城市形态与城市微气候耦合机理与控制

The issue of urban microclimate is directly related to human health and well-being, and also closely corresponds to the strategy of low carbon and energy efficient cities. To improve urban microclimate calls for interdisciplinary research and collaboration. Urban climatology study has affirmed the correlation between the morphology of urban space and its microclimate, and formulated the hypothesis to improve microclimate through optimizing urban form. The discipline of architecture and urban planning precisely involves with the formation of urban form, therefore highly responsible to explore the underlying correlative regularity. China's population base and distribution of land resources determines ‘compact city’ as the best strategy. However, high-density cities are apt to trigger urban microclimate problems which bring serious challenge to environmental quality. The proposed research project sets the hot-summer-and-cold-winter climatic regions with complex climatic conditions and advanced urbanization as its boundary condition. It will first analyze the morphological characteristics and construct parametric models of urban form, at three levels of urban structural form, block form and urban space. Then supported by numerical simulation and analysis, this project will investigate the correlative mechanism between urban form and microclimate, and feasible threshold value for morphological parameters. Eventually, by means of urban planning and design regulations and guidance, the overarching aim is to improve urban microclimate through control and optimize urban form.

城市微气候问题直接关系到人们的生活与健康，也与城市节能减排密切相关，改善城市微气候环境需要多学科的研究和多方面的配合。城市气候学的研究证实了城市微气候与城市物质空间形态直接相关，提出可通过优化城市形态改善城市微气候的设想，而探索其间的关联性规律是参与建构城市形态的建筑与规划学科必须应对的课题。我国人口基数和土地资源之比使得发展紧凑型城市成为最佳策略，然而高密度城市容易引发各类城市微气候问题给城市的环境质量带来了严峻的挑战。本研究以我国气候特征复杂且城市化程度高的夏热冬冷气候区为气候区边界条件, 首先从城市结构形态、街廓形态和城市空间三个层面，对该气候区城市形态特征进行分析与归纳，建构各层级城市形态参数化模型。继而通过数值模拟与分析，探索城市形态与城市微气候的耦合机理，研究城市形态参数的合理阈值范围。最后，基于城市规划设计现行规范和导则，探索通过控制和优化城市形态来改善城市微气候环境的途径。

本项目以我国气候特征复杂且城市化程度高的夏热冬冷气候区为研究区域，聚焦城市典型高密度建成区，从城市结构形态、街廓形态和城市空间三个层面对城市形态进行研判，分别建构城市形态参数化模型，即：基于局部气候分区理论的整体城市隐式模型、基于城市街廓形态特征指标的特征形态模型、以及基于空间形态特征参数的城市空间特征参数化模型，为城市形态与城市微气候的耦合研究建构了有效基础。.针对不同层级的城市形态参数化模型，通过利用MODIS卫星和Landsat卫星遥感地表温度数据、典型城市群的自动气象站观测站数据和典型真实城市形态风洞实验数据等多层级实测数据对现有数值模拟平台进行适宜性评估，分别确立了WRF、ENVI-met和FLUENT三个数值模拟平台，为探明城市形态与城市微气候的耦合机理提供了技术支撑。.基于对模拟结果的梳理和分析，探索了各层级城市形态参数与城市微气候特征要素的耦合方法。在探明不同层级城市形态与城市微气候的耦合机理的基础上，确立了面向优化城市微气候环境的城市形态参数的合理阈值，并提出了在城市总体规划、城市设计和场地设计中城市微气候控制策略。.此外，为精准而快速完成海量的城市形态数值模拟实验，本项目还通过编程等技术手段提高了城市形态模型导入的效率，开发了建筑性能设计平台Rhino/Grasshopper与 FLUENT的接口模块；基于多孔介质模型，利用CFD软件FLUENT的用户自定义程序UDF添加植物模型；探索了复杂城市形态特征下的多层嵌套数值模拟方法，并建立基于城市模型、街廓模型、空间界面模型以及人员污染暴露模型等四个层级的城市物理环境效应的系统模型。.本项目国内外期刊及会议上发表学术论文89篇，其中SCI、SSCI、A&HCI、EI、CSSCI检索37篇；出版学术专著2部，编写团体标准图集1部；取得软件著作权3项，申请专利7项；获得国家级、省部级行业设计奖12项；培养硕博研究生47名。研究成果在当下以提高城市空间使用效率为导向的城市更新中，为改善城市室外微气候环境，制定城市形态控制策略，具有重要的科学价值及实践意义。