高密度高异质性地表城市环境中平均辐射温度（Tmrt）的模拟与分析研究——以上海市为例

The mean radiant temperature (Tmrt) is one of the most important factors that affect human thermal comfort. Different from other meteorological parameters, Tmrt cannot be measured directly but often calculated based on simulation methods. Current methods for calculating Tmrt don't include high-heterogeneity urban surface information such as 3D representation of building facets and vegetation, therefore cannot simulate accurate Tmrt results in complex urban settings. The objective of this study is to develop a GIS-based 3D modeling method to calculate Tmrt based on integrated radiation flux modeling. Data considered include urban surface, building geometry and vegetation. The study takes different urban settings in Shanghai as case studies. The vehicle-borne light detection and ranging (LiDAR) method is used to generate accurate vegetation and building facet information in street canyons, and QuickBird remote sensing images are used to derive urban surface characteristics. In-situ meteorological measurements are conducted to validate the simulation results. The study will contribute to the understanding of the relationship between surface radiation flux and urban surface characteristics, building geometry and vegetation in high-density and high-heterogeneity urban environment. The 3D visualization tool developed in this study will provide scientific basis for predicting the impact of urban development on urban microclimate and outdoor thermal comfort.

平均辐射温度（Tmrt）是影响人体热舒适的一个重要因素。同其他气象参数不同，它不能通过测量直接获得，而通常采用模拟的方法计算得到。现有的几种模拟方法缺乏对高异质性城市表面信息，如建筑表面反照率及植被形态的三维空间描述，所以不能较为精确地计算复杂城市环境中的Tmrt。本项目拟探索一种三维的建模方法，以地理信息系统为平台，综合考虑地表、建筑、植被的空间信息，利用三维辐射通量分析的方法精确计算Tmrt。本研究以上海市不同的城市环境为例开展实验，利用光学遥感及车载激光扫描数据获取地表信息及建筑物侧面及街道峡谷中植被的准确数据，计算Tmrt，并结合实地气象测量验证方法的精度。研究结果对揭示高密度、高异质性城市结构中城市表面日照辐射通量与地表特征、建筑形态及植被间的关系有重要意义。研究开发的可视化三维模拟工具将为预测城市建设对城市微气候及户外热舒适的影响提供重要依据。

本研究旨在考察上海复杂的城市形态和表面物理特性下，城市空间中平均辐射温度（Mean Radiant Temperature, Tmrt）的理论计算和精确模拟方法。研究结合了气象测量和数值模拟，以地理信息系统为基础，开发了Tmrt的模拟计算工具，进行了丰富的测量和模拟工作。。此工具基于城市三维地理信息数据，综合考虑建筑几何、植被、地表特性等因素，利用太阳辐射分量分析的方法，模拟计算城市空间的Tmrt的时空变化。研究中设计制作了城市冠层微气候测量站和热辐射通量密度测量仪器，进行城市空间三维辐射通量密度的测量，用这种确定Tmrt最精确的方法来校验模型，经验证模型得到了很好的计算精度。在研究中，还选择了上海市具有代表性的案例分析地区，包括具有不同空间形态的上海市区街区，考察街道峡谷中三维辐射通量密度的分布以及建筑表面温度和地面温度的变化，并和市民在城市空间中受到的热压（heat stress）建立联系。研究以2014年上海市创历史纪录的夏季最高气温为例，考察了极端高温天气下上海市区（陆家嘴CBD及黄浦老居民区）Tmrt时空分布的不同。研究开发的系统，综合考虑了高楼高密度城市几何、高异质性地表物理特性以及不同植被特征，计算城市空间的天空开阔度、建筑物对风的遮挡作用、绿化容积率、交通流密度、与热源/冷源距离等空间指标，叠加生成城市气候图及热舒适图谱。利用图谱可以考察不同的城市设计场景，有针对性地确定城市的热敏感待调控区域，通过控制城市规划与设计中的气候适宜性空间调控因子，达到缓解城市热负荷，改善热舒适的目的，对于气候响应的城市规划和设计具有非常现实的指导意义。