基于ENVI-met模式的城市近地表气温模拟与分析-以南京市部分区域为例

城市不同下垫面与建筑物空间形态对近地表气温等微气候要素产生了重要影响。开展城市气温时空变化模拟与影响因素分析,对于城市热环境评价与城市规划具有重要意义。论文基于高空间分辨率Geoeye-1立体影像,在建筑物高度、下垫面覆盖类型信息提取的基础上,选择南京一中、光华东街、玄武湖、头陀岭4个区域,采用ENVI-met微气候模式,以城市基本气象站南京站的实时气象数据作为背景气象场,模拟不同区域近地表气温的时空分布特征,并利用区域自动气象站观测数据进行精度检验。结果表明:在时间变化上,ENVI-met模拟气温与实测值之间吻合程度较高;在空间分布上,南京一中与光华东街区域气温时空分布规律总体相似,但城市空间形态的差异使得局部区域气温变化不同,玄武湖区域气温由陆地中心向外围呈递减趋势,而头陀岭地形复杂多变,白天气温变化剧烈,夜间空间变化较小。     

基于ENVI-met的福州大学校区冬季热环境模拟与热舒适度变化分析

选取福州大学校园教学区为研究区域,基于典型冬季日背景,运用三维非静力微气候模型ENVI-met,分析模拟校园热环境的差异变化及其热舒适度响应。结合实地勘测,对模型进行校准和验证。结果表明：ENVI-met模型能较好地表征室外热环境,准确预测温度和相对湿度的日变化趋势。混凝土路面、灰色地砖路面行人高度的日平均气温分别比草地高出0.1 ℃和0.3 ℃,逐时最大温差分别为0.68 ℃和0.65 ℃。建筑物阴影和树阴可降低行人高度的气温1.1—1.9 ℃;同一组团在有无遮阴的条件下,平均辐射温度（T_mrt）相差最大可达30 ℃;树木附近和建筑物组团内部生理等效温度（PET）值较小,比硬质路面低2—3个等级。无植被方案下,高温低湿区范围有所扩张,在垂直方向上的增温效应可伸展至10.5 m;风速最大增幅可达1.23 m·s^-1,平均辐射温度较高区域的面积增加了69.25%;热舒适区和热不适区面积分别增加了19.78%和2.03%。     

建筑物制冷系统人为热排放与气象环境的相互作用

针对建筑物制冷系统人为热排放对城市气候和能源消耗影响越来越大的现状,利用改进后的建筑物能量模式BEM(Building Energy Model)与单层城市冠层模式SLUCM(Single Layer Urban Canopy Model)的耦合,实现对城市建筑物人为热排放的动态模拟;以2014年5月29日为例(北京地区极端高温个例),开展北京地区建筑物制冷系统人为热排放与城市气象环境相互作用的定量分析。WRF(Weather Research and Forecasting)/Noah/SLUCM/BEM耦合模式模拟分析表明,模式在不加入人为热时,对夜间的热岛模拟偏弱,且基本无法模拟出白天的热岛效应;加入城市交通人为热排放后,对城市热岛强度和范围的模拟有一定改善;进一步加入建筑人为热排放对气温、热通量、边界层高度等的模拟效果均有不同程度的改进。加入BEM模拟的人为热后(case2),15:00(北京时,下同)主城区地表感热通量增加30~50 W·m~(-2),相应地2 m气温升高0.4~0.8℃,二者对应关系较好。case2中的人为潜热排放导致地表潜热通量增加80~140 W·m~(-2),水汽通量增加0.04~0.09 g·m~(-2)·s-1,中心城区2 m比湿增加0.5~0.9 g·kg~(-1),边界层高度升高100~150 m,且傍晚边界层高度开始下降的时间推迟了约1 h。加入建筑人为热后,气温等气象条件的变化会对建筑物制冷系统能耗及人为热排放产生影响。case2对比case1,建筑物制冷系统能耗增加了1.11%~3.33%,建筑物制冷系统排放的感热通量增大0.67%~1.67%、潜热通量增大0.625%~1.56%(达2.0 W·m~(-2)以上)。研究表明,在中尺度模式中动态模拟建筑物制冷系统的人为热排放,能够改进对近地层气象要素的模拟效果。     

应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响

文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进.运用改进耦合模式通过多个敏感性试验的模拟,从城市面积扩张、建筑物高度增加、建筑物分布密度变化等角度研究城市建筑物三维几何形态变化对城市边界层及城市气象环境的影响,试验结果表明:(1)城市面积扩张使得城市下垫面的热通量增大,热力湍流活动增强,动量通量输送增强,城市湍能增大,湍流扩散系数变大,城市气温升高,且对不同时刻城市区域大气层结稳定度均有不同程度的影响.(2)建筑物高度增加增大了城市下垫面的粗糙度和零平面位移.同时也增大了城市街渠高宽比.城市建筑物越高,白天城市地区地表热通量越小,城市上空大气温度越低,平均风速减小,湍能减小;夜间由于高大建筑物释放储热比低矮建筑物要多,其热力湍流相对活跃,地表热通量增大,使得城市区域气温较高.(3)建筑物密度增大,会减小城市下垫面的粗糙度同时增强街渠对辐射的影响.建筑物密度增大在白天会减小地表热通量和动量通量,使城市气温降低,平均风速增大,城市湍流活动能力减弱;夜间城市释放较多储热使得气温较高.     

湿热地区街头绿地微气候效应数值模拟分析

基于城市微气候模拟软件ENVI-met,对深圳市某商业区街头绿地周边的微气候进行了模拟,并利用现场实测数据对模拟结果的准确性进行了校核。结果表明:ENVI-met可合理描述研究区微气候环境的空间分布与日变化特征。在此基础上,利用ENVI-met模拟比较了乔木、草坪和水景3类街头绿地的微气候效应,由空气温湿度对比可见,不同类型街头绿地的降温增湿效果存在明显差异,乔木型绿地降温增湿效果最大,草坪型绿地次之,水景型绿地降温增湿效果最弱,但3类绿地降温增湿效应的日变化和空间分布基本一致;由地面温度对比可见,乔木型和草坪型街头绿地对邻近路面具有增温效应,而水景型街头绿地对周边所有路面均具有降温作用,本文研究结果可为城市街头绿地的气候适应性设计提供参考。     

基于ENVI-met的北京典型住宅区微气候数值模拟分析

基于三维微气候模拟软件ENVI-met,以北京典型住宅区为研究对象,建立实况及设有屋顶绿化两种场景下的三维数值模拟模型,对研究区的微气候特征进行模拟分析。结果表明：微气候ENVI-met模型经过多次参数校正后,模型模拟结果与实测结果较接近,能较好反应微尺度气候的分布特征;屋顶经过简单的绿化后具有较好的降温增湿效果,使研究区平均温度降低了2—3℃,相对湿度增加了2.7％,风速由0.32—2.70 m·s－1降低至0.40—1.11 m·s－1,整体下降了0.34 m·s－1。ENVI-met通过三维模型可有效地应用于微气候模拟评价中,对评估当地微气候设计和城市规划具有一定的应用性。     

基于ENVI-met的广州街区温湿环境模拟

为研究华南湿热气候地区城市小区的温湿环境特征，基于微气候模式(ENVI-met)模拟广州市海珠区中山大学小区冬夏季温湿场的分布特征，并结合气象自动站连续监测资料进行检验订正，结果表明：(1)不同季节街区温湿场空间分布特征存在一定差异，白天水体和植被覆盖区为高湿和低温区；(2)ENVI-met模式能够较好预测小区微尺度温度和湿度环境，冬季温度和湿度实测值日变化幅度稍高于模拟值，夏季温度模拟值日变化幅度大于实测值；(3)冬夏季温度经过多项式函数拟合订正及冬季湿度经过指数函数和夏季湿度经过幂函数拟合订正后RMSE分别降至0.8℃以下和2.5%以下；MAPE分别降至0.26%和2.6%以下，模拟结果与实测值基本一致。研究结果表明ENVI-met可应用于城市小区规划建设。     

石家庄市区域自动气象站气温数据适用性分析

利用2009—2015年石家庄地区17个国家级自动气象站和61个两要素区域自动气象站的逐时气温、逐日最高气温及逐日最低气温观测资料,对比分析了石家庄市国家站和区域站逐时与逐日气温空间分布特征的相似性及差异性。结果表明:探测环境差异对日最低气温观测值的影响较大,对日最高气温观测值的影响较小。石家庄市不同区域气温冬季差异最大,夏季差异最小,春秋季居中;太阳辐射可以减小区域之间气温的差异,日出后不同区域的气温差异快速缩小,辐射最强时气温差异最小,日落后不同区域气温差异达最大,直至日出前不同区域的气温差异变化微弱,始终保持较高差值。石家庄市西北部山区气温较低,东部平原地区气温较高,石家庄城区气温最高。选取不同探测环境的气象站统计某区域平均气温时,对日平均最高气温统计值的影响较小,对日平均最低气温统计值的影响较大;23时至翌日上午10时,国家级自动气象站气温差异的季节变化特征可以代表全区气温差异的季节变化,其他时刻代表性较差,18—20时气温差异的代表性最差;冬季夜间石家庄市主城区相对周边地区城市热岛最明显,夏季山区相对城区最高气温更低,冬春季白天城区相对乡镇存在明显的冷岛现象。     

建筑物能量模式的改进及制冷系统人为热排放研究

针对近年来中国城市化进程不断加快,建筑物制冷系统的排热对城市气候的影响越来越大的现状,以2010年8月6 7日北京地区夏季典型晴天为例,开展了对建筑物能量模式(Building Energy M odel,BEM)和制冷系统人为热排放的研究。分析发现不同用途建筑物的用电量日变化特征不同,其与气象因子(主要是气温)之间存在一定的相关性。在此基础上,改进了BEM模式,并对制冷系统(空调)能耗和排热进行了模拟。首先,基于用电量日变化特点模拟不同用途建筑物的排热情况,表明在建筑物空调制冷系统负荷中,窗墙传热占60%以上,人员、设备产热占30%,通风设施传热占5%~6%;其次,对影响建筑物排热量较大的一些参数进行敏感性试验,建筑参数中建筑物高度对排热的影响最大,从18.3 m降低到12 m和6 m,排热量可分别减少24.3%和49.6%,紧随其后的是墙体传热系数和新风系数的影响,而空调设定参数中设定温度从25℃下降1℃,空调制冷系统排热猛增94.4%;最后,根据我国夏季各种类型空调占比情况,计算出空调排热中感热、潜热分别为12.69 W·m-2和45.87 W·m-2(约占22%和78%),为建筑物排热对城市气候影响研究奠定了基础。     

不同城市冠层参数化方案对重庆高密度建筑物环境的数值模拟研究

目前,耦合在WRF模式中的城市冠层方案包括单层冠层方案（UCM）,多层冠层方案（BEP）以及考虑室内外大气能量交换的多层冠层方案（BEP+BEM）。不同方案计算过程及参数设置不尽相同,这些方案能否适应高密度建筑物复杂下垫面的城市气象环境的模拟?建筑物形态参数对于城市气象因子模拟的敏感性如何?为回答上述问题,选取建筑物高密度城市——重庆为研究对象,以2006年重庆高温伏旱天气为背景,采用高分辨率（333 m×333 m）的地理信息系统数据替换WRF模式中默认的美国地质调查局（USGS）静态数据,对WRF中的3种城市冠层方案进行了模拟评估,并进行建筑物形态参数变化对气象因子影响的敏感试验。结果表明：（1）BEP+BEM、BEP、UCM方案模拟值与城区内10个站点2 m高气温观测值的均方差和平均误差分别为1.3、1.4、2.1和-0.5、-0.8、-1.4℃,单层冠层方案相对较差,BEP+BEM方案最好。模拟值普遍略低于观测值。位于密集建筑物周边的2 m高气温模拟值与自动站观测吻合相对较好,而中国国家基本站的观测值与模拟值相比,观测值偏低,靠近水体的模拟结果相对较差;（2）建筑物高度及密度参数的变化对城市近地层气温产生明显的影响,当建筑物高度增高时,由于短波遮蔽作用的影响,白天气温降低最大达到0.4℃,而夜间由于辐射截陷作用增强,气温明显升高,最大可达0.7℃。建筑物间距缩小,导致白天近地面气温降低,夜晚则升高,且夜间变化幅度更大;（3）当调整建筑物高度及密度参数分别为：高度20%（15 m）+60%（20 m）+20%（25 m）,间距20 m时,城区内观测站点2 m高气温观测值与模拟值的均方根误差从1.3℃减小到0.6℃,提高了模式的模拟性能。     

Study on Effects of Building Morphology on Urban Boundary Layer Using an Urban Canopy Model

An urban canopy model is incorporated into the Nanjing University Regional Boundary Layer Model. Temperature simulated by the urban canopy model is in better agreement with the observation, especially in the night time, than that simulated by the traditional slab model. The coupled model is used to study the effects of building morphology on urban boundary layer and meteorological environment by changing urban area, building height, and building density.It is found that when the urban area is expanded, the urban boundary layer heat flux, thermal turbulence, and the turbulent momentum flux and kinetic energy all increase or enhance, causing the surface air temperature to rise up. The stability of urban atmospheric stratification is affected to different extent at different times of the day.When the building height goes up, the aerodynamic roughness height, zero plane displacement height of urban area, and ratio of building height to street width all increase. Therefore, the increase in building height results in the decrease of the surface heat flux, urban surface temperature, mean wind speed, and turbulent kinetic energy in daytime. While at night, as more heat storage is released by higher buildings, thermal turbulence is more active and surface heat flux increases, leading to a higher urban temperature.As the building density increases, the aerodynamic roughness height of urban area decreases, and the effect of urban canopy on radiation strengthens. The increase of building density results in the decrease in urban surface heat flux, momentum flux, and air temperature, the increase in mean wind speed, and the weakening of turbulence in the daytime. While at night, the urban temperature increases due to the release of more heat storage.     

Thermal bioclimate in idealized urban street canyons in Campinas, Brazil

Among several urban design parameters, the height-to-width ratio (H/W) and orientation are important parameters strongly affecting thermal conditions in cities. This paper quantifies changes in thermal comfort due to typical urban canyon configurations in Campinas, Brazil, and presents urban guidelines concerning H/W ratios and green spaces to adapt urban climate change. The study focuses on thermal comfort issues of humans in urban areas and performs evaluation in terms of physiologically equivalent temperature (PET), based on long-term data. Meteorological data of air temperature, relative humidity, wind speed and solar radiation over a 7-year period (2003–2010) were used. A 3D street canyon model was designed with RayMan Pro software to simulate the influence of urban configuration on urban thermal climate. The following configurations and setups were used. The model canyon was 500 m in length, with widths 9, 21, and 44 m. Its height varied in steps of 2.5 m, from 5 to 40 m. The canyon could be rotated in steps of 15°. The results show that urban design parameters such as width, height, and orientation modify thermal conditions within street canyons. A northeast–southwest orientation can reduce PET during daytime more than other scenarios. Forestry management and green areas are recommended to promote shade on pedestrian areas and on façades, and to improve bioclimate thermal stress, in particular for H/W ratio less than 0.5. The method and results can be applied by architects and urban planners interested in developing responsive guidelines for urban climate issues.     

城市中水体布局对大气环境的影响

城市下垫面状况在很大程度上决定城市大气物理环境的特征。在城市区域增加湿地等自然地表有利于城市的减温增湿,促使局地流场发生变化,改善局地微气象条件以及大气物理环境。城市规划大气物理环境多尺度数值模拟系统为城市规划大气物理环境定量评估提供了有效的模拟工具。利用该系统中的城市尺度模式模拟了水体布局为集中型和分散型,水体面积占有率分别为4%、8%、12%和16%条件下,城市大气温度、湿度、风速、城市大气扩散条件的变化及其对城市大气环境的影响,利用北京市城市水体气象观测数据,分析了水体周边和商业区、交通区温、湿度的差异,并对模式模拟结果进行了验证,揭示了城市水体布局对城市大气物理环境影响的可能机制。模拟和观测结果显示,城市水体布局会对城市微气象环境产生一定影响。无论分散型或集中型布局,城市水体面积的增加,都在一定程度上使城市气温降低、湿度增加、平均风速增大。比较而言,分散型水体布局对城市区域微气象环境的影响更为显著。     

The impact of different cooling strategies on urban air temperatures: the cases of Campinas,Brazil and Mendoza,Argentina

This paper describes different ways of reducing urban air temperature and their results in two cities: Campinas, Brazil—a warm temperate climate with a dry winter and hot summer (Cwa), and Mendoza, Argentina—a desert climate with cold steppe (BWk). A high-resolution microclimate modeling system—ENVI-met 3.1—was used to evaluate the thermal performance of an urban canyon in each city. A total of 18 scenarios were simulated including changes in the surface albedo, vegetation percentage, and the H/W aspect ratio of the urban canyons. These results revealed the same trend in behavior for each of the combinations of strategies evaluated in both cities. Nevertheless, these strategies produce a greater temperature reduction in the warm temperate climate (Cwa). Increasing the vegetation percentage reduces air temperatures and mean radiant temperatures in all scenarios. In addition, there is a greater decrease of urban temperature with the vegetation increase when the H/W aspect ratio is lower. Also, applying low albedo on vertical surfaces and high albedo on horizontal surfaces is successful in reducing air temperatures without raising the mean radiant temperature. The best combination of strategies—60 % of vegetation, low albedos on walls and high albedos on pavements and roofs, and 1.5 H/W—could reduce air temperatures up to 6.4 °C in Campinas and 3.5 °C in Mendoza.     

A street thermal environment study in summer by the mobile transect technique

To estimate the impact of street characteristics on the thermal environment in an urban street canyon in a hot and humid region, transect data were used to analyze the relation between three factors (urban green ratio, building ratio, and height-to-width ratio) and air temperature in two streets in Taichung City, Taiwan. In this study, air temperature data were collected by transects at four different level heights (1, 2, 3, and 4?m height) in two streets; meanwhile, the use of three street characteristics data calculated by geographic information system (GIS) data which can represent the environment conditions of 34 measured locations. The analysis results shows that the air temperature significantly correlated with height-to-width ratio (r?=?0.481), green ratio (r?=?0.729), and building ratio (r?=?0.654), respectively, at night. In conclusion, this study demonstrates that increasing the green ratio and decreasing the building density are important strategies to mitigate urban warming and to create a comfortable thermal environment.     

MODIS反照率产品在模拟北京气温中的应用

地表反照率是制约地表能量收支平衡的基本因子,其变化会影响气温和降水等气象要素,进而影响区域乃至全球的气候。文中使用WRF模式,设计两组反照率敏感试验,探讨地表反照率参数对近地面2处气温模拟精度的影响。结果表明:(1)当北京地区地表反照率增大(减小)0.05时,气温相应降低(升高)0.1～0.5 K,气温变化从城区到郊区有一个明显的降幅,感热通量和潜热通量也相应减小(增大),且变幅主要为0～13 W/m2;(2)将控制试验和MODIS反照率敏感试验模拟结果与实况对比分析发现,两种试验的模拟结果偏低,但应用卫星反照率产品后,气温升高约0.2～0.7 K,更接近实际,即应用MODIS反照率产品替换WRF模式中原有反照率能进一步提高气温的模拟精度。     

城市街区形态及冷却屋顶对冠层内辐射热通量的影响

在当前中国城市化进程愈演愈烈的情形下,城市热岛冷却效应的研究对于确立城市生态环境可持续化发展的正确途径等有重要意义。采用离线城市冠层模型分析了城市冠层中街区形态和屋顶材料的变化对辐射热量、表面温度及冠层内气温的影响。研究发现:建筑物高度、宽度以及街道宽度等参数的改变对冠层各表面温度的影响较大,当街道宽度增加3 m时,地面温度升高约3.5 K。但是街道宽度增加,多重反射导致的辐射截陷效应减弱,墙面上更多的热量释放出去,各墙面温度降低约1.5 K;冠层气温先增加,日出后降低约0.4 K。屋顶材料的改变对辐射及热通量和表面温度也有较大影响,与灰色水泥屋顶相比,采用高反照率白色涂料冷却屋顶后,屋顶净辐射热量损失约380 W m-2,屋顶表面温度降低约10 K。冠层内街区形态和屋顶材料对城市辐射热环境产生直接的影响。