街头乔木景观结构的微气候效应数值仿真

张 鑫，蔡籽焓，黄晓光

(河北工业大学，天津 300130)

1 引言

城市内的沥青柏油路面和建筑物随着城市发展进程的加快不断增多，改变了城市热环境以及城市下垫面的性质。人工建筑物的增多对城市街头的微气候效应产生了影响[1]，同时会产生热岛效应，根据空间尺度的不同，可将气候分为四大类：微气候、全球性风带气候、局地气候和地区性大气候。城市的气候长期受到多种因素的影响，包括太阳产生的辐射、人文地理环境以及大气中存在的环流等。

城市中微气候的形成离不开城市下垫面、建筑以及街头乔木景观与大气之间存在的热过程，同时会受到大气湿度、下垫面性质、城市设置布置以及局部太阳辐射等因素的影响[2]。高仰驰[3]等人将测点设置在五种不同的空间中，获取微气候的变化特征，通过舒适指数分析人体热舒适度受不同空间的影响，完成微气候效应数值模拟。罗凤敏[4]等人统计分析研究区域的气象数据，在站点风速变化特征、大气温度、蒸发量、地表温度、降水量和相对湿度等变化特征的基础上完成微气候效应的数值模拟分析。在上述方法的基础上，引入ENVI-met软件，提出街头乔木景观微气候效应数值模拟方法，分析街头乔木景观对微气候效应产生的影响。

2 街头乔木景观微气候效应数值模拟

2.1 传热过程

街头乔木景观对微气候的影响可以描述为以下两种传热过程的耦合：

1)城市固体壁面与太阳之间存在的辐射传热；

2)空气与城市固体壁面之间存在的对流换热。

2.1.1 固体热平衡分析

所有固体表面单元i在城市中都满足下述热平衡关系

ZRi+Di+Vi+Ti+Ji=0

(1)

式中，ZRi描述的是附近环境与单元i之间的潜热换热量；Di描述的是太阳辐射；Vi描述的是墙体内侧单元i的导热量；Ti描述的是单元i从其它表面和天空获取的长波辐射；Ji代表的是附近空气与单元i之间产生的对流换热量。

2.1.2 角系数

在单元之间角系数的基础上计算其辐射传热过程。对街头乔木景观微气候模拟时，需要获取固体表面的位置和形状，为了简化求解过程，街头乔木景观微气候效应数值模拟方法通过蒙特卡洛法求解。射线在表面网格单元中的出发点是不存在规律的，具有随机性，网格单元不同位置中存在射线的概率都是相同的。用平行四边形表示三维空间中存在的表面网格，并在下式的基础上计算射线出发点的位置

(2)

式中，β、χ均为随机数，在区间[0，1]内取值；(xi，yi，zi)描述的是网格顶点对应的坐标。

设Gij代表的是角系数，可通过下式计算得到

(3)

式中，Mij代表的是j面吸收射线的总数；Mtot代表的是射线从i面射出的数量。

2.1.3 太阳辐射得热

在微环境中太阳辐射发挥着重要作用，太阳辐射对壁面加热分为两种途径，第一种为天空散射，第二种为直射[5，6]。

1)直射辐射投射量

设χi代表的是太阳直射到网格i的比率，其计算公式如下

(4)

式中，Mi描述的是射线到达太阳的距离。

设RDi代表的是太阳直射到达网格i的辐射能量，其表达式如下

RDi=SiχiONcos ϑ

(5)

式中，ϑ描述的是太阳入射角；Si代表的是网格i对应的面积；ON描述的是法向太阳辐射强度，其表达式如下

ON=O0A1/sinh

(6)

式中，h代表的是太阳高度角；A代表的是大气透过率；O0代表的是太阳常数。

2)天空散射辐射量

设Rsi代表的是天空散射到表面网格i的辐射热量[7，8]，其计算公式如下

Rsi=OSHSiGis

(7)

式中，Gis描述的是针对天空，网格i对应的角系数；OSH描述的是天空太阳在晴天环境下产生的辐射强度，街头乔木景观微气候效应数值模拟方法通过Berlage公式完成辐射强度OSH的计算

(8)

3)辐射系统内太阳辐射的分配

设WDi代表的是网格i吸收的总太阳辐射，WRi代表的是网格i反射的总太阳辐射，其计算公式分别如下

(9)

式中，βi描述的是针对短波，网格i的吸收率。

能量WRi在网格中会发生若干次反射，最后被不同表面吸收，街头乔木景观微气候效应数值模拟方法采用杰勃哈特法计算其它表面网格吸收反射能量WRi的吸收量WAij

(10)

2.2 街头乔木景观微气候效应模拟方法

采用ENVI-met软件进行街头乔木景观微气候效应仿真[9，10]，在城市气象学、计算流体力学、热力学和传热过程的基础上完成街头乔木景观微气候效应的数值模拟。

ENVI-met软件的操作较为简单，通过定义初始条件、边界条件就可以模拟相关参数的交换过程，包括辐射、风流量、湍流量和热流量等，输出气象参数，如平均辐射温度、空气温度、风向、湿度、风向和速度等。可以在ENVI-met软件中设置与实际情况相符的建筑物，并在数值模拟过程中纳入植物产生的光合作用，根据自己的需求，用户在ENVI-met软件中设置植物类型[11，12]。ENVI-met软件的模块如图1所示。

ENVI-met仿真模型由一维边界层模型和三维核心子模型构成，污染源、建筑物、下垫面属性、水体和植被等设置在三维模型中。一维模型中包括土壤模型，在土壤系统中可按照从上到下的顺序计算热量和水分的交换。选择模型的下垫面时，需要保证上风边界，ENVI-met仿真模型如图2所示。

图1 ENVI-met软件模块

ENVI-met软件中需要计算的参数如表1所示。

图2 ENVI-met仿真模型

表1 ENVI-met仿真模型参数

1)大气模型

大气模型的主要作用是在热力学基本原理和流体力学基本原理的基础上模拟并预测长短波辐射量、湿温度和风环境的演变过程，即在大气中通过守恒方程模拟水蒸气、热量和湍流之间存在的能量交换。

2)土壤模型

ENVI-met模型边界表面的湿度、温度以及人工构筑物表面均可利用土壤模型完成计算。根据用户自身需求也可以在ENVI-met模型中定义不同类型的土壤。

3)植物模型

植物模型主要通过周围环境与叶片气孔的蒸腾散湿量、叶面蒸发量以及显热热流完成水热交换。用一维柱状模型代替ENVI-met软件中的植物，针对深度和高度都不相同的植物类型，街头乔木景观微气候效应数值模拟方法分别采用根面积指数和叶面积指数[13]描述。

4)构筑物表面模型

将稳态能量平衡方程应用在ENVI-met模型中的构筑物表面模型中，完成建筑屋面和外墙传热的计算，导热系数、发射率和反射率均属于构筑物的热物理性质，通过构筑物表面模型可在ENVI-met模型中模拟人行道、天空、土壤和建筑的长短波辐射作用。

3 数值模拟

1)微气候效应受乔木结构的影响

街头绿化中的乔木组合类型较多，冠形和高度都不同的乔木组合产生的微气候效应都不相同。将加杨、旱柳组合作为观测点1，将加杨、旱柳、榆树组合作为观测点2、将樟子松、旱柳、榆树组合作为观测点3。不同测点在早上八点到晚上六点的微气候变化情况如图3所示。

由图3(a)中的数据可知，全天平均温度为樟子松、旱柳、榆树组合高于加杨、旱柳组合高于加杨、旱柳、榆树组合，其中加杨、旱柳组合与加杨、旱柳、榆树组合的温度值相近，加杨、旱柳、榆树组合与樟子松、旱柳、榆树组合的温差最大。由温度变化情况可知，空气温度会受到树种丰富程度的影响，降温能力随着树种丰富度的增大而增强。对比加杨、旱柳组合与樟子松、旱柳、榆树组合的温度变化情况可知，虽然加杨、旱柳组合的乔木丰富度程度低于樟子松、旱柳、榆树组合的乔木丰富程度，但其降温效果较好，造成这种现象的主要原因是加杨的体形较为高大，形成的空间具有较小的SVF值和较大的郁闭度，因此樟子松、旱柳等乔木对天空的遮蔽程度远不及加杨，由此可知加杨的降温效果较高，树下的太阳辐射强度得以降低。

图3 测点1、测点2和测点3处的微气候效应

分析图3(b)可知，全天湿度平均值为加杨、旱柳、榆树组合高于樟子松、旱柳、榆树组合高于加杨、旱柳组合。但加杨、旱柳组合的湿度在11：00-15：00时间段内高于樟子松、旱柳、榆树组合，造成这种现象的主要原因是，太阳辐射强度在该时间段内较强，在蒸腾作用[14，15]下植物会将自身的水分散发到附近环境中，樟子松的蒸腾能力要远低于加杨。

由图3(c)可知，风速具有随机性的特点，在三类乔木组合中，樟子松、旱柳、榆树组合的风速值最小，剩余两个组合的风速值相差较小。

2)微气候效应受种植密度的影响

街头乔木的种植量可通过种植密度、绿量和覆盖率得以体现，将种植密度作为本次研究的影响因子，研究微气候效应受街头乔木种植密度的影响，如图4所示。设置组合1和组合2，以上两个组合均由加杨和旱柳两类乔木构成，但其种植间距分别为10m/株、15m/株。

图4 微气候效应受种植密度的影响

分析图4可知，组合1的温度低于组合2，由此可知，降温能力随着种植密度的增大而增强；组合1的湿度高于组合2，由此可知，增湿能力随着种植密度的增大而降低；对比组合1和组合2全天的平均风速变化可知，组合2的风速低于组合1的风速，表明在一定程度上增加街头乔木景观的种植密度可以减小风速。

3)微气候受群落单元平面布局的影响

设置组合3、组合4和组合5，以上组合均由加杨、旱柳和榆树构成，但其开口特征不同，分别为双侧开口、单侧开口和闭合无开口。经调查发现，局地微气候会受到街头乔木布局的影响，其中影响最为显著的为风环境，微气候受群落单元平面布局的影响如图5所示。

图5 微气候受群落单元平面布局的影响

分析图5可知，在测试时间段内组合3、组合4和组合5的湿度和温度相差较小，造成这种现象的主要原因是乔木冠副直径大于开口距离，因此街头乔木景观对周围环境湿度和温度的影响较小。由图5中的数据可知，与风速对微气候效应产生的影响相比，街头乔木景观的平面布局产生的影响较为复杂，其中组合5的全天风速低于组合4的全天风速低于组合3的全天风速。

4 结束语

街头乔木景观是城市格局中较为重要的元素，分析街头乔木景观产生的微气候效应对提高环境热舒适度、设计植物景观具有重要意义。

通过数值仿真发现，街头乔木景观的平面布局、种植量以及乔木结构都会对微气候效应产生影响：

1)针对街头乔木景观内部风环境，景观平面布局产生的影响较为复杂；

2)在微气候效应数值模拟过程中，街头乔木景观的形态特征产生的影响较为全面。