基于CFD-ENVI-GIS的西安市老城区气候图编制方法研究

王海峰

曹象明

1 简述

2018年，我国城镇化率达到59.6%[1]，城镇化水平的提高带来了诸如雾霾、高温、酸雨和静风等气候问题。研究表明，科学合理的城市规划有利于改善城市的微气候，并且会对城市的整体气候环境产生积极影响[2-3]。德国、日本和香港的实践证明[4]，城市气候图可以作为政府管控城市气候的有效手段之一，因此，北京、长沙和高雄[5-7]等多个大城市纷纷开展了城市气候图的编制工作。近年来，西安市热岛效应严重，静风频率较高，冬天持续出现雾霾，不良天气的出现给城市可持续发展带来了巨大的挑战。西安市老城区位于城市中心区域，气候特征尤为突出。本论文以西安市老城区为研究对象，基于其建成环境和气候特征，对风环境和热环境进行定量和定性分析，进而编制西安市老城区的城市气候图，旨在改变城市的不良气候现状并实现城市的健康发展。

图1 Sc-STREAM多重网格设置

2 研究区和研究方法

2.1 研究区概况

西安市地处关中平原，属暖温带半湿润大陆性季风气候。四季特征明显，春季温暖干燥，夏季炎热多雨，秋季干燥凉爽，冬季寒冷多雪。西安市盛行东北风，年平均风速为1.8m/s[8]，静风频率为29%，年平均气温为13.0～13.7℃，年平均相对湿度70%左右。由于西安市静风频率高，2018年西安市区的雾霾天数达到177天，PM2.5年平均浓度为63微克/标立方米，SO2年平均浓度为15微克/标立方米，空气质量堪忧。

西安市老城区是指西安明城墙所包围的区域，也称明城区，面积约为12km2。老城区保留了丰富的历史文化资源，是西安市重要的居住商贸旅游区。道路呈方格网结构，建筑以多层为主，人口密度和建筑密度较高。通过实地测量发现①，老城区虽分布了一定量的绿地、水域和广场，但土地利用集约程度极高，且被城墙所围合，因此，5个测点的平均风速均小于0.5m/s，温度最高为39.2℃，存在通风不畅和热岛严重的气候环境问题。

2.2 研究方法

（1）基于CFD模拟的风环境评估

Sc-STREAM软件是CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟中适用于中微观尺度气候模拟的软件之一，计算速度快且具有强大的网格划分功能。模拟参数设置需根据场地实际情况确定：求解域为西安市老城区的3×3×3倍，基准高度为10m；流动类型采用湍流模型中的k-ε模型，计算域边界类型设置为外流场，并考虑了梯度风效果；风速为1.8m/s，东北方向；环境设置为市区（由中等规模建筑物组成，4～9层建筑）；本文共划分了四级网格（图1），1.5m内网格又加密了4层，共计528万网格。

（2）基于ENVI反演热环境分析

ENVI（The Environment for Visualizing Images）是专门处理遥感影像的软件，根据老城区遥感影像可获得其地面热力场信息。老城区夏季温度数据来源于地理空间数据云于2017年6月20日、7月22日和8月23日所公布的landsat8影像。使用大气校正法在ENVI平台上对影像进行分析，经过辐射定标—大气校正—NDVI（归一化植被指数）计算—地表比辐射率计算—地表温度计算-图像裁剪的操作步骤之后即可获得西安市老城区的地表温度。

（3）基于GIS分析的城市气候图编制

GIS（Geographic Information System）全称“地理信息系统”，其对于地理数据的分析功能是编制城市气候图的基础。将收集到的数据校正后建立数据库，利用GIS空间分析功能对各类数据进行定量分析，最终得到西安市老城区城市气候图。数据库包含建成环境、气候信息及气候潜力要素集：建成环境要素集包含建筑、道路和绿地等用于描述地表形态的数据，来源于政府和实地调研；气候信息要素集包括CFD、ENVI和RayMan平台处理得到的风场分布图、热力场分布图和气候现状图；气候潜力要素集包含通风潜力和散热潜力要素类，是对建成环境要素集中各要素类分析计算后得到的数据。

2.3 研究思路

（1）城市气候图编制体系

①城市气候图编制流程。西安市老城区城市气候图以夏季作为研究时段，编制流程包含以下几步（图2）：首先，利用ENVI和CFD平台分别对热力场和风场进行评估，并借助图像识别技术进一步得知其气候环境现状；其次，对地形地貌、建成环境、气候环境和土地利用等要素进行分析，识别出可利用资源和气候影响因子；然后，建立气候环境数据库，利用GIS提取建筑、绿地和道路等因子的空间分布，并量化其对通风和散热的影响程度，从而得知通风及散热潜力；最后，借助GIS空间分析功能，叠加气候现状、通风潜力、散热潜力和可利用自然资源，绘制出城市气候分析图，并参考西安市老城区保护规划编制城市气候规划建议图。

②评估标准。西安市老城区城市气候图的评估标准是生理等效温度。生理等效温度（Physiological Equivalent Temperature，简称PET）是指理想等温环境中，人体的热量收支与要评估的复杂室外条件下相同的核心温度和皮肤温度达到平衡的空气温度[9]。PET是环境评价指标中较完善的一个指标，侧重于客观描述物理环境的影响，是城市气候图的常用标准，依据PET的数值便可知物理环境特征及人体的感受（表 1）。

③分析单元。西安市老城区城市气候图的分析单元是50m×50m。从城市气候角度考虑，老城区属于局地气候，从城市规划角度考虑，老城区属于分区规划中的中观尺度，故老城区的研究应关注地块的整体情况，重点考虑城市的空间形态、景观特征和城市肌理等要素。基于多个地区城市气候图的编制经验[10]，考虑到老城区特点，最终确定分析单元为50m×50m，该尺度既可以很好地描述道路分布情况，又可以对建筑物和地块进行归纳。

（2）气候现状研究思路

气候现状分析借助专门计算PET的RayMan平台，利用PET便可反推气候特征。首先，利用ENVI对夏季遥感影像进行反演得到热力场信息，同时截取CFD模拟的1.5m高度处的风速云图作为风场信息；其次，利用矢量数据对热力场和风场进行空间校正，随后利用Matlab进行图像识别，获得各分析单元的风速和温度值；然后，在RayMan平台上设置西安市的气候信息、标准人信息和地理信息，输入图像识别获得的风速和温度值，得到分析单元的PET值；最后，借助GIS将分析单元的PET值进行图示化，得到老城区气候现状概况。

（3）气候潜力研究思路

气候潜力评估本质是衡量不同地表形态对城市气候的影响程度[11-12]。基于香港城市气候图，结合西安市老城区的特点，本文建立了适用于老城区气候潜力评估的体系，通过建筑密度、路网密度和开敞空间影响度来评估通风潜力，通过绿地率、建筑体积值、海拔高度和人口密度[13]来评估散热潜力，利用各指标对于PET的影响值来反映潜力大小（表 2）。

3 结果分析

3.1 气候现状分析

（1）风环境现状分析

西安市老城区城市气候图重点关注人的感受，因此截取CFD模拟的1.5m高度处风速云图来表征老城区的风环境。由于城市气候图的编制是在GIS平台上进行的，故借助Matlab相关算法将风环境模拟图进行图像识别，识别单元为分析单元的尺度（50m×50m），识别时若评价单元内被建筑物布满，则认为风速为0，然后借助GIS进行图示化，得到西安市老城区风场图（图3）。

图2 西安市老城区城市气候图编制体系图

图3 西安市老城区风环境现状分析图（左：1.5m高度处风速云图 右：风场图）

图4 西安市老城区热环境现状分析图（左：2017年夏季温度图 右：热力场图）

图5 西安市老城区气候现状评估图（左：Rayman计算界面截图 右：气候现状图）

图6 西安市老城区通风潜力图

图7 西安市老城区散热潜力图

图8 西安市老城区城市气候分析图

图9 西安市老城区城市气候规划建议图

表1 PET与人体热感觉的对应关系

表2 老城区气候潜力评估体系

依据风速大小将老城区风场分为3个等级：第一等级风速在1.5～2.4m/s之间，集中于城墙外区域以及老城区的东侧区域，风速最高但分布面积较小，主要受城市主导风影响；第二等级风速在0.7～1.5m/s区间，分布于城墙外围、新城广场、革命公园和城市道路，面积较小，主要是风环境的补偿区域；第三等级风速在0.0～0.7m/s区间，分布最广但风速很小。风速小于2m/s一般认为是静风状态[14]，老城区91%区域的风速小于2m/s，故西安市老城区可认为是静风区。

（2）热环境现状分析

热环境是气候环境的重要组成部分，也是编制城市气候图的基础。通过ENVI平台对老城区6—8月的遥感影像分别进行反演，使用GIS栅格叠加工具得出老城区的地表温度，进而转化为空气温度[15]，获得老城区的热力场信息。为了对气候环境进行定量分析，使用Matlab的图像识别技术对温度图进行数值化，并借助GIS进行可视化，得到西安市老城区热力场图（图4）。

西安市老城区热力场图表明，老城区的最高气温达32.27℃，最低气温为27.84℃。高温区集中在北院门和七贤庄等建筑密度高的历史街区，低温区集中在革命公园和莲湖公园等绿地率较高的区域或大型开敞空间。研究指出[16]，温度高于28℃时，人就会产生不适感，老城区87%的区域温度高于28℃，因此，西安市老城区的热环境整体较差。

（3）气候现状分析

借助专门用于计算PET值的RayMan软件，输入风速和温度数据，便可知气候现状概况（图5）。相关参数设置如下：西安位于东8区，经度34°，纬度为108°。根据气象局统计资料可知，西安夏季湿度约为73%，云量为5/10，全球辐射值191W/m2。依据西安市地方特点，定义标准人为高1.75m，体重70kg，35岁的男性；夏季室外行人穿着短袖等清爽衣物，根据《热环境的人类工效学》（GB/T 18049—2017）可知其热阻比为0.5clo，代谢率为90W。输入风速和温度值，便可得知各分析单元的PET数值。

气候现状图表明西安市老城区98%区域的PET值在29℃以上，属于暖或炎热区域，这种气候环境会使处于该区域的居民感到不适。PET值最高为41℃，最低为26℃，整体环境偏热。PET较低的区域零散分布于城墙外的护城河和城墙内的革命公园、莲湖公园；PET值较高的区域集中于建筑密度较高的区域。

3.2 气候潜力分析

（1）通风潜力分析

西安市老城区通风潜力的影响因素主要有建筑、路网和开敞空间，其中建筑会阻碍城市的通风，造成静风区，而路网及开敞空间则会促进风的流动，有利于风环境的改善。利用GIS对建筑密度、路网密度及开敞空间的影响度进行量化分析，然后将各指标影响度进行空间叠加，最终得到西安市老城区通风潜力图（图6）。当影响值为正时，代表该地区不利于城市通风；当影响值为负时，代表该地区可以促进城市通风；当影响值为0时，表示该地区对城市通风没有影响抑或是促进与阻碍作用相抵消。

西安市老城区通风潜力图表明，通风潜力最高的区域集中在道路和开敞空间密集的区域，主要是南大街、北大街和西大街等主干道以及莲湖公园、革命公园和新城广场等公园绿地，该区域最多可使PET值下降4℃；而通风潜力较低的区域集中在建筑密度高的区域，主要是老城区的传统历史街区，如北院门和三学街历史街区。

（2）散热潜力分析

西安市老城区的散热潜力主要和绿地、建筑、海拔以及人口相关，以上因素反映了建成环境对热量的存储和反射情况。首先利用GIS对绿地率、建筑体积值、海拔高度以及人口密度的影响度进行量化分析，然后将各指标影响度进行空间叠加，最终得到西安市老城区散热潜力图（图7）。当影响值为正时，代表该地区散热潜力较低，储存的热量较多；当影响值为负时，代表该地区可以有效促进热量的散失；当影响值为0时，代表该地区对城市散热没有影响抑或是促进与阻碍作用相抵消。

西安市老城区散热潜力图表明，老城区散热潜力在-3～2℃之间。散热潜力最高的区域集中在绿地和水域附近，主要是莲湖公园和革命公园，最多可使PET下降3℃。散热潜力较低的区域集中在人口密度高的区域，主要是老城区的居住区，最多会使PET升高2℃。

3.3 气候图的编制

（1）气候分析图的编制

西安市老城区城市气候分析图主要是依据分析单元的气候现状、通风潜力以及散热潜力进行划分的。老城区通风潜力取值范围是-4～0℃，将其划分为良好、中等和较差3个级别，散热潜力取值范围是-3～2℃，将其划分为较高、中等和较低3个级别，然后依据PET取值和通风散热潜力，可将老城区划分为8类气候分区（图8）。

分区1适宜区域（散热潜力较高且通风潜力良好）和分区2稍暖区域（散热潜力较高且通风潜力良好）集中在城墙外的环城公园及城墙内的公园和广场，含大面积水域和绿地，热负荷较低且通风潜力良好，是冷空气生成区。

分区3稍暖区域（散热潜力中等且通风潜力中等）和分区4稍暖区域（散热潜力较低且通风潜力良好）：分布于城市公园、新城广场以及主干道附近，紧临绿地、水域或道路，建筑密度较低，热负荷较高但透风率良好，是冷空气的补偿区。

分区5暖区域（散热潜力中等且通风潜力中等）和分区6暖区域（散热潜力中等且通风潜力较差）集中在城市次干道、支路及居住片区；该区域的建筑密度在40%～50%之间，空地率较高，但是附近缺少水域和绿地，故通风潜力较差且热负荷较高。

分区7暖区域（散热潜力较低且通风潜力较差）和分区8炎热区域（散热潜力较低且通风潜力较差）是老城区气候环境最差的区域，集中于高密度地区，建筑密度60%以上，周边缺乏绿地、水域或开敞空间，温度较高且透风率偏小。

（2）气候规划建议图的编制

基于老城区城市气候分析图中8个气候分区的特征，综合考虑可利用资源以及西安市老城区保护规划的要求，以气候问题的严重程度作为划分标准，将老城区划分成了保护改善区、保护提升区、需要调整区和急需调整区4类规划建议分区（图9）。

保护提升区：包含气候分区1和气候分区2，该区域含有大面积水域和绿地，热负荷较低，通风潜力较大，是冷空气生成区。该区域的管控原则是“生态优先”，今后发展中应重点保护现有的水域和绿地，防止破坏。

保护改善区：包含气候分区3和气候分区4，分布于水体、绿地和大型开敞空间附近，建筑密度较小，受周围环境影响较大，属于气候补偿区。该区域的管控原则是“配合主导风，扩大局地环流的影响范围”，禁止任何破坏绿地水域和广场的行为，维持绿化率及其透水性的现状，同时对建筑物的布局和高度进行引导，增加该区域的透风性。

需要调整区：分布范围较广，包含气候分区5和气候分区6，建筑密度40%左右，建筑体量中等，透风率较低，小型空地零星分布，热负荷较高，属于气候连通区。该区域的管控原则是“适当调整”，大幅增加该区域的绿地，避免产生污染物和过多的热量，同时应该慎重进行开发，防止加剧城市气候问题。

急需调整区：包含气候分区7和气候分区8，建筑密度50%以上，几乎不受绿地、水域和空地影响，属于气候作用区。该区域管控原则是“区域内外同时管控”，一方面要降低上风向区域的粗糙度，增强来风的强度，保证有足够的新鲜空气流向该区域；另一方面要对本区域进行疏散，降低建筑密度，增加道路两侧和建筑表面绿化面积。

4 结论与建议

本研究建立了西安市老城区的气候环境数据库，量化分析了气候环境，并利用GIS编制了城市气候图。研究发现老城区大部分区域属于暖区域，存在大面积的弱风区，温度普遍较高，人处于该环境会感到不适。根据老城区气候现状及潜力的评估结果，大致可以将老城区分为8个气候分区。基于气候环境问题的严重程度可将老城区分为保护提升、保护改善、需要调整及急需调整4个规划分区。

针对西安市老城区的气候环境，可以从三个方面对老城区气候进行管控：其一，联系内外，系统构建通风廊道体系。今后的开发建设中，要重视老城区的通风体系，控制通风廊道周边用地的建设，发挥通风廊道分割热岛和引导风的流动作用，进而改善气候环境。其二，以点带面，有效改善局部的微气候。老城区在今后发展中，一方面要强化现有通风节点（绿地、水域和开敞空间）的保护；另一方面可以在气候环境较差的区域人工营造气候节点。其三，规划导引，编制相关规划进行管控。将城市气候图与老城区的控制性详细规划相结合，通过对地块开发强度（尤其是容积率、建筑密度、建筑高度和绿地率）的管控改善微气候环境，营造良好的人居环境。

资料来源：

图5：软件截图+作者自绘；

文中其余图表均为作者自绘。

注释

① 课题组于2018年7月11日至13日（三天均为晴天），在研究区域选取五个测点分别进行同时段的气候参数测量。测试日的每日9:00至18:00之间，利用来源于日本的PC-5 型超声波风速风向仪（风速测量范围：0～70m/s，精度：±0.3m/s；风向测量范围：0～360°，精度：±3°）和温湿度仪（温度测量范围：0～+55℃，精度:±0.5℃；湿度测量范围：10%～95%，精度：±5%）分别监测测点的温度、湿度和风速，采集频率为1min，记录方式为自动记录，从而观察老城区的气候环境状况。