基于细胞自动机与多主体系统理论的城市模拟原型模型

文章从城市地理学模拟模型研究发展相对滞后的现实出发,分析了传统城市模型模拟存在的问题与不足,讨论了计算机科学、复杂性研究、地理信息科学与技术、新发展的地学计算方法等作为计算城市模型发展基础的可行性,提出了一个基于细胞自动机与多主体系统理论与方法、包容了多尺度(宏观、中观、微观)层次的综合可计算城市模拟原型模型框架,对以邻里社区为基础的居住区位微观模拟模型作了概念上的讨论,分析了地学计算方法在城市模拟模型研究中的发展前沿。     

城市与区域定量研究进展

本文系统地梳理了城市与区域的定量研究方法,主要包括数理模型和模拟方法、单个城市增长和动力系统研究、城市系统动力学模型及其发展过程模拟研究、空间一般均衡模型研究以及多模型复合/集成系统研究等。主要结论为：1950年以前的城市与区域研究主要采取时间序列预测法,依靠历史资料的时间数列进行趋势外推研究;1960-1970年代主要采用数理统计分析方法,应用人口统计学模型和线性回归方法进行研究;1970-1980年代,随着系统科学的发展,采用系统分析方法发展了诸如交通、人口、土地等专业模型,展开对城市与区域问题的深入分析;1990-2000年代,研究数据的获取手段得到极大的改善,利用数据模型、地计算分析、模拟预测等分析手段使得研究的深度和广度均有了长足进步。近年来,由于空间数据挖掘的突破,大数据、云计算和巨型模型系统开始进入城市与区域研究领域,多模型复合/集成系统研究成为主要研究方向。     

城市旅游业CO2排放量估算研究——以深圳市为例

基于碳排放理论及旅游者的消费结构特征,提出城市旅游业能源消耗及CO2排放测算模型,计算并分析了2008年深圳市旅游业能源消耗及CO2排放.结果表明:各组分排放量从大到小依次是行、食、游、住、购、娱,旅游业产生的温室气体不容忽视;旅游规模、旅游交通工具的选择是影响旅游业CO2排放量的重要因素;在旅游产业日益发展的情况下旅游业面临能源消耗、排放量增加和节能减排的双重压力.最后就能源消耗计算模型的完善、能源参数的研究以及下一步研究方向进行了讨论,并提出了相应的建议.     

冰川冰储量计算方法及发展趋势

冰川冰储量不仅是冰川的重要属性,而且是核算冰川水资源及预测冰川变化的基础数据,因此准确计算冰川冰储量及其变化具有重要的理论与现实意义。目前冰川储量估算的主要方法有经验公式法、冰厚模型估算法、探地雷达法;冰川储量相对变化计算方法有实地测量法和遥感监测法。通过系统分析和讨论各计算方法的原理、现状及存在的问题,以期为冰川储量估算提供方法参考。研究表明：对于冰川冰储量计算而言,经验公式法适用于区域性或全球性的冰川储量估算;模型估算法适用于个体或小范围冰川储量估算;探地雷达法适用于人类易到达区域冰川储量的估算。对于冰川冰储量相对变化计算,实地测量法适用于对精度要求高且满足实地测量条件的单条或中小型冰川,遥感监测法适用于全球性冰储量变化估算,但需改进算法和提高数据空间分辨率。目前,随着无人机技术的逐步应用,以及冰川流速等理论模型的提出,为冰川冰储量估算方法的发展提供了新契机。     

大气氮沉降数值模拟的演替进程与模型筛选

中国是维持全球氮平衡的关键.以大气氮沉降为例,畜禽养殖、化肥施用、能源消耗等人为扰动致使活性氮的排放量与沉降量正持续走高,欧美已率先开展氮沉降及其引发的环境与经济后果的评估.中国省级或更大尺度的沉降规模,空间分布和输移途径资料较难获取,大气传输模型(ATMs)提供了经济可行的解决方案.通过概述ATMs的演进阶段和代表模型,并为应对我国缺乏氮沉降模拟专业模型的问题,建立一个总量近百的大气氮沉降相关模型(排放源含NH3、NOx和SO2的ATMs),以总揽世界模型发展全貌.理论上,模型的检验和相互比较以监测值与模拟值的定性分析为基础,中国面临的困境缺乏全国性的统一监测网络在短期内难以解决.事实上,大气氮沉降模型在污染场和浓度场的模拟过程中受到诸如大气环流、边界层高度等条件的制约进而影响模拟效果.NH3的特性对模型提出了更高要求.一方面通过参考相关文献归纳各种制约条件的相对重要性,另一方面结合模型自身架构(格网大小、垂直精度、气象场获取途径以及扩散模式的选取)、模拟过程(源排放、干沉降和扩散)、设计意图,力图以定性或半定量的方法探讨各个模型应对制约条件的能力,比较各自优劣,以期筛选出适用于模拟省域乃至全国大气氮沉降的数值模型.     

基于高分辨率大气容量的烟云承载力分析

采用MM5/CALMET耦合模型,以理想环境容量A值法计算高分辨率的区域气象特征和环境容量分布,并将理想环境容量与足迹分析法相结合,提出基于高精度大气容量的烟云承载能力,分析不同区域内排放的大气污染烟云自净和扩散所需要空间,解决大气污染物总量控制如何与区域环境容量相结合的关系。最后以乌鲁木齐经济圈为例,计算得出乌鲁木齐市污染排放超载,但由于借用周边空间的自净能力,因此其SO2环境质量未超标。烟云足迹分析法有利于分析城市群内各城市的大气环境承载力和环境质量间的关系,为区域排污权交易提供技术基础。     

黄土高原典型流域LCM模型集总、半分布和分布式构建对比分析

暴雨中心的空间分布是影响小流域暴雨洪水过程模拟精度的关键要素。不同模型构建方式对降雨空间异质性的响应差异很大,选择恰当的水文模型构建方式对提高模型计算效率,减少降雨空间异质性对模型的影响从而提高预测精度具有重要意义。为此,本文基于刘昌明提出的适用于黄土高原超渗产流机制的LCM （Liu Changming Model）模型,分别构建了集总式、半分布式和全分布式的暴雨—径流模型,旨在比较分析不同模型构建方式对于降雨空间异质性的响应及其对模拟精度和计算效率的影响。结果表明：分布式构建模拟精度最高,纳什效率系数达到0.81,相关系数达到0.82;集总式构建计算时间最短;相比较而言,半分布式构建方法纳什效率系数达到0.78,主峰值模拟精度分别达到76.1%和65.8%。总体上,全分布式构建方法模拟精度最高,集总式计算耗时最短效率最高,半分布式在保持较高模拟精度的同时也具有较高的计算效率。     

智慧城市视角下城市洪涝模拟研究综述

智慧城市是城市发展的新兴模式。然而,近年来频发的城市洪涝给智慧城市的管理和发展带来了严峻的挑战。暴雨洪涝模拟是城市防洪减灾的关键技术之一,也是智慧城市风险应急管理中重要的决策支持依据。本文首先分析了智慧城市以及智慧水务的内涵,探讨了智慧城市发展和管理对于城市洪涝模拟新的需求;在此基础上梳理了智慧城市发展给城市洪涝模型带来的新的数据支撑;面向智慧城市应急管理决策,对比分析了3种现有的水文模型方法,认为在智慧城市大数据和技术的支持下,基于物理基础的分布式模型是未来城市洪涝模拟的主流发展方向。最后,探讨了建立城市洪涝模型的建模机制、尺度、基础数据库的建立、更新和管理、地表与地下管网模拟并重等关键问题,分析认为精细化、与RS和GIS技术融合、注重时空过程和智慧服务是智慧城市背景下城市洪涝模拟发展的必然趋势。     

基于多智能体的居住空间格局演变的真实场景模拟

多智能体建模方法为城市研究提供了一种新的研究思路.采用自下而上的多智能体方法构建真实场景的居住决策模型,并研究城市居住格局的形成和演变具有重要的理论意义和应用价值.但目前的多智能体模型通常把空间抽象为均质空间.无法反映真实的地理空间.通过对居住环境的"宜居性"评价,作为居民智能体对居住环境评价的影响因子.将多智能体模型与GIS相结合.为智能体模型提供一个异质的、动态变化的模拟环境.由此居民智能体根据自身的经济状况以及对居住环境的偏好不断地调整其在城市中的居住地,模拟出城市居住空间格局的演变过程.将模型应用于广州市海珠区,其模拟的住宅价格空间分布与实际情况相关系数在0.6以上,说明模拟结果与实际的情况比较吻合.模拟结果在一定程度上为理解和探讨居住空间格局的成因和动态变化提供帮助,为发展和验证城市理论提供一种重要的分析手段和模拟方法.     

大尺度和精细化城市扩展CA的理论与方法探讨

城市模型研究存在两个必然趋势:研究单元由粗糙单元向精细单元转变,研究范围由单个城市向城市群、整个国家乃至全球转变,但在大地理区域上建立精细化的城市模拟模型,兼顾大地理尺度和基本空间单元仍存在较大的难题,它对当前地理模拟的计算能力、数据质量和理论方法等都提出了新的要求。在此背景下,该文从理论、方法和应用研究上总结近年来城市扩展CA领域取得的重要进展和呈现的新特征,并提出构建大尺度和精细化城市模型的关键技术及亟待解决的主要问题,以满足未来城市模型在大数据量和高精度方面的要求。研究得出以下结论:1)耦合CA模型与城市空间相互作用模型,可弥补城市扩展CA在表达城市网络空间联系与交互作用上的不足;2)丰富的带有地理位置信息的地理时空大数据,为开展大尺度和精细化城市扩展模拟研究创造前所未有的机遇;3)设计高性能地理元胞并行技术,可为大尺度和精细化城市CA计算提供高效运算工具;4)有必要探究地理时空数据和地理模拟过程的可靠性,实现对现实世界更为准确的模拟与预测。     

中国地市工业集聚与污染排放的空间特征及计量检验

采用空间分析和计量模型等方法,研究中国285个地级及以上城市工业集聚和污染排放的空间特征及内在关系,结果表明：① 工业集聚与污染排放的重心分布、轨迹、距离、速度差异较大。东部的工业集聚水平高于中西部,工业污染中西部更突出。工业集聚与污染排放总体呈负相关关系,局域上分为低高、高低、低低3种关联类型。② 工业集聚在全国及东中西部均有利于降低工业污染,但是对不同区域减排作用的大小有所不同,作用由大到小依次是西部、中部和东部。③ 对于工业污染的防治,应继续走集聚化道路。东部要优化产业结构,控制合理的集聚规模;中西部应加强产业集聚,提高技术溢出的污染减排效应。     

基于SD模型的黄河流域生态环境与社会经济发展可持续性模拟

要实现黄河流域生态保护和高质量发展,需解决流域生态环境与社会经济发展的可持续问题。运用系统动力学方法,构建社会、经济、资源与环境4个子系统,设计维持现状、优先发展社会、优先发展经济、优先节约资源、优先保护环境以及协同发展6个情景,在对不同情景进行模拟仿真的基础上,探寻实现黄河流域生态环境与社会经济可持续发展的最优方案。结果表明：在协同发展情景中,黄河流域的社会经济得到较快发展,总人口和国内生产总值（GDP）于2030年将分别增长10.93%和499.05%;资源的使用效率得到提高,单位GDP水耗和能耗于2030将分别下降78.31%和68.16%;污染物的排放量可有效降低,工业化学需氧量（COD）排放量和工业二氧化硫（SO₂）排放量于2030将分别下降80.64%和80.17%。相较于其他情景,协同发展是黄河流域实现生态环境与社会经济可持续发展的最优方案。     

地下水中污染物迁移数学模型模拟实验研究方法及建模技术初探

污染物迁移转化的数学模型应该是水动力学与水文地球化学相结合的数学模型。本文讨论了地下水中污染物迁移数学模型模拟实验的理论基础、研究方法和建模方法原则及技术。     

区域气候模式对中国沙尘天气气候特征的模拟研究

现有的沙尘天气数值预报模式多选用中尺度天气模式单向耦合起沙模式的方式,不适合用来模拟沙尘气溶胶的长距离输送过程,也无法研究沙尘气溶胶辐射效应对气象场的反馈及气候变化的影响。利用一个耦合沙尘模式的高分辨率区域气候模式,模拟了2001年中国北方沙尘天气爆发的时空分布特征。模拟结果与站点观测结果对比发现,模式能够较好地模拟出中国北方主要的沙尘源地分布及沙尘天气爆发的季节变率。分析不同粒径沙尘颗粒的垂直分布特征发现,沙源地表土壤粒子特征、地形对起沙颗粒的大小都有影响;直径超过5 μm的大粒子是北方沙尘天气的主要成分,而影响长江以南的沙尘天气主要以1 μm以下的小粒子为主。对沙尘传输路径的模拟结果和实况观测发现,来自于不同沙源的沙尘天气其影响的范围有显著差异,模式能够较好地模拟出中国主要沙尘传输路径。     

道路交通节能减排途径与潜力分析

交通运输行业是仅次于制造业的第二大油品消耗行业,也是实现低碳生活发展路径的重点行业。基于交通运输部门碳排放量现状分析,本文提出了优先发展公共交通、鼓励发展小排量汽车、降低机动车单耗、控制排放物标准等四种挖潜减排途径,并利用排放量估算和情景分析相结合的方法,对我国道路交通减排潜力进行了预测。按照高中低度三种减排情景发展,测算出2015年及2020年减排量,为实现至2020年我国碳排放较2005年下降40%~45%的目标提供科学基础。研究认为:2010-2020年是中国交通运输行业高速发展阶段,要满足能源安全和温室气体减排要求,我国需要实施更严格的产业和环境政策,若强化低碳情景模式,则2015年、2020年的碳排减少量分别约为2183万t、7148万t,达到我国道路交通部门的最大减排潜力。     

The impact of economic agglomeration on water pollutant emissions from the perspective of spatial spillover effects

Whether economic agglomeration can promote improvement in environmental quality is of great importance not only to China’s pollution prevention and control plans but also to its future sustainable development. Based on the COD (Chemical Oxygen Demand) and NH3-N (Ammonia Nitrogen) emissions Database of 339 Cities at the city level in China, this study explores the impact of economic agglomeration on water pollutant emissions, including the differences in magnitude of the impact in relation to city size using an econometric model. The study also examines the spillover effect of economic agglomeration, by conducting univariate and bivariate spatial autocorrelation analysis. The results show that economic agglomeration can effectively reduce water pollutant emissions, and a 1% increase in economic agglomeration could lead to a decrease in COD emissions by 0.117% and NH₃-N emissions by 0.102%. Compared with large and megacities, economic agglomeration has a more prominent effect on the emission reduction of water pollution in small- and medium- sized cities. From the perspective of spatial spillover, the interaction between economic agglomeration and water pollutant emissions shows four basic patterns: high agglomeration-high emissions, high agglomeration-low emissions, low agglomeration-high emissions, and low agglomeration-low emissions. The results suggest that the high agglomeration-high emissions regions are mainly distributed in the Beijing-Tianjin-Hebei region, Shandong Peninsula, and the Harbin-Changchun urban agglomeration; thus, local governments should consider the spatial spillover effect of economic agglomeration in formulating appropriate water pollutant mitigation policies.

     

中国环境污染的时空差异与集聚特征

通过地市单元和主体功能区单元的定量分析,研究2005~2012年中国环境污染物排放的时空变化和空间集聚格局,提出降低污染物排放强度的对策建议。结果表明：① 环境污染物排放强度呈优化开发区域-重点开发区域-农产品主产区-重点生态功能区依次递减态势,各类主体功能区水环境面临的污染物胁迫程度持续加剧,且以农产品主产区和重点生态功能区最为突出,尽管优化开发区域和重点开发区域的大气污染物排放量呈现小幅下降,但仍然是大气污染物胁迫程度最高的地区。② 地市单元水环境受污染物胁迫态势“总体在加剧、局部有缓解”,东北、东部、中部板块的大部分区域以及西部板块的成渝、新疆中部、呼包鄂等地区呈高排放区连片分布格局;大气环境受污染物胁迫态势“总体较稳定、局部有缓解”,高排放区主要位于山西、内蒙古中西部、陕甘宁豫沿黄地带、环渤海、长三角等地区。③ 中国环境污染排放具有显著的空间集聚效应且呈现增强趋势,其中,华北地区已经成为高污染物排放的主要集聚区,并表现出较强的路径依赖与空间锁定。     

大气污染物排放量与颗粒物环境空气质量的空间非协同耦合研究——以武汉市为例

针对区域大气污染物排放量与空气质量在时空分布上存在不完全协同、匹配的现象,论文选择SO₂、NO_X、PM_2.5、CO和VOCs作为大气污染物指标,选择气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)表征颗粒物环境空气质量,以武汉市为例,综合应用耦合模型和空间错位指数模型研究2类指标之间的空间非协同耦合规律。主要结论如下：① 武汉市大气污染物排放量与颗粒物空气质量具有不同空间分布特征,大气污染物排放量呈现由城市中心城区向远城区递减的趋势,其中SO₂、PM_2.5和VOCs的排放具有明显的中心聚集现象,而NO_X和CO聚集现象不显著,且与道路分布明显相关;AOD分布具有明显的空间差异性,总体上呈由西北向东南依次递减的趋势。② 武汉市大气污染物排放与颗粒物空气质量的空间非协同耦合规律：越靠近城市中心城区,空间协同耦合现象越显著,空间错位现象越弱;越远离主城区,空间非协同耦合现象越显著,空间错位现象越显著;SO₂排放量与AOD在武汉市远城区的空间错位指数均大于0.7,且耦合度指数小于0.3,呈现较强的非协同耦合特征,NO_X、VOCs、PM_2.5的排放量与AOD在武汉中心城区的空间错位指数均小于0.5,且耦合度指数大于0.5,协同耦合现象较为显著。③ 基于时空非协同耦合分析城市大气环境污染治理建议：针对污染物与AOD空间错位不显著的城市中心城区,以本地减排治理为主;针对污染物与AOD空间错位显著的远城区,应在污染溯源分析的基础上进行区域协调综合治理。     

东北地区大气污染物源排放时空特征：基于国内外清单的对比分析

基于国内外4类常用的污染源排放清单数据（EDGAR：全球大气研究排放数据库；CEDS：社区排放数据系统；MIX：亚洲排放清单；PKU-FUEL：全球燃料排放数据），对东北区域5类人为排放源（工业源、能源、交通运输源、生活民用源和农业源）的8种污染物（PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO_x、NMVOCs、NH₃、OC和BC）从排放总量、来源贡献和时空分布特征等方面进行对比分析。结果表明：东北污染物排放主要以SO₂、NO_x和NMVOCs为主，工业、能源和交通运输为主要贡献源；PM_2.5和PM₁₀主要来自生活民用源和工业源，贡献率前者大于后者。辽宁省污染物（除NH₃外）排放最大，其次为黑龙江省、吉林省和内蒙古东四盟市，冬季排放强度明显高于其他季节。NH₃主要来自农业源，排放峰值发生在5~7月；各清单间排放总量和来源贡献差异明显，EDGAR和PKU清单对NH₃估算差异度为170.3%；SO₂、NO_x、BC和OC的排放差异度均在30%以上。不同活动水平和排放因子的使用是造成清单差异的主要原因。本研究可以掌握东北污染状况，了解清单差异，为本地化清单工作开展提供研究方向，同时也可为模式模拟合理选择清单数据提供参考。     

民勤与周边土地覆盖变化及对沙尘模拟结果的影响

利用民勤与周边地区2005年的Landsat-5 TM影像和1∶25万的DEM资料,在ArcGIS的支持下,对GRAPES_SDM沙尘模式中原有的20世纪80年代的地面信息进行更新与对比,在此基础上就2010年4月23日至25日的沙尘天气过程进行土地覆盖更新前后的数值模拟对比试验,并结合民勤站的沙尘浓度观测数据对模拟结果进行评价分析。结果表明,与模式中原有的土地覆盖信息相比,民勤及周边地区2005年的沙地、草地、耕地、水体、湿地面积明显减少,城乡用地变化不大;土地覆盖变化影响了模式输出的起沙通量和沙尘浓度的范围与强度。一方面,土地覆盖的更新使得起沙总体上有所减弱,且影响程度随过程的增强而逐渐增大。另一方面,土地覆盖变化对地面沙尘浓度的影响具有初期性、移动性和尺度适应性,同时也显著地改变了沙尘浓度的垂直分布。此外,起沙过程中土地覆盖信息的更新有利于民勤站沙尘浓度模拟值接近观测值,表明沙尘模式中的土地覆盖信息应该具有现势性。