基于遥感方法的有效天空开阔度模拟及其夜间城市热岛应用研究

Sky view factor is a commonly used morphological parameter to describe the three-dimensional geometrical features for the urban buildings, which is widely adopted to discuss the urban heat island phenomenon. Up to now, all published models for estimating the sky view factor are just related to the urban geometrical characteristics, so the estimation result is constant and the relationship between the sky view factor and the urban heat island intensity depends on time and areas. To better explain the nocturnal urban heat island phenomenon from the point of physical mechanism, by focusing on proposing and defining an effective sky view factor model and selecting Nanjing urban areas, Jiangsu Province as the study area, starting with the traditional physical definition of the sky view factor and the differential geometrical methodology, the project combines the theoretical simulation method and the experimental data analysis method based on remote sensing technology to discuss the influence of the sky radiance distribution variance with the zenith angle on the sky view factor. Then on the basis of the discussion, by including the effective terrestrial radiation, the project defines and develops an effective sky view factor model, which is further used to constuct the feature space between the effective sky view factor and the urban heat island intensity for quantatitively explaining and simulating the nocturnal urban heat island distribution. The research reuslts of the project can not only theoretically redound to further develop the sky view factor model and increase its application ability in urban heat island, but also help to guide urban planning and mitigate the urban heat island intensity in practice.

描述城市建筑物三维空间几何特征的形态学参数-天空开阔度，被广泛用于城市热岛现象研究中。目前国内外各种天空开阔度的模型结果都只是一个与建筑物几何特征有关的常数，其与城市热岛相关关系明显依赖于研究时间与区域。为了从物理机制上更好地解释夜间城市热岛现象，本项目以有效天空开阔度模型的提出与构建为切入点，选择江苏省南京市中心城区为研究区，从传统天空开阔度物理定义和微分几何学理论出发，综合基于遥感方法的理论模拟与实验数据分析，首先探讨天空辐射的天顶角分布差异对天空开阔度计算的影响，在此基础上提出并定义考虑地面有效辐射的有效天空开阔度模拟模型，通过合理构建不同大气状况下的有效天空开阔度-热岛强度特征空间，定量解释并模拟夜间热岛强度的空间分布。项目研究在理论意义上将有助于进一步发展天空开阔度模型，扩展该参数在城市热岛研究中的应用潜力，在实践意义上则对于指导城市规划、减缓热岛强度等具有重要应用价值。

城市空间几何形态是影响城市热环境的重要因素之一，其中天空开阔度是描述建筑物空间特征最为常用的城市形态学参数。天空开阔度计算方法中，物理模型假定天空辐射各向同性。而实际上，不同观测方向上的天空辐射分布差异明显，这是否会对天空开阔度的计算产生影响，在此基础上定义一个与地面有效辐射有关的天空开阔度模型，用于从物理机制上合理解释并模拟夜间城市热岛空间分布，具有重要科学意义。. 项目采用基于遥感方法的理论模拟与实验数据分析两种手段，探讨天空辐射分布对天空开阔度计算的影响，在此基础上重点开展有效天空开阔度模拟模型建立及其与城市热岛强度特征空间构建方法的研究，进而深入探讨此特征空间在夜间城市热岛研究中的应用潜力。. 项目收集了1m空间分辨率的Geoeye-1卫星立体像对，采用阴影与立体像对两种方法提取建筑物高度，并与Vertex 激光测距仪实测数据进行对比；收集了逐小时城市多站点气象数据，以及云量、云高等观测数据。项目研究重要成果包括：利用大气辐射传输软件MODTRAN，模拟不同方位、不同天顶角的天空辐射分布，分析天空辐射分布对天空开阔度计算结果的影响，结果表明天空辐射各向异性分布对结果影响较小；计算了城市不同点位的天空开阔度、建筑物迎风面积指数、地表吸收太阳辐射、城市热岛强度，分析了天空开阔度等空间形态学参数对城市热岛的影响，结果表明这些参数对城市气温变化与热岛具有显著影响，但这种关系随着天气状况、地表位置等因素发生变化；在城市下垫面三维建模基础上，以国家气象站实时数据作为背景气象场，采用ENVI-met 微气候模式模拟不同区域近地表气温时空分布特征，并利用气象站观测数据进行精度检验，结果表明模拟气温时间变化特征与实测值吻合程度较高；分析了不同云量状况下，城市热岛强度、天空开阔度以及二者之间关系的变化，结果表明随着云量增多，热岛强度减小，有效天空开阔度增大，在此基础上构建了天空开阔度-热岛强度特征空间，可用于解释不同位置、不同云量下的热岛现象。.