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到宜居環(huán)境的標準，城市熱環(huán)境成為關注的焦點。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，涉及多學科的研究領域。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、CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技術等數(shù)字化的城市研究手段，探討城市熱環(huán)境運行狀況，解析城市熱島結構，并在城市規(guī)劃層

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

3、案進行模擬研究與評估。兩種技術相結合進行的城市熱環(huán)境研究可以相互支持、相互彌補不足，成為緊密的熱環(huán)境研究體系。本文以上述思想為基礎，著重研究了以下主要內容： （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。然后通過對國內外相關研究進展的研究，發(fā)現(xiàn)本研究目前是學科發(fā)展中具有創(chuàng)新性的重要課題?，F(xiàn)階段雖然應用數(shù)字化方法的研究較多，但是多限于單一學科的研究，缺乏交叉學科、多技術手段的綜合研究，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)境相關的各類因素：氣候、城市邊界層、城市下墊面、熱環(huán)境指標。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)境問題進行系統(tǒng)和詳細的分析，找出城市的熱環(huán)境與城市氣候、城市下墊面之間的關系，為后續(xù)的數(shù)字化研究確立研究基礎。 （3）建構了城市熱環(huán)境研究的數(shù)字化方法。該方法在收集了數(shù)據(jù)資料的基礎上，采用遙感技術、CFD仿真技術進行結合研究。遙感技術主要通過對地表溫度、蒸散量的反演結合下墊面

5、參數(shù)進行城市熱環(huán)境的研究；CFD仿真技術通過建立城市數(shù)字模型和流體模擬，進行相關的城市熱環(huán)境模擬。 （4）利用上述數(shù)字化方法，進行了基于遙感技術的城市熱環(huán)境研究。通過遙感影像選擇、數(shù)據(jù)預處理、地表溫度反演等過程介紹了城市熱島反演的方法。此外進行了城市熱島與植被等城市下墊面關系的研究。然后以武漢市為例，進行城市熱島結構、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系。 （5）然后本文根據(jù)遙感研究的相關結論，研究CFD模擬的參數(shù)設置方法。參數(shù)設置是CFD模擬的核心，傳統(tǒng)的參數(shù)設置方法設置簡單，但結果不準確。本文利用遙感技術修正CFD的參數(shù)設置，使其更符合城市熱島

7、的結構和特征，各相關因子更為合理。 （6）利用經(jīng)過遙感技術的部分結果和因子對CFD模擬的參數(shù)設置改進后的數(shù)字模型模擬分析城市熱環(huán)境狀況。在通過流體力學分析了城市整體熱環(huán)境的基礎上，進行了城市水體與熱環(huán)境關系研究、城市通風道研究等熱環(huán)境子項分析。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，CFD運動流體力學技術適合于分析研究有關流體運動的問題，應用其來分析城市的風環(huán)境狀況，進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。