街区尺度上的城市微气候数值模拟研究

发布时间：2020-11-22 01:59

　　微气候是城市规划的重要组成部分,合理的规划设计是改善城市微气候环境的基础。改革开放后,随着城市建设的快速发展,城市人口日益增多,大规模的建筑物、沥青柏油路等人工构筑物使城市形态复杂化。高密度、高容积率的建成区不断的改变着城市下垫面性质,再加上大量的人为热排放,导致城市与郊区间形成了明显的“热岛效应”。同时,高大而密集的建筑物使城市空气流动受阻,导致排放在空气中大量的气体和颗粒污染物难以扩散和沉降,产生诸如PM污染物等恶劣的大气污染问题。城市问题的逐渐加剧,城市生态的研究日趋重要。从长远来看,城市中的环境问题很大程度上是由于城市设计与产业布局不合理致使城市物质与能量在空间布局不合理造成。通过选择下垫面种类、优化构筑物形态布局、合理配置绿化种类与城市生态环境之间的关系以及影响,可为我国城市规划、基础设施配套、旧城改造与管理提供参考。本研究以城市微气候为研究内容,对国内外城市微气候相关领域的研究现状及趋势进行了总结,引入了ENVI-met数值模拟方法和应用。首先,从建立3D建筑数字表面模型开始,为解决城市微气候问题的研究提供基础数据。以北京CBD区的部分地区作为研究对象,对卫星遥感图像进行解译与几何校正,确定了建筑物面积、地理坐标等信息,再对建筑物高度信息进行采集,将采集的457栋建筑物高度信息录入ArcGIS软件中并计算建筑面积,初步完成数字表面模型数据库的构建。在此基础上,划分不同构筑物形态区域。其次,从生态学的角度,基于微尺度气候模型ENVI-met耦合微气候特征空间分布模式。借助于卫星遥感影像图作为建模底图,根据研究区特定的初始时间、温度等其它控制参数,再结合实测值与模拟值进行对比。使用均方根误差(RMSE)及平均绝对百分比误差(MAPE)对模型的精度进行评价,利用模型决定系数与校正的决定系数衡量模型的质量。一方面,以北京典型住宅区为研究对象,建立实况及设有屋顶绿化两种场景下的三维数值模拟模型,得到了微气候特征在研究区的空间分布结果,同时利用实测数据对两种场景模拟结果进行对比分析。另一方面,在北京CBD区定量划分不同构筑物形态区,建立了基于ENVI-met模拟平台的三维模型,基于该模型比较分析了不同构筑物形态的温度、湿度、风速风向等微气候环境因子,探讨不同构筑物形态与街区尺度上城市微气候之间的关系。本文研究结果表明：(1)经过多次参数校正之后,模拟软件结果与实测结果在时空分布趋势上基本一致,能够很好的反响实况下街区尺度上城市气候的分布特征。(2)在住宅区屋顶经过简单的绿化后具有较好的降温增湿效果,使研究区平均温度降低了2-3℃,相对湿度增加了2.7%,风速由0.32-2.70m/s降低至0.40-1.11 m/s,整体下降了0.34 m/s。(3)街区尺度上的不同构筑物形态的微气候具有空间分异特征,半围合式形态及建筑密度高的区域,温度较高而相对湿度与风速较低；错落行列式的形态区域,空气流动性差致使风速降低。相对湿度在开阔且植被覆盖率高形态区域高于行列式构筑物形态区域。将微尺度模拟软件应用于微气候环境评价中,通过设置不同场景建筑物与绿化配置,分析不同构筑物形态,选择最优方案,在一定程度上对于评估当地微气候设计和城市规划领域具有一定的实用价值。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TU119.4;TU984
【部分图文】：

小尺度空间,互作,数据流程图,植物

风速、风向、平均福射温度等气象参数。可设置大量与城市实际相符合的复杂几何特征的建??筑物，树木和绿化的处理不仅可Ｗ渗透乂阳福射和风，同时可将植物生长过程中的光合作用??纳入计算之中，用户还可根据白己的甫耍编写特有属性的植物类型。并息可实现对计算室??外热舒适度的输出－针对城市内部评价棉射温度（ＭＲＴ）进行相关分析。ＥＮＶＩ－ｍｅｔ软件数据??模拟流程如图３－１?示。??衛、填型运算??

软件模型,来源,结构示意图

ＥＮＶＩ－ｍｅｔ由Ｈ维的核也子模型（包括大气、植被及十．壌子横型）和一维边界层模巧组成。??在Ｓ维模型上主要设置建筑物、植被、水体、下垫面属性和污染源等等，是由一个垂直方向??的Ｚ?Ｗ及两个水平方向的Ｘ和Ｙ组成（如图３－２）。上壤模型是一维模型，从地表向下１．７５??米深度共设置１４层，自上而下可计算±壤系统的水分和热量交换。在下垫面嵌套选择时，±??壊可要由两种嵌套构成多网格的缓冲地带，作为实际模型区域的边界，用于确保上风边界对??应的Ｈ维区域风剖面，ｔＵ避免边界效应对数值模型计算的干扰：在设置Ｚ方向网格高度时，??应至少是Ｈ维模型中最高建筑物的高度两倍及其Ｗ上。??１Ｄ－Ｍｏｄｅｌｌ??／?＿＿＿＿＿＿＿??／／?／?Ｍａｉｎ?３Ｄ?ｍｏｄｅｌ??Ｎｅｓｔｉｎｇ－Ａｒｅａ?＾?／??－ｍｗ?／、?１??．口?ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ?ｉｉｉｉｉｉｉｉｉ?ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ?ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ?Ｉ……Ｉ?ｉｉｉｉｉｉｉｉ———ＩＩＩ■■■■■—■－ＩＩ—￣￣Ｓｏｉｌ?Ｍｏｄｅｌ?￣＾?＼??了＿……．．?．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｕ皿丄－ｆ?Ｉ／．?．??图３－２?ＥＮＶＩ－ｍｅｔ的软件模型结构示意图??来源：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｖｉ－ｍｅｔ．ｃｏｍ／??Ｆｉｇ．３－２?Ｔｈｅ?Ｓ位ｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＥＮＶＬｍｅｔ?ｓｏｆｔｗａｒｅ??Ｈ维核也子模型区域下部为自由出流，用于模拟真实区域的所有进程，顶部为强迫进界，??即一维边界层模型

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