第二章 研究方法
第二節 示範地點之都市通風環境評估
ㄧ 、 都 市 氣 候 資 訊 蒐 集
本研究將透過多種方法取得都市氣候資訊包含：現地實測以及透過中央 氣象局及大氣水文中心取得與利用經濟部能源局之地表風速資訊，進行都市 風環境特徵之資訊獲取。首先將在示範區域進行密集的風速風向偵測，將透 過於示範區內不同地況區域之電線桿或是交通燈具架設風速風向計(圖 2-5)，
因故及到交通安全以及儀器之安全性，其高度設定為兩米高，該儀器之型號 為 Navis Wind logger Type JWSD-L400，風速量測範圍為 0,6-50 m/s 精準 度 0,1 m/s , 風向量測範圍為 0-359° 精準度則為 1°。實測之點位設定包 含高開發商業區以及住宅區與都市公園等多種不同使用地區，其使用目的亦 將用來檢驗模擬之風速風向圖之準確性以及取得都市風環境特徵(圖 2-6)。
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圖 2-5 風環境量測儀器設置 (資料來源：本研究拍攝)
圖 2-6 儀器設置分佈 (資料來源：本研究製作)
本研究亦將進行都市熱環境之實測，其主要目的為利用都市熱環境之資 料與風環境資料結合，進行演算藉以了解都市風環境與熱環境之間的關聯，
同時因計算體感溫度之方法必須納入風速做為因子，因此亦可了解都市通風 對人體健康亦即熱壓力之影響。
本研究使用本實驗室常用資料紀錄器 LOGPRO TR-32, Tecpel Co., Ltd.記 錄溫濕度，並同時至於地表兩米高之燈桿及電桿上，並使用風雨遮罩保護其
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內部儀器不受極端氣候影響以及保持良好的通風狀況(圖 2-7)，而其儀器精 準度為溫度± 0.5 °C 及濕度 ± 5% ，顯示解析度則為 0.1 ° C and 1%，儀器 將每兩月進行一次回收以及資料分析，同時以上所述之儀器都將定期送回製 造商較正，以確保所獲得氣候資訊之可用性。
圖 2-7 熱環境量測儀器及位置示意圖 (資料來源：岑宛珊，2018)
本研究亦將從中央氣象局之長期氣候資料庫中獲取逐時之氣候資訊包括
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空氣溫濕度、風速、輻射量等數值(圖 2-8)，因其距離示範區之距離僅為 300 公尺，故亦可做為示範區量測氣候資料之校正點，而因為過去多進行風場模 擬時多採用中央氣象站為於各城市之測站資料做為邊界條件設定，而此方法 往往會因為所欲模擬之區域的不同地況將造成不同氣候環境特徵，以及所欲 模擬之區域距離氣候站遙遠等問題而造成不準確且無法符合現況的模擬結果，
故本研究亦將增加氣候數據之來源，將應用大氣水文中心設於台南多個的各 級氣象站，下載其長年風環境之資料用於呈現都市風環境特徵之呈現與風環 境評估中做為未來模擬區域之邊界條建設定，可使得其氣候參數更接近現況，
較不容易因起始條件的落差造成後續模擬結果的失準。
圖 2-8 氣象局台南測站與小型氣象站
(資料來源：本研究拍攝)
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同時本研究因著重探討地表不同地況對於都市風環境之影響與關聯性，
故將使用由經濟部能源局全台風能評估分析並經地理資訊系統處理，進行地 表風速計算與風能資料視覺化、分析與整合。
本資料集是透過地理資訊系統整合台灣地區各地風能模擬數據，風能觀 測部份包含工研院嘉義、屏東、宜蘭陸域風能觀測站與嘉義外傘頂洲海域風 能觀測站、台電公司彰濱風速塔以及中央氣象局 29 個局屬測站（10 m），資 料包含逐時風速、風向、氣壓、溫度等觀測項目；全球氣象網格資料部份包 含 NCEP Final Analysis 以及 QuikSCAT 衛星風場，分別作為氣象模式初始場 以及加強海域觀測數據。建置成可快速翻閱查詢的地理資訊形式，以便於了 解全國各地區的風能相關資訊，作為風力開發潛能的估算依據，以及風能開 發潛能與篩選潛在場址之參考(圖 2-9; 圖 2-10)。
本圖層資訊使用 WRF 模式系統分析預報資料，並將地形與地表之特徵建 立且內插至模式之網格中，再引進低解析度之全球觀測分析資料作為模式網 格的初始場，並藉由繪圖軟體將結果加以分析並進行風場之繪製。(楊智軒，
2018) 此資訊可協助後續使用局地氣候分區之方式取得地表粗糙度後，經由 十米高之風速進行粗糙度與風速之指數公式進行運算折減，求得地表行人尺 度之風速，以便進行後續風環境之評估。
本計畫透果此方法取得台南極高雄研究區域範圍中的風速資訊，藉此可
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提供後續於第三節探討粗糙度計算之方法時使用局地氣候分區計算地表粗糙 度部分進行地表風速之折減，此做法可較過去使用單一測站之風速資料做為 基準進行風速演算更具有可表現地表地況所造成之風環境差異，可以更準確 的描述都市風環境特徵。
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圖 2-9 經濟部能源局台南 10 米高風速_台南 (資料來源：經濟部能源局官網)
圖 2-10 經濟部能源局台南 10 米高風速_高雄 (資料來源：經濟部能源局官網)
二 、 都 市 發 展 資 訊 蒐 集 與 建 置
都市發展資訊主要是透過向當地政府申請或是自行經由地理資訊系統建
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置的向量圖徽，如土地使用以及總樓地板面積與地形高層圖等(圖 2-11)，而 當中亦有許多進階圖層是可透過基礎圖層經過加工，如不透水率、天空可視 率、人口密度、風阻面積指數等(圖 2-12)。
使用都市發展資訊圖層可以用來計算都市風環境，包括透過地表不同地 況之粗糙度折減演算行人尺度的風速，以及使用建築資訊匯入模擬模式來預 估風速風向，或是藉由建築之迎風面積指數來評估都市中風廊之分布，亦可 透過都市氣候地圖之模式來建立風環境與都市發展間之關聯分析，過去許多 國內外之城市皆透過收集與製作都市發展資訊圖層來取得都市氣候與建成環 境之間的關聯，(Sterten, 1982; Lindqvist and Mattsson, 1989; Paszynski, 1990; Parlow et al., 1995) 。
因此透過多種都市發展資訊因子綜合討論，於未來應用到都市計畫進行 都市建成環境修正時，也較能有量化的指標提供目標作為修正原則，以下將 說明有關都市發展之資料圖層，以及其與都市氣候間之關聯(陳育成，2018)。
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圖 2-11 台南市都市發展圖層
(資料來源：Chen et al., 2016)
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圖 2-12 台南市建築資訊模型與總樓地板面積分佈 (資料來源：林建廷，2016)
三 、 都 市 通 風 環 境 評 估 與 都 市 風 廊 建 置
建築立面面積指標是根據建築物的方位(Grimmond and Oke, 1999; Wong
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et al., 2011）根據各個方向的風阻程度計算出來的(圖 2-13)，用於評估熱負 荷和風環境之間的關係。因其可綜合為考量季節風向、建築物立面座向、高 度及密集度的一項標準，同時也為評估地表粗糙度的其中一項指標，定義為 對一特定風向之建築立面，所垂直投影出來的面積，再與評估範圍之基地面 積相除的比值，其公式如下公式 1 所示：
FAI(Θ)=A_proj/A_T ---(公式 1) Θ：風向角度
A_proj：建築立面投影面積 A_T：基地面積
圖 2-13 建築立面面積指數計算方法 (資料來源：林建廷，2016)
較大的風阻面積指標區域表示較低的通風潛力，因此會導致更大的熱能 儲存（Kurn et al., 1994; Zhang et al., 2011; Lu et al., 2012）。建築迎風立面係數
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與建築物的總建築面積密切相關，它可以代表建築物的效果，也代表能源消 耗對熱環境的影響。因此風阻面積除了用於計算都市風環境分析以及風廊分 布更可用於確定建築物對區域熱環境的影響。
建築迎風立面係數可綜合為考量季節風向、建築物立面座向、高度及密 集度的一項標準，透過建築迎風立面係數的計算，即可呈現在某一季節優勢 風向中，某一特定範圍內之風阻程度大小，由此可進一步判斷未來在各區域 內，風流經之潛力和順暢度。都市中迎風立面面積指數較小的地區，配合最 小路徑法的應用，即可快速預估都市風廊道，可使郊區或海風等較為涼爽的 風，藉由此廊道導入市中心，並減少都市污染(圖 2-14)。
圖 2-14 都市三維建築物面積可視化模型
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(資料來源：林建廷，2016)
本研究所運用之最小路徑法，以風會往阻力較低的區域前進為前提，模 擬風廊在都市中分佈之位置，以模擬熱季日間優勢風向西風，從海面流向都 市中心的集中趨勢作為預設之環境條件而進行操作。風起點設定方法，以西 側邊界網格中心每隔 50 公尺設置風的起點，以最都東側之直列連續網格為 終點面(林建廷，2016)。而在結果驗證部分則會透過流體力學模式進行風環 境比對分析，已證明此方法用於評估都市風廊之可行性(圖 2-15)。
圖 2-15 風廊預估方法-最小路徑法
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(資料來源：林建廷，2016)
將建築迎風立面係數(FAI)解釋為地表粗糙度(圖 2-16)，在風會往 FAI 值較低的地方流動的假設下，使用最低成本路徑法(Least Cost Path)進行都 市風環境的模擬。而最低成本路徑法(LCP) 被分為兩個部分進行演算，其一 為距離成本計算(cost distance)，其二為路徑距離(cost path)。距離成本 計算即為運算所有起點可能行進路線之累計網格成本，其中包含網格本身的 成本以及路徑移動的成本。經過距離成本計算後，再透過路徑距離，尋找相 對於已設定終點之起點，累計成本最低的路徑作為最佳路徑(圖 2-17)。
圖 2-16 台南建築立面面積指數分布
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(資料來源：林建廷，2016)
圖 2-17 台南建築立面面積指數分布 (資料來源：林建廷，2016)
而 CFD 具有成本低、速度快、資料完備等獨特的優點，並且可自行設定 所 欲 預估 環 境 尺 度 之 大 小 ， 本 研 究將 使用 已 受 學界 及業 界 普遍使 用 之 SkyHelios 進行戶外風環境之模擬與預測(圖 2-18)，並可進而應用至觀察建 築物所造成的微氣候風環境如川堂風、迎風面渦流及掀裙風等，並可用來測
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試模擬不同建成環境所造成多種的風廊分布以及通風環境評估與驗證。
圖 2-18 CFD 模擬模型 SkyHelios 操作介面與台南模型匯入情況 (資料來源：本研究製作)
其中本次研究所使用 SkyHelios 之邊界條建設定包含起使溫度、濕度以 及風速等資訊，皆透過實際量測所取得，其中將透過長時間知地表風速量測 取得不同季節之條件設定如表，而後透過選擇產出氣候環境之成果即可取得
其中本次研究所使用 SkyHelios 之邊界條建設定包含起使溫度、濕度以 及風速等資訊，皆透過實際量測所取得，其中將透過長時間知地表風速量測 取得不同季節之條件設定如表，而後透過選擇產出氣候環境之成果即可取得