我公司专访香港中文大学吴恩融教授团队

​香港中文大学吴恩融教授团队是我国较早开展城市气候系统性研究并在国际上具有影响力的团队。近日，吴恩融教授团队在行业顶刊《Building and Environment》发表了一篇有关ENVI-met V4软件及其在城市蓝绿基础设施方面应用的文献综述《Heat mitigation benefits of urban green and blue infrastructures: A systematic review of modeling techniques, validation and scenario simulation in ENVI-met V4》。

 

恰逢ENVI-met V4的最新版本V4.4.6在本周正式发行。鼓楼建科团队特别专访了该综述的两位作者，对近年来ENVI-met V4在城市微气候科研领域的应用进行一个系统的回顾；并邀请吴恩融教授送上对ENVI-met相关学者的寄语。

---

受访学者：

刘之欣    

博士后研究员，香港中文大学未来城市研究中心。主要研究方向为城市热环境，主要关注城市蓝绿基础设施对城市室外环境以及人体热舒适的影响。

史  源     

研究助理教授，香港中文大学未来城市研究中心。主要研究方向为数据驱动的气候适应性环境城市规划，主要关注城市化城市形态对城市气候环境、空气质量以及城市居民健康的影响。

采访人：

杨玉锦

城市微气候研究青年学者论坛学术召集人，南京鼓楼建科团队负责人，ENVI-met中国技术代表。

---

杨：刘博士、史博士，你们好。非常高兴再次和吴老师团队交流。我关注到你们近期和美国、爱尔兰的研究人员在行业顶刊《Building and Environment》上发表了一篇很有趣的，关于ENVI-met V4版本软件本身及其应用的文献综述。ENVI-met V4的最新一个版本V4.4.6刚刚在本周正式发行。我们也特别想邀请你们结合着最新的研究成果，聊一下相关的话题。不妨请刘博士先介绍一下这篇文章的大概内容吧。

刘：谢谢鼓楼建科，谢谢杨玉锦老师对我们团队研究的关注。这篇综述主要关注了ENVI-met V4版本在模拟城市蓝绿基础设施热效应方面的应用。我们梳理了79篇相关的文献，从建模、验证、以及情景模拟三个方面总结了ENVI-met V4植物（树木、屋顶绿化、垂直绿化）及水体的常用研究方法和结论。和其他综述不同的是，我们并没有横向比较各文献的模拟结果差异，因为各个ENVI-met各个版本之间还是有微差；我们更关注方法论的总结，着重关注了文献的数据来源、评价指标选取、评价分析方法等方面，希望能够为ENVI-met “建模-验证-模拟”的工作流程提供参考。

杨：那我们下面来仔细探讨你们在研究中关注到的问题。我首先对于文章前面一部分的统计数据相当感兴趣。因为业务关系，我接触了很多不同专业的软件用户，研究涉及到的文章很多我也阅读过。不管是从用户还是阅读方面，我的感性认识和您统计的结果高度吻合，一是微气候研究正在变得越来越热门，二是中国的研究者增加的格外多。这几张图我感觉特别直观，可能以后我上课时会经常拿来引用。

不难发现，中国学者正成为城市微气候研究领域最重要的力量，它们的文章占据亚洲半壁江山，甚至超过欧洲，而过去我们通常认为欧洲最为关注城市气候研究。你们怎么解读这样的数据，特别是中国的数据。

史：作为城市气候环境领域方面的学者，我们很欣慰可以看到来自中国地区的学者可以成为本研究领域的主要贡献力量。其实我们对这样的数据并不感到惊奇。这个数据背后是源自我国市民健康生活，城市生态文明建设，韧性城市、海绵城市发展的实际需求。当前全球气候变化的这个大环境给我们的城市生活带来了比较大的挑战。不断加剧不断延长的热浪天气给城市居民日常生活舒适度和健康都带来了一定的威胁。中国的城市发展仍旧处于一个相对迅速的时期，很多城市的规模在扩大，建筑密度也在提高，因此如何协调城市发展和气候环境之间的关系就成为了一个非常重要的课题。我们可以看到近年来，国家在城市生态文明建设、绿色基础设施建设、气候适应型城市发展等方面在政策层面都制定了明确的目标。同时在技术层面上也出台了很多城市规划气候评估的国家标准和行业标准。这些都是中国学者注重并致力于城市气候研究的动因。

刘：是的。另外一方面，我觉得这也和鼓楼建科团队在国内对ENVI-met不遗余力的宣传和组织教学有关。虽然ENVI-met已经是一个成熟、用户友好的产品，但我认为在利用ENVI-met进行研究的同时，还是需要对其操作以及背后的数理知识有一个系统的学习过程才能产出高质量的研究成果。在这方面鼓楼建科团队搭起了桥梁，为我们国内的学者提供了坚实的技术支持。 

杨：感谢认可，这是我们应该做的。吴老师团队在这方面做的大量前沿探索更值得我们敬佩和学习。在文章中，您谈到了“建模-验证-情景模拟”的研究方法，特别是关于树木的建模与模拟。我知道您在博士期间就对植物的建模方面有大量研究，您认为植物建模需要注意哪些问题，目前有哪些方法可以为我们建模提供更好的辅助。

 

刘：“建模-验证-模拟”三部曲可以说是各类模拟研究的通用思路。其中，建模的准确度在很大程度上影响着模拟结果对现实的反映程度，因此我建议对于那些对模拟结果影响比较大的建模参数尽量采用实测值以保证模拟结果的准确性（特别是在针对不同植物种类比较的研究）。如果觉得单株树木的实测值代表性不够，也可以测取一定数量的样本得到树木几何形态如树冠、树高、LAI之间的相关关系来表现当地树木的普遍特征。

当然，我知道现在ENVI-met植物建模需要输入很多参数，如LAI (LAD)、反射率、根深、根幅等，很多参数在缺乏专业测量仪器的情况下很难获得准确的数值，采用参考值或是软件默认值都是可以理解的。但希望在引用文献的同时多考虑其适用性， 毕竟各地植物的特征不尽相同。另外也呼吁大家在写作的时候将建模数值的取值原因或来源详细阐述，有助于读者判断文中的数据是否适用于自身的研究。

对于建模的辅助工具，现在ENVI-met已经能够与设计师们熟悉的Sketch Up, Rhino协同建模。虽然单体植物的塑造还是需要在Database Manager或Albero中进行，但SU和Rhino插件的应用已然大大提高了做大批量植物种植设计情景模拟的效率。

杨：验证一直是大家比较头疼的问题。我也不断被问及这类问题。而且对于植物影响的严格验证实验也的确不多。我看到您花费了很大篇幅来讨论这个问题，可以给我们再大致介绍一下吗？

刘：这篇综述主要从验证的必要性、常用于验证的微气候参数、常用统计指标、以及验证结果四个方面总结了ENVI-met的验证工作。在我们着重关注的79篇文献中，有约四分之三（54篇）都在研究中开展了验证工作，这已经成为了ENVI-met研究的一个必不可少的步骤。在文献研究的过程中，我个人感觉未来研究在验证方面可以更具针对性，即验证内容应该与文章的研究主题紧密相关。比如我们研究树木的热效应，那么相应的验证工作也应该针对树木开展。特别是我们在研究中常常关注绿化与非绿化场地的微气候差异，而真正关注两者差值的验证工作其实并不多，我认为可以作为未来验证工作一个可以细化的方面。

杨：验证中测试值和模拟值的差异，您认为应该如何处理？特别是在统计上，哪种方法更值得借鉴呢？

刘：R²是最常见的统计指标，在我们的文献统计中有64.81%的验证工作都选取了R²；其他指标如RMSE, d，MAE等用得频率也比较高。另外RMSEs、RMSEu， MBE，MAPE、NMSE等指标也都有文献涉及到。我们统计发现大部分文献都选取了两至三种指标相结合的方式来评价验证结果，这是有必要的，因为每种统计指标表现的侧重点是不同的。常用的如RMSE（包括RMSEs和RMSEu）和d的组合，杨小山曾在其博士论文中有详细的介绍。另外，我们发现很多验证工作仅选用了R²作为其唯一的评价指标，这可能需要在未来的研究中注意，因为Willmott曾指出这可能会对比较结果造成误判，因为R²只能评价大致的表现，并不能说明模拟与实测在数值上的一致性，即R²的大小与模拟实测的差异大小无关。

史：在这里我想补充的一点是，针对验证中测试值和模拟值的比较，除了关注他们在统计上拟合度的同时，也还要关注测试值和模拟值之间差异部分的时空特征。统计上R² = 0.8可以被简单理解为，我们的模拟值解释了80%的测试值的时空特征。但是我们还要观察拟合程度不佳的数据点中是否存在可以被观察到的时空特征。比如说，模拟值与实测值偏差较大的情况是否出现在某些特定的空间位置或者时间节点。单纯的依赖于统计而忽略了对现象从原理层面的分析，可能会导致我们错过一些重要的信息。

杨：2018年冬季推出的V4.4应该说是ENVI-met V4 推出后功能提升最多的版本，包括了立体绿化和全强制输入边界条件。您认为这是否对微气候模拟研究产生了促进？

刘：当然。V4.4中新的屋顶/垂直绿化模块真正把绿色表皮和建筑结合起来，对我们研究城市绿色基础设施很有大帮助。我还记得在以往的版本中我们只能将1D的simple plants附在建筑外墙作为一种粗略的方式来表现建筑的绿色表皮，但垂直绿化的基质层、和墙面的空隙等细节都无法直接表现。新模块的上线能够帮助我们实现对3D立体绿化的精细化模拟研究。

Full-force输入边界条件对验证工作是个很大的促进，特别是能够逐时输入太阳辐射这个功能非常有用。我曾经有做过针对华南地区树木的验证工作，当时并不能输入逐时数据、而是只能通过一个调整系数来调整背景太阳辐射，这对比较模拟和实测太阳辐射、气温、湿度、叶表面温度等微气候参数都有很大影响。另外以往我们对风的验证总是很发怵，因为simple force只能输入初始值。full-force的上线对于未来完整精细的验证工作是强有力的技术支撑。

杨：现在有一种三色基础设施的提法，指钢筋混凝土建造的灰色基础设施、植物绿化塑造的绿色建筑设施，还有水环境营造的蓝色基础设施。蓝色基础设置目前好像在微气候模拟中关注的还比较少。

刘：我们的文献统计发现特地关注水体的研究的确不多，大多都是以一个case study的背景环境出现。水体在水平和垂直方向上的冷却范围，以及与绿化的综合冷却效果是文献中大家比较关注的点。另外我们也发现了有学者开始关注水雾（water mist system），探讨了影响水雾的三个因素（水流量、喷射高度、风速）对周边气温和人体热舒适的影响，我觉得这是一个很新、也很有趣的研究点。

杨：是的，这方面物理模型匮乏还是限制了模拟应用，这只能在后面弥补。V4版本目前应该说已经画上了句号, 今年秋季我们会发行ENVI-met 5.0。和V3以及同领域的模拟软件相比，整体上你们如何评价ENVI-met V4软件和这个版本下的微气候模拟研究？

刘：V4和V3相比有了太大的提升，就我们熟悉的绿化领域来说，V4的3D树木、屋顶/垂直绿化模块都是让城市热环境研究往精细化方向发展强有力的技术支撑。整体上我认为ENVI-met V4不管在软件界面还是SU/Rhino插件的开发都表现出了极强的 “设计师友好性 “，为城市热环境研究和城市设计搭建了桥梁。我个人在文献整理的过程中觉得V4语境下的微气候模拟研究已经表现出了稍有一定重复性，许多研究的点已经被大家所熟知但还在不同的文献中被反复提及。今年V5.0的发布令人兴奋，在V5.0更强大的背景下我们的思路可以更开拓、将不同学科的研究思路和模拟方法与ENVI-met结合起来，相信一定会有更有趣的发现。

史： 作为ENVI-met的长期使用者，我们团队接触过ENVI-met从v3.0到v4.4.5期间几乎所有的版本，也见证了这款微气候软件在功能上的不断丰富。V4.4.5在功能丰富程度和用户体验上都已经与早期版本不可同日而语，软件不断升级进化给我们的科研带来了更多的可能性。除了数值模拟以外，我们团队的研究还大量使用到地理信息系统。因此，V4版本在对地理信息数据格式的支持大大提升了我们在建模过程中的工作效率。因此，我们非常高兴得知软件V5.0版本可以在今年秋季发布问世，我们非常期待将V5.0版本的软件应用到我们的研究工作中。在此，我们也祝愿软件在不久的将来可以进一步长足发展，让V6.0、V7.0的问世使城市气候领域的科研工作者和建筑行业专业人士受益。

杨：V3.0到V4.4.5的所有版本用户在国内可找不出很多！所以特别想听听您对ENVI-met的学习者和开发者有什么建议吗？

史：在这里我们希望给ENVI-met的学习者一点建议。在科研教学工作中，我们发现ENVI-met的入门学习者和用户会将更多的精力放在如何顺利完成软件操作得到结果的过程。的确，ENVI-met具有非常友好的用户界面和使用体验。但是我建议ENVI-met的学习者在学习软件本身的同时，也不妨多分配一些精力在对城市微气候基础理论和基本原理的学习理解上，相信对这些基础理论和原理的了解，可以帮助学习者避免软件使用的常见错误，并让整个学习和使用的过程事半功倍。

杨：的确，这也是我在各地讲课时候不厌其烦强调的， 要重视基础原理和物理模型。感谢刘博士和史博士接受我们的专访，并给我们分享最新的研究动态。非常期待在今年下半年举办的城市微气候研究青年学者论坛上再次见到你们！

史，刘：再次感谢鼓楼建科，感谢杨玉锦老师对我们团队研究的关注。我们非常开心可以借这个专访的机会和大家沟通。我们非常期待和城市微气候领域内的学者有更多深入交流，并期待在不久的将来建立长足的合作，一起为中国城市气候环境的改善和市民生活环境品质的提升贡献更多更好的科研成果。非常期待ENVI-met V5.0的面世，期待由此迸发出新的火花，促进我们的城市环境朝着更宜居的方向发展。最后，我们希望以吴恩融教授对ENVI-met用户的寄语结束本次专访：

May be it would be good to wish for how ENVI-met 6.0, 7.0 may look like. The future is always more important than the past.