城市热环境建模与模拟

城市热环境是城市空间环境中存在的热力场的综合表现，地表温度只是其中一个表征因子，热环境与大气污染、生产生活能源的释放、高的建设容积率、水体、植被的分布状况等多种因素相关，因而它是以上多种因子的综合。城市的热量也是城市环境的综合反映，所以通过对城市热环境的研究可以揭示城市空间结构、城市规模的发展变化。此外，随着人们对生活舒适度、身体健康、安全程度要求的进一步提高， 城市热环境已成为城市社会经济可持续发展的基础支撑条件，良好的城市热环境也是城市人居环境生态化的重要标志。提高人们对城市热环境的认识，掌握城市热环境表征因子和影响因子的空间分布以及定量研究各影响因子对城市热环境影响是实现可持续发展的重要环节。城市土地利用类型的变化和城市人为热释放是造成热环境恶化的重要原因，其中城市土地利用类型的变化(主要表现为城市建设用地的扩展和绿地的减少)是最为首要的因子。遥感等技术使城市热环境分析与模拟成为可能，通过分析和模拟，可以直观地看到城市热场的演变，以及不同的土地利用方式所造成的下垫面的改变对城市热环境的影响。因此，进行城市热环境建模与模拟的具有深远的意义:①可以定量揭示各种影响因子对城市热环境变化的影响程度及贡献率；②定量研究不同下垫面类型对城市热环境的影响，为更进一步全面定量研究其他城市热环境影响因子及其对城市热环境的影响程度奠定基础；③可以为城市规划管理和环境保护、能源合理使用、土地利用规划、城市生态建设、制订缓解城市热环境的策略措施等方面提供理论基础和应用依据；④可以提高全社会对城市热环境的保护意识。广西善图科技有限公司。

城市热环境是由于城市环境的能量分布和能量交换而形成的，它是城市环境物理的、化学的、生物的过程之间相互联系的纽带，温度指标与这些生物、物理、化学过程指标之间具有紧密的联系，在-定时空尺度内，下垫面温度的变化，反映了这些生物、物理、化学过程之间的能量平衡关系，形成城市不同的热场分布特征。作为地表能量状态的指标，温度深刻地刻画了由城市组成物质的热特性和几何结构共同决定的环境热特征，是各种能量流动过程的综合表达。因此，近年来国内外学者建立了很多城市热环境的综合模型。例如，Cermak利用风洞实验，研究了城市气压分布以及城市中污染物扩散分布的情况，这种方法能够直观地表现出特殊下垫面对气温的影响，但无法模拟城市内部的热力结构，同时这种方法费时费力，成本较高。正是由于这些难于克服的缺点和计算机技术的发展，数值模拟和数学模型工作得到了很大发展。Dhakal 和Hanaki在考虑了建筑物热量储存的基础上，用建筑物能量仿真模型，分别估算商业建筑、办公建筑和住宅建筑所释放的能量，在此基础上用地理信息技术估计整个东京市区热量的分布，然后将此数据结合气象观测数据数据输入中尺度气候模型来分析城市热环境，进一步研究哪种释放方式对改善城市热环境更有效。Takahashil 和Yoshi-Da对东京市的商业区、大学校园和混凝士广场三个具有代表性的典型区域同时进行热量流动的观测，得到了不同区域的温度、湿度、风速，以及显热、潜热等参量，分析了不同下垫面对热量流动的影响，然后利用计算机流体动力学模型模拟出气温、湿度、风速等参量，并与实测值进行比较，结果显示此模型能够较好地预测城市热环境。陈云浩等针对城市热环境的结构特点设计了三种不同的分形计算模型，分别是曲面分形(热场整体的分形特征)、剖面线分形(典 型区域热场结构信息变化的对比分析)和像元点分形(像元热场变化梯度的定量描述)，对上海市1990 年、1995年和1998年城市热环境的结构信息变化过程进行分析。Takeshi 等提出κ-epsilon模型分别对长滨市区和东京市区的城市热环境进行了分析。

Saito等对熊本市进行大范围观测与小块绿地的小范围观测相结合，具体分析了温度与绿地的关系，包括气温与绿地的相关系数、城郊温度的差别以及绿地内部及其周围温度的差别；而Avissar则通过给不同的用地类型赋予不同的植被覆盖率值，然后将具有相同植被覆盖率地点可组合到一个集合，对每个集合用地-气交互式动力学模型评估地表通量，来研究绿地对城市热环境的作用。城市的下垫面结构特征、城市人为热、城市的建筑物结构以及城市的绿地、水体等均会影响到城市热环境的改变，但同时城市所具有的这种特殊的热环境会反作用于城市，并产生一些不 良影响，如城市大气污染、城市沙漠化及城市暴雨等。陈云浩等研究了城市热环境对城市降雨的影响，利用热信息研究城市降雨(暴雨)的空间分布差异及降雨系统的混沌特征，并在此基础上提出了基于人工神经网络的集成降雨时序分析与预报模型。通过对城市热环境的分析，Urano 等、 柳孝图和陈恩水分别讨论了城市道路、建筑物的宽度高度、建筑物布局、城市绿化和水体在内的城市规划和建筑设计对于改善城市热环境的效用。Evans和Deschiller则通过三个具体实例说明将城市气候的研究应用到城市规划来提高生活条件的可能性和局限性。