城市建筑与设施的三维空间结构对典型微气候及大气污染过程的影响与生态优化模式研究

The urban micro-climate, air pollution and reduction is significantly influenced by man-made structures (buildings and infrastructure) three-dimensional (3D) spatial structures, such as the height, shape, orientation, spatial arrangement, etc., and its configuration mode together with the surrounding green space and water body. This study plans to build the 3D model and the spatial database, based on the measurement by analysis of remote sensing image, and field survey, for the typical single building, building groups, and street block. Then it will propose the classification method for the above mentioned three type man-made structures in different spatial scale. Thirdly, it will use the FULUENT or ENVI-met technical platform to analyze the micro-climate spatio-temporal variation rules for typical single building, building group, and street block, and analysis how these affect the micro-climate. Besides, it will use the ENVI-met technical platform to analyze the spatio-temporal variation rules of air pollution transformation, dispersion, sedimentation and reduction for typical single building, building group, and street block, and analysis how these affect the air pollution and reduction. Finally, it will set various scenarios with different 3D configuration mode to generally analyze the micro-climate and air pollution and reduction for single building, building group, and street block, and propose the better ecological configuration mode of urban spatial structures, which could provide the scientific method and basis to improve the urban micro-climate suitability and air environment quality.

城市人工构筑物的高度、形状、朝向、空间排列等三维空间结构及其与周边绿地、水体配置方式对微气候及大气污染与消减过程影响显著。本研究拟基于遥感解译、及现场调查对北京城区典型建筑单体、建筑群和街区进行三维建模与空间数据库构建。发展不同尺度城市三维空间结构类型划分方法，分析其空间异质性。基于FLUENT/ENVI-met平台及现场观测与生态实验分析，对不同尺度（建筑单体、建筑群和街区）典型三维空间结构下的微气候进行时空动态分析，并探究其对微气候的影响；对典型街区的典型大气污染物传输和消减过程进行时空分析，探究其对大气污染与消减过程的影响。通过对不同尺度不同类型三维空间结构配置模式下的典型微气候及大气污染与消减过程的情景综合分析，提出相应的城市空间结构的生态优化配置模式。该成果将为科学、合理、宜居的城市空间布局与生态管理，提高城市微气候适宜性和大气环境质量提供科学的依据。

城镇化进程的加快在不断激发我国经济活力的同时，也促进了我国人口集聚，土地、资源的集约开发。城市构筑物的聚集、工业生产的高污染排放、生活与道路交通的高物耗改变着大气-土壤-生物之间的物质与能量交换，最终导致城市微气候条件变化，产生一系列生态与环境问题。本项目针对城市建筑三维特征和空间结构、微气候与大气污染传输与消减机制以及城市空间形态对微气候以及大气污染过程评价管理的需求，结合遥感、现场观测、实验与文献数据归纳方法，建立城市构筑物三维空间结构对微气候-大气污染过程相互作用模型，以现场观测及监测站点数据验证模型方法的有效和可靠，再通过情景模拟寻求改善微气候、消减典型大气污染（NO2、PM）的构筑物与绿地空间配置的生态模式。本研究取得以下成果：1）完成北京CBD地区的三维城市构筑物空间模型数据库建立。基于75m网格尺度，计算北京CBD地区八个构筑物形态指标，完成空间分析；2）高层住宅小区建筑空间结构对微气象影响研究表明，春季板式建筑群的室外热舒适度优于塔式建筑群, 而夏季则相反。中心绿地布局对微气象影响研究表明8种中心绿地布局温度和相对湿度差异显著，中心绿地为整块绿地和绿地中间建有中心广场的布局方式相比其他在中心绿地建设小路的布局，有明显的降温和增湿作用。3）采用红外气体分析法探究城市典型植物枝干呼吸对微气象因素响应的空间异质特征。4）街谷建筑空间结构非均匀性对空气污染的影响表明街谷污染强度与风向夹角、街谷高宽比正相关，与街谷高度非均匀性负相关。5）对微气象对湿地-滨岸带的水体和土壤性状的研究，定量分析了特定微地形条件下微气象-水文-水体-土壤的生态耦合机理以及生态功能改善途径。.本研究通过不同尺度城市三维空间结构对城市微气候-典型大气污染传输过程的影响机制，探索了改善城市微气候、消减大气污染的建筑与绿地、水体综合配置的三维生态模式，为我国大城市微气候调节、灰霾生态治理模式构建提供分析与评价方法参考。