规划控制要素视角下城市热环境的测度与优化——以广州中心城区为例

传统的遥感与CFD方法在定量评价及优化城市热环境的影响时存在时间和空间上的局限,规划师缺少精细化管理城市热环境的定量方法。基于局地气候分区(Local Climate Zone,LCZ)体系,梳理规划控制要素与城市热环境的关联,定量分析广州中心城区热岛强度的时空分异特征,发现不同LCZ的热岛强度存在差异,调整规划控制要素可以对热岛强度产生不同程度的影响。通过对比广州中心城区的实测数据,对简化数值模拟方法(Urban Weather Generator,UWG)预测热岛强度的适用性进行检验,结果表明:(1)该方法的精度(R2=0.956,RMSE=1.10℃,MBE=-0.28℃)较好,计算速度快,适用于城市地块热岛强度精细化评估。(2)研究选取与规划控制要素相关的11个参数进行全局敏感性分析,发现建筑密度、建筑高度、建筑功能及占比是影响广州中心城区热岛强度的关键性因素,对热岛强度的控制可在规划初期介入,UWG和LCZ相结合是快速准确评估热岛强度的定量化工具。(3)通过合理规划土地使用、环境容量与建筑建造,引导城市设计,可有效缓解城市热岛,优化城市热环境。

湿热地区城市静态水体能量分配特征研究--以广州荔湾湖为例

城市水体作为一种基于自然的解决方案,被视为调节城市气候、改善城市热环境的重要工具。研究水体的能量分配特征是认识和把握水体对城市热环境影响的关键。然而,由于缺乏系统的量化方法和充分的数据支撑,水体的能量分配,即水体与周边环境能量交换的物理过程,尚未完全明晰。基于能量平衡理论,以广州荔湾湖为例,通过冬、夏两季的连续系统观测,得到湿热地区城市湖泊各能量分项的分配特征。结果表明:一、辐射通量在湖泊的能量平衡中具有双重作用,在白天短波辐射是主要能量输入源,在夜间长波辐射冷却是重要的散热形式;二、各能量分项受天气条件的影响不同,晴朗少云的“理想”天中净辐射通量Q*和潜热通量QE显著大于雨天和阴天多云等其他天气条件,而显热通量QH在这三种天气条件下的差异较小;三、季节对湖泊能量分配有显著影响,在高温高湿的夏季,蓄热通量Qs的平均日累计占比最大,即大部分净辐射分配给了蓄热;在凉爽干燥的冬季,QE占比最大,即大部分能量输入转化为了潜热。可为考察城市静态水体能量分配特征提供研究方法参考,并为认识和把握水体的气候调节效应提供湿热地区的数据支撑,进而推进基于蓝色基础设施的气候适应型城市建设。

南宁市夏季住区室外公共空间小气候对居民活动的影响研究

住区小气候的舒适程度直接影响着居民的生活质量,在2017年8月对南宁3个典型住区的室外公共空间进行调查,测试全遮荫和全日照2种环境下的空气温度、相对湿度、黑球温度、风速4种小气候相关参数,同时进行居民行为注记观察,根据实测数据计算UTCI值,结合居民行为进行小气候评价;研究发现,居民在住区室外公共空间的活动人数、活动场所、活动群体均受小气候影响,太阳辐射显著影响了住区居民的行为活动,遮荫良好是夏季居民选择住区室外公共空间活动的关键因素;可从增大遮荫面积、优化建筑布局、合理设计活动空间等方面对住区室外公共空间进行改善。

湿热地区城市乔木蒸腾降温观测及计算模型优化

作为植被区别于其他地表和景观设计要素的关键,蒸腾是其调节微气候的重要作用途径,而气孔导度是影响蒸腾作用最重要的生理参数.通过秋冬季长时间连续的树干液流和植被微气候参数测试,研究广州典型城市绿化乔木(杧果树,树高9.38 m,胸径0.621 m,冠幅8.60 m)的蒸腾和气孔导度变化特征,检验和优化不同计算模型的性能.结果表明,乔木蒸腾与其显著的降温(叶片与不透水面温差最大-14.6℃)增湿效应相对应.蒸腾速率呈扁平的"单峰型"日变化特征,不同天气下的最大值及排序为晴天(6.7×10^(-5)kg/(m^(2)·s))、多云及阴天(3.6×10^(-5)kg/(m^(2)·s))、小雨天(3.3×10^(-5)kg/(m^(2)·s))、中到大雨天(2.3×10^(-5)kg/(m^(2)·s)),蒸腾速率与太阳辐射和空气水蒸气压亏缺(空气距离饱和状态的程度)成正比,相关性最强.冠层气孔导度的变化趋势与蒸腾速率一致,太阳辐射和空气水蒸气压亏缺分别是冠层气孔导度最重要的促进和抑制因素,二者联合作用,使得晴天、多云天和阴天的冠层气孔导度在0.5×10^(-3)~7.0×10^(-3)m/s之间变化,具备一致性.优化后的Noilhan-Planton模型与Penman-Monteith模型相结合,可准确预测城市乔木在无雨和小雨天(降雨量<3.2 mm)的逐时蒸腾速率(R^(2)=0.80,RMSE=0.9×10^(-5)kg/(m^(2)·s),d=0.94).研究结果为湿热地区的城市植被微气候评估、城市绿化和风景园林设计提供数据支持和重要参考.

湿热地区城市乔木冠层能量平衡观测及显热计算模型优化

植被冠层能量分配是认识和把握植被对城市气候调节作用的关键,显热是植被冠层能量的重要组成部分,直接作用于近地气温与人体舒适性。根据能量平衡原理(净辐射=显热+潜热+蓄热),通过植被、液流和微气候等参数在秋冬少雨季的连续、系统性观测,考察湿热地区典型城市乔木(杧果树,树高9.38 m,胸径0.621 m,冠幅8.60 m)的冠层能量分配及显热计算模型。乔木冠层各能量项均随太阳辐射而变:净辐射、显热、蓄热呈"单峰单谷型"日变化,潜热呈"单峰型"日变化,蓄热峰谷出现最早(8:30,16:30),说明植被随外界条件变化快速调整叶片及冠层温度,潜热较大值出现早(11:00)且持续时间长(5 h),说明植被持续有效地通过叶孔蒸腾散热。植被冠层日间获得的太阳辐射能量主要向周边空气散失,引起空气温升和加湿,二者作用的强弱随时间和天气条件而变,上午和晴天、多云天温升作用明显,而下午和阴天加湿作用显著。叶孔蒸腾消耗乔木冠层40%(晴天)~60%(多云天)的日总能量,并在阴天持续发挥作用使得植被净吸收周边空气的热量。冠层显热由叶片与空气温差和冠层空气动力学阻抗决定,以0.11 m/s为界区分自由和受迫对流,预测结果能较好表现乔木冠层的显热变化特征(RMSE=74.54 W/m^(2),R^(2)=0.86,d=0.96)。研究结果为认识和把握典型植被的城市气候调节效应提供基础数据和参考,为提升风景园林设计的环境效益和生态水平奠定科学基础。

湿热地区雨水温度预测及降雨期间典型城市地表的能量特征

降雨期间地表能量分配发生的变化,是认识和把握降雨对城市气候和建筑能耗影响的关键,而作为降雨期间特有的能量项,雨水显热在其中发挥重要作用。基于能量平衡理论和雨水温度测试仪的开发,本文通过夏秋冬三季降雨、微气候和地表能量的系统性观测,研究湿热地区雨水温度预测方法及降雨期间典型城市硬质水泥地面的能量特征。结果表明,开发的雨水温度测试仪可准确测量(量程0~100℃,精度±0.15℃,采样时间6 s)各等级降雨事件的近地雨水温度。降雨开始前后近地空气温度和湿球温度均大幅降低,并在降雨后0.2~1.1 h进入稳定期,稳定期中近地雨水温度较距地1.5m高处空气湿球温度恒定低3.0℃,据此可通过空气参数预测雨水温度。秋冬季降雨过程中,不透水地面持续释放下层蓄热,各散热项占比潜热(34%~65%)最大,对流换热(11%~34%)其次,净辐射(3%~21%)较小,雨水显热占比(5%~19%)在降雨强度较小时与净辐射相当,降雨强度较大时显著提升,最高可达46%。本研究在推进雨水温度和降雨期间地表能量变化认识的同时,为多雨湿热地区的城市气候和建筑热性能研究提供重要参考。