者具有较好一致性。另外，以绿地为对象的研究开始更多关注空间格局的影响效应，如冯娴惠等[17]通过对城市社区进行模拟、设置含有不同植被类型和绿地率的绿地布局方案，结果发现绿地格局变化会引起区域微气候风温环境的变化，且其风速大小、风场分布、温度分布都具有一定的规律性。还有学者从多角度对街区风环境影响进行分析，指出除了考虑不同绿化种类的布置方式外，还应充分利用绿地格局对街区微气候的影响，在绿化均匀布局的前提下，在气温较高区域应合理增添绿化面积，或在迎风区域设置大面积绿化开敞空间[18]。段佳佳[19]对5种街区绿地格局类型的夏季微气候特征进行了数值模拟与实测验证，进一步验证了绿地格局要素与微气候之间的关系并提出相应的优化策略。

2.1.4 场地尺度

场地是具有单一用地类型的微观尺度范围，可对整体环境或其中的某种要素进行研究，较常见的研究对象有住宅小区、校园、街谷、建筑群、居住区绿地、街旁绿地等，也会涉及对乡村、海滨或窑洞等特殊环境的建筑布局、下垫面的讨论。总体而言，场地尺度下的建筑相关研究较多，对于植物配置、绿地布局的研究也逐步增多，且研究切入点较上述3个尺度更丰富。小尺度下能全面获取一定时间内场地整体风环境的数据，因此大量研究会同时进行实测与模拟，以便在保证与实测结果相近的情况下有效进行优化方案设计及策略研究，比如刘滨谊等[20]在住区风环境的优化过程中，通过实测与模拟结合的方式确认不良风场集中区域，运用绿地布局改善行人高度风环境，并基于CFD平台对优化方案进行预想模拟。各种模拟工具在这一尺度研究中均有涉及，其中Envimet多用于绿地，Phoenics和Ecotect常用于整体环境的分析，若以建筑或街谷为研究对象则常用Fluent和Airpak。

有学者将绿化与建筑相结合进行研究，如秦文翠等[21]通过比较住宅区的实际状况与设有屋顶绿化的状况，对两种场景下的三维数值模型展开微气候模拟分析。王凯[22]发现当林带高于建筑时，林带对风环境的影响程度受其疏密度影响，疏密度较高的常绿林带对风向和风速影响很大。也有研究关注绿地中的各类要素，比如通过实测与模拟对街旁绿地的风环境进行综合评估，探讨要素与微气候特征的关系[23]；还有研究绿地中的植被分布特征，如居住区绿地布局中乔木量、绿地率、乔木相对位置、乔木间距等指数对风环境的影响[24]。绿地的布局模式也是研究热点，宋培豪[25]结合实地调查与软件模拟证实了集中式绿地在降温、通风方面优于分散式绿地；还有学者认为不同绿地布局模式对风速分布的影响并不大，“分散式＋绿色屋顶”情景的整体风环境略优于分散式绿地布局[26]。除此之外，还有学者以绿地量与格局结构作为自变量对风环境进行相关研究，如张伟[27]、ZHANG H等[28]通过对居住区典型绿地形态和绿地量化指标的研究，发现生态绿地率、生态绿化容积率、分离度指数和风速呈负相关，树木斑块的景观多样性指数、乔木斑块偏离度指数和风速呈正相关。

另外，植被对风产生的环境效应亦是颇受关注的内容，通过此类研究可评判软件是否支持植物的模拟。最适合植物模拟的软件是Envi-met，可根据植物高度将其简化为一维矩形模型，同时系统按照植物类型赋予标准化的叶面积指数和根系面积指数，以模拟不同植物类型包括小型冠层矮树、草地或参天大树等[29]。Phoenics也可满足绿色植物的微气候模拟，有学者研究了住区中单排树木、双排树木，及树木和草地互植等不同绿化模式的应用如何改善冬季室外风环境[30]。Fluent同样能实现绿色植被在风环境中的模拟(如研究树木树冠间距、排数、孔隙率、植栽方式等参数)，以优化方案设计，实现科学配比绿色植物。

2.2 多尺度研究现状对比与分析

2.2.1 多尺度的绿地研究工具

综观各个软件的应用研究，现有风环境模拟软件可基本支持不同空间尺度的绿地研究，研究尺度越小，研究内容与模拟工具越丰富。尺度越小的空间对建模要求越低，模拟计算时间短，且研究成果更具针对性。实测法的运用趋势类似，大尺度空间的参考数据则更多来自气象站点的监测结果。在现阶段的风环境研究领域中，数值模拟是主流研究方法，实测数据更多作为辅助工具对模型进行边界条件控制和模拟结果修正。

就模拟工具而言，Envi-met和Ecotect更适用于中小尺度的流场模拟，其中Envi-met在国内外应用范围最广且已基本成熟，其对绿地类型的设定也更为精确；Ecotect所需参数少、模拟时间短、结果易于分析比较，但同时其模拟精度无法与其他专业软件相比，所以常被用于方案初期的性能模拟，目前多为以建筑单体或群体为研究对象。Airpak目前的应用尚不广泛，主要对小尺度场地进行概念设计阶段的模拟和预测，较大尺度的研究可行性还需验证。Fluent和Phoenics可满足任何尺度的流场模拟，所需模拟时长更久。有学者对Fluent和Envi-met进行模拟对比，结果发现两个软件模拟结果吻合度较好，在一定程度上都可以有效评估行人高度风热环境，而且Fluent的模拟结果可以清晰表达建筑形态的凹凸变化、外开口距离，通风走廊、通风夹道处的风环境变化[31]。目前基于Phoenics的研究多为整体风环境的模拟与分析，其关注建筑形态布局、街道空间形态、下垫面类型等因素产生的影响。

2.2.2 多尺度的绿地研究类型

整体而言，风环境的研究以小尺度的模拟最为饱和，成果最丰富；其次是街区尺度，其中单个街区是研究主流；城区尺度和片区尺度的研究成果最少。由于影响通风的因素较多，针对不同目的所具体讨论的研究对象也有所不同。成果最多的是建筑领域的研究，包括室内通风、建筑形态或建筑布局等；对于街道空间的讨论也视角丰富，多见于以街谷为对象，讨论高宽比、支路密度、沿街建筑屋顶形式等因素如何影响通风；绿地的研究尽管数量相对较少，但方向较为多元，从绿地的植被布置、绿化模式，到是否有屋顶绿化、立体绿化，再到绿地格局与布局，均有文章涉及。

以绿地为对象的研究中，城区尺度下绿地对通风的积极影响已被初步证实但成果不多，研究重点在于现状绿地分布的基础上如何更好地布局关键节点，将盛行风和局地风带入城区内部；片区尺度的绿地研究成果也相对较少，仅关注绿量与绿地结构带来的影响；街区尺度的研究既有绿量、空间布局、格局类型等整体层面的内容，也有植被类型和绿化模式等微观视角的切入；场地尺度下的绿地研究类型与街区尺度类似，在绿化、植被本身的生物学特征方面有更多成果。

3 结语

本文以城市绿地为视角对目前常用的风环境模拟软件进行梳理，从3个关键方面比较其优缺点。对软件在不同尺度绿地空间下的应用现状进行综述，并从绿地研究工具与类型的角度对比总结了目前的研究现状及模拟软件在多尺度绿地空间中的应用可行性。

近年来兴起的城市绿地对风环境影响的研究涉及不同空间尺度下的探讨，但城区与片区尺度的研究相对较少；相对于建筑布局方面的成果，以绿地格局为自变量的研究尚处起步阶段，且尚未深入思考绿地与城市其他要素的空间关系对于风环境的影响。在城市存量发展新阶段，如何结合环境特征合理布置新增绿地、优化绿地格局、以更好地改善城市通风是构建高效绿地生态空间亟需解决的问题。风环境模拟软件的多尺度合理应用将更准确的实际结果反馈给规划设计师和决策者，能有效提升绿地规划设计的科学性，是改善城市微气候、实现低碳持续发展的有力支撑。