树木配置对城市风环境和热舒适度的影响：一项通过缩比室外实验验证的CFD研究

《Sustainable Cities and Society》：Effects of tree configuration on urban wind environment and thermal comfort: A CFD study validated by scaled outdoor experiments

　　摘要
量化城市树木的微气候效应需要在计算流体动力学（CFD）模型中可靠地表示树冠的空气动力学和生理过程。本研究实现了一个耦合的CFD建模框架，该框架结合了多孔介质阻力、湍流修正、辐射传输以及植被引起的热量和水分交换，并将模拟的风速和空气温度与缩放后的室外测量值进行了对比。敏感性测试考察了叶面积密度（LAD；1.5–7.0 m2/m3）、阻力系数（Cd；0.1–0.3）和最小气孔阻力（rs,min；100–400 s/m）的变化。树冠风速对LAD和Cd的变化有所响应，而rs,min对空气动力学的直接影响较小。将rs,min从100增加到400 s/m使空气温度升高了1.09–2.26°C，并使水汽增强作用降低了0.43–0.83 g/kg，这两种响应随着LAD的增加而增强。随后，该模型被应用于连续树木（CT）和间隔树木（ST）布局，使用了归一化风速差（WSD）和通用热气候指数（UTCI）进行评估。正的WSD值表示树木对风速的削弱作用，在评估区域内占CT的65.3%–66.8%，而ST占59.5%–63.5%。CT案例表现出更连贯的降温效果，而ST则保持了局部气流并显示出异质的热响应。局部ΔUTCI范围从CT的0.7°C降低到ST的1.2°C的增加，表明热舒适度响应在不同的布局和位置上有所不同。这些发现强调了考虑城市树木综合微气候效应的重要性。

引言
全球快速城市化通过密集的建筑开发和广泛的不透水面改变了地表能量平衡（Arsiso, 2025）。人为热辐射的增加进一步加剧了城市热岛（UHI）效应（Oke, 1982）。这种现象加剧了极端热事件对人类健康的不良影响，并大幅增加了建筑冷却所需的能源消耗（Santamouris et al., 2015; Matthews et al., 2025）。因此，探索可持续的城市设计策略以减轻UHI的影响已成为气候适应研究的紧迫任务（H. Li et al., 2024; Srivastava et al., 2026）。在各种改善城市微气候的策略中（例如，调节城市形态、采用凉爽材料、规划水体），城市绿化已被广泛证明具有显著优势（Wong et al., 2021; G. Li et al., 2025; Zhang et al., 2026; S. Li et al., 2026）。最近的多尺度研究表明，城市绿色基础设施可以在城市、社区和建筑尺度上调节城市气候，尽管其有效性强烈依赖于空间配置、植被类型和评估尺度（Chen et al., 2026）。特别是，树木是城市中最广泛实施的基于自然的解决方案之一（Soltanifard & Amani-Beni, 2025）。除了对空气质量和身心健康的双重益处（Rastkhadiv et al., 2025; Rahaman et al., 2026）外，树木主要通过两个耦合过程调节局部微气候：辐射遮荫和蒸腾驱动的冷却（Oke et al., 2017; Alonzo et al., 2025）。树冠对短波辐射的截获抑制了表面加热并减少了下方城市表面的长波辐射排放，从而降低了环境热负荷（Tian et al., 2023; Zhang et al., 2025）。最新证据还表明，街道树木结构可以在城市热极端情况下显著调节行人的热舒适度，这突显了树冠形态在决定遮荫性能方面的重要性（X. Li et al., 2026）。同时，蒸腾作用将显热转化为潜热，直接冷却空气并增加局部湿度，使得植被区域成为城市环境中潜热通量的主要来源，相对于不透水面而言（Gromke et al., 2015; Konarska et al., 2016; Bachofen et al., 2025）。因此，树木调节城市热环境的能力受到了越来越多的关注（Wong et al., 2021; Schwaab et al., 2021; Alonzo et al., 2025; McDonald et al., 2026）。然而，这些好处在空间上或气候上并不均匀。在某些条件下，密集的植被可能会在潮湿的城市中增加与湿度相关的热应力（Borah et al., 2026），而树冠阻力可能会减弱气流并重新分配热量和水分。因此，遮荫和蒸腾的热效益可能会被通风减少或局部升温所部分抵消。这种权衡使得树冠密度和种植配置对行人级别的热舒适度响应至关重要，并突出了对当地风、热、湿度和辐射环境的综合评估的必要性。

CFD在城市气候研究中被广泛使用，因为它可以在复杂建筑环境中高空间分辨率下解析气流、热量传递和辐射交换（Toparlar et al., 2017）。城市树木的CFD研究主要关注三个耦合过程。空气动力学效应通常使用多孔介质方法或在动量和湍流方程中加入源项来量化气流修改、风速减弱和污染物扩散（Gromke et al., 2008; Qian et al., 2024; Yang et al., 2020）。辐射效应通过树冠透射率、辐射屏障或树冠能量平衡模型来表示，以考虑太阳辐射的截获、表面加热、长波交换和局部热条件（Bruse & Fleer, 1998; Robitu et al., 2006; Li et al., 2023）。蒸腾作用逐渐被纳入模型：早期的方法通常施加简化的冷却源项，而最近的模型将树冠或叶片的能量平衡与气孔和空气动力学阻力以及局部辐射、风速、空气温度和蒸汽压差耦合（Kichah et al., 2012; Gromke et al., 2015; Manickathan et al., 2018; Grylls & van Reeuwijk, 2021; Li et al., 2023; Hang et al., 2024; An et al., 2025）。这些发展使得对耦合动量、热量和水分交换的更基于过程的表示成为可能，但也增加了一致数值耦合、参数敏感性评估和实验评估的需求。

缩放后的室外实验为此目的提供了有用的基准，因为它们结合了真实的气象强迫和受控制的峡谷几何形状和表面材料。与风洞研究相比，缩放后的室外实验保留了真实的太阳辐射、长波交换、大气湍流和热-水分相互作用。与全尺度现场测量相比，它们允许更好地控制城市几何形状、表面材料和测量布局。之前的缩放后室外研究通过提供受控但真实的壁温、空气温度、风速和辐射相关过程的数据集，展示了它们在城市微气候研究中的价值（Chen et al., 2020a, 2020b; Hang & Chen, 2022; Wu et al., 2024; Chen et al., 2025）。最近使用SOMUCH（城市气候和健康缩放室外测量）平台的研究进一步表明，该平台可以在真实室外强迫下提供高分辨率测量，使其非常适合评估多物理耦合的CFD模型（Chen et al., 2023, 2025）。然而，关于城市绿化的CFD模拟仍不足以与高质量实验数据进行验证。

在先前基于湍流、辐射和蒸腾的CFD模型的基础上（Hang et al., 2024; An et al., 2025），本研究进一步开发并评估了一个耦合的CFD建模框架。主要的方法改进是一致地整合了多孔跳跃树冠透射率、DO辐射模型、太阳光线追踪和树冠平均有效叶辐射项，从而将城市表面遮荫与辐射和蒸腾处理联系起来。然后，在系统层面使用SOMUCH实验的风速和空气温度测量结果对得到的框架进行了评估。随后，参数测试量化了在规定的范围内LAD、Cd和r?,???变化的影响。最后，将评估的模型应用于连续树木和间隔树木布局，以比较它们对行人级别的风条件、空气温度和热舒适度的效应。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍了缩放后的室外实验、CFD模型、改进的植被阻力-辐射-蒸腾耦合以及热舒适度后处理工作流程。第3节介绍了网格收敛性评估、模型验证和植被参数敏感性分析。第4节探讨了CT/ST效应，并讨论了相关的机制和设计含义。第5节概述了局限性及未来研究方向。第6节总结了主要结论。

缩放后的室外实验
模型验证使用了2022年8月1日至10月13日之间从SOMUCH（城市气候和健康缩放室外测量）平台收集的测量数据（Wu et al., 2024）。该设施位于中国广州市郊区（23°1’ N, 113°25’ E），属于湿润的亚热带（Cfa）气候区（Fang et al., 2021; Deng et al., 2023）。如图1所示，研究中的峡谷宽高比（H/W）为1，峡谷长度（L = 12.5 m）满足完全发育的要求。

CFD验证的边界条件在表3中列出。如图3所示，在数值模拟中，本研究基于SOMUCH缩放室外现场实验的实验模型构建了一个二维街道峡谷模型，其尺寸和宽高比均为1（H/W=1）。街道峡谷的宽度和高度均为1.2米（WB = HB = 1.2 m）。遵循Tominaga et al.（2008）的模拟设计指南，计算域高度为...

街道峡谷风环境分析
在对缩放后的室外实验进行验证后，将耦合模型应用于理想化的全尺度城市街区阵列，以在受控条件下研究植被对行人级别风环境和热环境的修改。对于风环境分析，在参考风速Uref = 3 m/s下进行了比较模拟，而热边界条件、建筑几何形状和其他模型参数在所有...

限制和未来工作
本研究有几个局限性。首先，验证仅限于白天的风速和空气温度。由于空气温度代表了综合的热响应，模拟和测量的空气温度之间的一致性并不能独立验证耦合模型的各个组成部分。湿度也没有直接得到验证。未来的工作应包括在更广泛的气象条件下进行额外的测量，以进一步评估...

结论
本研究实现、改进并使用来自缩放后室外实验的高分辨率数据集评估了一个耦合的CFD建模框架。该研究考察了建筑物和植被布局相互作用对城市热环境和风环境变化的影响。然后应用该框架，在Uref = 3 m/s的条件下比较了两种规定的种植方案：连续树木（CT）和间隔树木（ST）下的城市风和热响应。每种方案都...

未引用的参考文献
Li et al., 2024, Li et al., 2026