基于ENVI-met模擬的屋頂綠化熱環境影響?

董楠楠 吳 靜

1 同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

2 上海冠茵環境生態科技有限公司 上海 200092

聯合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)在2013年的報告中指出,截至2100年,全球平均地面溫度將增加0.3℃～4.8℃[1]。眾多研究表明,城市綠地及其格局對于緩解城市熱環境具有積極作用[2-3]。Lai等[4]總結了影響城市熱環境的4種因素為城市幾何形態、植被、城市表面和水體,對城市的平均有效降溫分別為2.1℃、2.0℃、1.9℃、1.8℃；李瑩瑩等[3]研究表明,地塊內綠色空間面積越大,分布越集中,對城市熱環境的控制作用越強。研究城市綠色空間對熱環境影響的研究方法主要有現場實測法[5]、遙感監測法[6-7]和基于CFD的模擬法[8-9],也有研究采用WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式[10-11]和USDSM(城市小區氣象與污染擴散數值)模式[12]等方法研究屋頂綠化的降溫效果。ENVI-met可以模擬地面綠化和屋頂綠化對微氣候的影響,因而被廣泛應用于模擬城市熱環境,例如,Lalosevic等[13]利用ENVI-met模擬研究典型夏季時簡單式屋頂綠化對住宅小區的降溫效果；Jin等[14]采用現場實測與ENVI-met模擬的方法研究不同屋頂綠化變量對重慶市區域熱環境的影響；戴菲等[15]采用ENVI-met模擬道路綠地對道路空間溫度、濕度等微氣候的影響；Sun等[16]利用ENVI-met模擬城市綠色空間和景觀布局對熱環境的影響。與此同時,Oke等[4]提出為保證模型模擬的可靠性,建議將ENVI-met模擬結果與現場實測數據進行對比驗證,而在Toparalar等總結的122項利用ENVI-met對城市區域進行模擬的研究中,只有57項(46.7%)研究進行了實測數據與模擬數據的對比研究。

然而,大部分研究只著重探討地面綠化或屋頂綠化對區域熱效應的影響,無法全面反映城市冠層三維綠色空間中屋頂綠化和地面綠化對熱環境影響的響應情況。本文選擇同濟大學四平路校區作為研究對象,采用ENVI-met 4.4.2模擬校園尺度綠化的熱效應,探討屋頂綠化在有或無地面綠化時對校園氣溫的影響,以及對城市熱環境的改善作用,研究結果可為屋頂綠化實施策略提供指導。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

上海位于北緯31.29°,東經121.51°,屬亞熱帶季風氣候,呈季風性、海洋性氣候特征,四季分明,年平均降雨量1 119 mm,年平均日照為1 400 h,夏季平均最高溫度31℃,平均最低溫度25℃,平均降水量570 mm。其中,7月平均高溫34℃,月均低溫27℃,月均降水量146 mm,平均相對濕度72%；8月平均高溫33℃,月均低溫27℃,月均降雨量206 mm,平均相對濕度74%。

1.2 ENVI-met模型建立

以上海市同濟大學四平路校區為研究對象,通過谷歌地圖獲取遙感影像圖,在ArcGIS中對遙感影像數據進行矢量化。利用手持式激光測距儀(天正158)測量建筑物高度；利用大疆御Mavic2無人機獲取航拍影像,從而獲得研究區域的道路、植被、水體等下墊面信息。將遙感影像圖轉換成可被ENVI-met識別的bmp格式底圖,基于此底圖建立模擬模型。研究區域約為700 m×750 m×250 m,最高建筑物高120 m,網格數為140×150×50,嵌套網格數為5。其中,水平方向網格大小為5 m×5 m；在垂直方向上,22 m以下網格大小為1 m,22 m以上網格大小以15%增加。在研究區域設置2個監測點用于開展ENVI-met微氣候實測與模擬驗證。R1和R2為HOBOU30-NRC氣象站(溫度測量精度±0.7℃),R1位于文遠樓屋頂(樓高18 m,樓頂建有屋頂綠化),R2位于文遠樓前。

為研究地面綠化和屋頂綠化對研究區域的熱環境影響,本文建立了4種方案,即無植被方案(a)、地面綠化方案(b)、屋頂綠化方案(c)、組合綠化(包含地面綠化和屋頂綠化)方案(d)。在c和d方案中,低于24 m的建筑均設置屋頂綠化,其基質層厚20 cm,草坪高30 cm,實施屋頂綠化的建筑高度大多為13～24 m。其余各參數,如建筑高度、建筑布局、地面綠化等,依據實際情況建模。

1.3 參數輸入

利用ENVI-met 4.4.2模擬的邊界條件(研究區域的溫濕度、風速、風向等),綜合研究區域地面和屋頂綠化氣象站觀測資料及中國氣象數據網的氣象數據,選擇溫度較高的天氣進行模擬,并根據氣象數據設定初始模擬參數(表1)。每次模擬24 h,每1 h輸出一組數據。

表1 研究區域ENVI-met 4.4.2模型輸入參數及數值

2 結果與分析

2.1 ENVI-met模擬精度分析

取R1點位(屋頂,高度18.5 m)2018年8月7—9日(晴天或多云天氣)和R2點位(地面,高度1.5 m)2017年7月22日(多云天氣)空氣溫度的觀測值與模擬值進行對比分析。從圖1可以看出,監測點模擬溫度和實測溫度的變化規律相似,模擬值與實測值最高差約為3℃。由于沒有考慮垂直長波通量的發散,可能會造成實測溫度與模擬溫度相差2℃～4℃。此外,模型未考慮天空的云量,也會增加模擬的誤差[17]。由于ENVI-met模擬對建筑材料熱值穩定性、環境熱輻射等方面的計算存在不足,使白天時段的模擬氣溫總體低于實測值,夜間時段的實測氣溫降溫速度高于模擬值[14,18]。除此之外,模型沒有考慮校園周邊的高層建筑、車流量和食堂等人為放熱,以及其他不可控因素的影響,所以模擬氣溫的變化幅度相對較小,而且模擬結果無法準確刻畫實測數據能夠表達的拐點變化特征。

圖1 監測點的模擬溫度與實測溫度對比分析

為進一步說明模型的準確性,采用均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)評價模型的精度。Willmott[19-20]提出,RMSE對實測值和模擬值之間的極端差異更為敏感,更有利于揭示模型的模擬性能,計算公式如下:

式(1)(2)中,Xobs,i為實測值,Xmodel,i為模擬值,n為次數。RMSE和MAE的計算結果見表2。地面和屋頂綠化的實測值與模擬值的RMSE介于1.39℃～1.83℃,MAE值介于1.27℃～1.65℃。Rosso[21]和Salata等[22]統計多項研究發現,ENVI-met模擬值與實測值的RMSE介于0.66℃～7.98℃。目前公認RMSE介于0.52℃～4.30℃、MAE介于0.27℃～3.67℃是可以接受的。一般情況下,可以采用ENVI-met對校園進行熱環境模擬分析。

表2 實測值與模擬值的擬合分析

2.2 屋頂綠化熱效應分析

上海市《立體綠化技術規程》DG/TJ 08-75-2014提出,實施綠化的屋頂高度宜低于24 m,根據同濟大學校園24 m以下的建筑高度分布,選擇距離地面1.5 m、12.5 m和17.5 m這3種高度分析有或無地面綠化時,屋頂綠化在7∶00、12∶00、20∶00、1∶00這4個時間點的熱效應及其空間分布特征(圖2-圖5)。表3顯示了在有地面綠化或無地面綠化時屋頂綠化對周圍環境的降溫范圍。

圖2 屋頂綠化在12∶00時對環境氣溫的影響

圖3 屋頂綠化在20∶00時對環境氣溫的影響

圖4 屋頂綠化在1∶00時對環境氣溫的影響

圖5 屋頂綠化在7∶00時對環境氣溫的影響

表3 不同條件下屋頂綠化對環境氣溫的變化℃

對于12∶00這個時間點,當校園無地面綠化時,屋頂綠化對行人高度、屋面高度12.5 m和17.5 m的大氣降溫效果分別為0.19℃、0.20℃和0.24℃,對環境氣溫影響較為微弱；當校園有地面綠化時,屋頂綠化對行人高度、屋面高度12.5 m和17.5 m的最高降溫分別是1.11℃、0.52℃和0.36℃,均高于無地面綠化情況下的降溫效果。對于7∶00、20∶00和1∶00這3個時間點,當校園無地面綠化時,屋頂綠化對環境氣溫幾乎沒有影響；當校園有地面綠化時,屋頂綠化對環境氣溫變化的影響明顯增強。

無地面綠化時,屋頂綠化降溫效果微弱與其建造類型和建筑高度有關,本文屋頂綠化均為草坪式屋頂綠化,據Lalosevic[13]和Morakinyo[23]等研究結果,草坪式屋頂綠化的降溫效果較低。Lai等[4]在總結他人的研究時發現,當屋頂綠化實施高度在10 m及以下時,其對行人高度的氣溫會起到一定的降溫作用,而中高層建筑屋頂實施屋頂綠化則對行人高度的氣溫幾乎沒有影響。當校園有地面綠化時,建造屋頂綠化增加了綠色空間的斑塊密度和邊緣密度,進而增強了綠色空間與周邊區域之間的相互作用。當單個綠色斑塊的降溫能力和遮蔭量足夠大,綠色空間分布分散時,其降溫效果更強[18]。

研究表明,在建筑少的開放空間,植物通過反射和吸收作用,白天可以吸收大量短波太陽輻射,從而有效降低空間熱輻射,出現降溫現象；在夜間,植物通過捕獲長波輻射增加氣溫[23],出現升溫現象。在12∶00時,開放空間的屋頂綠化與地面綠化的耦合作用對大氣降溫很明顯；在7∶00、20∶00和1∶00時,區域大氣升溫明顯。然而,在建筑密集區,屋頂綠化與地面綠化的耦合作用對環境氣溫的影響與開放空間剛好相反,造成這種差異的原因是建筑密集區的遮陽時間較長,降低了植被和水體的有效降溫時間[4]。除此之外,Lin等[24]研究表明,在白天,在嚴重遮蔭的空間增加樹木會降低風速,從而惡化夏季的熱舒適性,導致出現升溫現象；在夜間,大部分反射的輻射被建筑物的墻壁吸收[25],出現降溫現象。

進一步分析組合綠化在12∶00時的縱向空間溫差分布特征,結果顯示,校園建筑密度小的開放區域降溫效果高于建筑密集區,且其附近地面溫差高于屋面溫差,這是因為屋面冷空氣往下沉降與擴散的速度比向周圍擴散的速度大,更易在開敞區地面形成“冷島區”,因而地面的降溫強度高于屋面[26-27]。除此之外,屋面的風速大于地面,來流的稀釋作用降低了屋面綠化的冷卻效果。

3 結論與討論

目前對城市綠化熱效應的研究主要關注地面綠化或屋頂綠化內部的溫度差異,著重分析城市幾何形態、綠化形式、綠化面積等因素對降溫效果的影響。本研究在無地面綠化和有地面綠化兩種情況下,分析屋頂綠化對校園氣溫的影響,進而將屋頂綠化熱效應評價擴展至地面綠化與屋頂綠化的耦合作用。研究結果表明,當校園無地面綠化時,草坪式屋頂綠化對校園氣溫的影響較為微弱,幾乎可以忽略不計。當校園存在地面綠化時,草坪式屋頂綠化對校園氣溫的影響明顯增強,但隨著高度增加,這種影響逐漸減弱。此外,在校園有地面綠化的情況下,屋頂綠化對建筑密度小的開放區域溫度改善情況高于建筑密度大的區域,且由于增加綠化在一定程度上會降低風速,反而造成建筑密度高的區域氣溫升高,對改善夏季熱舒適沒有起到有利的作用。

由于是初步探討,研究結果尚未深入剖析屋頂綠化和地面綠化組成的三維綠色空間分布的熱效應原理,以及開放區域和建筑密集區溫度變化完全相反的原因,后續研究可進一步探究不同類型屋頂綠化及其屋面覆蓋率的降溫效果,以及不同種類植物的葉面積指數(LAI)、冠徑、高度、風速等因素對屋頂綠化降溫效果的影響。在實測數據過程中,考慮到設備安全問題,未能就地面氣象數據進行24h多天的連續監測。此外,本研究應用的ENVI-met 4.4.2模型的模擬精度與模擬所得的溫差范圍相比,誤差仍然較大,未來研究可進一步修正模型的輸入參數,提高模擬精度。