應(yīng)用ENVI-met模擬室外熱環(huán)境的初步研究

張瑞華

摘 要：本文根據(jù)觀測(cè)資料，應(yīng)用ENVI-met模擬軟件對(duì)不同天氣狀況下的不同下墊面溫濕度狀況進(jìn)行了模擬，對(duì)比分析了他們之間的差異，結(jié)果表明：兩種天氣狀況下的模擬結(jié)果和觀測(cè)比較吻合，多云天氣比晴天溫度低、濕度大，ENVI-met軟件可以合理模擬微尺度環(huán)境。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境;ENVI-met;下墊面

中圖分類號(hào)：TU119;X16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）17-0156-03

Abstract： This paper simulated the temperature and humidity of different underlayers under different weather conditions according to the observation data， and compared the differences between them. The results show that the simulation results in the two weather conditions coincide with the observation， the cloudy day's temperature is lower than the sunny day， the humidity is large， ENVI-met software can simulate the micro-scale environment reasonably.

Keywords： thermal environment;ENVI-met;underlying surface

在進(jìn)行城市建設(shè)或綠地規(guī)劃時(shí)，如何科學(xué)評(píng)估、控制或改善城市熱環(huán)境的影響，需要一個(gè)有效的定量工具或方法，ENVI-met模擬軟件從1988研發(fā)出來至今，在熱環(huán)境研究方面已經(jīng)取得一定進(jìn)展。如Pompeii II[1]研究綠色屋頂對(duì)城市熱環(huán)境的影響，得到綠色屋頂可使室內(nèi)外溫度分別降低1.77℃和0.24℃;薛思寒[2]通過ENVI-met軟件模擬證明水體對(duì)微氣候有調(diào)節(jié)作用;楊小山[3]等模擬城市風(fēng)環(huán)境，將ENVI-met與MISKAM模型對(duì)比，證實(shí)其合理。本研究嘗試在這方面進(jìn)行探索，采用ENVI-met軟件模擬和實(shí)地觀測(cè)結(jié)合方法，進(jìn)行多次參數(shù)校正后，得到與實(shí)際觀測(cè)較接近的數(shù)據(jù)。建立不同天氣狀況方案，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，探討該軟件模擬的精確度，為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化配置提供參考意見。

1 試驗(yàn)觀測(cè)與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 測(cè)點(diǎn)布置。本研究選取南京信息工程大學(xué)東苑校區(qū)為觀測(cè)區(qū)域，研究面積大小確定為350m×200m，該區(qū)域包括草地、瀝青路面、水泥地、水體、磚石路面等多種下墊面，在區(qū)域內(nèi)選取8個(gè)代表性的測(cè)點(diǎn)，主要分布在西南方向，如圖1所示。

進(jìn)行如下對(duì)比：①遮蔭的建筑陰面（測(cè)點(diǎn)1）和無遮蔭建筑陰面（測(cè)點(diǎn)3）;②遮蔭條件下的建筑陰面（測(cè)點(diǎn)3）和陽面（測(cè)點(diǎn)4）;③草地包括樹木間（測(cè)點(diǎn)5）、半包圍式（測(cè)點(diǎn)6）和開放式（測(cè)點(diǎn)和7）3種情況;④瀝青（測(cè)點(diǎn)8）及水泥路面（測(cè)點(diǎn)2）與植被覆蓋路面（其他測(cè)點(diǎn)）。

1.1.2 觀測(cè)項(xiàng)目。觀測(cè)時(shí)段是2017年4月1日18：00—4月4日18：00，其中，4月2日和3日是典型的晴天，4號(hào)是多云天氣。采用HOBOU-23-002溫濕度儀、HOBO-U23-003溫濕度儀和HOBO-U2自動(dòng)氣象站，數(shù)據(jù)采集頻率為10s，傳感器會(huì)自動(dòng)記錄每10min的平均值，連續(xù)觀測(cè)3天。

1.2 ENVI-met模型及其模擬運(yùn)行方案

1.2.1 數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介。ENVI-met是由Michael Bruse和Heribert Fleer在1988年開發(fā)的一種三維微氣候模擬軟件[4]，軟件基于流體力學(xué)和熱力學(xué)及城市氣象學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)建立，主要用來模擬室外風(fēng)環(huán)境、城市熱島效應(yīng)、植物與周邊環(huán)境的熱量和水汽交換以及微粒擴(kuò)散等，是模擬城市微尺度環(huán)境中實(shí)物表面-植物-空氣之間相互作用的城市微氣候模擬軟件[5]。

1.2.2 模擬方案。根據(jù)研究區(qū)的面積，確定建模區(qū)域的網(wǎng)格大小為90×70×36，網(wǎng)格分辨率為4m×3m×1m，南京的地理位置為北緯32°37″，東經(jīng)118°22″，時(shí)區(qū)為China Standard Time/GMT+8，利用CAD軟件生成的.BMP格式作為底圖，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，了解研究區(qū)域的下墊面和植被高低情況，建立研究區(qū)模型。建立模型時(shí)，先按照底圖建立建筑物模型，然后建立不同高度的植被模型，最后構(gòu)建下墊面模型。建模時(shí)對(duì)建筑物進(jìn)行簡(jiǎn)化，但是要保證整體格局和指標(biāo)與實(shí)際一致。在編程時(shí)輸入主要參數(shù)（見表1和表2），進(jìn)行檢查運(yùn)行，最后在LEONARDO查看數(shù)據(jù)對(duì)比分析并畫圖。

2 結(jié)果與分析

選取晴天和多云天氣兩種天氣狀況下14：00的模擬結(jié)果，從1.5m高空氣溫度和相對(duì)濕度兩個(gè)氣象參數(shù)以及1.5m高的PMV/PPD色階圖像進(jìn)行分析與評(píng)估，總結(jié)南京信息工程大學(xué)東苑14：00時(shí)刻不同下墊面的微氣候情況。

2.1 1.5m高度的空氣溫度模擬結(jié)果水平分布特征

14：00空氣溫度實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的高低順序?yàn)闉r青>水泥>開放式草地>半包圍草地>遮蔭的建筑陽面>樹木間草地>建筑陰面>遮蔭的建筑陰面。從圖2給出的晴天和多云天氣下模擬14：00時(shí)1.5m高空氣溫度的水平分布圖來看，溫度分布和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果比較吻合，而且可以明顯看到兩種天氣狀況下空氣溫度的差別。晴天和多云天氣在1.5 m高空氣溫度最低值都為19.85℃，但是最大值分別為25.89℃和24.15℃，晴天比多云天氣的最高空氣溫度高1.74℃。同時(shí)該時(shí)刻下墊面對(duì)1.5m高空氣溫度的空間分布影響很大，兩種情況下瀝青路面的溫度都是所有下墊面中溫度最高的，晴天溫度整體高，西南建筑間的水泥路面溫度比多云天氣下溫差明顯，而多云天氣溫度整體偏低。主要因?yàn)榍缣斓孛娼邮芴栔苯虞椛涠?，地面溫度升高，空氣溫度也隨之升高，而多云天氣部分太陽輻射被遮擋，到達(dá)地面的輻射少，空氣溫度相對(duì)較低。

2.2 1.5m高相對(duì)濕度模擬結(jié)果水平分布特征

14：00相對(duì)濕度實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的高低順序?yàn)檎谑a建筑陰面>遮蔭建筑陽面>建筑陰面>樹木間草地>半包圍草地>開放式草地>水泥>瀝青。從圖3給出的晴朗和多云天氣下14：00時(shí)1.5m高相對(duì)濕度的模擬結(jié)果水平分布圖來看，相對(duì)濕度模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果比較吻合。晴朗天氣相對(duì)濕度的大小區(qū)間為30.14%～47.70%，多云天氣相對(duì)濕度最小為42.37%，最大為63.19%，晴天和陰天的最低值與最高值的差別分別是17.56%和20.82%，多云天氣相對(duì)濕度整體比晴朗天氣相對(duì)濕度高。結(jié)合溫度分布圖可以明顯看出，瀝青路面和水泥地這種硬體表面沒有植被覆蓋，溫度高，水分蒸發(fā)快，尤其籃球場(chǎng)的開闊地形有利水汽輸送，所以濕度最低，而且晴空天氣下濕度更低。樹木和草地區(qū)域太陽輻射被遮擋，溫度低，濕度高。多云天氣下水體濕度更大。

3 結(jié)論與討論

通過觀測(cè)試驗(yàn)和模型模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：觀測(cè)和模擬結(jié)果得到一致結(jié)論，即空氣溫度高低順序依次為瀝青>水泥地>草地>樹木。相對(duì)濕度的高低順序依次為樹木>草地>水泥>瀝青，濕度之間最大差值為10%左右。樹木和草地有降低溫度增加濕度的作用，樹木間的草地比半包圍的和開放式草地濕度大，溫度低。有樹木遮蔭的建筑物陰面比沒有樹木遮擋的建筑陰面溫度低，濕度高。不同天氣狀況下，晴天瀝青路面比多云天氣溫度高、濕度低，符合高溫低濕的規(guī)律。樹木的降溫作用在晴天下更加明顯，尤其是遮蔭的建筑陰面平均溫度最低，草地在兩種天氣下降溫作用差別不大，ENVI-met軟件模擬結(jié)果和觀測(cè)比較吻合，可以較準(zhǔn)確地模擬出不同下墊面的差別以及不同天氣狀況下的溫濕度差別，可為城市合理規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考意見。

參考文獻(xiàn)：

[1] Pompeii II W C. Assessing Urban Heat Island MitigationU Sing Green Roofs： A Hard Scale Modeling Approach [M] Shippensburg： Shippensburg University，2010.

[2]薛思寒，王琨，肖毅強(qiáng).傳統(tǒng)嶺南庭園水體周邊熱環(huán)境模擬研究：以余蔭山房為例[J].風(fēng)景園林，2014（6）50-53.

[3]楊小山，趙立華.城市風(fēng)環(huán)境模擬：ENVI-met與MISKAM模型對(duì)比[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2016（8）16-21.

[4]馬艦，陳丹.城市微氣候仿真軟件ENVI-met的應(yīng)用[J].綠色建筑，2013（5）：56-58.

[5]孫欣.城市中心區(qū)熱環(huán)境與空間形態(tài)耦合研究：以南京新街口為例[D].東南大學(xué)， 2015.