武汉主城区人为排热对城市微气候的影响及其改善策略研究

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我国现处于迅猛发展阶段,武汉市作为GDP全国排名前10的城市,城市化进展迅速。一方面这一态势正在剧烈地改变着城市下垫面的属性和城市形态特征,从而影响区域的陆气过程,这些都是导致城市热岛、城市高温化的重要因素;另一方面,城市作为人类的集中聚集地,高强度、高密度的人类活动会带来区域不同类型人为热量的大量释放,加剧城市微气候的变化,这同样会使得城市高温化趋势越来越明显,城市热岛效应问题日益严重。总结估算不同类型人为热的排放量,并分析不同类型人为热及其量的变化对于城市微气候的影响,这对探究城市陆气过程,热环境以及城市的居住品质改善具有重要的科学价值。本研究聚焦城市人为排热对城市微气候的影响,首先对WRF/UCM模型的合理性和准确性进行了验证。其次,采用基于自上而下的能源清单法以及获取的《武汉市统计年鉴》等各类最新统计资料,以2015年为研究对象年,对影响城市微气候比重较大的3类人为热(工业生产、道路交通、居民生活)分别进行了估算,给出了一套较为完善的估算武汉市主城区人为热排放的方法,并结合GIS技术基于分区工业生产总值、人口数量,GDP等给出了本文研究区域三种人为热源在较高分辨率条件下的空间分布情况以及不同时间的变化规律,可以将其作为中尺度气象模式WRF/UCM的人为热参数输入。在此基础上,本研究利用WRF/UCM分析在保持用地范围及用地强度不变的条件下,不同类型人为热及其量变化对于城市微气候的影响。研究结果表明:(1)不同类型人为热对于城市微气候的影响区域不同且作用效果不一,工业排热影响的区域主要为Ⅰ类强度建设用地,居民生活排热的作用区域主要为Ⅱ类和Ⅲ类强度建设用地,交通排热和总人为热作用于整个城市建成区;(2)随着人为热排放量的增长,2米高度平均气温和10米高度平均风速等气象要素在日间和夜间的变化幅度有较大差别,在热力和动力学特性上的增长趋势也不尽相同,晚间的作用更加明显,日间较小,这与太阳辐射和人为排热类型、排热量及其日变化规律密切相关;(3)在热岛强度上无论是单项考虑不同类型人为排热(工业生产、居民生活、道路交通)还是考虑人为排热的叠加效应,将其累积起来考虑总的人为排热量,均会导致城市热岛效应的显著增强;(4)不同类型人为排热对热岛效应的影响大小、范围以及不同时间点的作用效果存在一定差异性,这与不同类型人为排热的日变化规律存在差异性有关。另一方面,当仅考虑同一类型的人为排热时,热岛强度随人为排热量的增加而显著增加,在一天的总体变化趋势上,均呈现“白天低,夜间高”的“U”字形变化趋势。最后,研究基于前文总结的人为热估算方法,根据2005年至2017年的不同类型人为热排放量变化趋势,预测未来条件下武汉市主城区2035年人为热排放量;并以此为基础,利用中尺度气象模型WRF耦合UCM进行模拟并设置不同情境,对假定的,武汉市未来几种模式下的情境进行模拟试验,分析其对城市微气候的影响,并结合模拟结果,提出了基于人为排热影响的城市微气候调节策略:(1)控制城市主城区中工业用地的量,结合武汉市在城市更新及产业转型过程中的“退二进三”战略,外迁工业用地;(2)控制区域内运行的燃油车辆数量或尝试推广电动车及油电混合等新能源汽车,减少道路交通排热的同时有助于降低碳排放,实现碳达峰和碳中和;(3)适当扩大城市建成区,降低单位面积的生活排热量,同时结合优化建筑本身构造,改变某些居民行为等减少排热;(4)适当减小中心区的建设强度,减小人为排热总量等。
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