1、第 43 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.43，No.2Feb.，2023热带地理TROPICAL GEOGRAPHY基于绿地微气候的长沙太平街历史文化街区热环境数值模拟熊鹰1,2，章芳3，李亮2，尹建军1（1.黄冈师范学院 地理与旅游学院，湖北 黄冈 438000；2.长沙理工大学 建筑学院，长沙 410076；3.湖南工程学院 建筑工程，湖南 湘潭 411104）摘要：以长沙太平街历史文化街区为研究对象，首先对街道空间的现状微气候环境做分析，然后基于ENVI-met软件进行数值模拟，并将研究区3种典型的街道空间的绿化优化方案的微气候数值模拟结果与基准方案的差值进行比较，进而阐释绿
2、化优化方案的热环境调控程度。结果表明：1）随着太阳辐射逐时的变化，研究区域的热环境状况发生较大变化，在水平空间分布上呈“高温低湿”“低温高湿”特征。2）热环境质量与下垫面状况、风环境和建筑布局等因素的有关。3）3种街道空间提高街区绿地面积均可大幅降低街区平均辐射温度，乔灌+立体（水体）复合型绿地类型的热环境优化调控作用在白天均要优于乔灌、乔草方案。在绿地率一定的情况下，商业空间绿地布局中由于绿化均匀分散布局产生的树荫面积覆盖街道空间的范围最大，热环境优化调控程度的排序为分散平行集中，而居住空间和广场空间受建筑布局影响，绿地布局在降温增湿同时应兼具良好通风效应，因此热环境优化调控程度最大为集中布
3、局。关键词：绿地微气候；热环境；绿地布局；绿地面积；数值模拟；太平街历史文化街区；长沙中图分类号：P463.3 文献标志码：A 文章编号：1001-5221(2023)02-0330-13DOI：10.13284/ki.rddl.003634 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：随着城镇化进程的快速发展和人类活动的显著影响，城市规模的扩张使下垫面状况及土地覆被发生改变、城市不透水面增长，导致潜热通量减小和显热通量增加，城市热环境问题日益显著。对于许多依托城市历史文化街区逐步形成及扩展的城市，其城市历史文化街区往往处于城市中心地段，城市热环境问题将直接影响历史文化街区的人居环境质量，进而对历
4、史文化遗产产生不可逆的危害（Cai et al.,2011）。绿地或植被与水体的空间组合形式是缓解城市热环境的一种有效手段（何咪，2022；刘春亭，2022）。如Michael等（2020）评估了绿色空间对尼日利亚哈科特港热环境的影响，发现绿地对城市热环境具有较好的缓解作用，当城市绿地面积增加至28.67 hm2或以上，可确保达到较强的绿地冷却强度效应，且近圆形的绿色空间能产生更强的喷气效果。Dos等（2017）利用单一窗口算法评估了巴西维拉为哈热环境的时空分布，发现通过采取措施指导城市中心区的城市森林规划，可以降低城市地表温度。Ashley等（2017）通过评估宾夕法尼亚州中部地区的热岛效应
5、，发现城市离河流的距离每增加1 000 m，河水温度会根据季节降低0.30.6。对于街区尺度下热环境与微气候的研究，近年来成果较多。如韩雪梅（2019）从道路开敞空间、绿地开敞空间因素对同座城市4个不同街区进行对比研究，认为微气候环境差异的主要原因在于绿地开敞空间收稿日期：2022-10-17；修回日期：2022-11-21基金项目：国家自然科学基金项目（U21A2010）；长沙理工大学土木工程重点学科创新性项目（17ZDXK02）作者简介：熊鹰（1977），男，湖南汉寿人，教授，博士，主要研究方向为城镇化生态环境效应、人居环境可持续发展，（E-mail）；通信作者：章芳（1989），女，湖南
6、益阳人，硕士，主要研究方向为城市人居环境研究，（E-mail）。熊鹰，章芳，李亮，尹建军.2023.基于绿地微气候的长沙太平街历史文化街区热环境数值模拟.热带地理，43（2）：330-342.Xiong Ying,Zhang Fang,Li Liang,and Yin Jianjun.2023.Numerical Simulation of Thermal Environment in the Historical and Cultural District of Taiping Street Based on Greenbelt Microclimate.Tropical Geography
7、,43(2):330-342.熊鹰等：基于绿地微气候的长沙太平街历史文化街区热环境数值模拟2 期环境效应的优劣。杨云源等（2013）基于多源数据从街区尺度对昆明市连片建筑区、住宅小区和城中村的热环境进行了对比研究，发现景观绿化较好的住宅小区地表温度均值要低于其他区域。常鑫悦（2022）根据街区空间形态指标对热环境的正负影响关系，通过对比街区空间优化模拟方案，从而确定最佳街道空间优化方案。彭翀等（2016）从微气候角度针对于具体历史街区进行改造设计，并结合模拟软件对设计方案进行验证。阳金辰（2017）对四合院空间的微气候进行模拟研究，总结其微气候特点和适宜的建筑比例和改造方式。现有研究中绿地与水
8、体缓解城市热环境的大多是基于城市宏观尺度，而对于街区尺度下城市街道空间的热环境改善措施较多基于建筑空间形态的改造，以获得良好通风，但这可能会对历史街区现状空间环境造成较大破坏。由于绿地能降低温度、增加湿度、减缓地表风速，具有调节局部微气候的能力（戚鹏程 等，2012；秦文翠 等，2015；吴思佳 等，2019），能对历史文化街区周边热环境效应起有效的调控作用。当前，探究绿地系统与热环境之间的相关性和影响机制，以科学指导绿地建设或改造，逐渐成为研究热点（戴金，2016）。因此，本文以长沙市太平街历史文化街区为研究对象，通过开展不同街道空间绿地优化方案的数值模拟，探讨历史街区绿地微气候对热环境效应
9、的调节效果，以期为提升城市历史文化街区可持续的宜居环境提供科学依据。1 数据来源及分析方法 1.1微气候实地测量本研究区域范围为太平街历史文化街区，占地约12.57 hm2，用地类型以居住用地为主，居住密度偏高、人居环境质量较差。根据空间的使用功能和建筑布局的围合方式，选择商业、居住、广场3种不同使用功能的典型空间进行微气候测量。其中，商业空间建筑三面围合且静风时长多，下垫面以硬质铺装为主；居住空间两边建筑平行围合，建筑密集影响街道内部热量的散热增湿；广场空间景观类型单一为草坪，调节周边热环境效应程度低。选取1和4为广场空间测试点，2为商业空间测试点，3为居住空间测试点（图1）。选择长沙天气较
10、湿热的 5 月份即 2020-05-02，对太平街历史文化街区微气候进行现场实测，当天天气晴朗微风、少云、无降水，且测试日前后两天均天气晴朗，天气状况稳定，测试时间从T 09:0018:00共计 10 h。为保证测试数据结果稳定，将T 07:0009:00的测试数据作为参考。在4个测试点分别设置温湿度记录仪、风速测量仪每隔1 h观测，对取点位置上方1.5 m处的温度、相对湿度以及风速气象数据进行记录，同时记录当天气象站官方数据，为后续的对比分析、校验提供数据基础。测试空气温湿度、风速等微气候变量，为研究区绿地微气候现状和热环境效应的数值模拟收集气象数据。1.2微气候数值模拟ENVI-met模型
11、是德国Michael Bruse（University of Mainz,Germany）和Fleer团队开发的微气候模拟软件，综合微气候各种影响因素，引入了绿化对光、热、风、污染物等环境因子的影响，已成为现有被验证最多的微气候模型，被广泛用于研究植物和热环境的关系。本研究采用的版本为 ENVI-met V4.4，ENVI-met数值模拟包括计算模型构建与参数设定2个基本步骤：1）对运转模型所需的地物数据进行确认，气象参数设定是基于实测或气象站数据设定，边界参数设定主要是下垫面和建筑的热工属性。研究核心区域面积达到125 700 m2，其形状接近于正方形，构建模型是为更贴近与研究区域的实际情况
12、，从而提高模型运算的准确性，模型运算范围确定为：360 m364 m，并将研究区域在水平上划分为90图1热环境实测点分布Fig.1Distribution of thermal environment33143 卷热带地理91个网格（分辨率dx=4 m，dy=4 m），在模型附近设置5个嵌套网格。为保证研究区域模拟结果的有效性，模型的上边界高度需156 m（研究区最高建筑78 m的2倍），所以垂直分辨率dz=5 m。将360 m364 m建模范围的建筑轮廓（数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心 http:/ m乔木为主，草地设置为默认的50 cm50 cm的glass，并根据地块实测位置在
13、模型相应位置设置采集模拟数据的监测点位置（郑子豪 等，2016）。2）数据参数设定主要来源于实地测量数据和气象站观测数据和相关国家规范标准。太平街所处位置大致为2811 24 N，11257 36 E。模拟时间设置为长沙湿热天气的 2020-05-02，从 T 09:0018:00共10 h。将实地测量数据及气象站观测数据的空气温度、相对湿度、平均风速、风向等数据作为初始输入数据（粗糙长度为0.1和2 500.0 m高度的含湿量采用默认值）。ENVI-met的植物模型利用三维植物建模工具对每层的叶面积密度（Leaf Area Density,LAD）设定。建筑材料热物物理性能参数基于夏热冬冷地
14、区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2010）（中国建筑科学研究院，2010）和民用建筑热工设计规范（GB 50176-93）（中国建筑科学研究院，1993）确定，民用建筑室内温度设为恒定26，墙体导热系数设置为1.5W/（m2 K），反射率为0.4，屋顶导热系数设为1.0W/（m2 K），反射率为0.3；土壤初始温度和湿度设置参考湖南省地面累年值数据集（19812010年）。模型边界条件具体参数值见表1所示。1.3绿化优化方案设计在建筑布局形式不变的情况下为发挥绿地空间降温增湿的最大效应，对3种街道空间分别提出绿化优化方案，并利用ENVI-met微气候模拟软件对基准方案（街道空间现状）和3
15、种街道空间的绿化优化方案进行模拟。绿化优化方案是从绿地的面积、类型、布局进行设计。绿地面积方案是在各空间设置30%、50%、100%绿地面积3个对比模型，其中植物模型为Tree 10 m very dense乔木模型；绿地类型方案是在商业空间和居住空间设置乔草、乔灌、乔灌+立体绿化对比模型，在广场空间设置乔草、乔灌、乔灌+水体对比模型，其中乔灌模型是将乔草模型的草地替换为灌木，立体绿化是增加墙面立体绿化；绿地布局方案为分散（均匀分布）、平行、集中布局3种对比模型，3种模型的绿地面积保持不变，只对布局形式进行变化。2 结果分析 2.1数值模拟分析由空气温度数值模拟水平空间分布（图2）可知，商业空
16、间和居住空间由于建筑密集且下垫面为不透水的硬质铺装，吸收太阳辐射量较多，升温较快，易形成“热岛”区域，而南入口处草坪与高大乔木组合的开敞空间易形成“冷岛”空间。由风速风向空间分布（图3）可知：研究区域以太平街为界，东西两侧建筑区域由于建筑物密集，通风质量不佳，风速明显减小，太平街为两侧建筑物的峡谷地带，而且其走向与模拟当日主导风向一致，形成风速较大的“峡谷风”，环境通风质量优于两侧建筑区域。3个不同空间内部的风速存在明显差异，南北入口的广场空间白天都处于风速较大的状态，商业空间和居住空间白天风速较低，国家气象中心中国气象局气象数据中心.http:/ ENVI-met模型边界条件设置参数Table 1Setting parameter of the ENVI-met models boundary condition类型气象参数植物建筑土壤输入参数初始风向风速（10 m）粗糙长度初始空气温度空气含湿率（2 500.0 m）相对湿度云量乔木平均高度、平均叶面积密度灌木平均高度、平均叶面积密度草坪平均高度、平均叶面积密度室内温度墙体平均传热系数、平均反射率屋顶平均传热系数、平均反射率表层初始
