EN中文

地球信息科学学报 >

2016 , Vol. 18 >Issue 9: 1199 - 1208

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2016.01199

地理空间分析综合应用

基于三维模型的城市局地微气候模拟

  • 郑子豪 1 ,
  • 陈颖彪 , 1, * ,
  • 千庆兰 1 ,
  • 李勇 2 ,
  • 谢锦鹏 1
展开
  • 1. 广州大学地理科学学院,广州 510006
  • 2. 广州地理研究所,广州 510070
*通讯作者：陈颖彪(1969-),男,教授,主要从事GIS与RS应用技术研究。E-mail:

作者简介：郑子豪(1992-),男,硕士生,主要从事GIS与三维模型研究。E-mail:

收稿日期: 2015-10-09

  要求修回日期: 2016-05-11

  网络出版日期: 2016-09-27

基金资助

广东省前沿与关键技术创新专项资金( 省重大科技专项) 项目(2014B010112008)广东省科技计划项目(2013B010102018)教育部人文社科规划基金项目(11YJAZH016)

收起

Urban Micro-climate Simulation Based on 3D Modeling

  • ZHENG Zihao 1 ,
  • CHEN Yingbiao , 1, * ,
  • QIAN Qinglan 1 ,
  • LI Yong 2 ,
  • XIE Jinpeng 1
Expand
  • 1. School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China
  • 2. Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China
*Corresponding author: CHEN Yingbiao, E-mail:

Received date: 2015-10-09

  Request revised date: 2016-05-11

  Online published: 2016-09-27

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

随着城市化进程的不断深入,城市热岛效应及其所引发的一系列环境问题日趋严重,本文尝试性地将新兴三维建模技术与微气候模拟相结合应用于城市局地微气候研究,以期获得的模拟数据及模型能够帮助城市管理者提供改善城市微气候质量的有效途径。本文选定珠江新城西区为研究区域,以规则建模手段构建城市三维模型,总结微气候模拟的相关子模型,并利用局地微气候模拟软件对研究区进行温度、湿度、风速、风向等气候要素的模拟,最后将二者的结果整合进行可视化展示。微气候模拟结果结合目标区域三维模型,能够直观地分析出建筑高度、密度和布局对目标区域城市微气候分布状况的影响,并提出相应的改善建议与规划策略。该方法克服了以往微气候研究局限于实地测量与单纯依靠过往气象数据的不足。规则建模对城市建筑布局、结构方面的具体呈现与ENVI-met在微气候分布模拟的结合,使城市局地微气候研究可以逐渐与三维建模相结合的方向发展,为不同地区的城市规划与微气候模拟研究提供了新思路与辅助决策工具。在城市建筑结构、布局对城市微气候的影响研究上也提供了更直观的可视化效果。

关键词： CityEngine; CGA; 城市微气候; ENVI-met; 珠江新城

本文引用格式

郑子豪 , 陈颖彪 , 千庆兰 , 李勇 , 谢锦鹏 . 基于三维模型的城市局地微气候模拟[J]. 地球信息科学学报, 2016 , 18(9) : 1199 -1208 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2016.01199

Abstract

With the continuous advancement of urbanization, the aggravating urban heat island effect and a series of environmental problems caused by it is becoming severe, which hurdles the progress of urbanization gradually. The urban local micro-climate study tentatively combines the burgeoning 3D modeling with micro-climate simulation, so as to help the city managers to find an effective way to improve the urban micro-climate quality through adopting the simulation data and the model generated in the study. By taking the Zhujiang New Town Western District as an example, this study builds a 3D model of the city using the CGA rules, summarizes the related sub-models of micro-climate simulation, and runs a simulation of the study area with the weather factors such as temperature, humidity, wind speed and wind direction by using the local micro-climate simulation software. At last, it integrates the results and produces a visual presentation. The micro-climate simulation result is combined with the 3D model of the study area. It gives a visual analysis on the impacts of construction height, density and layout to the local micro-climate weather distribution, and gives the corresponding development advices and planning strategy. This method has overcome the limits of previous micro-climate studies which were constrained to field measurement and depended on previous climate data. The modeling approach gives a detailed presentation of the city construction layout and structure, and integrates ENVI-met into the micro-climate simulation, thus the urban micro-climate study can be improved to incorporate the trend of integrating 3D modeling. It provides a new way of thinking and a new assistant decision-making tool for the urban planning and micro-climate simulation studies in different regions. In terms of the relationship between the structure and the layout of urban construction and urban micro-climate, it presents a more visualized result.

Key words： CityEngine; CGA; urban microclimate; ENVI-met; Zhujiang New Town

1 引言

珠江三角洲和长江三角洲是中国两大经济发达集中地区,1978年改革开发以来这2个地区城市化进程迅猛。高速城市化引发城市热岛效应间接、直接导致了部分地区气候异常、大气污染、热死亡率递增等社会问题日益严峻[1-3]。不科学的城市规划、建筑设计加剧恶化了原本就很脆弱的城市微气候环境,严重影响了城市人口的生活质量。酷热难耐的高温、污浊不堪的空气等一系列环境问题无时无刻不在困扰着城市居民的日常生活。在此背景下,这些深受热岛效应困扰的地区迫切需要展开城市微气候的相关科学研究,寻找能够改善城市微气候质量的有效途径[4]。李晓莉等[5-6]尝试把CityEngine三维建模技术运用到目前前沿的高速铁路建模方面。以CityEngine为平台,辅以C#编程语言自动创建高铁道路以及道路两侧的电力杆、电塔、信号塔、电力房等,同时还实现了高铁不同路段（如路基、隧道等）长度的统计及桥墩生成个数的统计分析。陈卓伦等[7-9]在广州某典型住宅区采用现场定点观测和流动测量结合的方式,对该区域夏季室外温度及校区逐月用电记录进行分析。在此基础上,结合气候流体力学模拟软件ENVI-met,采用耦合动态模拟分析方法探究湿热气候区不同绿化组织结构和设计参数对室外热环境与建筑能耗的影响。林满等[10]选取广州番禺大学城内某典型小区,利用ENVI-met进行微气候的模拟,利用观测数据与模拟数据对比分析,探讨研究区域内的微气候特征。Ariane Middeld等[11-17]探讨城市形态和景观类型对半干旱地区亚利桑那州菲尼克斯市午后微气候的影响,利用微气候模拟软件ENVI-met来模拟菲尼克斯城典型住宅区的近地面空气温度,同时利用位于亚利桑那州立大学理工校园内的North Desert Village（NDV）的景观实验中的气象观测数据进行验证。
综上在城市局地微气候研究中,利用模型软件（如ENVI-met）进行模拟分析并结合实地监测点加密验证,较以往单纯从气象数据研究的方法更有效并具实践意义。但随着城市快速发展,中心城区高层建筑密度不断提高,城市局地微气候的研究分析亟需从平面转向三维立体。如何针对该类区域进行微气候模拟研究将成为城市局地微气候研究的新热点。本文采用基于规则的快速三维建模软件“CityEngine 2012”与局地微气候模拟软件“ENVI-met”相结合的方式进行城市三维热环境动态模拟与仿真实验。利用CityEngine快速构建研究区域三维模型,利用ENVI-met进行相关区域的微气候模拟并建立模型;利用三维模型与微气候模拟相结合,使微气候模拟从传统的平面表现方式转向三维立体方向;尝试将城市的建筑规划与微气候研究关联起来,为基于三维仿真技术方法进行城市微气候研究提供理论支持及技术参考。

2 研究区概况

结合ENVI-met软件模拟范围的要求,选定珠江新城西区作为研究区域（图1）。该区域位于广州市天河区西部,东起猎德大道,西至广州大道中,北接黄埔大道西,南临珠江北岸。广州新城市中轴线贯穿其中,区位优势得天独厚,占地面积约3.08 km2,核心地区面积约1 km2,其中花城广场被誉为广州的“城市会客厅”。珠江新城发展目标是成为集金融、商业、文娱、外事、行政和居住等城市一级功能设施的广州城市名片。作为广州CBD,珠江新城超高层建筑密度非常高,广州前10名的摩天大楼中,有9座均位于珠江新城,占比达90%。此外,该区域及周边还分布着大量高档住宅小区,选择珠江新城西区作为建模区域具有代表性。
Fig.1 Location map of Zhujiang New Town Western District

图1 珠江新城西区区位图

3 数据源与处理方法

3.1 数据源

本文以珠江新城西区为研究区域,以CityEngine作为研究区域的三维建模软件平台,利用开源地图“OpenStreetMap”所导出的OSM数据,通过“FME Quick Translator”进行格式转换处理,获得珠江新城及其周边矢量地图。同时,利用珠江新城0.5 m分辨率的航拍图,结合实地考察,对航拍影像中的地块进行辨别、分类。最终生成建筑、绿地、道路列全8类块。核心建筑物高度数据则通过实地考察及访问收录高楼数据的“国家和城市摩天指数排行”数据库确定。ENVI-met微气候模拟过程中所需要的环境条件及参数包括Input-Files（确定一个特定的模拟条件/环境）、Database Files（存储收集所有跟模拟有关的文件）、Output Files（由ENVI-met产生的数据）,具体如表1所示。其中,具体的参数、条件数据通过对多期已记录的气象数据进行统计分析后确定。
Tab.1 Overview on all the files in ENVI-met

表1 ENVI-met数据文件类型

文件类型 文件列表 定义
输入文件 A1.配置文件.CF 定义一个单独模拟的设置
A2.区域输入文件.IN 定义模拟的区域（建筑物,植物等）
A3.序列文件.EBF 允许定义单个模拟的次序
数据库文件 B1.土壤数据库SOILS.DAT 定义不同的自然和人工土壤的性质
B2.配置文件数据库PROFILES.DAT 从SOILS.DAT文件中以垂直的土壤三明治结构来定义不同的土壤类型
B3.植被数据库PLANTS.DAT 定义所有的植被
B4.源数据库SOURCES.DAT 定义颗粒或者气体源的输出和喷射高度
输出文件 C1.主数据文件.EDI/.EDT 链接到配置文件中[LOCALDB]部分的描述
C2.接收器文件 模型区域内用户选择的点的数据
C3.1D-Model 文件 包含1维模型的状态
C4.BOTworld 文件 创建BOTworld模型的链接
其它文件 D1.定义别名(MYALIAS.DAT) 使用相对文件路径,便于计算机之间模拟传输

3.2 研究方法

基于CityEngine建模技术进行城市局地微气候模拟研究主要分为2部分：CityEngine三维建模和ENVI-met局地微气候模拟实验。前者是后者微气候模拟实验的基础,后者模拟实验结果也是前者的最终目的。
在高分辨率影像、地理位置数据、CGA建筑物规则的基础上,对研究区域的地块进行分类,利用CGA规则对各类地块进行规则三维建模。另外,利用历史同期气象数据及研究区域的地块分类结果进行ENVI-met气候模拟的数据配置编辑。微气候模拟结果利用CityEngine建模成果进行三维显示,表达更为直观。
3.2.1 CityEngine三维建模
CityEngine三维建模部分依据航拍影像数据数字化后的地块分类图,并根据地物类型特点进行CGA规则编写,然后将CGA规则赋予给目标地物的“Lot”,“Generate”之后自动生成三维结构。CGA是计算机生成建筑“Computer Generated Architecture”的缩写[18],是CityEngine核心部分,存储在规则文件“.cga”之中。CGA规则是CityEngine软件规则建模语言,也是CityEngine所特有的一种代码语言。它的特点就是越来越详细地迭代“进化”模型,通过规则不断将原始对象细化并替换,直到达到目标要求。
实验中将研究区域地块分成8大类（图2）：Trees.shp（树木）、Corebuilding.shp（核心建筑）、Generalbuilding.shp（普通建筑）、Grassland.shp（草地）、Square.shp（广场）、Sidewalk.shp（人行道）、Road.shp（道路）、Rivers.shp（河流）。
Fig.2 The classification results of each lot

图2 各地块分类结果分布图

CGA规则建模相对传统建模方式最大优势是效率更高,区分对象CGA规则可以快速将研究区域内不同地物类型从二维转成三维的模型。在完成贴纹理贴图以及外部导入额外的部分不规则模型后,冗余节点及面会影响三维场景运行的流畅度,为了模型加载速度和降低系统的处理负担,还需对生成的或导入的模型进行优化处理。“cleanupGeometry(componentSelector,tol)”函数能够对模型进行优化以减少模型的节点和面数,其中“componentSelector”是优化的要素有4个可选值：vertices、edges、faces、all（包含点、线、面）;tol为容差值。
3.2.2 微气候模型ENVI-met的验证分析
城市微气候仿真软件ENVI-met是由德国Michael Bruse（University of Mainz,Germany）开发的一个免费多功能系统软件[19-20]。ENVI-met适合中尺度模式,尤其是城市街区规模的微气候模拟。模拟包括热流量、风流量、湍流量和辐射通量等大气过程中所涉及的环境变量交换过程的完整耦合计算,其在城市微气候环境整体数值计算上（包括各种微气候环境参量的整合计算和日循环的非稳态计算）有明显优势[21]。ENVI-met 微气候模拟结合现场实测校正,对复杂城市街区微气候环境模拟、预测和评估有很大潜力与优势。
ENVI-met由4个板块组成,分别为建模板块 （ENVI-met Eddi Version）、编程模块（ENVI-met Configuration Editor）、计算板块（ENVI-met V3.1 Default Config）以及结果显示板块（LEONARDO 3.75）。ENVI-met V3.1内置地面、水体、植物等子模型,与其它通用CFD软件相比,其特点优势主要包括：利用CFD和热力学联合求解（风/热/湿耦合模拟）、动态模拟（随时间变化,区别于一般的稳态模拟）、高分辨率（1~5 m,可精细描述建筑、道路、植物等元素）、建模方便、定义参数少、操作简单,并且在与实测对比验证、应用现状及前景上表现颇佳。
ENVI-met主要由一个3D核心模型和1D边界层模型组成（图3）。核心3D模型区域模型在于模拟真实区域内的所有过程,它是一个有3个轴向（X、Y、Z）并且划分成n个网络单元的模块。该区域内可以定义建筑物、植被等对象,其中Z轴由该区域内最高的建筑物高度的2倍决定,而1D模型主要由土壤层构成。另外,嵌套网格作为实际模型区域的边界偏移起到一个缓冲的作用,可以有效防止边界效应对结果的干扰。
Fig.3 Schematic overview of the ENVI-met model layout

图3 ENVI-met模型布局概述示意图

根据实验区域的范围,确定模拟区域大小的格网（750×500×20）、格网的尺寸（dx=4,dy=4,dz=4）、所在地（Guangzhou/China）、时区（CCT+8）、经纬度（23.04/113.36）等。由于研究区域存在超高建筑物（>150 m）,因此个别建筑的高度将不受整体高度的限制。利用ENVI-met提供的编辑板定义建筑物的高度、植物的种类、水域、土壤类型、地砖类型,在选择合适的下垫面后按照建筑物、植物、下垫面的顺序进行不同图层的绘制。建好的模拟底图如图4所示。模拟过程中配置代码定义了整个模拟实验最基本的参数,包括了模拟实验的名称、起始时间、时间间隔、近地面10 m高度的风速、风向、粗糙度长度、初始温度、湿度等一系列气象指标参数。图5是模拟实验中关于配置参数的核心部分,每个功能块中的信息必须要按照固定的格式进行配置。
Fig.4 ENVI-met regional model

图4 ENVI-met区域模型图

Fig.5 The configuration file of ENVI-met

图5 ENVI-met的配置文件

ENVI-met模型的模拟计算时间根据模拟区域、模拟时间及运行机器的配置会有所不同。从模拟结果来看,本文研究区域实际用时是每模拟一小时需6~7 h。考虑模拟区域的特点,在ENVI-met提供的参数库中,选取了“时间功能块”（主要是配置在整个模拟实验过程中提供改变不同的进程时间设置。包括更新表面的温度和湿度的时间间隔、流场和湍流数据的时间间隔、更新辐射和阴影的时间间隔、更新植被数据时间间隔等）、“湍流空能块”（对研究区域中的湍流模型进行设置,“Turbulence Closure ABL”是以1D为参考的湍流封闭模型;“Turbulence Closure 3D Model”则是以3D模型为参考的湍流封闭模型;“Upper Boundary for e-epsilon”用来选择介于“开”（零梯度）和“闭”（设定值）之间的上边界）、“建筑功能块”（主要是为了对研究区域的建筑物做出更为详细的描述;建筑物是模型区域内活跃的元素,因此需要大量的数据来确保模拟的正确性。该版本的ENVI-met,所有的建筑物将被赋予同一个配置。因此,对于一个房子定义不同热属性和颜色是不切实际的。在该功能模块中分别定义了：建筑物内部温度、墙体的热传导率、屋顶的热传导率、墙体和屋顶的反射率等）这几个对整个模拟过程至关重要的模块。

4 结果与分析

模拟结果中提供了多种气象参数供查阅：其中包括了风速、压力、比湿、温度、辐射量等,且提供了二维视图和三维视图2种角度。本文根据研究需要分别选取了空气温度、风速、风向和相对湿度4个气象参数的结果图像,进行简要分析与评估,从中归纳总结出模拟期间珠江新城西区局地微气候情况。

4.1 温度模拟结果

在模拟结果中,选取9:00-15:00对气温分布状况及变化情况进行分析。图6分别展示了研究区域9:00-15:00内4个时间点,距地面1.8 m高度水平面的空气温度分布。
Fig.6 The temperature distribution of Zhujiang New Town Western District

图6 珠江新城西区温度模拟图

从模拟的结果来看,实验期间在1.8 m高度上珠江新城西区的空气温度及其水平分布发生了较为明显的变化。从9:00到15:00,研究区域的空气温度整体呈上升趋势。上午9时,研究区域的最低气温出现在西侧的植被覆盖面积较多的区域,该区域的空气气温大部分低于290.39 K。东侧集中分布的城中村（冼村、猎德）、学校、高层写字楼和商品房,建筑密度较高,在同一时刻,该区的空气温度高于西侧。随着时间的推移,以花城广场为界线,东侧的气温上升不显著,缓中有升。而与之对应的西侧,高温气团开始围绕着高密度建筑聚集,加之该区植被覆盖低,高温范围逐渐扩大,形成了沿猎德大道的高温带。
不同下垫面的温度情况有不同的特征,其中绿化植被的影响表现为大片的草地在蒸腾作用下,释放潜热并起降温效果;而柏油马路吸热性较区域内其它地块高,一段时间内吸收热量增多,导致温度上升较快;而由高大树木遮挡形成的阴影区域则会形成低温区域。
需要注意的是,数值模拟的边界区域由于模拟尺度及精度的影响,并不能完全模拟出城市热环境连续性的特点。因此,模拟范围的中心区域模拟结果具有更高的价值与意义。在模拟时需要格外注意运算时间及网格精度的取舍。

4.2 风速、湿度模拟结果

风速是指空气相对于地球某一固定地点的运动速率,在微气候的描述中是一个比较重要的参数。风速能够直观地描绘当时空气的流动情况,因此从该区域内的风速分布图能大致看出温度差异的分布。
图7可看出,平行于来风方向,风在阻碍物之间（包括但不限于建筑物）的速度较快,在阻碍物的后则较慢,即呈现一定的“峡谷效应”。因为当气流从开阔地带进入街区道路两侧高层建筑物所形成的街道层峡时,来风大量汇合而层峡相对狭小,所以风速会相应提高,加速流过层峡。在分布较为密集和复杂的研究区内部,由于阻碍物较多且表面的粗糙程度不一,都起到了减缓风速的作用,在一定程度上阻碍了空气气流从外围进入内部。当然,在实验中,因为排除了一部分环境影响的偶然性,故而相对于真实城市内部更为复杂的环境来说,数值模拟的风环境显得较稳定,这属于正常现象。
湿度是是决定蒸发和蒸腾的重要数据,同时也对不同气候区的形成起着决定性的作用[22]。在城市微气候的研究中,湿度不仅在气象研究有比较重要的意义,而且也会对人体舒适度的产生关键的影响。一般人在45%~55%的相对湿度下感觉最舒适,过热而不通风的房间里的相对湿度一般比较低,这可能对皮肤不良,对粘膜有刺激作用;湿度过高影响人调节体温的排汗功能,人会感到闷热[22]。因此,从人体的直观感受上来说人在高温但低湿度的情况下（如沙漠）的感受比在温度不太高但湿度很高的情况下（如雨林）的要舒适一些。
Fig.7 The wind speed distribution of Zhujiang New Town Western District at 9:00

图7 珠江新城西区9:00水平面风速模拟图

本次模拟所选择的时间是3月,该时间段正好处于广州的“回南天”,该期间从中国南海吹来的暖湿气流,与从中国北方南下的冷空气相遇,形成静止锋,冷暖气流交汇,停滞不前,致使该区域雨水充足,空气潮湿。植被在外界风热环境的影响下产生蒸腾作用并释放水蒸气,导致植被周围局部环境的绝对湿度相应提高。在相同区域中气温与气压接近的条件下,相对湿度与绝对湿度会呈现正比关系,植被周围局部环境的相对湿度也会相应提高。而来风方向因为设定为东风,带来的湿气也会首先影响研究区域的东侧区域。综合作用下,逐渐形成了图8所示的湿度分布。
Fig.8 The spec.humidity distribution of Zhujiang New Town Western District at 9:00

图8 珠江新城西区9:00水平面相对湿度模拟图

但是值得注意的是,根据软件本身局限性说明,数值模拟实验中,由于材料热稳定性计算相对不足,将导致热辐射环境下的环境降温比正常环境降温缓慢,最终会阻碍空气相对湿度的正常提升。

4.3 微气候模拟结果与三维模型的结合

微气候模拟结果与三维模型的整合效果如图9所示。CityEngine建立的模型能够直观细致地表现整个研究区域的地块类型、建筑物结构布局情况;ENVI-met的输出结果能够直观的展示研究区域各种气象参数的分布情况。珠江新城高楼林立,绿化措施较完善,绝对温差并不明显,但不同下垫面的地块还是会存在温差。例如水域、草地、树木等区域,气温会比以柏油公路、沥青公路、水泥石砖等硬质地面为下垫面的区域稍高。而建筑密度相比建筑高度来说对温度影响的程度更为显著。建筑密度高的地块会更大程度地阻碍风的流动,减缓风速,改变风向,进一步对该区域温度分布产生影响。至于湿度呈现组团式的分布,主要还是与植被的关系更为密切。
Fig.9 The micro climate distribution maps stacking with the 3D model of Zhujiang New Town Western District

图9 珠江新城三维模型与微气候分布模拟图

CityEngine的场景中添加ENVI-met的模拟结果,微气候模拟的结果能够迅速、直观地在城市三维模型中展示。各种气象数据映射在三维场景中,为城市微气候的研究提供了一种新的思路。研究者根据最后的渲染效果,可以将气象数据与城市布局以及建筑结构结合起来,更为深入地了解研究区域内规划布局、建筑、植被等因素对微气候的影响。
基于规则的快速建模和高效率的微气候模拟相结合,无论是对于城市规划,还是微气候研究,都大大缩短了研究成本与周期。对今后的城市局地微气候研究与基于微气候的城市规划研究提供了新的发展方向与参考思路。
以往的城市规划与微气候研究往往分割开来,如城市规划中最常用到的城市建模软件基本都采用基于对象方法,对于目标建筑,乃至城市整体,均利用人工一步步地从创建几何体、添加几何体、修改几何体等步骤来创建三维模型。这种人工手动建模方法虽然精度较好,但效率低下。随着城市化进程的加快以及人们对于效率的追求不断提高。在新兴建模软件与规则建模方法的挑战下,传统费时费力的手工建模方法已经越来越无法满足需求。规则的高度可重复利用性,大大提高了建模的速率,这一转变使得建模朝着智能化、自动化方向发展。传统微气候模拟方法主要通过现场实测的方式来获取原始气象数据,再进行分析。这种实测的方式虽然真实度高,但适用性却大打折扣。因为实测对场地的硬件要求较高,通常还会受天气条件的制约,不能随时随地进行微气候的实地测量。在现实条件的限制下,迫使气候模拟的研究方法逐渐从实测转移到数值模拟上来。城市的规划、设计过程中,规则建模与微气候模拟能够克服以往的弊端,给城市微气候研究带来新视界。

5 结论与展望

实验结果表明,利用CityEngine这一交互建模工具可以基于GIS数据快速建立大范围规则模型,并且能够方便、快捷地更新与维护模型系统。同时,应用ENVI-met软件进行城市局部地区的微气候模拟,将城市三维模型与微气候模拟结果相结合,进行可视化展示,城市的形态布局与气候分布状况一目了然,达到更为直观、较强视觉冲击力的可视化效果。该方法提供了一个效率高、可视化强的城市规划、气候环境的评估思路,同时也可为新型城市的规划设计起到辅助决策作用。
随着现代城市的发展,空间资源趋于高效利用,导致高层建筑的建设数量只会有增无减,高层建筑的气候规划策略作用日益凸显。在实际规划设计应用中,应充分认识城市规划中的建筑布局、密度间距、用地类型、通风廊道等对于局地微气候的影响。尤其在城市中心区,较高的建筑密度,涉及大多数市民与游客的切身感受,更需要合理规划城市布局。通过应用全新建模仿真技术,设计不同的规划方案,制作仿真三维模型,以便客观、科学地分析城市形态,尽可能避免规划失误,减少乃至规避规划失误所造成的损失。同时,利用环境气候分布图使该区域的气候评估与分析结果可视化,结合三维空间信息,进一步总结归纳城市气候分布及其特点等。预判在数字和二维城市规划图像中隐藏的问题,提升规划水平,实现未来城市的规划蓝图。珠江新城作为广州CBD,是城市经济、科技、文化的密集区,位于城市的黄金地带,但其周边却错落着大量高密度高层住宅小区。不同功能用地由于人口密度,绿化水平,建筑密度的差异形成相应的热效应差异,造成该区域微气候变化相对复杂。通过对该区域的三维建模与微气候模拟研究,能够让城市管理者和设计者从立体层面考虑高层建筑空间布局与形态对微气候的影响,协助管理者从立体绿化、建立城市通风廊道、合理规划用地结构等方面入手,改善中心商务区的微气候条件。
本文属于城市三维建模与城市气候学的交叉学科研究。但就目前来说,研究程度并不算深入,且气候评估和规划建议的制定不仅要依靠客观气候数据和实验结果,还取决于专家的知识、经验等,尚存在一定的主观性。文中对于研究区域气候模拟的准确性也有待现场实测或者通过其它渠道进行验证。在此基础上,若能够突破静态时间节点模拟瓶颈,将该地区规划前后的微气候状况进行连续模拟并形成动态对比,这对于城市规划及微气候研究更有理论与现实意义,更容易从中发现问题,解决问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
肖荣波,欧阳志云,李伟峰,等.城市热岛的生态环境效应[J].生态学报,2005(8):2055-2060.城市热岛效应(Urbanheatislandeffect,简称UHI)是一种由于城市建筑及人类活动导致热量在城区空间范围内聚集的现象,是城市气候最显著的特征之一。热岛引起地表温度的提高,必将强烈地影响着城市生态系统的物流、能流,改变城市生态系统结构和功能,产生一系列生态环境效应,影响着城市气候、城市水文、城市土壤理化性质、城市大气环境、城市生物习性、城市物质循环、城市能量代谢以及城市居民健康等。提高能量利用效率、优化城市格局、建设绿色屋顶、采用高反射率地表材料以及增加城市绿地均可有效地控制城市热岛效应。利用遥感手段和数值模型技术,开展多尺度的城市热岛生态环境效应研究,为改善城市生态环境、实现城...

DOI

[ Xiao R B, Ouyang Z Y, LI W F, et al.A review of the eco-environmental consequences of urban heat islands[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005,8:2055-2060. ]

[2]
白杨,王晓云,姜海梅,等.城市热岛效应研究进展[J].气象与环境学报,2013(2):101-106.随着城市规模的高速发展和城市人口的急剧膨胀,因城市下垫面结构的急剧变化和城市人为热排放的迅速增加所引起的城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市人居环境和居民健康的重要因素。城市热岛效应研究已成为城市气候和区域气候研究中的热点问题。为更好地研究城市热岛效应,及时追踪国内外最新进展,综述了城市热岛的概念和形成机制,介绍了地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模式模拟法等3种城市热岛效应研究方法,概述了城市热岛效应国内外最新研究进展。认为基于现有城市热岛效应研究尺度局限于宏观大尺度以及各种方法的局限性,提出在未来的城市热岛效应研究中,应突破现有的大中尺度,并结合高分辨率卫星遥感影像进行多尺度多平台监测以及考虑气溶胶粒子对辐射强迫的影响等。

DOI

[ Bai Y, Wang X Y, Jiang H M, et al.Progress of urban heat island effect[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2013,2:101-106. ]

[3]
寿亦萱,张大林.城市热岛效应的研究进展与展望[J].气象学报,2012(3):338-353.随着世界各国城市化的进展,城市热岛效应已经成为一个跨学科领域 的问题,受到包括大气环境、区域气候、水文和生态等多学科科学家的关注.在过去半个多世纪中,城市热岛问题的研究获得了相当丰富的研究成果,通过对这些成 果的综合分析,归纳出城市热岛研究中采用的3类主要方法——观测(外场试验和遥感技术)、数值模拟以及实验室仿真法.系统地回顾了城市热岛效应的研究历 史,重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果进行了总结和评述.最后对城市热岛问题未来8个 可能的研究方向进行了探讨,其中,包括沿海和复杂地形附近的城市热岛问题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的 影响、城市化对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定,并对其发展前景进行了粗略的展望.

DOI

[ Shou Y X, Zhang D L.Recent advances in understanding urban heat island effects with some future prospects[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2012,3:338-353. ]

[4]
孟庆林,李琼.城市微气候国际(地区)合作研究的进展与展望[J].南方建筑,2010(1):4-7.本文介绍了华南理工大学建筑节能研究中心在多项科研项目的支撑下,与海内外学者共同开展的我国湿热地区城市微气候调节、评估与设计方面的研究进展及阶段性成果,阐明了国际(地区)合作在项目执行过程中所起的作用,对湿热地区城市微气候研究做下一步展望.

DOI

[ Meng Q L, Li Q.The recent progress and future trend of international and regional cooperative research on urban microclimate[J]. South Architecture, 2010,1:4-7. ]

[5]
吕永来,李晓莉.基于CityEngine平台的高速铁路建模方法的研究与实现[J].测绘,2013(1):19-22.CityEngine是建模软件中的新成员。借助于这一平台通过CGA语法规则，本文给出了对高速铁路快速建模的一种新方法，并可实现高速铁路的批量建模。该方法除了具有较高的效率外，还能实现对模型进行分析的功能。

[ Lv Y L, Li X L.Exploration and realization of 3D modeling method based on CityEngine for high-speed railway[J]. Surveying and Mapping of Sichuan, 2013,1:19-22. ]

[6]
吕永来,李晓莉.基于CityEngine CGA的三维建筑建模研究[J].测绘,2013(2):91-94. [ Lv Y L, Li X L. Research on 3D architectural modeling based on CityEngine CGA[J]. Surveying and Mapping of Sichuan, 2013,2:91-94.]本文基于CityEngine，通过建筑物单体建模实践，提出了基于CGA语法规则的快速建模，可以实现城市区域高效批量的建模。本文所述方法除了具有较高的效率外，还具有对模型进行空间分析的功能。

DOI

[7]
陈卓伦. 绿化体系对湿热地区建筑组团室外热环境影响研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[ Chen Z L.Research of vegetation system's effects on outdoor thermal environment of residential communities in hot-humid climate[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010. ]

[8]
杨小山. 室外微气候对建筑空调能耗影响的模拟方法研究[D].广州:华南理工大学,2012.

[ Yang X S.A simulation method for the effects of urban microclimate on building cooling energy use[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012. ]

[9]
陈铖. 天津大学校园夏季室外热环境研究[D].天津:天津大学,2013.

[ Chen C.Research on the outdoor thermal environment at Tianjin University campus in the summer[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013. ]

[10]
林满,王宝民,刘辉志.广州典型小区微气候特征观测与数值模拟研究[J].中山大学学报(自然科学版),2015(1):124-129.根据广州下垫面类型和湿热气候特征,选取广州大学城一个小区为试验基地,在典型的晴朗天气条件下,通过实地观测和微尺度数值模式ENVI-met,探讨该地区的微气候特征。数值模式能较好地模拟温度、湿度及流场的空间分布和时间变化特征,结果显示:1模拟区域内不同的下垫面存在高温低湿、低温高湿的现象;2毗邻两栋建筑之间可形成狭管流效应,风速值约为来流风速的1.4~1.7倍;3单体方形建筑物两侧出现角隅大风,阵风风速可达平均风速的2~3倍;4街谷型建筑之间有微弱的街谷涡旋形成,其强度与街谷的几何配置和来流风向有关。

DOI

[ Lin M, Wang B M, Liu Z H.Observational and numerical study on the microclimate over a typical community in Guangzhou[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2015,1:124-129. ]

[11]
Middel A, Häb K, Brazel A J, et al.Impact of urban form and design on mid-afternoon microclimate in Phoenix local climate zones[J]. Landscape and Urban Planning, 2014,122:16-28.This study investigates the impact of urban form and landscaping type on the mid-afternoon microclimate in semi-arid Phoenix, Arizona. The goal is to find effective urban form and design strategies to ameliorate temperatures during the summer months. We simulated near-ground air temperatures for typical residential neighborhoods in Phoenix using the three-dimensional microclimate model ENVI-met. The model was validated using weather observations from the North Desert Village (NDV) landscape experiment, located on the Arizona State University's Polytechnic campus. The NDV is an ideal site to determine the model's input parameters, since it is a controlled environment recreating three prevailing residential landscape types in the Phoenix metropolitan area (mesic, oasis, and xeric). After validation, we designed five neighborhoods with different urban forms that represent a realistic cross-section of typical residential neighborhoods in Phoenix. The scenarios follow the Local Climate Zone (LCZ) classification scheme after Stewart and Oke. We then combined the neighborhoods with three landscape designs and, using ENVI-met, simulated microclimate conditions for these neighborhoods for a typical summer day. Results were analyzed in terms of mid-afternoon air temperature distribution and variation, ventilation, surface temperatures, and shading. Findings show that advection is important for the distribution of within-design temperatures and that spatial differences in cooling are strongly related to solar radiation and local shading patterns. In mid-afternoon, dense urban forms can create local cool islands. Our approach suggests that the LCZ concept is useful for planning and design purposes. (C) 2013 The Authors. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

DOI

[12]
Wong N H, Jusuf S K.GIS-based greenery evaluation on campus master plan[J]. Landscape and Urban Planning, 2008,84(2):166-182.<h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">In the previous study, it was found that urban heat island intensity in National University of Singapore (NUS) campus as high as 4&#xA0;&deg;C at around 13:00. It is also concluded that the presence of dense greenery in NUS environment is very important in keeping low ambient temperature.</p><p id="">National University of Singapore has announced its new master plan in 2005, entitled NUS Master Plan 2005. Many new buildings will be built and in some areas existing greenery will be removed. Geographical Information System (GIS) was use to evaluate the greenery condition. It was found that the greenery rate of NUS Master Plan 2005 will drop by about 3% from 55.10% of NUS current condition to 52.31%. In order to have a sustainable environment, the greenery condition should be at least maintained at the same rate or even make it better.</p><p id="">For this purpose, potential of increasing greenery area by rooftop greenery application was also done. The target is to maintain the green rate of different zones at the same rate with current condition. In total, there will be more than 56% new buildings in NUS Master Plan 2005. Therefore, there is a good opportunity to plan and introduce the rooftop greenery or vertical greenery since in the early design stage.</p><p id="">The ENVI-met simulation predicts that the ambient temperature in NUS environment will increase about 1&#xA0;&deg;C when NUS Master Plan 2005 is completed. It is due to the reduction of greenery rate.</p>

DOI

[13]
Taleb D, Abu-Hijleh B.Urban heat islands: potential effect of organic and structured urban configurations on temperature variations in Dubai, UAE[J]. Renewable Energy, 2013,50:747-762.Urban heat islands are phenomena that occur coupled with rapid urban developments. The study was carried out to show the effect of organic and structured urban configurations on temperature variations throughout the year, especially in summer. The study investigated a larger area of the city rather than merely building-to-building relationships. It went beyond the confinement of street and building geometries and investigated how a number of these geometries put together in one context contributed to temperature variations. Computer simulation software was used to simulate three different urban configurations, representing an organic configuration in the Bastakiyah model and two structured configurations represented in the Orthogonal and Volume Ortho configurations. The simulations were carried out in Dubai, UAE for summer, winter, and autumn with fixed initial input temperature value of 32 degrees C and varying initial wind speeds (0.1 m/s and 3.6 m/s; and 7 m/s for summer case only).<br/>Assessment of the results showed that the organic configuration recorded lower temperatures in summer than both the structured configurations. The Orthogonal structured configuration did not behave as an intermediate configuration between the organic and highly structured grid configurations. The Volume Ortho configuration, though recorded the highest wind speeds, did not result in lower temperature values. It was shown that different configurations manipulated the behavior of the wind within the configuration. The sky-view factor and standard deviation were plausible explanations in the absence of obvious trends in some cases. and showed how urban configurations impacted temperature variations. It was concluded that, given this specific site location and the alignment of prevailing winds parallel to the roads, the organic configuration showed the better thermal performance amongst the three configurations. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

DOI

[14]
Fahmy M, Sharples S.On the development of an urban passive thermal comfort system in Cairo, Egypt[J]. Building and Environment, 2009,44(9):1907-1916.<h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">This paper investigates how urban form can be designed to act as a passive thermal comfort system in Cairo. The system utilizes two main elements, the urban fabric form, with its green structure, and thermal comfort adaptation by introducing urban green scene stimulation with the time of exposure to the urban environment. The courtyard form on a large scale is used to study comfort levels, the effect of compactness on solar access and the local radiant heat island potential in a theoretical neighborhood design using a medium population housing concept as required by Egyptian urban planning laws. Urban canyons in a grid network, with three mid latitude orientations 15&deg; 45&deg; and 75&deg; from the E&ndash;W axis, were examined, with one canyon having virtually no shade. Other canyons had a green structure containing two types of native Egyptian trees. Numerical simulations using ENVI-met were performed for hot climate conditions. Although some very hot conditions were recorded, there were evident examples of more acceptable comfort levels and cooling potential for some orientations and degrees of urban compactness due to the clustered form with green cool islands and wind flow through the main canyons. Some design guidance on how to form urban passive cooling systems is presented.</p>

DOI

[15]
Reiter S.Correspondences between the conception principles of sustainable public spaces and the criteria of outdoor comfort[C]. Proceedings of the 21th International Conference on Passive and Low Energy Architecture, 2004.

[16]
Lenzholzer S.Microclimate perception analysis through cognitive mapping[C]. Proceedings of the 25th Conference on Passive and Low Energy Architecture, 2008.

[17]
Spangenberg J O R, Shinzato P, Johansson E, Duarte D. Simulation of the influence of vegetation on microclimate and thermal comfort in the city of São Paulo[J]. Revista da Sociedade Brasileira de Arborização Urbana, 2008,3:1-19.Lipid oxidation system in which the fat is dispersed as emulsion droplets is stiil not well understood, although a large number of food exist partially or entirely in the form of emulsions. Therefore, this study was intended to examine how surfactant micelles influence the partitioning of antioxidants and hydroperoxides and how it alter the oxidative stability of oil-in-water emulsion. To determine the ability of surfactant micelles upon the partitioning of antioxidant in oil-in-water emulsion, this type of emulsion, containing quercetin at 0, 25, 50, 75 and 100 ppm, were prepared with polyoxyethylene 100 stearyl ether (Brij 700) or polyoxyethylene sorbitan monolaurate (Tween 20) with acetate or phosphate buffer (pH 3.0 or 7.0). Structurally Brij 700 has 5 times longer polyoxyethylene groups than Tween 20. After preparation of the emulsion, surfactant micelles (0 鈥 2%) were incorporated into the continuous phase to give a final lipid concentration of 5%. Lipid oxidation rates, as determined by the formation of lipid hydroperoxides, decreased with increasing quercetin concentrations. At pH 3, the peroxide value was higher than that at pH 7. Brij 700 decreased production of lipid hydroperoxides from palm oil-in-water-emulsions compared to the emulsions stabilized by Tween 20. The result showed that solubilization of quercetin into the aqueous phase by Brij or Tween micelles did not alter the oxidative stability of palm oil-in-water emulsion, suggesting that surfactant micelle influenced the oxidation rate by mechanism other than antioxidant solubilization.

[18]
ESRI中国. Esri CityEngine中文教程[Z]. 2012. [ ESRI China. Esir CityEngine Chinese tutorials[Z]. 2012. ]

[19]
马舰,陈丹.城市微气候仿真软件ENVI-met的应用[J].绿色建筑,2013(5):56-58.城市微气候仿真软件ENVI—met有4大功能板块：建模板块、编程板块、计算板块、结果显示板块。通过对同一个项目分别进行FLUENT和ENVI-met建模及模拟计算，比较两个不同模拟软件的计算结果，得出结论：ENVI-met更便于建模，编程板块简单易操作，报错率较低，模拟计算结果接近实际情况，较FLUENT差别不大。

DOI

[ Ma J, Chen D.The application of ENVI-met - a city microclimate simulation software[J]. Green Building, 2013,5:56-58. ]

[20]
ENVI-MET. ENVI-met online documents[EB/OL]. .

[21]
王振. 夏热冬冷地区基于城市微气候的街区层峡气候适应性设计策略研究[D].武汉:华中科技大学,2008.

[ Wang Z.Design strategies for the climate adaptability of street canyon based on urban microclimate in hot-summer and cold-winter zone[D]. Wuhan: Huazhong University of Science, 2008. ]

[22]
眭晋华,史红梅,眭广瑞.空气湿度及其影响[J].山西科技,2011(3):143-144.空气温度是表示大气温度的物理量,对日常生活和生产有着重要的影响。

DOI

[ Sui J H, Shi H M, Sui G R.Air humidity and its influence[J]. Shanxi Science and Technology, 2011,3:143-144. ]

Options
文章导航

/

〈 〉