高密度环境下城市绿地-建筑三维景观格局对大气细颗粒物的影响机制及尺度效应——以西安市为例

Since the underlying surface and urban landscape change rapidly in the 3D direction, and particulate matters (PM2.5) affecting urban space gather constantly, this application analyzes the impact of hot-air environment of 3D landscape pattern of different architecture space forms and different greenbelts on mass concentration diffusion of particulate matters (PM2.5) under different meteorological conditions, taking the 3D landscape pattern of green belts and architectures under high-density environment in Xi'an as the object of study, and the reduction of mass concentration of particulate matters (PM2.5) as the target, along the main line “micro-scale (single buildings)→ urban scale (residential cluster space)→ meso-scale (urban regional scale)”, adopting the methods such as remote sensing technology, GIS system, field measurement and WRF-CMAQ-CFD nested analogue simulation, etc. It has summarized the correlation between the index thereof and the concentration of particulate matters (PM2.5), and proposed the design systems and thresholds for the 3D landscape pattern of urban green belts and architectures that conform to function layout, planning layout, 3D pattern and can reduce mass concentration of particulate matters (PM2.5), so as to provide more scientific and operable quantitative design parameters for the subjective qualitative theoretical basis of urban landscape planning and design.

针对我国快速城市化所导致的下垫面及城市景观三维方向的急剧变化，影响城市空间细颗粒物（PM2.5）不断聚集的现象。本项申请以西安市高密度环境的绿地-建筑三维景观格局为研究对象，以降减细颗粒物（PM2.5）质量浓度为目标。沿着“微尺度（单体建筑）→城市尺度（居民区类组团空间）→中尺度（城市区域尺度）”研究主线，采用遥感技术，GIS系统，现场实测以及WRF-CMAQ-CFD嵌套式仿真模拟等方法，分析不同气象条件下、不同建筑空间形态和不同绿地三维景观格局的热-风环境对细颗粒物（PM2.5）质量浓度扩散影响的情况，总结其指标/指数与细颗粒物（PM2.5）浓度的相关性，提出符合功能布局、规划布局、三维格局以及够降减细颗粒（PM2.5）物质量浓度的城市绿地-建筑三维景观格局的设计体系和阈值。为城市景观规划设计的主观定性理论基础，提供更具科学性和可操性的定量化设计参数。

从城市下垫面热污环境的“格局”和“机制”，构建能够综合反映景观格局与污染物的关联机理，调控城市景观规划布局方案和景观格局的优化模式，为当前以灰霾为主的区域大气环境污染研究提供科学途径。由此，本项目以西安市为例，沿着“中尺度（城市区域尺度）→城市小尺度（居民区类组团空间）→微尺度（单体建筑）”不同尺度范围层级下进行了大量的走访调研和海量矢量数据的抓取；通过ArcGIS进行Moran指数计算，确定景观格局不同尺度的变化程度；将西安主城区划分为3480个单元格，分析西安市景观指数的空间分布现状，构建西安市域绿地-建筑景观格局CRITIC法的加权变化模型，求得代表建筑与绿地景观格局综合信息的新变量，最终确定分类标准以及景观格局数据库，完成符合高密度环境绿地-建筑景观特点的若干组典型绿地-建筑空间提炼。此外，选取社区空间中居住区组团、城市公园、社区公园、生活性海绵街道与宅旁绿地等不同尺度的重要典型节点空间，通过现场多点实测、问卷调查等方式进行了微气候的多季节季测试，分析阐释了西安市不同城市空间热污环境时空分布规律；构建BME-GWR可吸入颗粒物预测模型，预测出研究区范围内街区单元中的PM浓度值，结合小尺度Envi-met软件形成中微尺度套嵌模拟，同时构建居住区尺度下碳污协同数值模拟耦合计算方法，分别对不同层级典型空间中下垫面机理、景观格局、空间形态等层面，模拟研究多尺度耦合的城市绿地-建筑下垫面污染物与环境参数的作用机理。最后，结合现行行业设计规范，形成“空间尺度分布机制→模拟定量阈值确定→设计优化策略调控”的主客观定性理论，提出推荐西安市绿地-建筑三维景观格局各项设计参数的合理阈值与调控策略。.项目研究梳理西安市高密度区不同尺度下三维景观的空间尺度现状特征，确立了核心指标体系，建立中微尺度下绿地-建筑三维景观格局特性的耦合计算方法，提出各尺度下三维景观格局污染物管控定量指标和调控策略，为预测、优化调控城市绿地-建筑景观格局生态安全持续和健康发展具有重要意义。研究成果发表学术论文8篇，其中SCI期刊论文5篇，中文高等级期刊论文1篇，会议论文2篇，另有4篇在投；参与国内外学术会议交流10人次以上；并以此为核心支持学位论文7篇，包括1名博士研究生和6名硕士研究生的学位论文，依托本项目主持人获批陕西省第一、二届秦岭生态环境环保“青年学者”称号。完成原定研究目标。