基于遥感方法的天空开阔度模拟及其夜间城市热岛应用研究——以Adelaide为例

摘要

城市化改变了下垫面的类型与分布，建筑物鳞次栉比，形成了城市热岛效应等城市微气候研究领域的热点问题。在不同城市，诸多研究结果表明，晴朗无云夜间的城市热岛现象更为明显。在夜间，部分地面长波辐射被城市建筑物遮挡，阻碍了建筑物表面和城市内部的热量散发，这是夜间城市热岛形成的主要原因之一。天空开阔度(SVF)是描述城市空间形态的重要参数之一，被诸多学者应用解释晴朗夜间的城市热岛效应。在天空开阔度的计算过程中，能否深入考虑天空辐射分布的影响，构建不同云量分布状况下的天空开阔度计算模型，进而分析其与城市热岛强度(UHII)之间的关系，对于更为合理地解释不同天气条件下热岛状况与城市空间形态之间的关系，具有重要理论意义与实践应用价值。
　　本文以澳大利亚Adelaide中心城区作为实验研究区，采用大气辐射传输软件Modtran模拟方法和实测数据相结合，定量探讨天空辐射分布对天空开阔度计算结果的影响。在此基础上，考虑不同云量空间分布对天空开阔度计算结果的影响，提出有云条件下天空开阔度的计算模型，结合夜间城市热岛强度数据，构建天空开阔度-热岛强度特征空间，探讨特征空间对夜间城市热岛强度模拟的可能，并进而将其用于分析夜间城市热岛效应形成的原因。通过论文研究，得出以下结论:
　　(1)天空辐射温度与天顶角正割对数值呈现显著正相关关系，决定系数达0.99。天顶角为0度时，即城市正上空辐射温度达到最低，在天顶角为90度时达到最高接近于近地表气温。模拟结果表明，天空辐射温度分布对天空开阔度计算结果的影响可以忽略。
　　(2)通过模拟同一云量下不同云方位，计算物理意义上的天空开阔度(SVFp)与几何意义上的天空开阔度(SVFg)，结果表明，云方位对SVFp计算结果影响可忽略。以四个具有典型地物特征的站点位置为例，结果表明云量增多，SVFp逐步增大，云量较少时，建筑物遮挡对SVFp的影响强于云量。SVFp与SVFg存在较好相关性，城市建筑物越密集，云量对SVFp影响越大。
　　(3)对比所有站点在不同云量的UHII与SVF，结果表明，UHII随SVF增大而减小，建筑物越密集，UHII与SVF负相关性越强。在城市内部地区，UHII随云量增多而减小，UHII随SVF增大而减小;在城市外围区域，UHII与云量、UHII与SVF之间无明显相关性。
　　(4)根据热岛强度与天空开阔度的关系建立特征空间，该特征空间能够表达同一站点在不同云量下的天空开阔度与热岛强度变化特征，以及同一云量下不同站点天空开阔度与热岛强度之间的关系，可在一定程度上用于模拟计算城市热岛强度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究进展

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

2．1 研究区介绍

2．2 数据介绍

2．3 数据选取和质量控制

第三章 天空辐射分布模拟与SVF计算

3．1 基于Modtran大气辐射传输模型的天空辐射分布模拟

3．1．1 Modtran模型介绍

3．1．2 Modtran模型构建

3．1．3 计算结果

3．2 天空开阔度计算

3．3 基于Adelaide城市3D建筑物数据估算SVF

3．3．1 几何定义SVF

3．3．2 物理定义SVF

3．3．3 SVF计算结果分析

3．4 本章小结

第四章 云量空间分布对SVF计算的影响研究

4．1 有云覆盖下SVF计算

4．1．1 有云覆盖下天空辐射与SVF关系

4．1．2 不同云量下SVF计算

4．2 云方位改变对SVF计算的影响

4．3 同一站点不同云量对SVF计算结果的影响

4．4 不同云量下SVF与实测SVF关系

4．5 本章小结

第五章 有云覆盖下SVF和夜间城市热岛强度的关系研究

5．1 城市热岛强度计算

5．2 不同云量覆盖下的夜间热岛强度变化

5．3 不同云量覆盖下夜间热岛强度与SVF关系分析

5．3．1 不同云量覆盖下的同一站点热岛强度与SVF关系分析

5．3．2 同一云量覆盖下热岛强度与SVF的关系分析

5．4 UHII-SVF特征空间构建与应用

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

作者简介

致谢