基于局地微气候调控与空气质量模拟的城市绿地空间格局优化机制研究

There are closely interdependent relationship between urban green space and local micro-climate, Near-surface air quality. We're going to research the interaction mechanism among urban green space pattern (namely the layout of the urban green space form), local micro climate and Near-surface air quality on the basis of geography, atmospheric science, city planning, ecology science combustion theory and other disciplines. So that discovers the urban green space pattern which plays a system optimal function、optimization of local micro climate and contributed to Near-surface air exchange, help to dilute the air pollutant. The research spread out two dimensions: In the city scale, through coupled simulation experiment methods of the city system dynamic model and atmospheric meso-scale model, the research of the interaction mechanism between urban green space and local micro-climate, Near-surface air quality with different forms, the size of the green space pattern. The environment factors are involved in the wind, temperature, humidity, small wind area distribution range, air pollution diffusion capacity and human comfort, etc. In the community scale, we're going to create a city 3 D model based on GIS raster, using the micro scale ENVI-met and CDF model, to research the scope and extent of impact of micro-climate around of different forms and size of the green space.

城市绿地与局地微气候环境、近地空气质量三者之间存在紧密依存的关系。本课题以广州为研究案例，拟通过地理学、大气科学、城市规划学、生态学等多学科融合的科学方法研究城市绿地空间格局（即城市绿地的布局形式）与局地微气候环境、近地空气质量三者之间的相互作用机制，进而探索能够调控局地微气候，促成城市内部空气交换、有助于稀释扩散空气污染物的优化城市绿地空间格局（即如何发挥系统最优功能的绿地规划）。研究分两个尺度展开：在城市尺度上，通过系统动态模型耦合大气中尺度模型的模拟试验，研究28种不同形式、规模的绿地空间格局与局地微气候效应以及空气质量相互作用机制，涉及的环境因子包括风场、温度场、湿度分布、小风区分布范围、大气污染扩散能力以及人体舒适度等。在社区尺度上，创建一个基于GIS栅格的城市3D模型，利用微尺度的ENVI-met与CFD模型模拟，研究不同规模的绿地斑块对周围微气候与空气质量的影响范围和程度。

本课题用多学科融合的模拟方法研究城市绿地的空间格局与城市近地面微气候之间的相互作用机制，研究绿地格局的变化是如何影响微气候环境的形成，以及如何促成城市内部的空气交换（有助于缓解雾霾）。在研究方法上，课题组跨学科结合使用不同学科的研究方法，探索可行的模拟试验方法，得到一定的模拟结果。为期三年的研究工作主要完成以下两个部分研究内容：第一部分是在城市中观尺度上（网格精度3KM），广州市域范围内，以GIS与遥感影像为平台，通过对城市规划方案进行数据转换，耦合大气中尺度模拟软件GRAPES进行城市24小时局地气候模拟试验，研究同一初始气象条件参数设置下，不同模式与不同规模的绿地空间格局变化而随之产生的局地气候环境变化的状况。第二部分是在城市社区尺度上，研究社区范围（2KM和5KM）内，城市近地面层（1.5M高度），设置在城市静风条件（当前我们城市气候与雾霾产生的典型城市气候状况）下，使用FLUENT流体力学模拟软件，结合绿地生物特征（蒸腾效应）UDF式，模拟不同绿地格局与绿地率条件下，社区建筑群与绿地之间的局地微气候效应场景，通过103个场景模拟，分析总结社区尺度上不同模式与不同规模的绿地空间格局变化下，绿地与建筑群之间微气候环境变化的相互作用机制。根据GRAPES模拟实验结果，可以看到在城市尺度上，绿地对局地气候的影响取决于绿地规模。城市绿地的空间分布与局地风场的分布紧密相关，具有一定规模的绿地（不小于70公顷）能够与周围建成区之间形成局地风场的圈层效应，从城市温度场的空间分布来看，虽然低温区域的形成与绿地面积有关，但是城区内部小规模公园绿地对其周围建成区域的温度影响微弱。在社区尺度上，根据FLUENT模拟实验结果，绿地格局的变化确实引起区域微气候环境的变化，这种变化是城市空间规划与建设造成，在某些条件下，与区域气候变化无关。从综合的角度来看，每一种绿地布局的微气候效应难分优劣。但是在不同布局的绿地环境中，建筑物与外界的热交换量发生改变。绿地与建筑区之间的微气候，其风速大小、风场分布、温度分布都有一定的规律性，尤其是两者交界面，风速增强，伴随蒸腾效应的增大，界面交换强度增大，对于改善城市居住环境，发挥绿地效应是具有重要作用的。界面交换强度与蒸腾系数和绿地密度有关，与绿地率有关。当植被为乔木时，绿地疏密的变化是影响绿地与其周围建筑区之间对流换热强度（NU数）的关键因子。