應用ENVI-met模擬室外熱環境的初步研究

張瑞華

摘 要：本文根據觀測資料，應用ENVI-met模擬軟件對不同天氣狀況下的不同下墊面溫濕度狀況進行了模擬，對比分析了他們之間的差異，結果表明：兩種天氣狀況下的模擬結果和觀測比較吻合，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境。

關鍵詞：熱環境;ENVI-met;下墊面

中圖分類號：TU119;X16 文獻標識碼：A 文章編號：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

在進行城市建設或綠地規劃時，如何科學評估、控制或改善城市熱環境的影響，需要一個有效的定量工具或方法，ENVI-met模擬軟件從1988研發出來至今，在熱環境研究方面已經取得一定進展。如Pompeii II[1]研究綠色屋頂對城市熱環境的影響，得到綠色屋頂可使室內外溫度分別降低1.77℃和0.24℃;薛思寒[2]通過ENVI-met軟件模擬證明水體對微氣候有調節作用;楊小山[3]等模擬城市風環境，將ENVI-met與MISKAM模型對比，證實其合理。本研究嘗試在這方面進行探索，采用ENVI-met軟件模擬和實地觀測結合方法，進行多次參數校正后，得到與實際觀測較接近的數據。建立不同天氣狀況方案，對比分析數據，探討該軟件模擬的精確度，為城市規劃設計和優化配置提供參考意見。

1 試驗觀測與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 測點布置。本研究選取南京信息工程大學東苑校區為觀測區域，研究面積大小確定為350m×200m，該區域包括草地、瀝青路面、水泥地、水體、磚石路面等多種下墊面，在區域內選取8個代表性的測點，主要分布在西南方向，如圖1所示。

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

1.1.2 觀測項目。觀測時段是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自動氣象站，數據采集頻率為10s，傳感器會自動記錄每10min的平均值，連續觀測3天。

1.2 ENVI-met模型及其模擬運行方案

1.2.1 數值模擬軟件簡介。ENVI-met是由Michael Bruse和Heribert Fleer在1988年開發的一種三維微氣候模擬軟件[4]，軟件基于流體力學和熱力學及城市氣象學等相關理論知識建立，主要用來模擬室外風環境、城市熱島效應、植物與周邊環境的熱量和水汽交換以及微粒擴散等，是模擬城市微尺度環境中實物表面-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。根據研究區的面積，確定建模區域的網格大小為90×70×36，網格分辨率為4m×3m×1m，南京的地理位置為北緯32°37″，東經118°22″，時區為China Standard Time/GMT+8，利用CAD軟件生成的.BMP格式作為底圖，結合實地調查，了解研究區域的下墊面和植被高低情況，建立研究區模型。建立模型時，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，最后構建下墊面模型。建模時對建筑物進行簡化，但是要保證整體格局和指標與實際一致。在編程時輸入主要參數（見表1和表2），進行檢查運行，最后在LEONARDO查看數據對比分析并畫圖。

2 結果與分析

選取晴天和多云天氣兩種天氣狀況下14：00的模擬結果，從1.5m高空氣溫度和相對濕度兩個氣象參數以及1.5m高的PMV/PPD色階圖像進行分析與評估，總結南京信息工程大學東苑14：00時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果水平分布特征

14：00空氣溫度實際觀測結果的高低順序為瀝青>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1.5m高空氣溫度的水平分布圖來看，溫度分布和實際觀測結果比較吻合，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℃。同時該時刻下墊面對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。主要因為晴天地面接受太陽直接輻射多，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，到達地面的輻射少，空氣溫度相對較低。

2.2 1.5m高相對濕度模擬結果水平分布特征

14：00相對濕度實際觀測結果的高低順序為遮蔭建筑陰面>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1.5m高相對濕度的模擬結果水平分布圖來看，相對濕度模擬結果和觀測結果比較吻合。晴朗天氣相對濕度的大小區間為30.14%～47.70%，多云天氣相對濕度最小為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%，多云天氣相對濕度整體比晴朗天氣相對濕度高。結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，水分蒸發快，尤其籃球場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 結論與討論

通過觀測試驗和模型模擬對比分析發現：觀測和模擬結果得到一致結論，即空氣溫度高低順序依次為瀝青>水泥地>草地>樹木。相對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軟件模擬結果和觀測比較吻合，可以較準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，可為城市合理規劃設計提供參考意見。

參考文獻：

[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.傳統嶺南庭園水體周邊熱環境模擬研究：以余蔭山房為例[J].風景園林，2014（6）50-53.

[3]楊小山，趙立華.城市風環境模擬：ENVI-met與MISKAM模型對比[J].環境科學與技術，2016（8）16-21.

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

[5]孫欣.城市中心區熱環境與空間形態耦合研究：以南京新街口為例[D].東南大學， 2015.