基于遥感和CFD技术的城市热环境分析与模拟 ——以兰州市为例

论文摘要

自1818年Lake Howard对伦敦城区和郊区的气温进行对比观测,发现城区气温比其郊区气温高,从而提出“城市热岛”的概念以来,城市热环境问题一直备受关注。特别是近年来,在全球增温和高速城市化的背景下,城市热环境被认为是主导整个城市环境的要素之一,对城市微气候、空气质量、能源消费结构以及公共健康等方面产生深远影响,城市热环境是城市空间环境中存在的热力场的综合表现,通过对城市热环境的研究可以揭示城市空间结构、城市规模的发展变化。此外,随着人们对生活舒适度、身体健康、安全程度要求的进一步提高,城市热环境已成为城市社会经济可持续发展的基础支撑条件,良好的城市热环境也是城市人居环境生态化的重要标志。提高人们对城市热环境的认识,掌握城市热环境表征因子和影响因子的空间分布以及定量研究各影响因子对城市热环境影响是实现可持续发展的重要环节。造成城市热环境恶化的主要原因是城市土地利用/覆盖类型的变化和城市人为热释放,其中城市土地利用/覆盖类型的变化（主要表现为城市建设用地的扩展和绿地的减少）是最为首要的因子。因此,基于现有的研究技术条件,本研究首先在遥感数据的支持下,以1986年、2002年和2007年的Landsat TM/ETM+遥感影像为研究数据源,从宏观层面分析不同土地利用/覆盖类型（建设用地、绿地和水域地）与城市热环境之间的互动关系。然后,利用CFD技术从微观层面,分别以水泥和粘土作为下垫面,模拟住宅小区热场的分布状况,进一步说明不同下垫面类型对热环境的影响。在国内,作者首次尝试性的将CFD技术应用到城市住宅小区热环境的模拟,为城市热环境微尺度的模拟提供了新的思路。不同土地利用/覆盖类型与城市热环境之间的互动关系分析的结果表明:随着温度级别的升高,建设用地面积比重明显升高,水域地的比重逐渐下降,绿地则与建设用地和水域地两者不同,呈现出先增加后降低的变化趋势。这表明建设用地在城市热环境效应中的贡献率是最大的;绿地对较低温区和中温区的贡献最大,而对低温区和高温区的影响最小;而水域地对低温区的贡献最大。利用CFD软件对住宅小区热环境模拟的结果表明:以粘土为下垫面的温度场中低温区的分布面积明显多于以水泥为下垫面的温度场中低温区的分布面积,而以粘土为下垫面的温度场中的高温区较以水泥为下垫面的温度场高温区不仅面积上小,而且温度值也相对较低。由此可见,绿地、水域地、粘土因其有较高的比热容和较低的热传导系数,以其作为下垫面,可以降低城市温度,改善城市热环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 研究方法及技术路线
• 1.4 研究区域概况
• 1.4.1 研究区域的选择
• 1.4.2 研究区域概况
• 第二章 研究综述
• 2.1 城市热环境概述
• 2.1.1 城市热环境的相关概念
• 2.1.2 城市热环境特征
• 2.2 城市热环境研究综述
• 2.2.1 静态观测阶段的研究
• 2.2.2 动态观测阶段的研究
• 2.2.3 新技术运用阶段的研究
• 2.3 计算流体动力学的应用与发展
• 2.4 计算流体力学在地学领域的应用
• 2.4.1 室内外空气的流动及环境分析
• 2.4.2 污染物扩散方面的研究
• 2.4.3 火灾场景、池塘水体运动规律等方面的模拟研究
• 第三章 遥感影像的预处理
• 3.1 遥感数据源
• 3.2 遥感影像几何精校正处理
• 3.2.1 控制点的选取
• 3.2.2 进行空间变换
• 3.2.3 重采样
• 3.3 遥感影像增强处理
• 3.4 遥感影像目视解译
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 目视解译的方法与原则
• 3.4.3 Landsat TM/ETM+遥感影像像元统计特征分析
• 3.5 研究区影像数据提取
• 3.6 遥感影像分类
• 3.6.1 分类体系划分
• 3.6.2 遥感影像的分类方法
• 3.6.3 遥感影像的分类及后处理
• 第四章 地表亮温反演及热场分布特征分析
• 4.1 基于Landsat数据的地表亮温反演的理论基础
• 4.1.1 热辐射基本规律
• 4.1.2 太阳的电磁辐射及其特性
• 4.1.3 地表的热红外特性
• 4.1.4 大气的热红外辐射及传输
• 4.2 基于Landsat数据的地表亮温反演模型
• 4.2.1 Landsat TM/ETM+地表亮温求算
• 4.2.2 ERDAS IMAGINE的空间建模工具
• 4.2.3 不同季相热红外数据的处理
• 4.3 城市热场分布特征及其与土地利用/覆盖关系的分析
• 4.3.1 城市热场格局及其演变特征
• 4.3.2 不同土地利用/覆盖类型的地表亮温特征
• 4.3.3 不同亮温变化等级和土地利用/覆盖类型的关系
• 第五章 湍流理论及流场数值计算方法
• 5.1 风的特征及其流体特性
• 5.1.1 风的特性
• 5.1.2 风绕建筑物流动的特性
• 5.1.3 湍流及其数学描述
• 5.1.4 湍流的数值模拟方法
• 5.1.5 湍流模型
• 5.1.6 在近壁区使用k-ε模型的问题及对策
• 5.2 流场数值计算方法
• 5.2.1 网格技术
• 5.2.2 基于有限体积法二阶迎风格式的控制方程离散
• 5.2.3 压力速度耦合方法
• 5.2.4 欠松弛技术
• 第六章 兰州市住宅小区热环境数值模拟
• 6.1 兰州市住宅小区热环境数值建模
• 6.1.1 工程背景简介
• 6.1.2 几何建模
• 6.1.3 计算流域的确定
• 6.1.4 湍流模型
• 6.1.5 网格生成
• 6.1.6 边界条件的选取
• 6.1.7 参考压力位置的确定
• 6.1.8 求解参数的设置
• 6.2 兰州市住宅小区热环境数值分析
• 6.2.1 不同高度压力场分布
• 6.2.2 不同高度温度场分布
• 6.2.3 不同高度速度场分布
• 6.2.4 不同下垫面温度场的分布
• 第七章 结语
• 7.1 主要结论
• 7.1.1 地表亮温反演的主要结论
• 7.1.2 不同土地利用/覆盖类型与亮温关系的主要结论
• 7.1.3 住宅小区热环境数值分析的主要结论
• 7.1.4 不同下垫面温度场的分布
• 7.2 创新与不足
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 附录 UDF自编程序profile.c
• 致谢