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基于高分遥感和CFD的城市三维空间温度场模拟方法研究

高分遥感；CFD；空间温度场；数值模拟；,城市热岛

城市化进程的迅速推进使得城市自然透水地表被道路及建筑物等不透水下垫面所替代。自然地表表面积的锐减和下垫面热物理属性的突变给城市气候和生态环境造成了严重影响。城市热环境是当今研究的热点和难点之一，开展城市三维空间（陆表和大气）温度场的模拟研究对于城市生态环境可持续发展具有重要意义。

本文以北京工业大学校区为研究区，利用高分辨率卫星遥感数据构建研究区三维模型，反演优化城市地表生态参数，基于气象站点观测数据和计算流体力学（CFD）模型，开展了高分辨率城市三维空间温度的模拟方法研究。首先，研究模拟了不同空间布局形态（包括带状、点状、圆弧状、折线状等分布状态）的植被对夏季城市三维空间温度场的影响。模拟结果表明，植被对严峻的热环境具有一定的缓解作用，对比上风向和经过植被的下风向的温度可以得出，这种缓解作用在近地表处体现更为明显。不同的形态布局的植被缓解效率存在差异，其中折线状布局的植被缓解效率最高，其他依次为带状、点状、圆弧状；不同布局的植被对风速的影响也不尽相同，折线状对风速的阻挡作用最大，其他依次为圆弧状、点状、带状；在白天，太阳辐射是地表温度升高的主要因素，受到太阳直射的地面温度显著高于阴影面的地表温度，并且此时的气温分布差异较大，植被的缓解作用比较明显。在夜晚，植被的缓解作用小，气温分布较为稳定。其次，模拟分析了街区尺度下城市地表组分间的传热过程和热传导过程，获取了研究区城市三维空间温度场（包括地表温度场和垂直方向的大气温度场）和区域风压环境的分布及变化情况。结果表明，良好的风环境不仅能对积聚的热量起到疏散作用，还能充分实现地表和大气之间的热量交换以均衡温度场的分布。

本研究结果表明采用CFD方法研究城市三维空间（三维陆表和垂直方向大气层）热环境是可行且可靠的。通过城市三维陆表热环境和大气热环境的模拟，可以对早期城市规划与布局以及城市生态坏境的优化提供理论指导，这对人们居住水平的提高和居住区环境的改善具有重大意义。