多源时空大数据环境下基于通风机理的雾霾应对规划方法研究

The distribution and dispersion of urban haze is closely related with meteorological conditions and the built-up environment, hence urban haze and its harms can be lessened by improving the ventilation conditions in urban built-up areas. This research utilizes the dynamic distribution of urban wind field and haze distribution retrieved from meteorological data, remote sensing images and air pollutant monitoring. Such distributions are combined with the relevant information about the built-up environment to explore the regressive relations between these features and the dynamic dispersion of major pollutions such as industrial air pollution, vehicle exhaust and fuel combustion, air pollution produced by residents in daily life in urban built-up areas. Models for simulating and predicting the spatial-temporal distribution of urban haze are built upon such regressive relations, so as to evaluate the potential exposure of citizens in the planned built-up environment. The results are used to support macroscopic planning of land use, city structure etc., and to optimize urban road network, open space, public greens and public waters in wind path planning, and to provide scientific methods for microscopic planning and design practices such as street space design, road section design, greenbelt design and urban design etc.

雾霾的分布和扩散与气象条件和建成环境密切相关，改善建成区通风条件将有利于减弱雾霾及其造成的负面影响。本项目利用已有全部气象站点每小时数据、遥感气溶胶反演数据、大气污染物监测站点每小时数据和手持污染物监测仪器得到时空动态的城市风场和雾霾分布信息，结合多来源的城市建成环境数据，将工业污染、交通尾气和居民生活污染物排放等多种主要的城市大气污染在不同尺度空间上的扩散情况与这些要素进行时空回归分析；在此基础上，构建上述大气污染物在不同规划情景下建成环境中的时空分布模拟预测模型，并结合动态人口空间分布数据对规划期末的居民暴露情况进行危害风险评估；从减少雾霾及其对居民的负面影响的角度，为城市用地布局规划、城市结构优化等宏观规划提供科学依据，为城市通风廊道规划中城市道路、开敞空间、公共绿地和水体等构成要素提供优化方法，为街道空间、道路横断面设计、防护绿地设计和城市设计等小尺度规划设计提供科学支撑。

本项目在我国大气环境总体持续改善、但不利气象条件或外源性污染物作用下的重污染过程仍然时有发生的背景下，提出了以空间规划为抓手、通过城市建成环境优化来分析、预测和缓解大气污染所造成的不利影响。.研究的主要内容包括：1）在城市和区域尺度上，通过小波分析等时许信号处理方法，研究分析大气污染物的分布、扩散规律，提升了对大气污染背景性运动的理解；2）在城市尺度上，通过地理加权回归等数学模型，对不同建成环境要素和城市气象要素与大气污染物浓度的相互作用关系进行时空建模，从而通过城市风道规划、城市土地利用规划等措施，改善城市大气质量；3）在街道和社区尺度上，通过空气动力学模拟，定量监测道路界面、居住小区等建成环境微观形态对大气污染物局部积聚、扩散的影响，通过多目标优化、模式识别、代理模型等算法，优化面向城市大气污染的城市设计。.相关的研究内容还包括：1）针对城市风、热环境等与大气污染密切耦合的环境要素所开展的规律和现象研究；2）针对建成环境近地表环境监测需求的监测网络设计布局、建设安装、技术特性及利用、操作规范与技术流程等工程技术研究；3）针对一线规划编制单位在应对大气污染的规划设计优化流程中所面临的技术和知识壁垒，开发了用于规划编制和管理的通风环境评估软件。.研究成果体现在：1）在规律和现象层面，针对空间规划需求，建立了建成环境下大气污染物分布运动的背景性模型和建成环境要素与大气污染物相互作用统计分析模型；2）在方法和路径层面，融合多目标优化算法、模式识别算法、代理模型算法等，实现了多约束条件、庞大变量空间、复杂目标导向下的规划设计优化；3）在工程和技术层面，提供了针对规划设计和管理需求的流程规范、技术指标、支持性软件等。研究成果在武汉、广州、襄阳等地实现了实际应用。