高密度街区城市广场微气候评价及优化策略*——以南京莱迪广场为例

徐 振 徐秋霞

1 前言

自第一次工业革命以来，世界经济快速的发展推动城市化进程不断加快以及大量农村人口涌入城市。中国作为发展中国家，人口基数庞大，自进入城市化阶段的关键时期后，快速城市化的进程突出了城市人口膨胀与有限的土地资源之间的矛盾日益突出。截至2019年，我国城市建成区面积占国土总面积的1%，但我国超过一半的人口居住于城市建成区。基于我国社会与经济背景下，大规模建设、高密度街区成为我国大多城市建设方向的必然选择。在城市高密的开发模式下，高密度城市形态节约了城市居民出行的交通成本，为居民日常生活带来了便利，但也伴随着城市气候变暖、热岛效应加剧、城市居住环境恶化，影响居民户外活动的意愿、生存环境和健康[1]，对青少年、老年人和社会经济地位低的弱势群体的影响更甚。据世界卫生组织估计，过去30年人为引起的气候变化导致每年15万人死亡。此外，由于降温的能源消耗不断增加，城市的空气污染会愈加严重，臭氧层也会受到影响。城市绿地面积减少导致城市户外空间夏季时温度过高，高层建筑聚集使城市冠层气流复杂化，在建筑背风区风速过低、角流区风速过大。在全球变暖、热岛效应、城市风环境复杂化等多重城市气候问题下，高密度城市户外空间的气候状况正面临前所未有的挑战。

城市微气候是建筑屋顶和地面之间的城市冠层气候特征，是由于下垫面的不均一性以及人类和生物活动所产生的近地气层的气候特点[2]。由于城市近地面是城市居民活动的主要空间，受人类活动影响最大，同时对城市居民的日常生活、工作影响最大，使微气候成为人居环境研究的热点之一。微气候主要包括空气温度、风速、相对湿度和太阳辐射等气象因素，其中空气温度、风速是影响人体舒适度和户外活动的两个重要气象要素，如德国和日本的都市气候图主要分析评估热环境和空气流通这两个气候要素[3]。气象要素间的关系错综复杂，热环境是风环境影响下的结果，而空气间温度差也能促进空气的流动，人体的舒适度通常受它们的综合影响。局部地区的微气候气主要取决于区域气候环境和局部建成环境。影响微气候的局部建成环境因素包括建筑朝向、建造材料的导热系数、表面反射率、城市峡谷的几何形状等。在高密度街区户外空间进行实证研究微气候的状况，并提出缓解和调节微气候的措施与途径是提高城市户外空间舒适性与宜居性、促进居民健康的有效手段。

城市广场是城市居民生活质量的重要保障，为居民提供休闲、游憩、交往等活动场所，又在城市绿地系统中发挥生态调节的作用。建筑学家扬盖尔在《交往与空间》中提出，只有在外部条件、天气和场所适宜的情况下，居民才有参加自发性活动（如散步、驻足观望、晒太阳等）的意愿。同时，很多研究也表明城市户外空间的微气候状况对其使用状况有很大的影响[4-6]。改善城市广场的微气候，提高城市广场的舒适度，对增加居民广场使用频率和提高城市宜居性都具有重要意义。

近年来，国内的建筑环境领域的研究者对于室内环境的通风及节能方面进行了较多的探讨，对于室外的热环境与风环境的营造方面的研究大都止步于与日常生活联系较为密切的住宅小区户外环境，但对于广场空间微气候状况的研究仍处于起步阶段。于付涛对西安市钟鼓楼广场和大雁塔北广场的微气候进行实测，发现夏季时树荫空间的微气候较好，同时，居民使用频率也更高[6]。魏冬雪等通过实测和问卷调查结合的方式对上海创智天地广场夏秋冬三季的微气候进行调查，发现人们的热感觉和热认知一致认为广场夏季热环境是严峻的[7]。一些学者对此进行了深入研究，徐振等对南京对不同城市建筑密度发展阶段的开放空间及周边的风环境进行分析发现，相对于20世纪30年代和20世纪60年代，随着城市建筑密度变化，现代的城市户外空间的舒适度下降[8]。然而，城市规划师、景观设计师、建筑师虽然对植被、水体等设计要素对于调节室外微气候的效果有概念上的认识，但主要还是以美观作为规划设计的评价标准。高密度街区的建筑密度高、绿化面积少，其微气候状况及人体舒适度更应引起足够的重视。目前，高密度街区城市广场的微气候评价及基于微气候的城市广场设计策略与建议是缺乏的，因此，有必要对高密度街区城市广场的微气候状况进行评价并提出优化策略，为建设更舒适的城市广场空间提供基础性的参考。

2 研究方法

2.1 研究场地

南京是我国东部沿海地区的典型特大城市，也是人口密度最高的城市之一，远高于全国平均水平。受季风影响，南京属于亚热带季风气候，主要气候特征为夏热冬冷。夏季（7月-9月）炎热潮湿，各种级别高温和热浪频发，每年平均高温日数14.5d。高温高湿加剧导致极高的热指数，使热环境处于极度不舒适的状态，这对户外公共空间的使用会产生较大的制约。所以本文选择一年中户外感知微气候最极端的季节——夏季进行模拟与评估，以尽可能充分体现微气候的不适状况。其中，热环境、风环境是微气候对使用户外空间的频率影响以及人们的热感知影响最大的两个因素，所以本文选择模拟广场夏季的风热环境。

本次研究的场地为南京莱迪广场，位于南京典型高密度街区——新街口核心商业区，属于城市商业广场，周边环境状况如图1所示。广场的平面为十字形，被周围高层建筑包围，总占地面积为16700m2。场地中硬质铺装占较大面积，树池、花池数量有限，共有乔木 23 棵，以桂花为主，是典型的高密度城市市中心广场的代表。南京新街口地区平均人流量为3082人/小时，莱迪广场作为新街口地区重要的商业广场，人流量大，是居民购物、交谈、散步、交通等的主要场所，对南京地区居民生活具有重要意义。

图1 南京莱迪广场区位图

2.2 研究方法

近年来， 一些用于计算流体动力学软件(Computational Fluid Dynamics)已经开发出来了，相对于风洞模拟和实地测量具有成本低、可控性强、干扰小等优点。已有研究表明计算数值模拟技术对微气候模拟的准确性，已大量用于城市尺度的流体模拟[9]。本次选用由英国CHAM公司开发的商业计算流体软件PHOENICS来预测微气候状况，可以准确模拟研究对象的空气流动和传热等物理现象，从而为城市规划设计提供科学的理论支撑。

根据从政府部门获取的地形数据使用3D建模软件SketchUp 2019建立莱迪广场地区的三维模型。建筑物的几何形状会影响局部的网格的质量，为避免建筑细节引起局部网格质量下降并确保微气候模拟的准确性，在建模过程中对建筑细节如窗体、挑檐等的简化是十分必要的。不同形状的植物树冠对流场具有不同的影响，但现实生活中的树冠形状多样、复杂，若完全按照实际树冠形状进行建模，将会加大建模工作量及计算量。植物树冠的形状可以进行适当简化为立体几何形状，球体、椭球体、长方体等形式。李亮等将植物树冠模型简化为长方体，通过适当调整参数即可得很好的计算结果和模拟精度，且具有建模简便、计算快捷、收敛好的优点[10]。所以本文将植物树冠的建模简化为长方体，以便于计算收敛并减少计算、建模的工作量。

植物对微气候有很大的影响，但这也是微气候模拟的难点。植物对场地微气候的影响主要体现在两方面：空气流动和热传递。在空气流动方面，植被对流场的主要影响是冠层阻力和树冠所产生的额外湍流[11]。本次研究中通常使用多孔介质（porous-media）代表树冠，以局部阻力和湍流源项的方式体现植物对流场影响。在热传递角度，植物通过树冠阻挡太阳辐射和蒸腾作用降低其周围的空气温度。虽然PHOENICS的Foliage模块可以用来模拟植物冠层对空气流速的影响，但是不能模拟植物蒸腾作用对热环境的影响。相比于研究植物单个叶片的蒸腾效应对热环境的影响，本研究通过整个植物单体冷却效应和植物冠层体积以确定的单位体积植物的冷却效果。根据以往研究对单棵植物蒸腾速率的测量得到单株桂花的日吸热量为18280kJ（10小时），得到单位体积桂花树冠的吸热量为63.47J/s*m3[12]，将此作为本研究中植物的单位体积吸热量。

2.3 边界条件设置及网格划分

气象数据使用《城市居住区热环境设计标准》（JGJ286-2013)中的南京地区夏季典型气象日14：00的气象参数，干球温度为29.4℃，水平总辐射照度483.33W/m2和水平散射辐射照度236.11 W/m2。南京地区户外空间的主导风向为东南偏南，风速为3m/s。依据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)，结合本次研究地块的情况，本文中下垫面粗糙度取值α为0.22。以夏季典型日的中午14：00的东南偏南3m/s的风作为莱迪广场夏季微气候模拟的10m高度处的参考风速。

网格的质量对微气候模拟的准确性具有一定的影响。过于粗糙的计算网格将导致计算结果不准确，而网格设置过密将会导致运算时长过长。结构网格通过在研究区域进行局部网格加密处理以控制网格数量，可以节约运算时间，同时也能保证计算的准确性，但是相邻网格的形状不宜变化过大。基于CFD软件模拟、风洞试验和现场测量的交叉比较，日本建筑师协会（AIJ）提出，在研究区域内，水平网格最小分辨率应设置为建筑尺寸的1/10左右（约0.5-5m）。为确保行人高度的微气候模拟的准确性，垂直的网格应该使行人高度的网格位于距地面3个或者更高的网格上[13-14]。本次采用直角坐标，根据物体边界位置划分网格，可控性强且操作方便。研究区域内水平轴2m的精度，z轴网格0.5m的精度，为研究区域的关键区域提供了足够的分辨率，并在连续网格区域提供了平滑的过度大小。

3 研究结果

3.1 风速状况

在3m/s的东南偏南风场下，模拟获得莱迪广场14:00行人高度的风速分布图，如图2。莱迪广场夏季行人高度的风速为0～2.4m/s，较高风速位于高层建筑角流区域，较低风速区位于东西向空间。根据《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）, 建筑物周围人行区风速应低于5m/s，满足不影响室外活动舒适性的需求。本次场地内风速总体满足《绿色建筑评价标准》，未出现大于5m/s的影响人体舒适度的风速。当风速小于1m/s可能会导致闷热及污染物堆积，本次场地内东西向空间较多处于风速过低的状况。由于主导风向为东南偏南，广场内东西向空间位于建筑背风面，所以较多静风区域出现于建筑北部的背风区。广场内的植物多为乔木，树冠与行人高度具有一定的距离且种植于花坛距离行人高度增加，对行人高度的风速衰减作用并不明显。

图2 莱迪广场夏季风环境图

图3 莱迪广场夏季热环境图

3.2 热环境状况

在夏季典型气象条件下，模拟获得莱迪广场14：00行人高度的温度分布图，如图3所示。莱迪广场行人高度的空气温度在29.7℃-36℃，较大面积区域的空气温度为30℃左右。广场东侧区域空气温度高于西侧，存在接近2℃的空气温度差。对比广场整体空气温度，大部分植物冠下及其周边空间的空气温度较低。虽然热环境是由多种环境因素共同决定的，但植物对局部的空气温度具有一定的调节能力。植物树冠能直接阻挡树荫空间的太阳辐射且植物叶片的蒸腾作用能吸收空气中大量的热量，受到空气流动的影响植物的降温效应会随之扩散，导致植物所在空间及其周边空间温度较低。莱迪广场植物为单排的种植方式，对局部行人高度的热环境影响相对不明显。而且广场空间内绿地面积过小，无法充分发挥广场的生态效益，绿地对莱迪广场行人高度空气温度的调节作用相对较弱。

结合图2和图3，可以发现广场行人高度的热环境与风环境的联系密切，广场内风速较低的区域热量容易堆积导致局部温度较高，而空气流通状况较好的区域更易于热量的清除以保持空气温度相对较低，人体感知热环境较为舒适。

总体来看，与主导风向夹角较小的道路风速较高形成气流通道。气流通道对整个广场的风热环境都有一定的影响。莱迪广场中部温度高、风速低是人体热舒适度较差的空间，相对而言，广场西部是温度较低、风速较高的相对舒适区。

4 微气候下的城市广场设计策略

根据《建筑气候区划分标准》，南京地区属于冬冷夏热气候区，营造户外活动区域微气候需着重考虑夏季的降温通风需求。通过对莱迪广场的风热环境分析，结合城市广场的设计要素，提出以下改善城市广场风热缓解和应对气候变化的思路和策略：

4.1 广场与周边建筑

广场与周边建筑的比例是影响使用心理的重要设计元素，也是广场微气候的重要影响因素。周边建筑高，高宽比过大，可能会造成广场处于大面积处于建筑风影区和阴影区，风速过低且长时间缺乏阳光。而广场周围建筑高度低，广场宽度过宽时，也会因缺少建筑遮挡太阳辐射导致热舒适度下降状况。荷兰学者建议在进行广场设计的时，使H/W=0.25（H为建筑物高度，W为广场空间的宽度）作为一个指导广场高宽比例确定原则[15]。合理控制广场与周边建筑的比例，减少广场的风影区静风面积，并充分利用建筑间日影区的遮阴作用。

周边建筑的位置决定了进入广场气流的方向以及流速，影响广场整体的通风状况。周围建筑的位置布局时，应避免建筑布局位于进入广场的气流位置使广场空间于建筑背风区，宜位于主导风向的两侧，保证广场内部空气流通的同时，也能促进城市空气流通，扩大广场生态效益的影响范围。广场周边的高层建筑不仅对风具有遮挡作用，两侧的角流区和下层气流风速较高，合理布局高层建筑的位置充分利用其角流区和下层气流对广场内的风速状况将具有很大改善作用。

4.2 活动场地的位置

活动场地的位置决定了居民在广场活动行为的空间分布，对于居民的安全性和舒适性十分重要。在城市广场设计与改造时，通过计算流体动力学软件模拟场地的热环境、风环境，并综合考虑风热环境，选择两者较为舒适的区域进行活动安排和设施的布置，而避免在热舒适较差的区域进行活动安排。一般而言，低层建筑周围的角流区通常风环境较为舒适的区域，但是这也取决于建筑的朝向，大多可以为人们在夏季时提供相对舒适的活动空间。高层建筑的角流区或者街道峡谷的入口往往会形成较高风速，甚至会到影响人体舒适度，合理利用植物景观墙、草坡等可以达到降低风速的需求。在高密度城市中，户外空间的静风区污染物难以扩散，会对人体产生不利的影响，通过安排雕塑、景墙等设计的手法占据公众的活动空间减少其停留时间。

从空间类型角度看，半开放空间往往是风环境比较舒适，通过植物、景观墙、草坡等可以创造半开放的风环境舒适空间。在利用植物围合空间上，选择叶面积指数大、树冠直径大的高大落叶乔木种植于活动空间周边形成顶覆盖空间，为城市居民提高荫凉、热舒适度较佳的活动空间。

4.3 植物种植

植物是提升环境美观度的重要途径，合理种植植物还可以缓解风速过高、降低空气温度[9]，提高人体舒适性。植物在对热环境进行调节时，需要一定量的植物才能对热环境的发挥明显作用。虽然城市广场一般以大面积的铺装为主体，但是考虑到植物对微气候的调节作用，所以设计者应适当提高植物比例。目前，大多数城市商业广场考虑到商业活动，其绿化比例远低于《城市绿地规划设计规范》的要求，因此，植物对这些商业广场的微气候调节作用是十分微弱。

有研究表明，当绿化覆盖率低于40%时，绿地内部的结构与布局对周围环境温度的影响尤为重要。广场作为绿化覆盖率较低的区域，应更为重视植物结构与布局。植物对热环境的调节作用与种类、高度、枝叶的浓密程度等有关。一般而言，乔木比灌木降温效果好，灌木比草地降温效果好，三者复合的绿地降温效果最好，因为复杂的植被结构可以使冠下空间在不同的太阳高度角下都具有较好的遮阴。而广场植物较多种植单层乔木的树阵，却忽视了乔、灌、草组合的多种植被结构带来的微气候效益。在对风速调节方面，应根据场地具体的风速状况合理安排植被的空间位置以及植被类型。常绿灌木作为绿篱不仅可以分割空间，对人行高度的风环境具有一定的阻挡作用，可在风速过高的高层建筑角流区和街道峡谷的入口区域使用。因此，根据场地实际的微气候状况，在温度和适宜的风速的基础上，结合不同植被结构特点科学合理地配置植物。

4.4 广场铺装

铺装是城市广场的主要园林要素之一，也是影响广场户外热环境的因素，但常常被忽视。而且广场中的铺装面积远大于绿地面积，应提高铺装材料选择的重视程度。广场地面温度受铺装材料的蓄热性和反射性所影响，通过空气流动影响行人高度的热环境。高反射率的铺装材料可以通过反射太阳辐射，降低地面温度，从而降低近地面空气温度，增加户外热舒适度。同时，也应注意反射率过高的铺装材料会产生炫光和光污染。在色彩方面，冷色系的铺装往往能给人心理上带来一种更凉快的感觉。大多广场常采用灰色作为铺装色彩基调，对于温带和热带地区具有良好的心理降温作用，但是我国幅员辽阔各地气候状况不同，寒地区域的广场选择灰色调会增强冬季时人的寒冷感。在铺装材料的选择时，应考虑当地的城市气候特点，创造气候宜人的户外活动空间。

4.5 水景设计

水体一般作为装点景观的作用，有多种表现形式，如喷泉、水池、湖泊等。在城市广场中，多运用小面积的水池、喷泉增加城市居民休闲的趣味，保持人与自然的亲密接触。在夏季，景观水体能够对环境起到降温增湿的作用，其降温作用甚至可以达到3℃。由于水体的比热大于城市下垫面，在相同的太阳辐射照射下形成不同的表面温度，而且水体蒸发带走一部分热量，对水体周边的空气温度具有一定的降低作用。其中，喷泉增加空气湿度和降低空气温度的效果最为明显，但是喷泉会消耗大量的能源，所以在使用时应注意适当使用，以避免能源的过度浪费。

然而城市水体的降温效应对水体面积具有一定的要求，直径需在200米甚至更大的范围才能显著降低周边环境空气温度。小型城市水体对空气温度的降低与调节作用并不显著，甚至在夜间出现些许升温的现象。但是通过小型水体与周边植物、建筑、道路等合理搭配可以形成通风良好的城市广场，对城市空间的热舒适具有一定的提升。Cor Jacobs等使用ENVI-met软件模拟发现在植物遮阴、水体蒸发和自然通风的综合作用下，小型水体空间表现出周边空气温度显著降低[16]。因此，广场水体布置时考虑使用者停留空间的同时，也应结合植物、建筑、道路以达到广场整体通风状况良好，提升城市广场整体的热舒适度。

5 结语

在全球气候变化、热岛效应、颗粒物污染多重威胁下，合理运用广场内部及周围的建筑和景观要素提升广场的热舒适度日益重要，将成为未来城市空间提升重要方向之一。因而对于城市户外空间改造或重建项目，微气候评估不仅需要评估规划设计产生的微气候负面空间，也需要分析合理结合微气候而布置的活动空间、景观要素对人的活动带来的正面效应。由于广场空间的微气候及舒适性不是通过单一设计要素控制及优化，本研究从植物、广场铺装、建筑等方面探讨城市广场的夏季微气候提升方式，可以对规划设计者在城市广场设计提供一定的参考，提升城市建成区的居民户外舒适度。

以上策略针对城市广场的设计与改造，但也可以将其拓展到城市其他公共开放空间，进一步改善城市其他公共空间的微气候与热舒适度。由于我国纬度跨越和垂直海拔高度变化大，不同地区间气候差异较大，还需要根据不同广场周围地空间环境状况、场地特征、地理气候因地制宜地搭配植物、选择铺装材料等合理规划设计，提高城市居民户外空间的舒适性。