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基于局地气候分区的宏观尺度城市形态建模及城市微气候数值模拟方法研究

王坦  
【摘要】:城市的建设产生了与自然气候不同的城市微气候(Microclimate),而城市的大规模扩张对城市气候环境带来了诸多不良影响,并严重影响了城市居民的生活品质。城市形态对微气候的影响已成为共识,但对于城市整体形态来说,尚缺乏与微气候效应关联关系的量化分析。为探索宏观尺度下城市形态与微气候的关联关系,论文聚焦于基于局地气候分区(Local climate zones,LCZ)理论的城市形态建模和微气候数值模拟方法的研究。LCZ理论通过对下垫面的整体物理特征建立定性和定量的描述指标,进行表述城市冠层的结构与参数特征。LCZ理论的量化描述方法为宏观尺度下通过指标数据参数化构建总体城市形态隐式模型提供了方法基础。但是拥有众多指标参数量化进行描述的隐式模型,由于其抽象化和参数化,CFD数值模型并不能提供非常好的模拟平台支持。而在气象学科领域的开展气象研究使用的中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),同样是使用综合各类地表指标参数对模拟区域进行量化指标描述。因此,LCZ理论和WRF模拟平台为本文研究构建宏观尺度下城市形态数值模型以及微气候数值模拟方法提供了工具基础。论文采用城市热岛研究中用于描述城市下垫面特征的基本分类框架概念——LCZ理论,以南京主城区及其周边区域为研究案例,进行构建宏观尺度下城市形态数值模型。通过对LCZ理论模型进行量化统汁、空间分布聚集指数(IODs)以及城市“蓝绿”生态系统分析,总结研究区域的宏观尺度形态特征,为构建宏观尺度城市形态典型空间布局模式提供数据基础。同样,本文研究选取气象环境学科下的WRF模拟平台,进行城市微气候环境数值模拟。通过剖析LCZ理论模型与中尺度WRF数值模型的背后量化参数原理,建立宏观尺度城市形态数值模型置入WRF模拟平台的方法。将WRF官网提供的数值模型资料和LCZ理论模型同时进行模拟,剖析WRF原数值模型的不足之处,探讨分析LCZ理论模型的优势以及可行性。论文进一步以LCZ理论模型作为数据基础,选取与城市形态有着密切关系的建筑高度、城市主导风向、朝向、均质分布等因素,构建了高度引导型、风向引导型、朝向引导型、均质分布引导型四种类别的宏观尺度城市典型形态空间布局形式。将以上各个类型的数值模型,分别置入WRF数值模拟平台进行城市微气候数值模拟。对于各个类别的微气候模拟进行各自对比分析,初步探讨分析了四种类型的宏观尺度城市典型形态空间布局模式与城市微气候的关联性。


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