基于ENVI-met的广州街区温湿环境模拟.pdf

书书书第 卷第 期 年 月广 东气 象 收稿日期：基金项目：广东省重点研发计划项目（）；国家重点研发计划项目（）；广东省气象局科研项目（）；广东省气象局科技创新团队项目（）作者简介：翁佳烽（年生），男，硕士，工程师，主要从事天气预报与生态环境。：通信作者：李婷苑（年生），女，硕士，高级工程师，主要从事环境气象研究。：翁佳烽，梁晓媛，李婷苑，等 基于 的广州街区温湿环境模拟 广东气象，（）：基于 的广州街区温湿环境模拟翁佳烽，梁晓媛，李婷苑，黄扬东，朱文生（肇庆市气象局，广东肇庆 ；中山大学大气科学学院，广东珠海 ；广州市花都区气象局，广东广州 ；广东省生态气象中心，广东广州 ；揭阳市气象局，广东揭阳 ；汕尾市气象局，广东汕尾 ）摘要：为研究华南湿热气候地区城市小区的温湿环境特征，基于微气候模式（）模拟广州市海珠区中山大学小区冬夏季温湿场的分布特征，并结合气象自动站连续监测资料进行检验订正，结果表明：（）不同季节街区温湿场空间分布特征存在一定差异，白天水体和植被覆盖区为高湿和低温区；（）模式能够较好预测小区微尺度温度和湿度环境，冬季温度和湿度实测值日变化幅度稍高于模拟值，夏季温度模拟值日变化幅度大于实测值；（）冬夏季温度经过多项式函数拟合订正及冬季湿度经过指数函数和夏季湿度经过幂函数拟合订正后 分别降至 以下和 以下；分别降至 和 以下，模拟结果与实测值基本一致。研究结果表明 可应用于城市小区规划建设。关键词：微气候；数值模拟；温湿；冬夏季；广州街区中图分类号：文献标志码：研究表明，城市街区中两侧建筑物和中间的街道构成了街道峡谷（以下简称街谷），街谷微气候受地域气候自然因素和人工环境因素等共同影响 。一方面，气候条件和地形纬度决定着城市区域的气候；另一方面，街道周边的建筑植被和水体等影响着街区内的流场和热量交换 。大量观测和微尺度数值模拟实验表明，街道峡谷建筑物几何形态和布局、绿化、水体等对城市微尺度（水平范围通常为 ，垂直范围为 ，时间范围为 ）气候环境有明显影响 。近年来，随着数值模拟技术的快速发展，国内外研究者针对城市街区微气候环境的定量化评估 开 展 了 大 量 研 究，取 得 了 大 量 研 究 成果 。针对城市微气候的研究主要有以下几个方 法：实 地 观 测 、物 理 模 拟（如 风 洞 试验）、缩尺度外场实验 、数值模拟 等 种，其中数值模拟因其便捷经济成为一种热门方式，然而目前很多研究仅通过模式模拟进行定量化评估，较少对模式模拟结果进行有效性验证，同时不同气候条件下不同地区针对不同气象要素的模式模拟效果优劣也有差异 ，因此需要开展针对性检验订正以提高模式模拟结果的可靠性和准确性。为研究评估华南湿热气候地区城市典型街区的微气候特征，本研究基于微气候（）模式 ，以广州市海珠区中山大学南校区西区为研究模型（研究区域内包含了水体、植被、水泥路面、沥青路面、黏土路面等多种下垫面类型），并结合区域内气象区域自动站连续监测资料对模拟结果进行检验订正。资料与方法 模式 由德国波鸿大学 等通过研究建筑物外表面、植被和空气之间的热应力关系，将土壤传湿理论模型与其他模拟模型相耦合而开发出来的非静力学软件，用以分析城市规划中的建筑景观对不同尺度区域微环境的影响，具有坚固的物理基础和良好适用性 。该软件通过对街区室外环境中空气的输送、热的输送、水蒸气的输送和辐射的传递进行耦合解析以及网格嵌套计算，能够很好地对城市街区风、热、湿环境等进行全面的动态模拟和预测。目前主要应用于模拟绿化屋顶和墙体、道路材料、水体植被等不同类型的城市下垫面对微环境的影响，也可用于评估景观设计方案 。模式的耦合模拟对象间的相互作用可分为大气、土壤、植被、构筑物表面、生物气象 类子模型，每一类子模型都有很多不同的控制方程 ，用户可以根据需要创建或者添加自定义的下垫面、植被类型和水体深度等。该模式对于中高纬度寒带城市具有很强的应用性，但经过对此软件自带数据的敏感性分析，发现对于湿热气候区的微环境模拟研究同样具有较好适用性 。资料来源为模拟冬夏季气象条件下典型小区的微尺度气候时空分布特征，本研究选取距离研究区域最近的（约 ）中山大学南校区的气象区域自动站 年夏季（月）和冬季（月次年 月）逐小时温度、风向、风速等气象要素平均值作为模式初始气象参数（起始时间 ：（北京时，下同）和后期检验数据，其他未测气象要素参考广州市国家气象基本站的数据（表 ）。表 冬夏季的模式模拟初始气象参数季节 风速（）主导风向（）空气温度 相对湿度 冬季 （）夏季 （）模拟方案模拟区域（图 ）占地 ，模型选择 ，为标准经纬度，时区参考经度定为 。结合卫星影像数据按实际形状大小进行建模，模型网格数量为 ，格距为 （图 ）。模式采取开式侧边界条件，风场每隔 更新，文件每隔 更新输出。模拟开始时间为 ：，时长定为 ，前 为模式的预热计算，后 的运算结果作为对比分析数据。图 中山大学南校区西区卫星影像（）和 模型（图中灰色方块为建筑物，绿色柱体为树木，绿色平面为草地，街道为沥青里面，其余硬体表面基本为水泥地面，标记为模拟数据接收点）（）模拟结果误差检验方法为评价 模拟结果精度，本研究通过计算气象自动站实测冬季和夏季逐时的温度、湿度平均值与相同高度和下垫面处数值模拟输出数据的误差平方根（）和平均绝对百分比误差（）进行比较分析，具体公式为 （）槡（）（）其中，为模拟值；为实测值；为数据量。结果与分析 冬季模拟结果分析与检验订正由图 可以看出，不同地带的温度略有差异，温度空间分布特征受下垫面和太阳辐射影响，区域内东侧建筑东边的水泥路面温度相对较高；而西翠园、圆西湖温度相对较低，为中温区；研究区西南侧（即附中教学楼南侧前缘）为低温区。园西路由于遮蔽作用部分路段的温度与周围植被覆盖区并无明显差异，区域内最大温差约 。研究区域相对湿度由水体和植被覆盖区向硬体表面递减，：模拟结果显示西翠园广东气象第 卷 和圆西湖区域为高湿区，湿度中心位于西翠园，平均达到 左右，植被覆盖区域比周围湿度偏高 （图 ）。（图中灰色块状为建筑物）图 冬季 高度 ：温度场（）和湿度场（）分布使用自动站监测数据对数据接收点 模拟结果进行误差检验分析，模拟温度的 和 分别为 、，湿度的 和 分别为 、，即模拟结果中温度与实测值误差较小，但相对湿度逐时模拟结果整体比实测值高 左右，主要是由于冬季受干冷偏北风影响，而模式模拟缺少研究区域与外界大尺度水汽输送互相作用模块，导致湿度模拟结果明显偏高。对比逐时自动站实测值与模式数据接收点的模拟值距平（图 ）可以看出，该模式能较好模拟两个气象要素的日变化情况，但由于存在外界水汽能量交换，因此实际温湿场的日变化幅度稍大于模拟结果。温度模拟值与实测值在 ：时段误差均维持在 之间，其余时段模拟值基本偏低 左右。图 冬季模式模拟与实测值逐时的温度距平（）和相对湿度距平（）为了使模拟结果与实测值逐日变化幅度更吻合，对两者进行多种方式拟合发现，冬季模拟温度和湿度的最优订正公式分别为多项式和指数函数（图 ），拟合优度确定系数 分别高达 和 ，订正后温度的 和 分别降至 、，湿度的分别降至 、。订正后温湿度模拟结果与实测数值基本一致。图 冬季模拟温度（）和相对湿度（）与自动站实测值散点图 夏季模拟结果分析与检验订正夏季研究区太阳总辐射比冬季明显增加，并由于太阳高度角更大，日照区覆盖范围也比冬季广。由图 可知，：研究区域南侧处于高温区，往北温度整体递减。圆西湖和西翠园相比周围硬体表面温度相差 左右，为低温区；研究区东侧建筑物楼层间由于日照和热量交换使得温度比周围稍高，区域内温度相差最大达 。受园西湖和西翠园植被密集区影响，相对湿度整体由东向西递减，其中圆西湖为高湿区，最大湿第 期翁佳烽等：基于 的广州街区温湿环境模拟度为 ；西翠园次之，且 ：相对湿度相比 ：高将近 （图 ）。图 夏季 高度 ：温度场（）和湿度场（）分布与自动站监测数据对比发现，模拟温度相应的 和 分别为 、，湿度的分别为 、，模拟结果中温度与实测值误差同样较小，相对湿度模拟值整体比实测值低 左右，主要是由于夏季受暖湿气流影响，有外界水汽输送。对比夏季逐时温湿度自动站实测数值与数据接收点 的模拟结果距平（图 ），模式能较好地模拟温湿度的日变化趋势，尤其是相对湿度，基本与实测吻合。温度实测值变化幅度小于模拟值，温度模拟值于夜间（：次日 ：）低于实测值，白天时段（：）高于实测值，最大差值将近 。图 夏季模式模拟与实测气温（）和相对湿度距平（）分别对温度和湿度模拟与实测数值进行拟合发现，夏季模拟温度和湿度的最优订正公式分别为多项式和幂函数（图 ），拟合优度 分别为 和 ，订正后温度的 和 分别将至 、，湿度的分别为 、。订正后温湿度模拟结果与实测数值基本一致。图 夏季模拟温度（）和湿度（）与自动站实测值散点图 结论）不同季节街区温湿场空间分布特征存在一定差异，白天水体和植被覆盖区为高湿和低温区。）模式能够较好预测小区微尺度温度和湿度环境，尤其对温度和夏季湿度日变化模拟效果更好，冬季温度和湿度实测值日变化幅度稍大于模拟值，夏季温度模拟值日变化幅度大于实测值。）冬夏季温度经过多项式函数拟合订正及冬季湿度经过指数函数和夏季湿度经过幂函数拟合订正后 分别降至 以下和 以下，分别降至 和 以下，即模拟结果与实测值基本一致。参考文献：苗世光，蒋维楣，梁萍，等 城市气象研究进展 气广东气象第 卷 象学报，（）：，（）：翁佳烽，林满，王宝民，等 不同气象条件小区通风与污染物扩散模拟 中山大学学报（自然科学版），（）：毛夏，李磊，江肶，等 深圳超大城市气象探测数据在科学研究中的应用 广东气象，（）：，（）：，（）：许楷铖，郭燕龙，童志明，等 石化园区危险气体库泄漏的气象扩散模型应用 广东气象，（）：，（）：耿红凯，卫笑，张明娟，等 基于 植被与建筑对微气候影响的研究 以南京农业大学为例 北京林业大学学报，（）：，（）：陈卓伦 绿化体系对湿热地区建筑组团室外热环境影响研究 广州：华南理工大学，（，；，；，；，；，；，）：，（），（），（），：；第 期翁佳烽等：基于 的广州街区温湿环境模拟