基于遙感與CFD仿真的城市熱環(huán)境研究——以武漢市夏季為例.pdf

1、在我國的夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱的氣候條件使不少城市難以達(dá)到宜居環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，城市熱環(huán)境成為關(guān)注的焦點。城市熱環(huán)境問題包括城市氣候、城市規(guī)劃、城市下墊面組成等多方面的因素，涉及多學(xué)科的研究領(lǐng)域。本文在夏熱冬冷地區(qū)的氣候條件下，以武漢市為例，采用RS（Remote Sensing）遙感技術(shù)、CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技術(shù)等數(shù)字化的城市研究手段，探討城市熱環(huán)境運行狀況，解析城市熱島結(jié)構(gòu)，并在城市規(guī)劃層

2、面找到相應(yīng)的熱環(huán)境改善措施。RS遙感技術(shù)具有全面、周期性觀測的優(yōu)勢，其熱紅外反演技術(shù)可以較好的通過相關(guān)衛(wèi)星影像反演地表溫度、蒸散量、植被指數(shù)等熱環(huán)境相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合下墊面的性質(zhì)和組成情況進(jìn)行熱環(huán)境分析。此外，該技術(shù)還可以為后續(xù)的CFD模擬研究進(jìn)行修正參數(shù)、對比修正模擬結(jié)果等工作。CFD流體力學(xué)仿真技術(shù)具有流體分析的優(yōu)勢，借助對城市風(fēng)環(huán)境的模擬研究，可以分析城市大氣邊界層與熱環(huán)境的關(guān)系，了解熱環(huán)境運行狀態(tài)。還可以針對概念性設(shè)計方案和優(yōu)化方

3、案進(jìn)行模擬研究與評估。兩種技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行的城市熱環(huán)境研究可以相互支持、相互彌補(bǔ)不足，成為緊密的熱環(huán)境研究體系。本文以上述思想為基礎(chǔ)，著重研究了以下主要內(nèi)容： （1）首先研究了熱環(huán)境研究的緣起、研究背景及研究意義等問題。然后通過對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展的研究，發(fā)現(xiàn)本研究目前是學(xué)科發(fā)展中具有創(chuàng)新性的重要課題?，F(xiàn)階段雖然應(yīng)用數(shù)字化方法的研究較多，但是多限于單一學(xué)科的研究，缺乏交叉學(xué)科、多技術(shù)手段的綜合研究，這也是本文的出發(fā)點和創(chuàng)新點。

4、 （2）討論了與城市熱環(huán)境相關(guān)的各類因素：氣候、城市邊界層、城市下墊面、熱環(huán)境指標(biāo)。城市熱環(huán)境在城市邊界層產(chǎn)生，受氣候、下墊面等因素的影響。對城市的熱環(huán)境問題進(jìn)行系統(tǒng)和詳細(xì)的分析，找出城市的熱環(huán)境與城市氣候、城市下墊面之間的關(guān)系，為后續(xù)的數(shù)字化研究確立研究基礎(chǔ)。 （3）建構(gòu)了城市熱環(huán)境研究的數(shù)字化方法。該方法在收集了數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，采用遙感技術(shù)、CFD仿真技術(shù)進(jìn)行結(jié)合研究。遙感技術(shù)主要通過對地表溫度、蒸散量的反演結(jié)合下墊面

5、參數(shù)進(jìn)行城市熱環(huán)境的研究；CFD仿真技術(shù)通過建立城市數(shù)字模型和流體模擬，進(jìn)行相關(guān)的城市熱環(huán)境模擬。 （4）利用上述數(shù)字化方法，進(jìn)行了基于遙感技術(shù)的城市熱環(huán)境研究。通過遙感影像選擇、數(shù)據(jù)預(yù)處理、地表溫度反演等過程介紹了城市熱島反演的方法。此外進(jìn)行了城市熱島與植被等城市下墊面關(guān)系的研究。然后以武漢市為例，進(jìn)行城市熱島結(jié)構(gòu)、典型地物及區(qū)域的分析等范例研究。為了使研究更全面，還進(jìn)行了不同時間段城市熱島變化研究和夏熱冬冷地區(qū)其它城市的城市

6、熱島對比研究。其后進(jìn)行了城市自然下墊面的蒸散量研究。蒸散值雖然不能直接反映熱環(huán)境狀況，卻能結(jié)合地表溫度體現(xiàn)蒸散吸收熱量，改善城市熱環(huán)境的作用，并可以借用來提高CFD模擬的準(zhǔn)確度。文中介紹了蒸散的求取模型、求取過程和與地表溫度的相互關(guān)系。 （5）然后本文根據(jù)遙感研究的相關(guān)結(jié)論，研究CFD模擬的參數(shù)設(shè)置方法。參數(shù)設(shè)置是CFD模擬的核心，傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置方法設(shè)置簡單，但結(jié)果不準(zhǔn)確。本文利用遙感技術(shù)修正CFD的參數(shù)設(shè)置，使其更符合城市熱島

7、的結(jié)構(gòu)和特征，各相關(guān)因子更為合理。 （6）利用經(jīng)過遙感技術(shù)的部分結(jié)果和因子對CFD模擬的參數(shù)設(shè)置改進(jìn)后的數(shù)字模型模擬分析城市熱環(huán)境狀況。在通過流體力學(xué)分析了城市整體熱環(huán)境的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了城市水體與熱環(huán)境關(guān)系研究、城市通風(fēng)道研究等熱環(huán)境子項分析。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，CFD運動流體力學(xué)技術(shù)適合于分析研究有關(guān)流體運動的問題，應(yīng)用其來分析城市的風(fēng)環(huán)境狀況，進(jìn)而探討城市的溫度場、居住環(huán)境、熱島狀況等問題，是一種非常新穎而有效的研究方式。