室外风环境评价方法，常用且有效

1)蒲福风级

最早的风力研究可以追溯到19世纪初期，英国海军上将Francis Beaufort于1905年根据风对地面物体或海面的影响程度而定出风力等级——蒲福风级(Beaufort scale)，按强弱将风力划为“0～12”共13个等级。早年应用于航海，1923年风速计标准化后，蒲福风级经过略微修改以方便气象学使用，到目前仍是世界气象组织所建议的风级标准，其风速相当于地面上10 m高度处风速水平(表2-3)。当风速达到6级时，表现为撑伞有困难，说明人在户外的行为活动已经受到影响；而当风速达到8级以上时则极有可能危害人的生命财产安全。蒲福风级对于影响人活动以及风安全的风速标准的确定具有一定的指导意义，但需要换算为行人高度1.5m处风速值。

表2-3　蒲福风级

资料来源：作者整理绘制

2)相对舒适度评估法

1972年，Davenport^[3]基于蒲福风级对行人高度处人的风舒适度感觉进行了研究，探讨了从事不同活动行为的情况下，不同风速等级对人的风舒适度的影响，并结合了风速频率来描述人所能接受的不舒适风速的发生次数。结合表2-4可以看出，不同行为活动对风速的要求也不同，同时偶尔有较大风速发生，但能够控制在一定次数内，人还是可以忍受的，不会产生较大影响，但如果经常刮风，即使风速不大，人也会感觉不舒适。相对舒适度评估法丰富了室外风环境的评价，在实际中可针对不同使用性质的区域进行评估标准的选择，不需要采用同样的标准，对于详细城市空间的风舒适度评价具有较大的指导意义。

表2-4　Davenport基于蒲福风级的相对舒适度评价标准

注：发生次数中的一次，指历时1.7～2.5 h左右的一场风。
资料来源：Davenport A G.An approach to human comfort criteria for environmentalwind conditions.CIB/WMOColloquium on Building Climatology.Stockholm，1972.

3)风速概率数值评估法

1978年，Simiu E与Scanlan R H^[4]依据大量的现场实测、访问调查以及风洞实验的研究，在充分考量了人的风舒适度与基地平均风速及风速频率之间的关系后，提出了如表2-5所示的研究结果。该标准指出，当行人高度1.5 m处的风速维持在5m/s以内时，说明这个区域的风速不会对人造成明显影响，属于人的舒适风。而当风速超过5 m/s时，则成为了不舒适风，并且人的不舒适度不仅与风速相关，而且与不舒适风出现的频率也相关：当出现频率低于10%时，人们感觉尚可，基本不会产生什么不良情绪；当出现频率处于10%～20%之间时，人们会对这样的风环境产生一些不满，感到不舒适，抱怨会增多；而当出现频率超过20%时，人们会感到很不舒适，此种情况下则应针对风环境采取一些减小风速的措施。同时，实际城市空间中区域的风速并不是平均分配的，当在小范围内风速变化超过70%时，人的舒适度也会大大降低，因此人的风舒适度与活动区域内流场的分布也存在较大的联系。

Shuzo Murakami和Kiyotaka Deguchi^[5]于1981年提出了临界风速的概念，并提出了满足舒适性的具体条件。之后加拿大学者Michael J.Soligo等研究者在研究中又引入统计以及概率的理念，提出了超越风速概率数值评价标准，其评价方法是利用某个时间跨度内风速超过某一标准的比率来形成的。Soligo在1998年对诸多研究者的研究成果进行了总结与分析，并结合其自身关于风环境的研究和应用，提出了一套基于不同行为的临界风速及其频率的评价标准，来评价行人高度处风舒适度(表2-6)。其频率标准可以使风环境评价从动态风的角度来综合考虑某个时间段内的各种状况，而不仅仅是从一个特定的时间点来考虑，进一步丰富了室外风环境的评价角度和方法。

表2-5　Sim iu行人高度处风速与风舒适度的评价标准

资料来源：Simiu E，Scanlan R H.Wind effects on structures：an introduction to wind engineering［M］.New York：A Wiley Interscience Publication，1978.

表2-6　Soligo行人高度处临界风速与频率评价标准

资料来源：M JSoligo，PA Irwin，C JWilliams，etal.A comprehensive assessment ofpedestrian comfort including thermal effects［J］.Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998：753-766.

4)基于热舒适度的评价方法

除了人的风舒适度评价角度以外，人的热舒适度也是评价城市风环境的重要依据之一。空气流动是影响人体热舒适的六个主要因素之一，另外五个因素包括空气温度、平均辐射温度、相对湿度三个环境物理参数和新陈代谢率、服装热阻两个个体参数。大量研究表明在湿热的气候条件下，空气流动可以通过潜在蒸发来帮助身体散热，从而影响人的热舒适性。

1974年，Rohles等学者系统研究了在温度为22.2～29.5℃、风速为0.2～0.8m/s的条件下，测试者的热舒适和心理反应，发现了温度和风速对热感觉的显著影响，指出当风速达到0.8 m/s时，热舒适的温度上限也可从26℃提高到29.5℃^[6]。Khedari J等学者(2000)对泰国湿热气候条件下的热舒适性的研究指出，空气的流动对于人体的热舒适性具有较大的影响，并且热舒适条件遵循着“空气温度每提高1℃，风速则应增大0.5m/s”的规律(有效的实验数据介于0.5～1.5m/s)，而且当风速处于0.5～1.0m/s之间时，空气流动产生的有益影响更大^[7](图2-8)。清华大学田元媛等学者(2003)对在28～32℃的温度、70%～80%的湿度条件下，人体对0.7～1.4m/s的风速的反应进行了研究，指出在湿热环境下测试者感觉舒适的风速范围为1.0～1.2m/s^[8]。

图2-8　温度、湿度、风速与人体热舒适度的关系

*资料来源：Khedari J，Yamtraipat N，Pratintong N，et al.Thailand ventilation comfort chart［J］.Energy and Buildings，2000，32(3)：245-249.

香港中文大学的吴恩融教授等对香港的热舒适度进行了系统研究，总结整理了与香港气候相近的其他地区的城市热舒适度相关研究成果，结合测试研究，构建了香港户外热舒适度的评价图表^[9](图2-9)。该图中灰色区域代表的是在户外空气温度、太阳辐射强度以及风速综合作用下的热舒适区域，而灰色区域右侧为炎热的热感觉区域，左侧则是寒冷的热感觉区域。从图2-9中可以看出，在香港夏季平均空气温度约28℃，以及人处于树荫下(太阳辐射强度约为100 w/m2)的情况下，风速在1～1.5m/s之间则基本能满足人的热舒适度。在香港的《都市气候图及风环境评估标准可行性研究》当中，吴恩融等人基于香港的室外热舒适度，采用生理等效温度^[10](Physiological Equivalent Temperature，PET)舒适模型进行了调查研究，来获得行人高度处的热舒适度的风速阈值。典型的夏季日间，在空气温度为27.9℃、相对湿度为80%的情况下达到中性生理等效温度n PET=28.1℃(既不冷也不热的热感觉在生理等效温度中叫做中性生理等效温度n PET)的风速要求为0.9～1.3m/s，风速的取值取决于平均辐射温度Tmrt(表2-7)，香港的平均辐射温度一般高于空气温度4～6℃，但当采取在行人高度处广泛植树以及增加绿化面积等措施降低平均辐射温度时，也可以接受更多的风速标准。在其另一项香港热舒适性调查中，指出静风天气将进一步恶化城市室外空间的热舒适性和空气污染的扩散，夏天风速从1m/s降到0.3 m/s，相当于温度上升了1.9℃^[11]。

图2-9　香港户外热舒适度(室外空气温度、太阳辐射强度、风速)

*资料来源：Cheng V，Ng E.Thermal comfort in urban open spaces for Hong Kong［J］.Architectural Science Review，2006，49(3)：236-242.

表2-7　生理等效温度、空气温度、平均辐射温度与风速

(www.xing528.com)

*Ta——空气温度，Tmrt——平均辐射温度，V——风速，RH——空气湿度，Clo——服装热阻，MET——新陈代谢率
资料来源：Hong Kong Planning Department.Urban Climatic Map and Standards for Wind Environment-Feasibility Study［R］.Hong Kong：2008

基于已有研究，吴恩融等将行人高度处风速详细划分为5类：分类1—Vp＜0.3m/s；分类2—0.3m/s≤Vp＜0.6m/s；分类3—0.6m/s≤Vp＜1.0 m/s；分类4—1.0m/s≤Vp＜1.3m/s；分类5—Vp≥1.3 m/s。依次代表“静风”“差”“低”“基本满意”“好”的热舒适度标准^[12]。该标准对于相类似的湿热地区基于热舒适度的城市风环境评价具有较大的参考意义。

5)风速比与平均风速比评估法

风速比评估法认为在实际城市空间中，由于风速是时刻变化的，以单一的风速值来评价风环境的优劣并不具有实际意义。因此提出以实际流场中某点的风速Vi与相同高度处未受影响的风速V0的比值，即风速比Ri来反映由于建筑物的存在对风速变化的影响程度^[13]。具体公式如下：

式中：Vi——流场中i点的平均风速，m/s；

V0——来流方向相同高度处未受干扰的平均风速，m/s。

经过研究者大量的实验，发现建筑物周围的风速比在一定风速范围内是相对固定的，不会随来流风速而变化，因此可作为评价建筑物对风环境影响的一项简单指标。但由于风速比缺乏对行人感受的考虑，其本身数值的大小并不能反映风环境的优劣。早期研究中常以主导风向下的风速比大小为指标，来判断建筑周边是否出现风速增大导致风环境恶劣的情况；而随着大型的高密度城市的发展，城市内部的风速大大减弱，在这种情况下，一般来说区域的风速比越高，代表了该区域的通风性能越好，越有利于城市的风环境。因此，风速比评估法的应用也存在一定局限性，应结合不同的研究目的和条件来进行判断。

在香港中文大学吴恩融教授领导的《香港空气流通评估方法可行性研究》中，采用了风速比指标来评价行人区域内的透风效能和通风程度，其计算公式如下：

式中：V∞——城市边界层顶部的风速，此数值未受地面粗糙度、建筑物或区域环境特色的影响，代表了特定区域内原始风力强度；

Vp——行人高度1.5m处的风速，此数值受到建筑物的影响；

风速比VRw——反映了该地区城市形态对通风的影响，以及行人高度处所能享受的通风程度。

但由于风是从四面八方吹来的，因此该研究中采用了16个主要风向，以各风向的风速比乘以该风向的比率的总和来作为该地区的平均风速比VRW_mean，可以更加全面地表达该区域空间形态对风环境所造成的影响。其计算公式如下：

式中：Vpi——该位置内从i方向吹来的行人高度处的风速；

V∞i——从i方向吹到该区域的风速；

VRi——从i方向吹到该位置的风速比；

Fi——风从i方向吹到该区域的比率；

VRW_mean——16个风向下的平均风速比。

一般情况下，风速比越高，对香港的风环境越有利。高风速比说明该区域建筑的布局与设计取得了较高透风度，有益于城市通风。

6)风速离散度评估法

城市地块内由于受到建筑形态和布局的影响，各处的风速、风向一般各不相同，当在一定范围内存在较大的风速差异时，这种风速“突变”会影响人的舒适度，同时也容易形成涡旋，影响空气的流通，对地块的风环境造成负面影响。单一的风速数值难以反映城市地块内的风速差异特征，因此部分学者引入了“风速离散度”这一概念来反映城市某一地块内的风速分布的差异程度。离散度越小，说明地块内风速分布越均匀；离散度越大，说明风速分布越不均匀，其出现极端风环境和形成涡流的可能性则越大^[14]。

离散度是统计学中用来反映观测变量各个取值之间的差异程度，衡量风险大小的指标。常用的可以反映数据离散度的统计量有极差(Range)、四分位距(Interquartile range)、方差(Variance)、标准差(Standard Deviation)、平均差(Mean Deviation)、变异系数(Coefficient of Variation)等。其中方差使用数据集的均值作为参照系，考虑了数据集中所有数值相对均值的偏离情况，并使用平方的方式进行求和取平均，避免正负数的相互抵消，其计算公式如下：

式中：n——该数据集的数据量；

μ——该数据集中所有数值的平均值。

由于方差是数据的平方，与检测值本身相差很大，难以直观地衡量。为了能够得到一个跟数据集中的数值同样数量级的统计量，于是就有了标准差，标准差是方差的算术平方根，其计算公式如下：

一个较大的标准差，代表大部分数值和平均值之间差异较大；一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值。基于均值和标准差就可以大致明确数据集的中心和数值在中心周围的波动情况，是概率统计中统计分布程度最常使用的统计量。当进行两个或多个数据集离散程度的比较时，如果度量单位相同，则可以利用标准差来反映其数据的离散程度，标准差越大说明该数据集的离散程度越大，反之则越小。因此一般可选用标准差来描述城市地块内风速的离散程度，以便更为准确地反映区域内风速分布的特征。