基于地物发射率偏移现象的城市热环境调控机理研究

The rate of urbanization has reached 54.77% by the end of 2014. As the high speed of urbanization, the urban thermal environment has become serious. However, the measures to control the urban thermal environment are limit. For the bottleneck problem, the new measures are necessary to be found. The research group has carried out related research work in the field of urban thermal environment. The image process is used in the research of urban thermal environment for the first time. The research work based on image process include: direct solar radiation, sky diffused radiation, long wave radiation, multiple radiation and airflow analysis. The final coupled calculation is finished in the image. This proposal includes emissivity deviation of surface features under different situations; compatibility between emissivity deviation and demand of urban thermal environment under different seasons; the math model of emissivity deviation of surface features; effect evaluation of emissivity deviation for urban thermal environment. The final result is to get the innovated measure for urban thermal environment in theory.

截止2014年底，我国城镇化率已经达到54.77%，由于城市的快速发展，城市热环境问题变得越来越严峻。然而，目前对城市热环境的调控手段非常有限，面对当前存在的一些瓶颈问题，急需探索新的解决方案。课题组在前期的城市热环境领域内进行了大量的基础研究，首次在城市热环境研究中采用了数字图像分析技术，提出了太阳直射辐射图像分析、天空散射辐射图像分析、长波辐射图像分析、多次反射辐射图像分析、空气流动换热图像分析等方法，并且在数字图像中实现了辐射、对流、导热的耦合求解。此次课题申报就是在原有的工作基础之上，专门以城市地物发射率偏移对城市热环境的影响为分析对象，研究在不同影响因素下地物发射率的偏移幅度以及对应的波长范围，分析地物发射率偏移与城市热环境在不同季节下的调控需求之间的匹配性，建立地物发射率弹性偏移数学模型，并对地物发射率偏移对城市热环境的调控效果做出评价，力求在城市热环境调控理论上取得新的突破。

针对城市夏季高温时间段城市能量大量集聚而不容易散发问题，根据城市下垫面红外辐射能量在城市大气窗口区具有良好穿透性能的特点，该项目探索了利用城市大气红外窗口区的特性来研究城市向地外空间辐射散热问题。研究过程中相继构建了城市大气窗口区透射率波谱模型，城市下垫面红外辐射能量值在8-14μm内的发射波谱模型。结合下垫面红外辐射能量波谱和城市大气透射率波谱分布，对单波下的下垫面透射能量进行了逐线积分，从而得到城市大气窗口区内的透射能量。利用透射能量和发射能量的比值来核对不同下垫面材质的大气透射率过程中，发现了下垫面材质红外辐射波谱分布对城市大气透射率具有偏移现象；同时根据水汽的变化对城市大气透射率的影响，构建了窄波段下透射率与城市水汽含量的数学模型，应用该模型分析了城市大气窗口区透射率全年变化规律等问题。主要成果包括5个方面：（1）城市大气在红外窗口区的透射率波谱研究;（2）城市下垫面红外辐射能量在城市大气窗口区的波谱分析；（3）城市下垫面红外辐射能量透射过程的动态分析；（4）材质辐射能量波谱对城市大气红外窗口区透射率的偏移现象；（5）窗口区透射率与城市水汽含量的全年性关系。该项目研究工作的学术价值：在研究城市下垫面红外辐射在城市大气窗口区透射问题过程中，揭示了一个非常重要的基本性问题，即下垫面材质辐射能量波谱分布对城市大气红外窗口区透射率存在偏移现象，从而构建了城市下垫面材质红外辐射能量波谱分布对城市大气透射率的偏移理论，该理论第一次揭示了城市下垫面材质本身对大气透射率也存在影响关系，对于传统的大气透射率仅仅与大气性质本身有关的认识是一个重大突破，这一研究结果不仅是理论上的突破，也是思想认识上的突破。同时，研究中提出的下垫面辐射能量波谱分布模型，大气透射率波谱分布模型等均是动态变化的，城市能量在窗口区的交换处于一个动态变化的微妙过程。