城市街道峡谷气温时空分布与变化机制模拟研究

The progress of rapid urbanization changes land surface energy balance and urban boundary structure, which has an important effect on urban microclimate characteristics and results in serious urban heat island effect. Urban heat island phenomenon usually occurs in areas of urban street canyon. Simulation of air temperature with higher temporal and spatial resolution in urban street canyon as well as its variance mechanism analysis is very important for studying urban thermal environment. Combining field measurement and theoretical simulation, the project selects urban heat island frequently occurred region - Nanjing of Jiangsu - as the study area to quantitatively simulate and estimate the temporal and spatial distribution of air temperature in urban street canyon. Using urban surface energy balance theory as the bridge, the research couples the microclimate model ENVI-met and the cluster thermal time constant (CTTC) model to develop a new methodology for simulating air temperature in urban street canyon with a higher precision, in which precise parameters determination of the coupling model and estimation of urban anthropogenic heat emission are emphatically discussed. Moreover, the developed coupling model is used to discuss the mechanism of air temperature distribution and its variance on the scale of the urban block. The research results can provide scientific evidence for practical applications such as mitigating urban heat island effect and guiding urban planning, as well as further enhance the organic relationship between climatologists and urban planners in fields of scientific research and practical applications.

快速城市化进程改变了地表能量平衡和边界层结构特征，对城市微气候特征产生了重要影响，形成日益严重的城市热岛效应，其中城市街道峡谷是热岛高发区域。高时空分辨率的街道峡谷气温模拟及其变化机制分析对于城市热环境研究具有重要意义。本项目拟通过实验测试与理论模拟相结合的研究手段，以城市街道峡谷气温时空分布的定量模拟为切入点，选择高温与热岛现象多发的江苏省南京市主城区作为研究区，在不同城市空间形态特征条件下，以城市地表能量平衡理论作为桥梁，耦合分布参数法ENVI-met微气候模式和集总参数法CTTC模型，重点围绕耦合模型方法的参数准确率定与城市人为释放热的估算展开研究，为高时空分辨率街谷气温高精度模拟提供新的研究思路，进而在街区尺度上深入探讨不同位置街谷气温分布差异与变化机制，为热岛效应减缓与建筑规划等实践应用提供科学的理论依据，进一步加强城市规划专家与气象学家在科学研究与实践应用等领域的有机联系。

快速城市化进程改变了地表能量平衡和边界层结构特征，对城市微气候特征产生了重要影响，形成日益严重的城市热岛效应，其中城市街道峡谷是热岛高发区域。高时空分辨率的街道峡谷气温模拟及其变化机制分析对于城市热环境研究具有重要意义。. 项目研究通过实验测试与理论模拟相结合的分析手段，在研究区多源遥感图像、气象站点观测数据、统计数据、基础地理数据等数据收集的基础上，开展ENVI-met微气候模式优化与模拟、基于清单调查方法的人为热辐射时空分布估算、基于参考气象站点的街道峡谷气温模拟、气温时空分布与变化机制分析等研究工作，以期为高温热浪监测、城市热岛减缓与城市规划等提供科学依据。. 项目重要研究成果包括：基于地表能量平衡与辐射平衡理论，开展了基于参考气象站点的气温估算方法研究，估算结果与站点实测数据之间较为吻合，为近地表气温遥感估算以及后续街谷气温估算奠定了理论基础；采用ENVI-met微气候模式，在下垫面三维建模基础上，以城市基本气象站南京站数据作为微气候模拟背景气象数据，以较高精度模拟出了南京中心城区4个不同下垫面区域的气温空间分布；结合遥感数据、统计资料和实地调查，获取“人口-昼夜-土地利用”匹配关系，实现100 m格网单元尺度下的昼夜人口空间分布定量模拟，并从街道和建筑斑块尺度对人口空间化结果进行验证；采用自下而上的清单调查方法，开展了100m空间分辨率的人体新城代谢热排放、交通热排放、工业热排放、建筑热排放和综合人为热量排放的昼夜空间分布估算，估算结果较为合理；采用聚集区热时间常数（CTTC）模型，以郊区气象站点作为参考，开展街谷不同位置的气温估算研究，并将估算结果与ENVI-met模拟、站点实测进行了对比，结果表明CTTC模型可以较好模拟街谷气温时空分布；基于上述研究成果，开展了城市空间形态学参数、城市下垫面类型与分布、城市建筑布局、云量等因素对气温、热岛的影响研究，进一步揭示了城市气温时空分布与变化机制。