树木与风相互作用的综合数值建模策略：对韧性城市设计的综述及评估框架的提出

城市树木通过调节风环境和增强城市韧性发挥重要作用，但易受极端风害威胁。数值建模是研究树-风相互作用的关键工具，现有研究存在学科割裂和方法论整合不足的问题。本文系统综述孔隙介质模型（PMMs）与有限元模型（FEMs）的适用场景：PMMs擅长城市尺度风环境模拟，FEMs适用于结构安全评估，并提出基于研究目标的整合分析框架，揭示多尺度耦合、高精度流固耦合及数据驱动代理模型等新兴方向。

邓启瑞|崔东进|李立晓|林鹏飞|麦卓明

深圳大学建筑与城市规划学院及亚热带建筑与城市科学国家重点实验室，中国深圳518060

摘要

城市树木在调节城市风环境、增强城市韧性方面发挥着关键作用，但在极端天气事件中却容易受到风害影响。因此，数值模拟已成为研究树木与风相互作用的必要工具，有助于环境性能评估和结构安全评价。然而，现有研究在不同学科间仍存在较大碎片化现象，缺乏对建模策略和选择逻辑的系统性综合。本文从综合、目标导向的角度探讨了树木与风相互作用的数值方法，涵盖了两个互补的研究方向：(i) 模拟树木如何改变城市气流和微气候条件；(ii) 模拟风对树木结构的影响及失效风险。在气流调节方面，本文回顾了计算流体动力学（CFD）框架中的多孔介质模型和基于形态的模型，重点讨论了建模假设、植被参数化、湍流处理及适用空间尺度；在结构安全评估方面，整合了基于有限元的模型，重点关注风荷载表示、材料非线性、根土相互作用以及损伤和风险评估标准。除了总结各个研究外，本文还对比分析了各模型的能力、局限性和数据需求，强调了计算效率与物理真实性之间的权衡，并提出了一套综合工作流程，以指导抗风城市绿色基础设施的建模与耦合。最后，本文还讨论了多尺度耦合、高保真流体-结构相互作用及数据驱动的替代建模等新兴研究方向。

引言

城市绿色基础设施（UGI）是可持续城市发展的基本组成部分，能够提供多种生态系统服务，提升环境质量和人类福祉（Chan等人，2015；Lafortezza等人，2009；Pinto等人，2021）。在UGI的各种要素中，树木尤为关键。除了美学和生态价值外，树木还是城市微气候的主动调节者。大量实证和建模研究表明，树木主要通过遮荫和蒸散作用缓解城市热岛效应，从而降低环境空气温度并提高热舒适度（Akbari等人，2001；Bowler等人，2010；Shiflett等人，2017；Zhang等人，2017；Cui等人，2022；Cui等人，2024；Jiao等人，2024；Jato-Espino等人，2025）。

除了热调节作用外，树木还对城市气流模式有显著影响。通过改变表面粗糙度和引入分布式的空气动力阻力，植被改变了风速、流动方向和湍流特性，进而影响城市通风、污染物扩散和局部微气候条件（Zheng等人，2018；Wang等人，2019；Yang等人，2019；Wong等人，2021；Tang等人，2023；Mun等人，2024）。在某些情况下，植被还可以减弱来风速度，为相邻建筑和基础设施提供部分保护，从而提升城市安全性（Landry等人，2021）。这些空气动力效益通常通过街道、社区或城市尺度的数值模拟来量化。

然而，树木的作用并非完全有益。随着极端天气事件（如台风和强风暴）的频率和强度增加，树木也成为了城市环境中不可忽视的风险来源。风引起的树木损伤（包括树干断裂和倒伏）会严重损害生态系统服务，并对市政基础设施、行人安全和交通网络构成直接威胁（Virot等人，2016；Kim等人，2020；Kim等人，2021）。在密集的城市环境中，此类损伤往往突然发生，可能引发超出单个树木范围的连锁反应。因此，当代城市规划和设计面临一个内在矛盾：如何在极端风条件下最大化树木的空气动力和热效益，同时最小化其结构失效风险。

为应对这一双重挑战，数值模拟已成为树木与风相互作用研究中的不可或缺的预测工具。现有研究主要受两种不同建模范式的主导：一方面，计算流体动力学（CFD）框架内的多孔介质模型（PMMs）被广泛用于研究城市风环境，通过将树冠视为具有等效空气动力阻力的多孔体，实现风速衰减、通风性能和大规模气流重分布的高效模拟；另一方面，有限元模型（FEMs）是结构工程和生物力学的标准方法，这些模型明确解析树木几何形状和材料属性，以量化风荷载下的应力分布、变形和机械失效极限。重要的是，这两种范式在不同学科社区中独立发展，方法论整合程度有限。

尽管PMMs和基于FEM的方法在其各自领域内已相当成熟，但在应用于城市设计和规划实践时仍存在关键的方法论差距。研究人员往往对每种建模策略的适用范围、基本假设和局限性缺乏清晰理解，这可能导致次优甚至错误的决策。例如，在需要详细结构安全评估的情境中可能使用简化的PMMs公式，从而忽略局部应力集中；相反，在风险敏感区域，高保真FEM分析可能因计算障碍而被过早排除，而非基于客观可行性。现有文献缺乏的并非额外的数值公式，而是一个将建模选择与研究目标、空间尺度和风险情境明确联系起来的问题导向框架。

为解决这一方法论脱节问题，本研究对树木与风相互作用的数值模型进行了系统性的方法论回顾，特别强调了在不同研究目标下的模型选择。本文并非提出新的数值模型，而是旨在阐明PMMs和FEMs在城市环境评估和结构风险评价中的各自作用、假设和局限性。与主要总结建模技术的现有综述不同，本文围绕评估目标和决策层次重新组织文献，明确将数值策略与环境性能、结构安全和高风险情景联系起来。具体而言，本研究旨在：

(i) 从理论基础、参数要求以及适用的空间和时间尺度方面，批判性地比较PMMs和FEMs方法；

(ii) 将现有的建模实践整合为一个综合的、目标导向的框架，连接空气动力性能评估和结构安全分析，并通过示例工作流程展示这些模型的不同适用范围，从而提供具体的选择指南，明确哪种建模方法（PMMs、FEMs或综合策略）最适合特定的城市设计和风险评估目标。

通过整合现有的数值建模策略并阐述统一的模型选择逻辑，本研究旨在将树木与风相互作用研究从学科特定的研究转向一个支持韧性化和风险意识的城市设计的综合方法论基础。

文献综述方法

文献综述方法

为了构建一个能够捕捉树木与风相互作用研究方法多样性和研究进展的综合性跨学科数据集，使用了Web of Science数据库进行结构化文献搜索。选择该平台是因为其在工程、环境科学、林业和应用物理学等多个相关学科具有广泛的权威覆盖范围，有助于减少学科偏见。

树木与风建模方法论差异的文献计量证据

进行文献计量关键词分析的目的不仅在于映射研究主题，还在于为树木与风相互作用研究中使用的数值方法的方法论差异提供实证证据。通过分析关键词共现模式和主题聚类，本章阐明了从空气动力性能评估到结构失效预测等不同研究目标如何系统地影响了建模方法的选择、发展和演变。

PMMs：环境调节工具

从评估的角度来看，PMMs主要用于支持基于环境调节的评估，其中决策依赖于空间平均的气流特性，而非局部的极端响应或结构失效机制。在所提出的框架中，PMMs作为一级建模工具，用于量化非失效主导条件下植被如何改变城市风环境。

结论

本文从目标导向的角度综合了树木与风相互作用的数值建模策略，将重点从模型开发转向与决策相关的模型选择，并得出以下关键结论：

1. 树木与风相互作用的建模本质上是目标驱动的。文献计量证据表明，研究目标、空间尺度和风险敏感性的差异系统地决定了数值建模策略的选择。

2. PMMs适用于……

未引用的参考文献

(Cui等人，2025年3月；Dupont，2016年；Goncalves等人，2023年；Katul和Albertson，1999年；Lin等人，2024b；Lin等人，2025年；Luo和Ai，2022年；Srivanit和Kaewkhow，2024年)

CRediT作者贡献声明

邓启瑞：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论制定、数据整理、概念构建。李立晓：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、概念构建。林鹏飞：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论制定。麦卓明：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念构建。崔东进：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：崔东进报告获得了国家自然科学基金[项目编号52378026]和广东省基础与应用基础研究基金[项目编号2025A1515510026]的财政支持。