文摘
正确的城市建筑布局是一个重要的影响因素在城市通风,和热岛效应已成为影响城市生活质量的一个重要因素。城市建筑布局的优化可以在减轻热岛效应发挥作用。传统的通风通道分析方法,基于最小路径分析,只能生成几个主要通风的走廊。很难获得全球通风覆盖整个研究区域使用此方法的分析。城市形态和采行的基础上分析,本研究提出了一个“至少累积通风成本”的方法分析城市通风。以武汉市区为研究区域,城市通风环境下不同风的方向和季节进行了分析。这种方法可以有效地表达整个研究区域的通风条件和可以同时表达质量的有效生成的走廊。结果表明,武汉有三个水平的通风的走廊。此外,通风条件在武昌(武昌、青山和红山)比那些在汉口(江Qiaokou、江汉、安)。
1。介绍
城市热岛的热岛效应现象的热积累在市区由于人们的活动和建筑。这是一个最著名的城市气候的特征。快速城市化和人口密度不断增加,热岛效应已成为一个重要的不利因素影响城市生活的质量(1- - - - - -5]。热岛效应引起的高密度城市建筑已报告在世界各地;它已经改变了城市热环境6- - - - - -10]。由于其对区域气候的影响,城市水文、空气质量、城市生物分布和行为,和许多城市生态过程,热岛效应引发了一系列的生态和环境问题(11- - - - - -15]。众多研究发现,影响城市人为热释放密切相关,潜在的表面性质和结构、植被覆盖率、人口密度和天气条件。众多因素,城市通风条件造成的潜在的表面性质和结构产生重大影响热岛效应(16- - - - - -20.]。为了让政府和城市规划者规划决策直觉,定量方法在城市规划需要确定通风路径(21- - - - - -23]。
最常见的城市树冠通风通道使用风洞模拟方法,计算流体动力学(CFD)和基于GIS技术的形态分析。风洞可用于风环境模拟在不同尺度(24- - - - - -26]。尽管风洞模拟可以客观和实际观察的细节变化的空气流经观察对象,实验成本高,模拟范围有限,和物理模型精度要求限制这种方法的普及。CFD方法适用于小规模、高分辨率的流体模拟(27- - - - - -29日]。CFD是通常用于工业组件设计、建筑结构设计、城市规划环境预测、污染物扩散模拟,等等。它具有较高的可靠性。然而,由于涉及大量的计算,CFD常被用来模拟的风环境单一,多体,或小规模的建筑群体。这个方法不适合大规模urban-level风环境模拟。
数值模拟方法使用GIS技术来分析城市通风环境中通过计算底层表面的表面粗糙度30.- - - - - -34]。许多研究表明,该方法可以快速、有效地分析城市通风环境,适用于大规模的分析通风环境。它的实现可以分为两个主要方法,基于规则和基于最小路径分析(以后,LCP-based方法)35- - - - - -37]。
基于规则的方法是基于小规模建筑群体的通风分析结果在风洞实验和CFD实验。这种方法可以获得城市形态参数之间的关系(如额叶面积指数,或FAI)和通风条件,建立规则识别模型,然后使用该模型来分析整个城市的通风环境。固定资产投资是许多表面粗糙度指标之一。它代表建筑的投影面积之比正常的飞机上的风向分析地区的投影面积。值越大,风的阻力就越大。元(38)使用FAI分析武汉的通风环境,获得一个直观的结果潜在的空气路径。基于规则的方法很简单,容易理解,这有利于实现计划,但在这个方法中,它是特别困难的,分析的动态差异在不同的背景风条件下城市通风环境。
基于粗糙度指数,LCP-based方法使用最小路径分析来获得一个更精确的通风通道分布。这种方法可以动态地分析城市树冠以下的通风通道风向的变化。LCP-based方法假定气流总是最低的风的阻力的方向流动,和路径累积的风的阻力最少的通风通道(30.]。使用LCP-based方法取得了许多建设性的结果,证实了这种方法的可靠性和正确性(30.- - - - - -32]。然而,这种方法不能有效识别走廊宽度,很难评估的通风条件的地方没有代价最小的路径(lcp)。
基于上述分析,急需一种新的通风通道分析方法,需要符合以下要求。首先,这种方法应该有较低的运营成本来实现大面积的城市通风环境的分析。其次,这种方法应该通风环境的能力分析,动态的风向。然后,分析结果需要反映整个研究区域的通风状况,以分析城市内部结构的影响在通风的环境。在这项研究中,一个通风的环境分析方法基于最小累积通风成本(LCVC)提出。以武汉为案例研究区域,验证该方法的可行性和准确性。结果表明,该方法能满足上述三个要求,可以作为城市通风环境分析的新工具。
2。研究区域
武汉是湖北省的省会城市面积8589公里2位于29°58′-31°22′N和113°41′-115°05′E(图1)。武汉位于江汉平原东部,长江的中游。世界第三大河流,长江,其最大支流汉江,满足城市,武汉中心城区划分成三个部分。这些是汉口(包括江汉地区,江泽民安区,和Qiaokou区)、武昌(包括武昌地区、青山地区和红山地区),和汉阳。河流和湖泊(例如东湖,Tangxun湖、南湖,和沙子湖)之间存在着错综复杂的融入了这座城市。水面积占城市总面积的四分之一,为城市提供大量的开放空间在湖泊和河流。
武汉有着悠久的历史。近年来,因为它是一个战略发展的城市在中国中部,其组合领域的规模迅速扩大。新老市区的混合城市规划和环境保护带来了巨大的困难,然而。武汉的热岛效应正逐渐增加,最高表面温度(热源中心)达到了58.7°C和城市和郊区之间的最高表面温度差异达到20°C。热岛的问题是困扰城市发展越来越重要的问题。因此,它是非常重要的研究和解决武汉城市通风的问题。
3所示。数据
基础地理信息数据库(包括土地利用数据、道路网络数据和3 d建筑数据)和兴趣点(POI)数据库提供的武汉自然资源和规划局(表1)。建筑坐标,地面图形和建筑物高度信息包含在一个3 d数据库,用于计算建筑物的通风阻力系数。日报2018年的风力数据是由中国气象局提供的。地球资源观测卫星8图像地表温度(LST)反演得到来自美国地质调查局(USGS)。
4所示。方法
4.1。粗糙度参数的确定方法
在空气质量和气象模型,表面粗糙度是用来表达粗糙表面的阻力作用。使用的形态学方法,它是基于表面粗糙度,计算风资料在城市边界层(ubl),一直得到广泛的研究(39,40]。使用当前的基于3 d建模方法建立数据库,加和昂格尔41]研究了粗糙度( )分析城市风环境的城市。为了使城市空气渗透率更实用的评估和为城市规划者提供可计算的几何参数,研制了许多指标来评估城市渗透,如额叶面积指数和站点覆盖率(30.,38,42]。在这项研究中,额叶面积指数被选为粗糙度测量指数。
以下4.4.1。额叶面积指数的计算
迎风楼墙阻碍气流。额叶面积指数的测量建筑正面面对逆风。额叶面积指数产品首次近似的平均高度,宽度,和建筑的密度39]: 在哪里的平均宽度是建筑物垂直于风向,建筑物的平均身高,是单位面积上的建筑物的密度。
Burian [40)计算了额叶面积指数在任何风向直接使用ArcView Avenus脚本和一种改进的公式: 在哪里代表了额叶面积指数的建筑面临着在风中 , 代表的总投影面积建筑平面垂直于风向,和代表了计划。
有一些歧义两个相邻建筑之间的最小距离,分裂成两个独立的建筑。问题是,当两个建筑物走近,逆风的建筑可能会掩盖背风建筑的立面。分析了接触区域(如图2)可能比分析前面总面积(更重要40]。黄(30.)消除阻塞的区域被建筑逆风的背风区域建筑通过设置增量投影线(5米的间隔)。在这项研究中,一个程序的开发是基于ArcGIS 10.2的净4.0环境。预计建筑领域的直接集成通过图解法计算额叶面积指数。平均额叶面积指数通过加权每年的频率风的方向 。 是集风的方向。在这篇文章中,有16个风的方向= 16。方程如下:
4.1.2。决议
最近的研究主要使用了两种聚合方法。一个是总建筑构件的基础上,将建筑视为一个单元。另一种方法是使用常规网格处理构建数据,通常用于空间数据分析。开放空间是一个关键因素在评估城市通风,但它不能表示使用构建块聚合方法。因此,在这项研究中,一个常规电网选择把城市空间(31日]。
由于规模效应,分析相同的数据在不同的尺度将导致不同的结果。电网规模的选择应考虑到额叶面积指数的计算值之间的相关性和实际研究区域的通风能力,以及额叶面积指数的能力,表达的细节通风(42]。谢长廷(31日)进行了一次城市通风研究在台南使用100网格。香港规划部门发现100网格兼容各种变量在城市热环境气候研究[30.]。额叶面积指数和热岛强度之间的相关性进行了分析使用网格规模从400到40 m在香港,它是发现,这两个显示最高100网格规模的相关性(30.,43]。100的网格被用来研究武汉中心城区的通风环境(38),与本研究相同的研究领域。根据这些研究结果,100普通网格被用来划分本研究的研究领域。
4.1.3。零位移高度
形态学方法的基于表面粗糙度计算风力概要ubl已经被广泛的研究。当前形态模型,如麦克唐纳(44]和Bottema [45),假设后表面障碍之间的干扰可以忽略不计,平均风速接近每一个障碍是对数。鉴于这些假设,这些模型只是有效时,额叶面积指数小于0.3 - -0.5。换句话说,随着粗糙度的增加,平均风速剖面接近每个建筑变得nonlogarithmic因为附近的建筑物之间的干扰促进空气扰动地面。这就是为什么有必要引入零位移高度( )对数流速剖面。
麦克唐纳(44)提出,额叶面积指数高于位移高度( )可以估算出比,并提议平均风速低于位移高度被假定为零。Ng (42下面]表明,风速可能取决于建筑几何图形等(额叶面积密度 )和使用15米的价值 。黄(30.)进一步简化位移下的额叶面积指数高。设置为20 m间接地通过设置间隔的最低水平0.2(0)100网格。本研究中使用的3 d构建数据不包括信息在天桥上,大流量的广告牌,和大型的绿色植被,这些计算的重要细节 。因此,本研究延伸的方法来设置不同不同的土地类型(值组合区域和水体)。
4.2。LCVC分析
识别城市的LCP-based方法一直被视为可行的通风的走廊。LCP-based方法假设空气流动阻力最小的方向,从而确定从起点到终点的路径上的通风阻力网格(30.,46]。LCP-based方法,值被定义为电阻值。越高值,阻力值越高。此外,n起始点和米结束点是为了确定代表空气入口和空气出口,分别。然后LCP-based方法用于生成n 米开始点和结束点之间的连结控制协定。最后,计算每个网格的连结控制协定频率。频率越高,通风条件越好,反之亦然。这种方法可以有效地识别主要通风通道,但缺点也很明显,即缺乏估计走廊宽度和网格的inestimability零LPC的频率。
本研究提出了一种新的方法,即LCVC。对于任何通风阻力表面,让进气口,空气出口,是一个点之间的连结控制协定和 。然后,LCVC来通过可以写成下面的公式:
根据计算公式 ,计算值相等时的差异θ是 :
因此,LCVC的值来从来是平等的,可以由以下公式表示:
的值越小是,气流通过的降低成本问题是,和更好的通风条件。使用方程(7),累计通风成本值在任何时候空气出口和进气口可以很容易地计算和LCVC此时可以通过叠加。可以通过加权平均通风成本LCVC值与风向频率。
4.3。通风潜力和城市功能单元
不同类型的城市功能单元通常是伴随着不同的建筑结构和建筑的高度。例如,居民区通常伴随着中层或高层建筑,和公共区域通常是伴随着低或中层建筑。据预测,可以表现为不同的城市功能单元和通风成本。在这项研究中,城市功能单元从城市POI获得信息数据库。
4.4。验证通风成本
1号被认为是有关城市通风环境(33]。在乔的研究,LST是用于验证走廊的结果分析。本研究使用LST倒生的从地球资源观测卫星8数据来验证结果。检索处理包括三个主要步骤:从数字数字光谱辐射、光谱辐射亮度温度传感器,传感器LST的亮度温度。在这项研究中,检索处理是实现通过使用地球资源观测卫星8表面温度反演系统(V2.0)由任正非华中从遥感和GIS的研究所,北京大学。
5。结果
5.1。风的阻力系数的空间分布
有101328个建筑物在研究区(图3和表2)。建筑的高度范围是0米和204米之间,与57720年建筑不到10米,占总建筑面积的48.91%。随着高度的增加,建筑物的数量和面积逐渐减少。建筑之间的高度10 m和24 m建筑占总数的33.38%和38.46%的总建筑面积。之间有9663建筑高度24米和100米,占总建筑面积的12.48%。有120个建筑高于100,仅占总数的0.12%的建筑。
风的阻力系数根据部分中描述的方法获得4如图4。风的阻力系数的空间分布是建筑物高度正相关。所有网格的平均风的阻力系数是0.153。网格包含高层建筑的数量(高度大于24米)占30.26%,平均风的阻力系数是0.299。江Qiaokou、江汉、国安,武昌武汉的老城市。这些地区的平均风的阻力系数是0.177,0.298,包含高层建筑的网格。青山是一个重要的重工业基地。有许多工厂和middle-rise单层住宅建筑在这一领域,所以它的平均风的阻力系数只有0.113。汉阳和红山开发区,平均风的阻力系数为0.138。
为了确定不同城市功能单元形成的风的阻力和准备通风成本分析,12种城市功能元素的阻力系数计算,如表所示3。城市功能单元得到武汉POI的数据库,其中包含155421 POI点。户外开放空间的通风阻力系数(公园、绿地和广场)为0.111,这是明显低于其他城市功能单元。接下来是公共管理和社会组织单位,平均通风阻力系数为0.199。公共服务和企业通风阻力系数最高,分别为0.251和0.243。这两种类型的单位通常伴随着一个强大的金融相关,从而导致更高的空间分布的一致性。
5.2。统计风向和频率
在分析城市通风条件,结果为每个标准风向需要根据实际的风向频率线性加权。风的方向和频率从而绘制在雷达图表根据每日气象统计2018年武汉(图5)。主要风向北(包括N、NE、NW、北北西和WNW),紧随其后的是来自东南(包括E、SE、SSE, ESE)。受季风气候的影响,主导风向变化从一季到下一季。盛行风受到北方寒冷的秋季和冬季主要是北风(包括N NE、NW和向),其次是一些东方风(包括E、NE、烯和SE)。春天的气象变化是复杂的,盛行风仍主要来自北方,紧随其后的是来自东南(包括ESE和SSE)。在夏天,北方和西南大风(西南,西南偏西,f)是相似的频率和伴随着几的东南风。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.3。LCVC分析结果
风向频率的差异表明变化的影响在每个风向LCVC。给定一个时间间隔,LCVC平均获得的权重的LCVC风向与相应的频率。
图6显示了LCVC结果分析16风方向武汉的城市中心。为了保持相似性,计算结果不同的风方向使用相同的分类和地图的颜色。红色代表高通风成本和蓝色表示低通风成本。连贯的狭窄通道形成的低成本区域通风的走廊。一般来说,城市周围的通风成本和开放的地区比在人口稠密的地区。不同的风的方向,影响通风通道的空间分布呈现出不同的形状,和走廊的方向与风向一致。向风的方向,东北,SSE,西南、长江是最重要的城市通风的走廊。E的风的方向,ESE, W和WNW,汉江形成的相互联系的开放空间和东湖形式主要通风的走廊。
LCVC的空间分布在不同季节武汉如图7。季节性LCVCs规范化和分为10水平。颜色从蓝色到红色表明更高的通风成本。总的来说,LCVCs非常相似的分布模式的四个季节。武汉全年主导风向是向(N、NNE、NE)。长江流经城市和形式的主要NE-SW通风通道,以其开放的水域和南北连接。两个岛屿与通风成本高,集中在汉口和武昌,形成沿东部和西部的长江。领域的两个是等价的,但汉口方面给出一个单核模型和高价值区域的面积很大。相比之下,武昌方面提出了一种多核模型和高价值区域的面积小而分散。东湖已成为另一个重要的城市通风通道由于其大水域及其分布深入城市的腹地。 There are also some differences in the distributions of LCVCs in different seasons. In summer, due to the high wind frequency in an N-S direction, the ventilation corridor formed by the Yangtze River is more obvious than in other seasons. In winter, the width of the ventilation corridor in the north of the East Lake is slightly narrower than in other seasons. At the same time, the width of the ventilation corridors formed by the middle-level LCVC area (from 5 to 7) was also narrower than in other seasons or even disappeared. In the spring and autumn, when the frequency of the south wind is slightly higher than in winter and summer, the ventilation corridors running in an S-N is more obvious.
总结了下面的空间分布模式的细节通风成本和通风的走廊识别的三个层次,即主要的,次要的,和毛细管的水平。
城市通风的主要通风通道奠定基础。主要的通风通道的分布与自然地理特征空间相关性高(如江河、湖泊)。结果表明,有两个主要的通风走廊中部的武汉。一个是NE-SW走廊形成的长江,和另一个是s (n -走廊形成的东湖。二次通风通道主要是连接到主要通风的走廊,及其分布的影响主要通风的走廊。二次通风走廊空间高通风成本区域划分为多个分区,也扮演了重要的角色在促进城市通风。根据东湖的主要通风的走廊,许多计算或SE-NW二次通风走廊形成在武昌地区青山地区,红山地区。这些通风通道促进通风在这三个地区。汉江形成的二次通风的走廊连接到主要通风走廊形成的长江,在汉阳促进通风条件。
毛细管通风通道分布在通风成本高的地区,和地区最大通风成本分为若干个亚区。毛细管通风通道不能确定整个区域通风条件但能有效降低通风成本的最大值的分布,可以用来辅助手段辅助通风的走廊。由于大量的毛细管通风的走廊,在地图上的位置不明显。很容易确定毛细管通风通道的数量在汉口(武昌地区、青山地区和红山地区)明显小于在武昌(Qiaokou地区、江汉地区和江安区)。
通风成本分布地图支持可视化城市通风条件。例如,蓝色显示低通风成本区域,红色代表高通风成本。高成本之间的相对低成本地区潜在的通风的走廊。这有助于更好地理解城市通风条件对本地和全球尺度。额叶面积指数在本地执行。当考虑整个城区,由于建筑和道路网络的复杂性,很难实现通风通道的识别的目视检查建筑物和迎风指数映射(30.]。LCVC方法的结果覆盖整个研究领域,因此解决这个问题没有路径的通道在一些地区在传统的连结控制协定的方法。
5.4。LCVC的验证方法
LST通风条件有关。通风条件好时,平均表面通常是低的。通风条件差的地区有较高的表面平均温度和比其他地区更少的异质性。为了验证城市通风分析的准确性,LST反演进行陆地卫星数据(图88)。通过结合LST映射与夏季城市通风分析结果(图71号、(b))值不同的通风成本计算(表4)。
结果表明,该地区的平均LST最好的通风条件是34.19°C,明显低于其他地区。LST平均通风条件最差的地区是40.53°C。此外,通风条件最差的地区比其他地区更异质性,和LST标准差是1.71。改善通风条件,LST标准差继续增加。
5.5。城市通风条件和POIs
表5展示了城市功能单元平均通风成本。户外开放区域的平均通风成本明显低于别人,只有0.469。通风成本最高的公共服务单位,一个值为0.568。这主要是因为这些单位分布在主要城市的核心区域。住宅的通风成本单位是0.559,第二个订单,这是不同的通风阻力系数排名。住宅单位通常较大,建筑密度较高,导致更高的通风成本。教育机构的通风成本是0.554,类似于住宅单位。教育机构的多数是小学,中学,高中,和培训机构。这些机构大多空间与人口密集地区,因此也有类似的通风成本居民区。住宅单位是主要的人生活的地方,通常具有较高的人口密度。 Higher ventilation costs easily form heat islands and are not conducive to the spread of pollution, which affects people’s health and quality of life. Therefore, in urban planning, the construction of outdoor open spaces in residential areas should be strengthened to improve the ventilation environment.
6。讨论和结论
利用GIS的城市形态特征识别技术,本研究建立了一个LCVC方法定量描述城市通风环境在城市规模。首先,三维城市建筑的额叶面积指数代表通风阻力系数计算使用形态学方法。第二,最小累积通风成本算法应用于绘制城市通风成本地图在不同风的方向。然后,风频率加权被用来探索城市通风环境在不同的季节,和城市通风的走廊不同层次进行了分析。最后,夏天通风分析的结果证实使用LST从陆地卫星8检索数据。
城市通风环境的分析基于形态学和GIS技术计算效率高的优点。此外,分析的结果是高度兼容其他空间分析和映射技术。本研究提出的累计成本通风可以更好地反映城市通风条件的差异比通风阻力系数。与走廊基于经验规则提取方法,该方法可以直接观察城市通风的动态特性在不同风的方向和频率。代价最小的路径分析方法相比,结果LCVC方法覆盖整个研究区域和走廊宽度和面积也可以测量。然而,几个问题需要进一步研究。城市风环境的影响不仅通过地面粗糙度也大气环境和当地温度因素。因此,很难实现准确分析当地的风速和方向仅从建筑形式的分析。此外,很难获得内部高密度实时风速数据,特别是在垂直方向风速测量。这使得很难提高模型参数。 These issues will be further studied.
数据可用性
使用的数据来支持这个研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家重点研究和发展计划(批准号2017 yfb0503601)和中国博士后科学基金(批准号2019 m662726)。