基于ENVI-met模拟的屋顶绿化热环境影响∗

董楠楠 吴 静

1 同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

2 上海冠茵环境生态科技有限公司 上海 200092

联合国政府气候变化专门委员会(IPCC)在2013年的报告中指出,截至2100年,全球平均地面温度将增加0.3℃～4.8℃[1]。众多研究表明,城市绿地及其格局对于缓解城市热环境具有积极作用[2-3]。Lai等[4]总结了影响城市热环境的4种因素为城市几何形态、植被、城市表面和水体,对城市的平均有效降温分别为2.1℃、2.0℃、1.9℃、1.8℃；李莹莹等[3]研究表明,地块内绿色空间面积越大,分布越集中,对城市热环境的控制作用越强。研究城市绿色空间对热环境影响的研究方法主要有现场实测法[5]、遥感监测法[6-7]和基于CFD的模拟法[8-9],也有研究采用WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式[10-11]和USDSM(城市小区气象与污染扩散数值)模式[12]等方法研究屋顶绿化的降温效果。ENVI-met可以模拟地面绿化和屋顶绿化对微气候的影响,因而被广泛应用于模拟城市热环境,例如,Lalosevic等[13]利用ENVI-met模拟研究典型夏季时简单式屋顶绿化对住宅小区的降温效果；Jin等[14]采用现场实测与ENVI-met模拟的方法研究不同屋顶绿化变量对重庆市区域热环境的影响；戴菲等[15]采用ENVI-met模拟道路绿地对道路空间温度、湿度等微气候的影响；Sun等[16]利用ENVI-met模拟城市绿色空间和景观布局对热环境的影响。与此同时,Oke等[4]提出为保证模型模拟的可靠性,建议将ENVI-met模拟结果与现场实测数据进行对比验证,而在Toparalar等总结的122项利用ENVI-met对城市区域进行模拟的研究中,只有57项(46.7%)研究进行了实测数据与模拟数据的对比研究。

然而,大部分研究只着重探讨地面绿化或屋顶绿化对区域热效应的影响,无法全面反映城市冠层三维绿色空间中屋顶绿化和地面绿化对热环境影响的响应情况。本文选择同济大学四平路校区作为研究对象,采用ENVI-met 4.4.2模拟校园尺度绿化的热效应,探讨屋顶绿化在有或无地面绿化时对校园气温的影响,以及对城市热环境的改善作用,研究结果可为屋顶绿化实施策略提供指导。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

上海位于北纬31.29°,东经121.51°,属亚热带季风气候,呈季风性、海洋性气候特征,四季分明,年平均降雨量1 119 mm,年平均日照为1 400 h,夏季平均最高温度31℃,平均最低温度25℃,平均降水量570 mm。其中,7月平均高温34℃,月均低温27℃,月均降水量146 mm,平均相对湿度72%；8月平均高温33℃,月均低温27℃,月均降雨量206 mm,平均相对湿度74%。

1.2 ENVI-met模型建立

以上海市同济大学四平路校区为研究对象,通过谷歌地图获取遥感影像图,在ArcGIS中对遥感影像数据进行矢量化。利用手持式激光测距仪(天正158)测量建筑物高度；利用大疆御Mavic2无人机获取航拍影像,从而获得研究区域的道路、植被、水体等下垫面信息。将遥感影像图转换成可被ENVI-met识别的bmp格式底图,基于此底图建立模拟模型。研究区域约为700 m×750 m×250 m,最高建筑物高120 m,网格数为140×150×50,嵌套网格数为5。其中,水平方向网格大小为5 m×5 m；在垂直方向上,22 m以下网格大小为1 m,22 m以上网格大小以15%增加。在研究区域设置2个监测点用于开展ENVI-met微气候实测与模拟验证。R1和R2为HOBOU30-NRC气象站(温度测量精度±0.7℃),R1位于文远楼屋顶(楼高18 m,楼顶建有屋顶绿化),R2位于文远楼前。

为研究地面绿化和屋顶绿化对研究区域的热环境影响,本文建立了4种方案,即无植被方案(a)、地面绿化方案(b)、屋顶绿化方案(c)、组合绿化(包含地面绿化和屋顶绿化)方案(d)。在c和d方案中,低于24 m的建筑均设置屋顶绿化,其基质层厚20 cm,草坪高30 cm,实施屋顶绿化的建筑高度大多为13～24 m。其余各参数,如建筑高度、建筑布局、地面绿化等,依据实际情况建模。

1.3 参数输入

利用ENVI-met 4.4.2模拟的边界条件(研究区域的温湿度、风速、风向等),综合研究区域地面和屋顶绿化气象站观测资料及中国气象数据网的气象数据,选择温度较高的天气进行模拟,并根据气象数据设定初始模拟参数(表1)。每次模拟24 h,每1 h输出一组数据。

表1 研究区域ENVI-met 4.4.2模型输入参数及数值

2 结果与分析

2.1 ENVI-met模拟精度分析

取R1点位(屋顶,高度18.5 m)2018年8月7—9日(晴天或多云天气)和R2点位(地面,高度1.5 m)2017年7月22日(多云天气)空气温度的观测值与模拟值进行对比分析。从图1可以看出,监测点模拟温度和实测温度的变化规律相似,模拟值与实测值最高差约为3℃。由于没有考虑垂直长波通量的发散,可能会造成实测温度与模拟温度相差2℃～4℃。此外,模型未考虑天空的云量,也会增加模拟的误差[17]。由于ENVI-met模拟对建筑材料热值稳定性、环境热辐射等方面的计算存在不足,使白天时段的模拟气温总体低于实测值,夜间时段的实测气温降温速度高于模拟值[14,18]。除此之外,模型没有考虑校园周边的高层建筑、车流量和食堂等人为放热,以及其他不可控因素的影响,所以模拟气温的变化幅度相对较小,而且模拟结果无法准确刻画实测数据能够表达的拐点变化特征。

图1 监测点的模拟温度与实测温度对比分析

为进一步说明模型的准确性,采用均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)评价模型的精度。Willmott[19-20]提出,RMSE对实测值和模拟值之间的极端差异更为敏感,更有利于揭示模型的模拟性能,计算公式如下:

式(1)(2)中,Xobs,i为实测值,Xmodel,i为模拟值,n为次数。RMSE和MAE的计算结果见表2。地面和屋顶绿化的实测值与模拟值的RMSE介于1.39℃～1.83℃,MAE值介于1.27℃～1.65℃。Rosso[21]和Salata等[22]统计多项研究发现,ENVI-met模拟值与实测值的RMSE介于0.66℃～7.98℃。目前公认RMSE介于0.52℃～4.30℃、MAE介于0.27℃～3.67℃是可以接受的。一般情况下,可以采用ENVI-met对校园进行热环境模拟分析。

表2 实测值与模拟值的拟合分析

2.2 屋顶绿化热效应分析

上海市《立体绿化技术规程》DG/TJ 08-75-2014提出,实施绿化的屋顶高度宜低于24 m,根据同济大学校园24 m以下的建筑高度分布,选择距离地面1.5 m、12.5 m和17.5 m这3种高度分析有或无地面绿化时,屋顶绿化在7∶00、12∶00、20∶00、1∶00这4个时间点的热效应及其空间分布特征(图2-图5)。表3显示了在有地面绿化或无地面绿化时屋顶绿化对周围环境的降温范围。

图2 屋顶绿化在12∶00时对环境气温的影响

图3 屋顶绿化在20∶00时对环境气温的影响

图4 屋顶绿化在1∶00时对环境气温的影响

图5 屋顶绿化在7∶00时对环境气温的影响

表3 不同条件下屋顶绿化对环境气温的变化℃

对于12∶00这个时间点,当校园无地面绿化时,屋顶绿化对行人高度、屋面高度12.5 m和17.5 m的大气降温效果分别为0.19℃、0.20℃和0.24℃,对环境气温影响较为微弱；当校园有地面绿化时,屋顶绿化对行人高度、屋面高度12.5 m和17.5 m的最高降温分别是1.11℃、0.52℃和0.36℃,均高于无地面绿化情况下的降温效果。对于7∶00、20∶00和1∶00这3个时间点,当校园无地面绿化时,屋顶绿化对环境气温几乎没有影响；当校园有地面绿化时,屋顶绿化对环境气温变化的影响明显增强。

无地面绿化时,屋顶绿化降温效果微弱与其建造类型和建筑高度有关,本文屋顶绿化均为草坪式屋顶绿化,据Lalosevic[13]和Morakinyo[23]等研究结果,草坪式屋顶绿化的降温效果较低。Lai等[4]在总结他人的研究时发现,当屋顶绿化实施高度在10 m及以下时,其对行人高度的气温会起到一定的降温作用,而中高层建筑屋顶实施屋顶绿化则对行人高度的气温几乎没有影响。当校园有地面绿化时,建造屋顶绿化增加了绿色空间的斑块密度和边缘密度,进而增强了绿色空间与周边区域之间的相互作用。当单个绿色斑块的降温能力和遮荫量足够大,绿色空间分布分散时,其降温效果更强[18]。

研究表明,在建筑少的开放空间,植物通过反射和吸收作用,白天可以吸收大量短波太阳辐射,从而有效降低空间热辐射,出现降温现象；在夜间,植物通过捕获长波辐射增加气温[23],出现升温现象。在12∶00时,开放空间的屋顶绿化与地面绿化的耦合作用对大气降温很明显；在7∶00、20∶00和1∶00时,区域大气升温明显。然而,在建筑密集区,屋顶绿化与地面绿化的耦合作用对环境气温的影响与开放空间刚好相反,造成这种差异的原因是建筑密集区的遮阳时间较长,降低了植被和水体的有效降温时间[4]。除此之外,Lin等[24]研究表明,在白天,在严重遮荫的空间增加树木会降低风速,从而恶化夏季的热舒适性,导致出现升温现象；在夜间,大部分反射的辐射被建筑物的墙壁吸收[25],出现降温现象。

进一步分析组合绿化在12∶00时的纵向空间温差分布特征,结果显示,校园建筑密度小的开放区域降温效果高于建筑密集区,且其附近地面温差高于屋面温差,这是因为屋面冷空气往下沉降与扩散的速度比向周围扩散的速度大,更易在开敞区地面形成“冷岛区”,因而地面的降温强度高于屋面[26-27]。除此之外,屋面的风速大于地面,来流的稀释作用降低了屋面绿化的冷却效果。

3 结论与讨论

目前对城市绿化热效应的研究主要关注地面绿化或屋顶绿化内部的温度差异,着重分析城市几何形态、绿化形式、绿化面积等因素对降温效果的影响。本研究在无地面绿化和有地面绿化两种情况下,分析屋顶绿化对校园气温的影响,进而将屋顶绿化热效应评价扩展至地面绿化与屋顶绿化的耦合作用。研究结果表明,当校园无地面绿化时,草坪式屋顶绿化对校园气温的影响较为微弱,几乎可以忽略不计。当校园存在地面绿化时,草坪式屋顶绿化对校园气温的影响明显增强,但随着高度增加,这种影响逐渐减弱。此外,在校园有地面绿化的情况下,屋顶绿化对建筑密度小的开放区域温度改善情况高于建筑密度大的区域,且由于增加绿化在一定程度上会降低风速,反而造成建筑密度高的区域气温升高,对改善夏季热舒适没有起到有利的作用。

由于是初步探讨,研究结果尚未深入剖析屋顶绿化和地面绿化组成的三维绿色空间分布的热效应原理,以及开放区域和建筑密集区温度变化完全相反的原因,后续研究可进一步探究不同类型屋顶绿化及其屋面覆盖率的降温效果,以及不同种类植物的叶面积指数(LAI)、冠径、高度、风速等因素对屋顶绿化降温效果的影响。在实测数据过程中,考虑到设备安全问题,未能就地面气象数据进行24h多天的连续监测。此外,本研究应用的ENVI-met 4.4.2模型的模拟精度与模拟所得的温差范围相比,误差仍然较大,未来研究可进一步修正模型的输入参数,提高模拟精度。