基于三维建模与天空视域系数的城市地表辐射和能量收支参数化

Focused on the influence of building morphology and structure to urban surface radiation and energy budget, it is intended for the improving the parameterization scheme for natural surface, and then realize the parameterization of each component of urban surface. First, some characterization parameters are selected to represent the urban surface heterogeneity, including Plane Area Index, Frontal Area Index and Sky View Factor and so on, which are extracted from urban three-dimension modeling data. Then, the combination of scene simulation and remote sensing retrieval was regarded as the key to calculate effective reflectivity, effective emissivity and aerodynamic roughness length of urban canopy, and then the net radiation flux, storage heat flux, sensible heat flux and latent heat flux of urban surface are parameterized. Finally, the estimation of urban anthropogenic heat emission is conducted based on urban surface energy balance equation. In addition, the validation for parameterizing results of urban surface radiation and energy budget are performed. The urban surface radiation and energy budget were analyzed from different and multi-scale perspectives, and the scheme for parameterizing urban surface will be implemented. These results can support the analysis of urban climate character and its physical mechanism.

以城市建筑物形态和结构对辐射和能量的影响为焦点，改进现有针对自然地表的辐射和能量收支参数化方案，实现城市地表各分量的参数化。首先，选取平面面积指数、迎风面积指数和天空视域系数等作为城区异质性地表的表征参量，基于城市三维建模提取这些特征参量；然后，采用场景建模和遥感反演相结合的方式，计算城市冠层的有效反射率、有效发射率和空气动力学粗糙度等关键因子，实现城市净辐射、储热、感热和潜热的参数化；最后，基于城市能量平衡方程开展城市人为热排放估算，并开展城区辐射和能量收支参数化结果的精度验证。项目从不同角度、不同尺度分析城市辐射和能量收支特征，实现了城市辐射和能量收支参数化，其成果可为城市气候特征及其形成物理机制分析提供支持。

在多数大尺度城市辐射能量收支研究中，城市表面被定义为平坦的水泥表面，这对城市尺度辐射和能量平衡研究存在很多不足。城区三维形态结构特征，使得城市尺度辐射能量收支过程趋于复杂，迫切需要对辐射和能量参数化方案进行修正和改进。针对项目的研究目标，项目组在执行过程中重点针对城区人为热排放通量的参数化研究，同时加强城市形态结构特征对城市下垫面反射率和地表温度的影响机理研究，完成了机理分析、场景模拟和模型构建工作。项目组开展的主要研究包括：城市地表形态特征参数化、城区热环境特征分析、考虑城市形态结构特征的城区辐射收支参数化，以及人为热排放量通量估算与分析对比。针对这些研究内容，项目收集和整理了多种数据资料，包括：(1)多源遥感数据（高分辨率遥感影像（WorldView-3 (1.24m), Pléiades (2m), 资源三号 (5.8m)）、中分辨率遥感影像、夜间灯光遥感影像，以及机载激光雷达数据等）；(2)社会经济统计、能源消耗统计数据等；(3)地面站点观测数据，包括通量观测和气象多要素观测等。项目取得的主要成果包括：(1)完成了城区复杂下垫面形态结构参数的量化，提出天空视域系数提取技术方案；利用多源遥感数据，构建了城市不透水面盖度提取技术方案；(2)提出了地表温度反演的Landsat 8 TIRS算法，并完成了京津唐主城区地表热场空间特征变化分析，以及北京中心城区热岛的时空格局及影响因子多元建模；(3)构建了顾及城区形态特征的太阳辐射传输模型、热辐射传输模型，基于这些模型完成了复杂下垫面的地表参数反演；（4）完成了地表辐射收支遥感监测及其空间特征分析；(5)构建了人为热排放通量参数化方案，完成了大区域、多尺度、长时序人为热排放通量参数化，制作了专题数据集。开展本项目城区辐射能量收支参数化研究，可为我国城市气候特征及其形成物理机制分析提供支持，进而为我国快速城市化情势下区域气候变化的应对提出建设性策略，对我国下一阶段的相应政策出台具有重要的参考价值。