基于ENVI-met模拟的城市中心区空间形态与热环境研究——以南京新街口为例
居住小区室外活动空间微气候差异及其适宜性等级划分姜之点
居住小区室外活动空间微气候差异及其适宜性等级划分Microclimate Difference of Outdoor Activity Space in Residential Quarter and Division of Its Suitability Grade■ 姜之点 JIANG Zhidian 杨 峰 YANG Feng 陈虹屹 CHEN Hongyi摘 要：基于城市矢量数据，建立3个理想化典型居住小区模型，并划分6类室外活动空间；借助ENVI-met 和RayMan 模型，开展室外微气候和不同人群舒适度的定量评价；进而叠加夏冬两季热感觉等级累积时长，确定室外空间适宜性类型。
结果表明：高开发强度小区近地面空间平均温度更低、风速更大、室外活动空间环境平均差异更小；人体热感觉变化主要受辐射环境作用，昼夜差异显著，通常老幼群体较普通成年人对室外环境变化更敏感，尤其是在建筑阴影下和风速更大的建筑与入流风场方向相切处，但热感觉等级基本一致。
研究结果有助于加深对不同室外活动空间微气候和舒适度差异的理解，并可直观引导室外空间规划设计和活动设施空间落位。
关键词：室外活动空间；微气候差异；生理等效温度；人群差异；适宜性等级Abstract: Based on city vector data, three ideal typical residential quarter models are established, and six categories of outdoor activity spaces are divided; by the aid of ENVI-met and RayMan model software, quantitative evaluation of outdoor microclimate and comfort of different crowds is developed; cumulative duration of thermal sensation level in both summer and winter are further added, so as to determine the suitability type of outdoor space. It is shown by result: in the near ground space in the residential quarter with high development intensity, the average temperature is lower, the wind speed is greater and the average difference of outdoor activity space environment is smaller; change of human thermal sensation is mainly affected by radiation environment effect, the difference between day and night is significant, young and old groups are usually more sensitive to change in outdoor environment than ordinary adults, especially at the place under building shadow, the building where wind field change is faster and inflow wind field directions are tangential to each other, but their thermal sensation levels are basically identical. The research result is helpful for deepening the understanding to the quantitative difference in microclimate and comfort in different outdoor activity spaces, and it can be intuitive guidance to the planning and design of outdoor space as well as the space location of activity facilities.KeyWords: outdoor activity space; microclimate difference; physiological equivalent temperature; group difference; suitability grade0 引言随着城市化进程逐渐转向存量更新，住区规划设计日益强调环境舒适、空间适宜，加之不同群体存在舒适度感知差异，针对“全龄化”的室外环姜之点，同济大学建筑与城市规划学院博士研究生；杨峰，博士，同济大学建筑与城市规划学院副教授、博士生导师，通信作者；陈虹屹，金科地产集团股份有限公司工程师。
ENVI-met软件模拟可行性验证--以洛阳市广州市场为例
城市建筑城市空间 2019年3月第16卷总第313期Urbanism and Architecture11ENVI-met 软件模拟可行性验证——以洛阳市广州市场为例李洋，郭祎，梁倩静，武文涛，张景轩（河南科技大学建筑学院，河南洛阳 471000）摘要：现阶段为验证ENVI-met 软件微气候模拟的可行性，文章以洛阳市涧西区广州市场为研究对象，建立三维数值模型，通过对温度、湿度两个方面的实测与模拟数据进行比对分析，从而得出结论，以期达到为微气候研究方法提供参考的目的。
关键词：ENVI-met ；城市微气候；软件模拟［中图分类号］ TL35［文献标识码］ BFeasibility Verification of ENVI-met Software Simulation—— A Case of Guangzhou Market in LuoyangLi Yang, Guo Yi, Liang Qianjing, Wu Wentao, Zhang Jingxuan(College of Architecture, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471000, China)Abstract: I n order to verify the feasibility of Envi-met software microclimate simulation, this paper takes Guangzhou market in Jianxi District of Luoyang as the research object, establishes a three-dimensional numerical simulation model, and compares the measured and simulated data of temperature and humidity to draw conclusions. It is hoped that this paper can provide a reference for microclimate research methods.Key words: Envi-met; urban microclimate; software simulation现阶段，气候变化问题已经被广泛关注，且成为热点话题，以变暖为显著特征的气候变化正在影响着城市空间环境[1]。
Envi-met指南
Envi-met指南城市微⽓候模拟：Envi-met讨论（有些犹豫到底是发在Eco-planning还是模拟软件版，因为后者好像全是和建筑能耗有关，⽽Envi-met针对的是街区尺度的热环境以及热舒适的研究，所以还是发在这⾥⽐较合适把~）本贴希望和⽤过该软件、或者对该软件有兴趣、或者有疑问的DX们共同探讨Envi-met的原理，以及在城市⽓候、城市规划和景观设计中的应⽤。
1。
Envi-met简介ENVI-met is a three-dimensional non-hydrostatic (⾮流体静⼒学？）microclimate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environment with a typical resolution of 0.5 to 10 m in space and 10 sec in time. Typical areas of application are Urban Climatology, Architecture, Building Design or Environmental Planing, just to name a few. ENVI-met is a Freeware program based on different scientific research projects and is therefore under constant development.（摘⾃官⽹：/doc/b98bf2300b4c2e3f5727639f.html /）Envi-met是由德国的Michael Bruse （University of Mainz, Germany)开发的⼀个三维微⽓候模型，以0.5 - 10m的空间解析度和10S的时间解析度来模拟城市环境中的实体表⾯- 植物- 空⽓的相互作⽤。
数值模拟城市微气候的前沿研究——以ENVI-met为例
安徽建筑中图分类号：TU119文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）4-0012-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.4.0040引言近年来，极端热应力事件频发，城市热岛效应、大气质量污染等城市问题损害人民健康，降低居民生活质量，其频率与严重程度随着全球变暖趋势不断增加。
研究城市微气候环境，对构建城市建筑形态、提出合理土地利用规划调整途径、提高人体舒适性已成为城市设计与人体舒适度研究的主流领域。
数值模拟指通过RAYMAN 、SOL⁃WEIG 、DUTE 等软件辅以场地模型模拟计算城市区域微气候情况的技术方法。
计算机数值模拟相较于传统的遥感、GIS 地表温度反演与实地气息数据观测法，能够弥补空间分辨率低，不全面、不精细，无针对性的缺点，同时减少离散点测量的人为因素影响。
而与传统的CFD 软件相比，ENVI-met 可模拟室外热环境，有较完整的植物模型，能够考虑植物对长短波辐射的吸收反射作用[1]。
利用ENVI-met 软件模型可模拟工业发展、城市下垫面性质与局部气象条件对城市微气候的影响，并已取得诸多研究成果。
因此，本研究拟对1998～2021年国内外利用ENVI-met 模拟城市微气候效应的研究成果进行了分析；对热环境效应的研究方法发展、研究技术和创造性成果进行了重点归纳探讨；通过纵横结合式的文献梳理，以期为后续研究城市微气候效应及绿地与其他城市要素综合效应的影响提供思想指导及路线参考。
1数据来源与研究方法1.1数据来源以Web of science 核心合集数据库为检索来源，对包含“ENVI-met ”“mi⁃croclimate ”或“micro-climate ”“cli⁃mate ”主题词的文献进行专业检索，设定发表时间截止到2021年7月。
通过对文献进行去重及初步筛选，共获得327篇期刊文献，时间跨度为1998年10月～2021年7月。
1.2研究方法CiteSpace 工具基于Java 开发，作为科学知识图谱绘制软件[2]，可对文献进行作者或机构合作分析，关键词聚类分析、共被引分析及耦合分析。
envimet原理
envimet原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：ENVImet是一种用于模拟城市环境的软件。
它的原理是基于大气科学和城市规划原理的交叉应用。
通过模拟人类活动和城市结构在大气中的相互作用，可以更好地理解城市的气候和环境影响。
ENVImet 的原理涉及到多个方面，包括大气环境模拟、城市配置和气候变化预测等。
ENVImet利用先进的大气环境模拟技术，模拟城市区域内的气象要素，如温度、湿度、风速等。
通过对气象要素的精确模拟，可以准确地分析城市气候的特点，包括城市热岛效应、城市风、城市湍流等。
ENVImet考虑了城市结构对气象要素的影响。
城市中的建筑、道路、绿化等元素会改变大气中的热量和湿度分布，从而影响城市的气候环境。
ENVImet可以模拟这些城市结构在大气中的作用，帮助设计者更好地规划城市布局和建筑设计，减少城市热岛效应，提高城市气候的舒适性。
ENVImet还可以用于预测城市的气候变化。
通过模拟不同的城市发展场景，可以预测城市在未来几十年内的气候变化趋势，为城市规划和政策制定提供科学依据。
第二篇示例：Envimet是一种城市环境模拟软件，能够根据城市地形、建筑布局、植被覆盖等因素，模拟城市内部的气象和热环境情况。
它可以帮助城市规划者、建筑设计师等专业人士预测城市内部的气候变化，为城市的可持续发展提供科学依据。
Envimet的原理主要基于数值模拟方法，通过对城市内部的气象和热环境进行数值计算，得出不同时间段内的气候数据，如温度、湿度、风速等。
这些数据可以帮助用户了解城市内部的热岛效应、通风情况和植被对城市气候的影响等重要参数，从而为城市规划和建筑设计提供科学依据。
Envimet的核心原理包括以下几个方面：1. 城市地形模拟：Envimet可以根据城市的地形地貌数据，精确模拟城市内部的高低起伏、街道布局等地形特征。
这有助于确定城市内部的气象流场分布和热环境格局。
2. 建筑布局模拟：Envimet可以对城市内部的建筑布局进行精确模拟，包括建筑高度、密度、朝向等因素。
基于ENVI-met的高密度城市住区空间PM2.5分布模拟研究
摘 要：随着大气环境问题日趋严重，高密度城市住区空间空气质量逐渐成为人们最关心的问题。文章以合肥市区 40 个高 密度城市住区为研究对象，总结出 8 种不同布局形式的住区典型模块，通过实测并与计算机模拟相结合，对高密度城市住 区空间的 PM2.5 分布特征进行研究。结果表明：点式行列式布局最利于 PM2.5 扩散；上风口方向建造封闭式住宅建筑、增加 住宅建筑的横向宅间距可以有效减少 PM2.5 在住区内堆积；住区内部 PM2.5 质量浓度随着高度增加而逐渐降低。 关键词：高密度；城市住区空间；布局形式；PM2.5；ENVI-met Abstract: The air quality of high-density urban residential space has gradually become a significant concern with the increasing seriousness of air environment problems. The study takes 40 high-density urban residential areas in Hefei city as the research object and summarizes eight typical modules of residential areas with different layout forms. The PM2.5 distribution characteristics of highdensity urban residential areas are investigated using accurate measurements and computer simulations. The results show that: the dotted row layout is the most favorable for PM2.5 dispersion; the construction of enclosed residential buildings in the upwind direction and the increase of horizontal residential building spacing can effectively reduce PM2.5 accumulation in the residential area; the overall PM2.5 mass concentration inside the residential area gradually decreases with the increase of height. Keywords: high density; urban residential space; layout form; PM2.5; ENVI-met
envimet原理
envimet原理
Envimet是一种用于城市微气候模拟的软件工具，其原理基于大气科学和计算流体力学。
该软件通过数学模型和计算方法，模拟城市中的空气流动、热传递、辐射、湍流等物理过程，以及城市表面的能量平衡和水热过程。
Envimet考虑了城市中建筑物、道路、绿化等不同表面的特性，并结合气象数据，模拟城市内部的温度、湿度、风速等微气候参数的空间分布和变化。
Envimet的原理基于数学方程组，包括Navier-Stokes方程、热传导方程、能量平衡方程等，通过有限体积或有限元等数值方法进行离散求解。
通过这些方程的求解，Envimet能够模拟城市内部的气象参数，为城市规划、建筑设计等提供微气候方面的参考和分析。
同时，Envimet还考虑了城市中的热岛效应、风场受建筑物影响的复杂情况，从而能够较为准确地模拟城市的微气候情况。
除了数学模型，Envimet还结合了地理信息系统（GIS）数据，用于输入城市的地形、土地利用、植被分布等信息，以更真实地模拟城市的微气候。
同时，Envimet还可以输出各种微气候参数的空间分布图、热舒适度分析、风环境分析等结果，为城市规划、环境评估等提供科学依据。
总的来说，Envimet的原理基于大气科学和计算流体力学，通过数学模型、地理信息数据和气象数据等多方面的综合考虑，模拟城市的微气候情况，为城市规划和设计提供科学支持。
基于ENVI-met模拟的城市中心区空间形态与热环境研究——以南京新街口为例
图1城市表面能量平衡示意图*资料来源：改绘自Oke.T.R 基于ENVI-met 模拟的城市中心区空间形态与热环境研究——以南京新街口为例孙欣，杨俊宴，温珊珊摘要:伴随城市化进程加剧,城市热岛等城市病日益突显,尤其是在肌理复杂、人口密集的城市中心区,城市热环境对城市市民室外公共生活品质更有着重要影响。
城市热环境是多学科交叉领域，本文从城市规划及城市设计视角对城市中心区热环境进行解读。
基于ENVI-met 软件模拟，以南京新街口中心区为实际案例，探讨城市空间形态指标同热环境的相关性，不同土地利用性质街区不透水面积特征的相关性。
剖析了新街口中心区不同街区空间形态类型的热环境时空分布特征，提出了通过鱼眼图叠合太阳轨迹或风频图，快速直观评价样本空间的气候特征的方法，进而总结出一套成体系的城市中心区热环境优化策略，从城市规划层面、建筑层面及景观层面提出针对性具体措施，创造宜人舒适的城市中心区外部环境。
关键词:城市中心区，城市空间形态，热环境，ENVI-met 模拟1引言随着城市化进程加剧，包括城市热岛效应在内的城市热环境问题日益突显，我国城市中心区具有更为复杂的城市形态肌理和更为多元的功能业态构成，进而导致热环境时空分布特征更为复杂。
对于复杂城市肌理的城市中心区热环境问题究竟有哪些典型特征、影响机制和应对措施，应当引起国内城市规划学科的更多关注。
城市热环境具有尺度特征，本研究聚焦城市中微观尺度。
探究城市形态对城市微气候的影响。
城市中心区作为城市内部中观尺度区域，其表面或更局部的街区尺度，其表面存在能量平衡（SEB ），如图1所示。
图2 ENVI-met 软件工作界面示意图a 建模操作界面b 初始参数设置界面c 模拟界面d 模拟输出界面*资料来源：作者自绘+= 单位：W/；（式1-1） 式中 ——净辐射，——人为热，——大气显热交换量，——潜热交换量（涉及不透水面蒸发），——下垫面净贮热量，——净水平对流热量。
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孙欣，杨俊宴，温珊珊
摘要:伴随城市化进程加剧,城市热岛等城市病日益突显,尤其是在肌理复杂、人口密集的城市中心区,城市 热环境对城市市民室外公共生活品质更有着重要影响。城市热环境是多学科交叉领域，本文从城市规划及 城市设计视角对城市中心区热环境进行解读。基于 ENVI-met 软件模拟，以南京新街口中心区为实际案例， 探讨城市空间形态指标同热环境的相关性，不同土地利用性质街区不透水面积特征的相关性。剖析了新街 口中心区不同街区空间形态类型的热环境时空分布特征，提出了通过鱼眼图叠合太阳轨迹或风频图，快速 直观评价样本空间的气候特征的方法，进而总结出一套成体系的城市中心区热环境优化策略，从城市规划 层面、建筑层面及景观层面提出针对性具体措施，创造宜人舒适的城市中心区外部环境。 关键词:城市中心区，城市空间形态，热环境，ENVI-met 模拟
以高度形态和平面形态限定从垂直和水平两个维度建立 4×6 矩阵，在新街口中心区内 选择样本地块（图 6，表 1），高强度、中强度分别选择两个案例，作为重点分析的形态类型。 南京新街口中心区由两条主干道交汇形成，长期发展集聚，是典型的单核中心区，这种类型 中心区在我国数量众多。中心区功能结构与空间形态呈现典型的圈层结构：中心区硬核呈现 高强度高层形态特征，硬核被中低强度多层形态包围。中心区内公共绿地和水体等开放空间 较少，路网密度偏大，硬质铺地等不透水面面积较大。基于中心区内不同空间形态样本及其 热环境模拟分析，研究发现：
1 引言
随着城市化进程加剧，包括城市热岛效应在内的城市热环境问题日益突显，我国城市中 心区具有更为复杂的城市形态肌理和更为多元的功能业态构成，进而导致热环境时空分布特 征更为复杂。对于复杂城市肌理的城市中心区热环境问题究竟有哪些典型特征、影响机制和 应对措施，应当引起国内城市规划学科的更多关注。
城市热环境具有尺度特征，本研究聚焦城市中微观尺度。探究城市形态对城市微气候的 影响。城市中心区作为城市内部中观尺度区域，其表面或更局部的街区尺度，其表面存在能 量平衡（SEB），如图 1 所示。
[1]Bruse M, Fleer H. Simulating surface–plant–air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model[J]. Environmental Modelling & Software, 1998, 13(3): 373-384.
鼓楼
珠江路
新街口
张府园
中山路——中山南路
汉中路
新街口
大行宫
汉中路——中山东路
四牌楼
珠江路
新街口
王府大街
图 5 新街口中心区模拟地表温度空间差异特征
*深色为中心区硬核所在街区*资料来源：作者自绘
四牌楼——王府大街
图 6 新街口中心区样本区位示意图
*资料来源：作者自绘
如图 3-27 所示，新街口和大行宫平均地表温度高于其他区域，其中大行宫区域的 45 街区平 均地表温度达到 34℃，成为“波峰”。
6) 夏季西晒导致建筑西立面及西侧场地热环境恶劣，通过西侧场地绿化及立面遮阳处 理可以改善局部热环境。
3 新街口中心区热环境影响机制探析
3.1 城市空间形态指标
城市形态对城市内部气候及城市热环境有重要影响，城市形态中的任何一个要素指标同 热环境都有着或多或少的相关性。对于中心区中观尺度，城市形态组合、下垫面材质与热环 境有较密切关系。空间形态具有不可逆性，下垫面形式与材质则较为容易改善，因此作为城 市规划而言，在规划城市形态前考虑其对城市热环境的影响也显得尤为重要。基于对热环境 及城市气候的已有研究成果进行模拟验证及单一变量影响下形态指标与热环境影响模拟，选 定总体布局指标、特殊形态指标和下垫面指标共计 13 个指标因子（图 7）：①总体布局：密 度/高度/强度；②特殊形态指标：天空可视度（SVF）/街道高宽比/街区围合度/街道与建筑 朝向/围护系数/阴影系数/ 错落度；③下垫面：植被覆盖率/不透水面面积比/材质与反照率。 通过升温用地和降温用地两个层面探讨城市土地利用及人为热对城市热环境的影响机制。
Ozkeresteci（2003）模拟线形公园设计的热环境影响；Huttner（2008）研究欧洲城市中心热 环境；Dominik （2012）研究欧洲城市广场设计对热舒适度的影响；Ana Claudia Carfan（2010） 在巴西圣保罗研究了城市热舒适度；吴恩荣（2012）研究高密度城市植被对城市空气温度的 影响；王振以武汉江汉路为例，模拟冬冷夏热地区街峡微气候特征；史源等（2012）以北京 西单商业街为例，探讨了基于室外热舒适度及风环境的城市设计改进策略；任国辉（2014） 以上海前滩国际商务区 14-1 地块项目为例，探讨规划布局、绿地与水体、色彩规划等方面 设计改善热岛效应策略。
南京作为江苏省省会，冬冷夏热城市代表，其新街口中心区也是典型的单中心模式中心 区，选择以南京新街口中心区为例研究城市中心区热环境具有一定典型性。对于南京的城市 热岛现象已经有大量的观测和研究[2][3]。大量受统计数据和统计方法影响较大，但通过长期 观测和大量研究，可以得到以下共识：南京大气热岛强度秋冬季大于春夏，夜晚大于白天。 但对于南京城市中微观尺度热环境研究尚且空缺。
2.3 新街口中心区街区空间形态同热环境特征
《城市街区》一书中将城市空间分为围合式、行列式、散点式等几大类，通过对新街口 中心区不同街区空形态布局差异，对其热环境进行模拟。新街口中心区空间形态分类原则共 分为两个层次——强度分类和形态分类，选择强度作为大类指标，选择高度形态作为小类第 一限定，选择平面形态类型作为小类的第二限定。共计 3 大类，12 小类，20 个典型形态案 例。运用 ENVI-met 对 20 个典型案例的热环境进行模拟，初始条件统一设置为东南方向来 风，10m 高度处风速 1m/s，7 点初始温度为 20℃，进行 24h 逐时模拟。
1) 在所选样本中开发强度同密度和平均天空可视度也无显著的线性关系，而开发强度 同平均高度呈一定的线性正相关性。也就是说样本中高强度地块并非高密度、低天空可视度， 而高强度开发地块往往是高层建筑群。
2) 在夏季近地面风速较低、空气湿度适中的条件下，不考虑人为热的影响，由于形态 的综合影响，高强度、中强度、低强度三大类空间形态的平均空气温度并没有特别显著的差 异。
四牌楼-王府大街从东北至西南方向剖切中心区，新街口东北方向区域以密集多层居住 区为主，西南方向混合了居住、公共服务设施等功能。如图 3-27 所示，四牌楼至新街口区 段平均地表温度波动较小，至新街口硬核后呈现上升趋势。
由于中心区南北跨度较大，南北向剖线经过区域的波动更为显著，也就是说平均地表温 度差异更为复杂多变。四牌楼至新街口区段的波动最小，该区域为肌理相对完整的居住组团 形态，平均高度、密度和天空可视度等指标波动较小。
候研究中。其 ENVI-met 软件是由德国 Michael Bruse (University of Mainz, Germany)开发的 一种三维动态微气候模型，可以计算模拟城市环境中实体表面-植被-空气的相互作用，建立 的典型城市栅格模型可以达到 0.5-10m 空间精度和 10s 时间精度。基于流体动力学和热点偶 的基本定律可以计算 24-48h 的动态微气候周期。模拟中综合考虑风速、风向、空气温度、 湿度、湍流、辐射量、生物气候及气体和颗粒扩散等变量因子[1]。为了便于软件模拟，模拟 建模时会对建筑进行少量简化，但尽量保证整体中心区格局与形态指标真实一致。模拟参数 的设定基于实测温度及气象站公布数据，进行初始温度的校核，以接近真实城市情景（图 2）。
中山路-中山南路这条南北主干道贯穿中心区南北，从北至南为鼓楼、珠江路、新街口、
张府园等商业商务密集簇群，其中鼓楼和新街口是本中心区界定的硬核区域。从图 3-27 可 以看出，鼓楼和新街口平均地表温度略高于其他区域，成为“波峰”，珠江路与新街口之间 存在相对平均地表温度，为“波谷”。
汉中路-中山东路是贯穿新街口东西向主干道，从西至东依次为新街口和大行宫硬核。
图 3 新街口中心区范围
*资料来源：作者自绘
图 4 ENVI-met 模拟 6 月 29 日下午 2 点南京新街口小四环区域地表温度分布图
*资料来源：作者自绘
为了进一步剖析新街口中心区热环境空间分布差异，以新街口孙中山塑像为原点，在中 心区内作三个剖面，提取剖线两侧所在街区点位的模拟温度平均数值，分析南京新街口中心 区热环境空间分布差异和方向特征（图 5）
[2]Zhou D, Zhao S, Liu S, et al. Surface urban heat island in China's 32 major cities: Spatial patterns and drivers[J]. Remote Sensing of Environment, 2014, 152: 51-61. [3]Zeng Y, Qiu X F, Gu L H, et al. The urban heat island in Nanjing[J]. Quaternary International, 2009, 208(1): 38-43.
图 1 城市表面能量平衡示意图
*资料来源：改绘自 Oke.T.R
+=
单位：W/ ；（式 1-1）
式中 ——净辐射， ——人为热， ——大气显热交换量， ——潜热交换量（涉
及不透水面蒸发）， ——下垫面净贮热量， ——净水平对流热量。 伴随着计算机模拟技术的成熟，软件模拟具有高效灵活的特征，被广泛应用于城市微气
表 1：新街口中心区空间形态分类 大
体
—
量
B-1
— A-1
围
合
—
式
B-5