基于ENVI-met模拟的城市中心区空间形态与热环境研究——以南京新街口为例

图1城市表面能量平衡示意图*资料来源：改绘自Oke.T.R基于ENVI-met模拟的城市中心区空间形态与热环境研究——以南京新街口为例孙欣，杨俊宴，温珊珊摘要:伴随城市化进程加剧,城市热岛等城市病日益突显,尤其是在肌理复杂、人口密集的城市中心区,城市热环境对城市市民室外公共生活品质更有着重要影响。城市热环境是多学科交叉领域，本文从城市规划及城市设计视角对城市中心区热环境进行解读。基于ENVI-met软件模拟，以南京新街口中心区为实际案例，探讨城市空间形态指标同热环境的相关性，不同土地利用性质街区不透水面积特征的相关性。剖析了新街口中心区不同街区空间形态类型的热环境时空分布特征，提出了通过鱼眼图叠合太阳轨迹或风频图，快速直观评价样本空间的气候特征的方法，进而总结出一套成体系的城市中心区热环境优化策略，从城市规划层面、建筑层面及景观层面提出针对性具体措施，创造宜人舒适的城市中心区外部环境。关键词:城市中心区，城市空间形态，热环境，ENVI-met模拟1引言随着城市化进程加剧，包括城市热岛效应在内的城市热环境问题日益突显，我国城市中心区具有更为复杂的城市形态肌理和更为多元的功能业态构成，进而导致热环境时空分布特征更为复杂。对于复杂城市肌理的城市中心区热环境问题究竟有哪些典型特征、影响机制和应对措施，应当引起国内城市规划学科的更多关注。城市热环境具有尺度特征，本研究聚焦城市中微观尺度。探究城市形态对城市微气候的影响。城市中心区作为城市内部中观尺度区域，其表面或更局部的街区尺度，其表面存在能量平衡（SEB），如图1所示。图2ENVI-met软件工作界面示意图a建模操作界面b初始参数设置界面c模拟界面d模拟输出界面*资料来源：作者自绘+=单位：W/；（式1-1）式中——净辐射，——人为热，——大气显热交换量，——潜热交换量（涉及不透水面蒸发），——下垫面净贮热量，——净水平对流热量。伴随着计算机模拟技术的成熟，软件模拟具有高效灵活的特征，被广泛应用于城市微气候研究中。其ENVI-met软件是由德国MichaelBruse(UniversityofMainz,Germany)开发的一种三维动态微气候模型，可以计算模拟城市环境中实体表面-植被-空气的相互作用，建立的典型城市栅格模型可以达到0.5-10m空间精度和10s时间精度。基于流体动力学和热点偶的基本定律可以计算24-48h的动态微气候周期。模拟中综合考虑风速、风向、空气温度、湿度、湍流、辐射量、生物气候及气体和颗粒扩散等变量因子[1]。为了便于软件模拟，模拟建模时会对建筑进行少量简化，但尽量保证整体中心区格局与形态指标真实一致。模拟参数的设定基于实测温度及气象站公布数据，进行初始温度的校核，以接近真实城市情景（图2）。在城市气候学领域运用ENVI-met软件模拟城市中微观室外环境研究已经得到广泛应用。近年来，国内外出现了大量基于ENVI-met软件对中微观尺度城市热环境进行模拟研究。[1]BruseM,FleerH.Simulatingsurface–plant–airinteractionsinsideurbanenvironmentswithathreedimensionalnumericalmodel[J].EnvironmentalModelling&Software,1998,13(3):373-384.Ozkeresteci（2003）模拟线形公园设计的热环境影响；Huttner（2008）研究欧洲城市中心热环境；Dominik（2012）研究欧洲城市广场设计对热舒适度的影响；AnaClaudiaCarfan（2010）在巴西圣保罗研究了城市热舒适度；吴恩荣（2012）研究高密度城市植被对城市空气温度的影响；王振以武汉江汉路为例，模拟冬冷夏热地区街峡微气候特征；史源等（2012）以北京西单商业街为例，探讨了基于室外热舒适度及风环境的城市设计改进策略；任国辉（2014）以上海前滩国际商务区14-1地块项目为例，探讨规划布局、绿地与水体、色彩规划等方面设计改善热岛效应策略。南京作为江苏省省会，冬冷夏热城市代表，其新街口中心区也是典型的单中心模式中心区，选择以南京新街口中心区为例研究城市中心区热环境具有一定典型性。对于南京的城市热岛现象已经有大量的观测和研究[2][3]。大量受统计数据和统计方法影响较大，但通过长期观测和大量研究，可以得到以下共识：南京大气热岛强度秋冬季大于春夏，夜晚大于白天。但对于南京城市中微观尺度热环境研究尚且空缺。2南京新街口中心区热环境特征2.1南京新街口中心区南京位于北纬32°18′，东经118°28′，地处长江中下游宁镇丘陵山区，三面环山，一面向水。属于北亚热带季风气候区，四季分明，冬冷夏热，春秋短暂，雨量集中，是典型冬冷夏热气候代表城市之一，有“火炉”之称。基于城市格局、历史因素与城市发展的综合作用，南京现形成“一主多副”的城市中心体系。主中心新街口中心区位于南京市几何中心，自民国修建中山路而形成，人口稠密、建筑密集，新中国成立后不断发展，成为南京市最为繁华的主中心。（见图3）。2.2新街口中心区整体热环境特征通过ENVI-met模拟新街口中心区夏季热环境，新街口中心区具有复杂的空间形态变化，地表温度差异较大，中心区密集的开发使得局部地区地表温度过高：小四环、鼓楼广场、大行宫等处正午时为高温区域。各种因素综合影响存在相互干扰抵消，中心区整体空气温度空间差异不大（见图4）。[2]ZhouD,ZhaoS,LiuS,etal.SurfaceurbanheatislandinChina's32majorcities:Spatialpatternsanddrivers[J].RemoteSensingofEnvironment,2014,152:51-61.[3]ZengY,QiuXF,GuLH,etal.TheurbanheatislandinNanjing[J].QuaternaryInternational,2009,208(1):38-43.图3新街口中心区范围*资料来源：作者自绘图4ENVI-met模拟6月29日下午2点南京新街口小四环区域地表温度分布图*资料来源：作者自绘为了进一步剖析新街口中心区热环境空间分布差异，以新街口孙中山塑像为原点，在中心区内作三个剖面，提取剖线两侧所在街区点位的模拟温度平均数值，分析南京新街口中心区热环境空间分布差异和方向特征（图5）中山路-中山南路这条南北主干道贯穿中心区南北，从北至南为鼓楼、珠江路、新街口、鼓楼珠江路新街口张府园中山路——中山南路汉中路新街口大行宫汉中路——中山东路四牌楼珠江路新街口王府大街四牌楼——王府大街图5新街口中心区模拟地表温度空间差异特征*深色为中心区硬核所在街区*资料来源：作者自绘图6新街口中心区样本区位示意图*资料来源：作者自绘张府园等商业商务密集簇群，其中鼓楼和新街口是本中心区界定的硬核区域。从图3-27可以看出，鼓楼和新街口平均地表温度略高于其他区域，成为“波峰”，珠江路与新街口之间存在相对平均地表温度，为“波谷”。汉中路-中山东路是贯穿新街口东西向主干道，从西至东依次为新街口和大行宫硬核。如图3-27所示，新街口和大行宫平均地表温度高于其他区域，其中大行宫区域的45街区平均地表温度达到34℃，成为“波峰”。四牌楼-王府大街从东北至西南方向剖切中心区，新街口东北方向区域以密集多层居住区为主，西南方向混合了居住、公共服务设施等功能。如图3-27所示，四牌楼至新街口区段平均地表温度波动较小，至新街口硬核后呈现上升趋势。由于中心区南北跨度较大，南北向剖线经过区域的波动更为显著，也就是说平均地表温度差异更为复杂多变。四牌楼至新街口区段的波动最小，该区域为肌理相对完整的居住组团形态，平均高度、密度和天空可视度等指标波动较小。2.3新街口中心区街区空间形态同热环境特征《城市街区》一书中将城市空间分为围合式、行列式、散点式等几大类，通过对新街口中心区不同街区空形态布局差异，对其热环境进行模拟。新街口中心区空间形态分类原则共分为两个层次——强度分类和形态分类，选择强度作为大类指标，选择高度形态作为小类第一限定，选择平面形态类型作为小类的第二限定。共计3大类，12小类，20个典型形态案例。运用ENVI-met对20个典型案例的热环境进行模拟，初始条件统一设置为东南方向来风，10m高度处风速1m/s，7点初始温度为20℃，进行24h逐时模拟。以高度形态和平面形态限定从垂直和水平两个维度建立4×6矩阵，在新街口中心区内选择样本地块（图6，表1），高强度、中强度分别选择两个案例，作为重点分析的形态类型。南京新街口中心区由两条主干道交汇形成，长期发展集聚，是典型的单核中心区，这种类型中心区在我国数量众多。中心区功能结构与空间形态呈现典型的圈层结构：中心区硬核呈现高强度高层形态特征，硬核被中低强度多层形态包围。中心区内公共绿地和水体等开放空间较少，路网密度偏大，硬质铺地等不透水面面积较大。基于中心区内不同空间形态样本及其热环境模拟分析，研究发现：1)在所选样本中开发强度同密度和平均天空可视度也无显著的线性关系，而开发强度同平均高度呈一定的线性正相关性。也就是说样本中高强度地块并非高密度、低天空可视度，而高强度开发地块往往是高层建筑群。2)在夏季近地面风速较低、空气湿度适中的条件下，不考虑人为热的影响，由于形态的综合影响，高强度、中强度、低强度三大类空间形态的平均空气温度并没有特别显著的差异。表1：新街口中心区空间形态分类大体量—B-1—A-1围合式—B-5—A-2行列式C-3C-1B-1—散点式—C-2—A-3院落式—C-4B-2—广场式———B-3低层多层中高层高层*资料来源：作者整理*——表示新街口中心区内无典型案例,灰色由深到浅表示强度由高到低3)垂直于夏季主导风向的建筑，其围合度、密度影响到地块内部的通风散热，因此散点式建筑往往具有较好的通风条件，进而导致内部产热更易散失。旋转一定朝向迎合主导风向是较好的规划措施。4)在近地面低风速条件下，白天地表温度受太阳辐射影响显著，因而建筑密度、高度、朝向和下垫面材质都会对地表温度产生影响，建筑或树木遮阴下的地表温度明显低于裸露的地面，低反照率材质地表温度也低于高反照率材质地表温度。图7影响城市热环境的城市特征体系图*资料来源：作者自绘5)植被绿化可以有效改善局部热环境，但中心区内地面停车场地和地面绿化区域互相矛盾。地下停车换取地面绿化（如长发中心、长江路九号等）是很好的措施。6)夏季西晒导致建筑西立面及西侧场地热环境恶劣，通过西侧场地绿化及立面遮阳处理可以改善局部热环境。3新街口中心区热环境影响机制探析3.1城市空间形态指标城市形态对城市内部气候及城市热环境有重要影响，城市形态中的任何一个要素指标同热环境都有着或多或少的相关性。对于中心区中观尺度，城市形态组合、下垫面材质与热环境有较密切关系。空间形态具有不可逆性，下垫面形式与材质则较为容易改善，因此作为城市规划而言，在规划城市形态前考虑其对城市热环境的影响也显得尤为重要。基于对热环境及城市气候的已有研究成果进行模拟验证及单一变量影响下形态指标与热环境影响模拟，选定总体布局指标、特殊形态指标和下垫面指标共计13个指标因子（图7）：①总体布局：密度/高度/强度；②特殊形态指标：天空可视度（SVF）/街道高宽比/街区围合度/街道与建筑朝向/围护系数/阴影系数/错落度；③下垫面：植被覆盖率/不透水面面积比/材质与反照率。通过升温用地和降温用地两个层面探讨城市土地利用及人为热对城市热环境的影响机制。研究在综合国内外研究基础上，选择密度、高度、强度这三个基本指标，从总体布局分析同热环境的相关性影响；选择天空可视度、围护系数、阴影系数、围合度、错落度、街道高宽比与朝向等七个特殊指标，探讨形态变化对热环境的影响；选择绿地与植被、不透水面面积比和材质反照率等三个下垫面指标，探讨与热环境关系密切的下垫面特征的影响。通过其他大量研究可以知道，这些指标在某些特定条件下，对热环境存在一定影响，但并无唯一性结论。指标的变