基于ENVI-met的城市綠地微氣候模擬研究進展*

李英男 韓依紋

1 江蘇大學藝術學院 江蘇鎮江 212013

2 華中科技大學建筑與城市規劃學院 武漢 430074

綠地作為城市生態系統的重要組成部分為城市提供了一系列生態系統服務功能，其中，氣候調節功能通過影響城市熱環境可以改善居民在室外空間的舒適度[1]。城市綠地的氣候調節功能具有尺度差異性，其中城市尺度上可形成“冷島”效應，局地尺度可影響區域的微氣候[2－3]。微氣候(microclimate)是由下墊面的不同構造特征所引起的近地面大氣和土壤表層中小范圍的氣候環境，特指水平方向上0.1~1 000 m、垂直方向上100 m范圍以內的對象區域[4]，由于其尺度易把握、優化手段施行性強、受景觀營造影響大等特點，近年來頗受風景園林學科關注。隨著計算機技術的發展，城市微氣候特征的分析手段從以實測為主逐漸轉為與計算機模擬相結合的多元評估路徑，突破了傳統實地氣象監測過程中人力和時間耗費較大的局限性。

目前，常用于城市微氣候模擬的CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件有Fluent，Star-CCM＋，PHOENICS和ENVI-met等，其中，ENVI-met在綠化環境評估中有較強優勢，能夠模擬植物對環境的作用過程，適用于室外空間景觀營造的多情景預判，而其他CFD軟件偏好于建筑內外的氣流和傳熱的物理過程模擬，多用于建筑節能與暖通空調分析等[5－6]。ENVI-met在近10年間被國內外學者廣泛應用于城市微氣候的評估中，并推動了該研究領域的快速發展，截至2015年，有約50%的城市微氣候研究使用ENVI-met[7]。因此，對ENVI-met模型在城市綠地微氣候應用的研究進程進行梳理和歸納非常必要。

本文回顧近10年來基于ENVI-met模擬的城市綠地微氣候研究，旨在總結并歸納研究特點和重點，以期更準確地掌握其研究背景及發展方向，為相關領域的研究和實踐提供理論基礎和參考。

1 ENVI-met模型的原理及功能

ENVI-met是一款數值模擬模型，致力于城市微氣候的模擬，由德國美因茨大學的Michael Bruse教授及其團隊于1998年開發。該模型基于流體力學和熱力學方程式，根據設定進行迭代運算的原理，模擬城市中“地表－植物－大氣”的相互作用，進而定量化闡述城市規劃形態和景觀要素對復雜空間微氣候的影響特點[8]。通過20多年的發展和逐步改進，ENVI-met模擬輸出的數據精度不斷提高，在中小尺度空間的微氣候模擬優勢明顯，可用于日照、空氣污染物擴散、建筑物理、藍綠技術、風場、人體熱舒適度分析等課題研究。

城市綠地類型及其布局多樣性導致了區域小氣候差異的形成[9]。ENVI-met包含若干個子模型(如植物模型、土壤模型、空氣模型、建筑模型等)，其可模擬綠地中空氣溫濕度、地表溫度、輻射通量、湍流和微粒擴散沉積等微氣候變量的時空變化，并銜接其BIO-met模塊計算人體熱舒適指數，從而為城市室外空間的優化策略制定提供參考[10]。

2 基于ENVI-met的城市綠地微氣候調節效應

ENVI-met旨在探索城市綠地中微氣候指示因子變化規律及其驅動要素，其具體應用可概括為3個方面:緩解熱島效應、改善人體熱舒適度、消減空氣污染物。

1)緩解熱島效應。ENVI-met的應用使街區尺度下對熱島緩解的可能性得到進一步證實。與其他熱島效應觀測手段(如地面氣象觀測、熱紅外遙感等)相比，ENVI-met可基于時空變化特征實現研究區域微氣候的預判。降溫強度是衡量綠地緩解城市熱島效應的主要方式，常用的降溫觀測指標包含空氣溫度、地表溫度、輻射溫度等[11]。植被主要通過蒸騰和光合作用，并利用樹冠遮蔭攔截太陽輻射的方式實現其降溫功能[2]。ENVI-met在綠地降溫的模擬應用可分為3個方面:一是根據植物的光合速率模擬蒸騰量和葉片溫度；二是以ENVI-met植物數據庫為平臺，利用葉面積指數(leaf area index，LAI)和葉面積密度(leaf area density，LAD)作為變量模擬樹木的降溫表現[12]；三是通過調整綠地布局結構、綠量、景觀材料等參數配置模擬這些變化對綠地內輻射和通風的影響，從而達到更佳的降溫效果。

2)改善人體熱舒適度。室外熱舒適指數是綜合多個氣象因子反應人體對城市綠地熱環境反饋的主要評價指標，涉及的氣象因子有空氣溫度、空氣濕度、風速和輻射溫度[13]，可通過調節以上指數進而改善人體熱舒適度。模型中可直接進行計算的熱舒適指數有PMV(Predicted Mean Vote)、SET (Standard Effective Temperature)、PET(Physiological Equivalent Temperature)、UTCI(Universal Thermal Climate Index)。基于ENVI-met對人體熱舒適度的研究多集中于夏季[11，14]，夏季最主要的影響因子是輻射強度(也被表述為“輻射平衡”[15])，利用ENVI-met可調整場地中景觀材料的反射率和樹冠遮蔭形成的陰影，以此對輻射強度進行干涉。部分學者也探討了冬季熱舒適的影響要素，冬季熱舒適的主要提升手段是注重保溫，特別是樹木在冬季處于落葉期時，如何通過植被搭配減少強風對熱舒適度的干擾是該季節的主要研究問題[16]。

3)消減空氣污染物。通過ENVI-met可評估不同大小的空氣顆粒物沉積與擴散、反應性與非反應性氣體濃度，以分析不同緩解空氣質量的策略[17]。現階段研究最常用的空氣污染指示因子有空氣顆粒物PM2.5，PM10，以及生物性揮發性的氮氧化合物(NOx)等[18]。ENVI-met在消減空氣污染物方面的應用可歸納為兩個方面:一是通過ENVI-met將樹木模擬為多孔屏障，同時考慮植被空氣動力因素，探討不同樹種葉片密度和垂直分布差異導致污染物的不同擴散模式[19]；二是根據熱環境的不同，某些樹種會釋放出更多的生物性揮發性有機化合物，這些化合物是臭氧形成的前驅物，利用ENVI-met模擬可篩選異戊二烯排放較低的植物，進而優化空氣質量[20]。

3 基于ENVI-met的城市綠地微氣候調節途徑

3.1 城市綠地布局結構

ENVI-met模型可調整綠地內部空間布局，從而設置多樣化情景，并通過對比各情景內的布局觀測微氣候的響應特征。Sodoudi等[12]模擬了不同朝向的帶狀綠地與風向耦合關系對降溫的影響，發現當二者平行時可有效改善通風并促使降溫幅度增大。Zhao等[21]模擬了居民區中樹木的種植間距對微氣候的影響，發現等間距種植的喬木配置遮蔭效果最佳，可避免樹冠重疊而阻塞風道。邢洋等[22]發現樹冠基部較低的濃密喬木更適合種植在公園邊界作為屏障，以此阻礙道路上汽車尾氣排放的PM2.5，PM10等污染物向公園內擴散，而公園內部則應種植樹冠基部高的大喬木，允許風穿透樹冠下空間，防止顆粒物在空氣中的沉積。

3.2 綠量和植物配置

城市綠地中合理的綠量控制和植物配置能有效改善微氣候。ENVI-met的三維數值模塊可模擬植物與周圍空氣的熱交換過程，并通過樹冠和根系分布情況表現不同的植物特征，從而被應用于各類綠地微氣候的模擬觀測[23]。基于ENVI-met模擬的綠量和植物配置對微氣候的影響可概括為以下3個方面:

1)綠化覆蓋率。綠化覆蓋率是從二維的視角量化綠地的指標，指用地范圍內綠化覆蓋面積占總面積的比例，增加綠化覆蓋率可有效改善熱環境[24]，探究合理的綠化覆蓋率對微氣候調節有較大的實踐指導意義。Middel等[3]研究了美國鳳凰城的居民區降溫策略，發現樹冠覆蓋與降溫效應呈線性關系，每當增長1%的樹冠覆蓋可降低空氣溫度0.14℃；Ng等[25]模擬了香港街區建筑和綠化覆蓋率共同變化的33個情景，發現城市綠化覆蓋率達到33%時可降低空氣溫度1℃；Haseh[26]通過模擬伊朗的伊斯法罕市庭院中不同樹冠覆蓋的熱環境表現，發現干旱地區庭院的綠化覆蓋率為50%時熱舒適和通風最佳。

2)植被類型。當綠化覆蓋率小于40%時，植被類型和種植結構對微氣候的影響較大[27]。一般認為，喬木是調節微氣候的最有效方式、灌木次之、草坪的影響效果最弱[28]。Kim等[29]模擬對比了瀝青路面、林地與草地的熱環境表現，發現在1.5 m高度，樹林和草地可分別降溫3.1℃和1.1℃，同時地表溫度降低15℃以上。改善綠化的垂直結構是優化微氣候的主要途徑之一，如Lee等[30]通過模擬發現，喬木與草坪結合的降溫效果優于僅喬木種植的單層結構，最高可降低空氣溫度4.6℃。立體綠化對室外空間的降溫幅度雖然較小，但其同樣可通過減少建筑材料反射和遮蔭提高人體熱舒適度，如Lobaccaro等[31]通過增設厚度為0.5 m、高度為16 m的綠化墻面發現周邊空氣溫度可降低0.5℃；Katsoulas等[32]還拓展了ENVI-met在花架對庭院熱環境改善效果的應用，其將144棵常用花卉種植在高2.3 m的廊架上，結果顯示可降低空氣溫度0.7℃，PET值17.9℃。

3)樹冠特征。樹木的冠層結構會影響環境的降溫增濕效應[33]，在ENVI-met中可以設置樹高、樹冠形狀、樹冠密度等參數[34]。Battista等[35]在小型廣場模擬了不同葉面積指數(LAI)樹木的降溫效應，結果表明LAI值越高降溫效果越好；Wang等[36]模擬了喬木對加拿大蒙特利爾市熱島效應的緩解，并提出增大樹木冠幅在白天和晚上均可優化降溫效果，同時通過對比縱向20 m和60 m高度的空氣溫度后發現，植被的近地面降溫作用相對顯著；衛笑等[34]探討了不同樹冠形態對微氣候的影響，由此得出“上大下小”倒卵形和倒三角形樹冠的喬木降溫增濕強度，以及改善人體熱舒適度的效果最優。

3.3 景觀材料

室外環境工程中冷卻材料的運用是優化熱環境的手段之一，其吸收的太陽輻射量較小，可使蓄熱量和表面溫度都較低，從而減少向周圍環境放出長波輻射通量，達到降低環境溫度的目的[37]。綠地營造的地表鋪裝和構筑物外立面冷卻材料的使用可影響室外環境溫度，ENVI-met基于開放空間和室內環境之間的能量交換過程可模擬景觀材料的差異對微氣候的影響特征。Li等[16]對比了首爾市汝矣島公園中不同地表鋪裝在樹蔭下的微氣候指標，發現土壤地表比硬質鋪裝的熱舒適改善效果更好；Chow等[38]觀測了美國亞利桑那州立大學校園中地表的熱環境，發現草坪比瀝青和混凝土的溫度低；Alchapar等[39]在阿根廷門多薩市模擬了18個不同反射率鋪裝情景的微氣候變化，結果表明地表鋪裝反射率每提高10%，空氣溫度可降低0.75℃。

4 結論和建議

4.1 結論

綠地是城市微氣候調節的重要載體，科學配置能夠增強其生態效益的發揮。ENVI-met作為目前最廣泛使用的微氣候模擬工具，對推動城市微氣候相關研究的發展有重要意義。在回顧ENVI-met對城市綠地微氣候調節效應評估應用的研究中發現，其時間尺度以及場地類型具有多樣性特質。眾多學者已經實現了該模型在城市街區、公園、校園、廣場、居民區、庭院等多類型綠地空間的研究。同時，也嘗試了微氣候在不同年份、不同季節、不同時段的對比，進而豐富和強化了對城市微氣候形成機制和調控策略方面的探索。綜上所述，本研究提出基于ENVI-met的城市綠地微氣候模擬評估技術框架(圖1)對應了綠地微氣候調節效應的評估標準和相關指數設置，從而為城市綠色空間的設計實踐提供借鑒和研究基礎。

圖1 基于ENVI-met模擬的城市綠地微氣候評估技術流程框架

4.2 建議

ENVI-met模型對城市綠地微氣候評估有較強的可實施性，對制定以微氣候改善為導向的設計優化策略提供了科學的參考途徑。首先，設計前期對微氣候預測模擬有助于對景觀設計方案的制定提出可行性方向，如對場地軟、硬景觀配比給出特定建議。其次，ENVI-met高分辨率模擬的優點能夠精準建立建筑和植物的模型，對建成場地進行模擬觀測，進而追蹤潛在問題并輔助分析。最后，微氣候的預測模擬可驗證環境緩解策略的有效性，以及深入揭示城市熱環境的影響機制，為提升生態系統服務功能的綠地營建提供依據，進而推動可持續城市環境的發展。盡管此模型在城市綠地微氣候模擬中已得到廣泛認可，但其應用仍存在局限性，對此提出以下建議:

1)需糾正當前國內研究對ENVI-met的應用誤區。此模型對模擬值的校驗是決定實驗結果是否具備有效性的重要環節，然而，在我國大多數研究中并未對實地氣象監測與模擬數據進行對比校驗，這將影響模型的精準性[40]。此外，ENVImet模型的分辨率雖為0.5~10 m，但部分研究為了迎合更大尺寸的場地分析，設置較低分辨率，導致場地中許多物理因素被忽略，使結果產生較大誤差[41]。隨著ENVI-met模型的改進，現已取消了對模擬網格數量的限制，未來研究可嘗試更多空間復雜的場地。

2)ENVI-met中植物模型需提升。首先，該模型中對植被特征過度簡化，僅提供冠層的形狀、密度以及葉片反射率的設定，對植物落葉狀態考慮不足，其在冬季的表現仍有待驗證。其次，ENVI-met提供的數據資源多為歐洲的植物品種，而我國由于氣候復雜多樣，植物品種也比較豐富，在未找到適合的植物數據情況下，部分學者只利用單一植物品種在情境中增設綠化覆蓋率，這會導致研究結果與現實差異較大，從而使研究結果在實踐中的應用也受到阻礙。因此，有必要拓展ENVI-met的植物數據庫，以便增加該模型在我國的適用性，并進一步探索由于植物多樣性形成的微氣候差異。

3)拓展ENVI-met與其他相關技術的耦合應用。區域的氣候特點對綠地微氣候調節功能發揮有較大影響，目前大多數研究專注于單個案例的模擬與分析，而綜合分析城市環境問題需要不同尺度研究的結合。因此，未來可開發ENVI-met與其他空間分析軟件的耦合應用，以拓展綠地對微氣候影響的多尺度效應研究。此外，ENVI-met尚未考慮熱島效應中的人為排熱，可嘗試與其他CFD軟件結合使用，以解決對空間熱源考慮不足的問題。