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东北地区人工林樟子松年轮数据格点化及其气候适应性研究

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东北地区人工林樟子松年轮数据格点化及其气候适应性研究

作者：辛子昂沈阳农业大学

学位级别：硕士

全球性的气候变化对植被生长产生了严重影响,相较于天然林,人工林的结构更加脆弱,受气候变化影响尤为明显。由于人工林造林地较为分散且分布范围广,对于我国人工林气候适应性的研究始终缺少大范围、连续性的数据库支持,无法满足应对气... 详细信息

全球性的气候变化对植被生长产生了严重影响,相较于天然林,人工林的结构更加脆弱,受气候变化影响尤为明显。由于人工林造林地较为分散且分布范围广,对于我国人工林气候适应性的研究始终缺少大范围、连续性的数据库支持,无法满足应对气温升高、水资源紧缺、土地退化等全球或区域性人工林问题的需要,对于未来造林地的选择标准也始终较为模糊。本研究以我国人工林大量栽植的东北地区为研究区,对樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)人工林的径向生长及其对气候的响应机制进行研究,通过数据栅格化的处理方法和树木年轮学的理论技术对研究区内128个采样点共计3700棵树7624根树芯样本测量年轮数据,经过标准化和去趋势等处理建立东北地区人工林樟子松年轮宽度指数年表及生长量年表并将其格点化,建立了东北地区樟子松人工林年轮格点数据库,填补了此部分研究的缺失,为后续对樟子松人工林对气候响应的研究提供数据支持。在进一步的研究中,使用年轮及气候格点数据建立了生长量-温度-降水量的模型,预测未栽植樟子松地区的人工林樟子松拟生长状况,从而选取适宜的樟子松人工林造林地,进而达到人工林的经营目标。本研究主要结果如下:1.建立樟子松年轮宽度指数年表128个,并将数据处理为0.5°*0.5°的361个格点数据,组成了东北地区樟子松年轮格点数据库网络,且格点数据与原始年轮数据匹配良好,有较强的代表性,填补了我国北方地区樟子松在此方面的空白。2.研究区的年平均温在1994-2013年时间段内呈明显上升趋势,平均每十年上升0.25℃;降水量在1994-2013年时间段内无明显上升或下降趋势,呈无规律性波动,并且研究区在空间上呈现出南部为相对温暖湿润的地理气候,北部除小兴安岭地区较为湿润以外,其他区域为寒冷干燥的地理气候。3.在生长季前期(5、6月份),温度和降水对樟子松生长的影响呈反相变化。即:生长季前期的温度升高对樟子松生长起到抑制作用,生长季前期的降水则起到促进作用。4.年均温在5.25℃左右的地区目前最适宜樟子松人工林生长,研究区内樟子松在公共区间(1994-2013年)生长趋势最好的地区为吉林省西北部松嫩平原地区与东南部长白山山脉地区。未来随着气候变化,樟子松人工林造林地应逐渐向北选取。人工林相对于天然林本就更加脆弱,自身的调控能力较天然林更差,所以需要更精确的人工抚育。了解天然林的构成、特点、气候适应性、功能及其未来的变化情况对于提高森林生产力、改善环境、缓解能源资源危机以及尽早实现碳中和都有相当重要的意义。相比于传统数据处理方法,使用格点数据来进行树木径向生长与气候的响应研究可以更好地保证空间连续性,从而在未造林地区模拟树木的生长趋势及其对气候变化的适应性,也能在地图上更加直观地体现结果。本研究为树木年轮与气候响应关系的研究提供了一种新思路,也为未来人工林的造林地选取提供了科学依据。

关键词：樟子松人工林树木年轮学栅格数据气候适应性

湿热地区半开放中庭气候适应性设计研究 ——以香港大学深圳医院为例

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湿热地区半开放中庭气候适应性设计研究 ——以香港大学深圳医院...

作者：徐斐华南理工大学

学位级别：硕士

随着建造技术的发展,中庭空间被广泛应用于公共建筑中,有效地组织了交通流线、串联了建筑各功能分区、营造了自然宜人的环境。作为湿热地区建筑气候适应性设计的重要手段,中庭通常会在顶部设置通风开口界面进行自然通风,从而形成半开放... 详细信息

随着建造技术的发展,中庭空间被广泛应用于公共建筑中,有效地组织了交通流线、串联了建筑各功能分区、营造了自然宜人的环境。作为湿热地区建筑气候适应性设计的重要手段,中庭通常会在顶部设置通风开口界面进行自然通风,从而形成半开放中庭。然而现场实测发现,半开放中庭空间存在室内环境过热和制冷能耗大等问题。针对上述问题,本文展开了以下研究:以香港大学深圳医院半开放中庭空间为例,本研究旨在调研分析湿热地区半开放中庭的热环境特征,利用中庭热环境量化模拟方法研究中庭设计要素对热环境的影响作用,最终提出湿热地区半开放中庭气候适应性设计方法。首先,本文借鉴气候适应性设计和中庭设计理论,将半开放中庭设计要素分成采光屋顶、形式比例、通风界面三部分,并构建了研究中庭热环境的方法体系:缩尺模型法、现场实测法、区域模型与Rhino+Ladybug/Honeybee平台相结合的具备全年全天候动态模拟能力的数值模拟法。然后,通过缩尺模型实验测试和半开放中庭现场实测,本研究掌握了湿热地区半开放中庭热环境特征,发现了在晴天工况下中庭首层太阳辐射局部高达472 W/m、张拉膜屋面温度在48-56 ~oC之间、张拉膜下方与室内人员活动区空气温差最高可达5 ~oC、室外热风渗入量大等室内热环境问题。通过数值模拟法,本研究厘清了采光屋顶、形式比例、通风界面的设计要素对半开放中庭热环境的作用特征和影响程度。结果表明,中庭全年制冷负荷与屋顶透光率、屋顶吸收率、顶部开口面积、剖面口底比、开放界面的层数呈正相关,与剖面高宽比呈负相关。其中,屋顶透光率对中庭热环境的影响最显著,当屋顶透光率由50%降至30%时,全年制冷负荷可以减少41.6%;平面长宽比对中庭热环境影响不显著,无明显规律。最后,基于上述研究成果,本文提出了湿热地区公共建筑半开放中庭气候适应性设计方法,并以香港大学深圳医院的半开放中庭为例进行了设计方法的实践应用,验证了气候适应性设计方法的有效性。综上所述,本研究提出了半开放中庭室内热环境的量化模拟方法,探讨了半开放中庭空间形体设计要素对中庭微气候的作用特征,同时还针对性地整理总结了湿热地区半开放中庭气候适应性设计方法,为相关工程实践提供了一定的参考依据。

关键词：半开放中庭湿热地区热环境模拟中庭设计气候适应性

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安康地区传统民居空间布局气候适应性研究

安康地区传统民居空间布局气候适应性研究

作者：李嘉长安大学

学位级别：硕士

乡村振兴的背景发展下,国家和人民关注的重点为居住环境改善的需求。安康地区属于夏热冬冷地区,当地传统民居在长期发展过程中,不断地改进积累了宝贵的气候适应性经验和智慧,课题组通过对该地区民居的访谈和测绘,试图总结该地区传统民... 详细信息

乡村振兴的背景发展下,国家和人民关注的重点为居住环境改善的需求。安康地区属于夏热冬冷地区,当地传统民居在长期发展过程中,不断地改进积累了宝贵的气候适应性经验和智慧,课题组通过对该地区民居的访谈和测绘,试图总结该地区传统民居的气候适应性规律,研究有助于保护当地的传统民居,为绿色生态建筑的可持续发展提供一定的参考价值与意义。研究首先利用国家气象数据站和小型气象站收集的数据,总结分析当地的气候特征;利用Climate Consultant气候分析软件,初步概括了当地民居的被动式设计策略适用的条件;从采暖、隔热、遮阳、通风、防风、防潮等方面对于民居的被动式策略进行了详细的分析,总结归纳出该地区民居,主要通过遮阳隔热、采暖保温等方面措施,有助于改善室内热舒适效果。其次,对该地区的传统民居的空间布局进行了梳理和测绘,调研发现:聚落空间主要分为平地形、山脚河谷、山间台地及山腰缓坡。院落空间分为开敞院落、半开敞院落、封闭形院落。居住建筑空间分为堂屋、卧室、厨房。其中阁楼空间和檐廊空间是当地民居非常重要的空间组成。而后利用热指数仪,对宁陕县江口镇新庄村、蜀河古镇、白河县卡子镇仓房村、镇坪县城关镇友谊村、曾家镇千山村、紫阳县向阳镇营梁村进行室内热环境参数的测量,初步掌握了民居的热环境的规律及特点,并且利用了APMV对民居的热环境特点进行了计算和分析。夏季民居室内达到I级舒适时长占比分别为26%、75%、75%,II级舒适时长占比分别为41%、25%、100%、25%,冬季室内达到I级舒适时长占比分别为83%、79%、21%,II级舒适时长占比分别为17%、21%、100%、79%,可见,当地民居在进行室内气候营建的时候兼顾了夏季和冬季这两个季节。最后,利用软件模拟从太阳辐射、风环境、空气温度、空气湿度和降水等五个方面对空间布局的适应性进行了剖析与验证,揭示当地民居空间布局的气候适应性肌理。当地民居通过适宜的选址,营造了良好的小气候环境,民居利用坐北朝南、开敞的院落空间、三间四房、开间进深比约为1:2通透规整的平面布局形式争取冬季更多的太阳辐射;利用山墙开窗、2.4m高的阁楼空间、高敞的堂屋空间、立面高窗等形式促进了室内通风;4.2m的檐口高1.5m的挑檐长、坡度为30°的南北双坡屋顶形式、1.2 m×1.2 m的小窗来适应夏季炎热的气候环境。通过对当地民居气候适应性策略的分析与总结,结合当地民居发展的需求,本研究提出了民居方案的布局参考及策略建议,进一步对新民居的布局组合方式进行了优化模拟,以期对为农村的民居建设提供一定的参考作用。

关键词：安康地区传统民居空间布局气候适应性策略

城市局地气候区空间划分与适应性提升途径——以沈阳市为例

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城市发展研究 2022年第11期29卷 33-41页

作者：李绥李晨熙周诗文沈阳建筑大学建筑与规划学院沈阳建筑大学生态规划与绿色建筑研究院

在全球气候变化加剧、极端天气事件频发的背景下，提升城市气候适应性已成为人类应对气候风险的必然选择，优化城市形态能够实现对局地气候环境的调节，从而提升对不利气候条件的适应性。以沈阳市为研究区，通过相关性分析进行指标的提... 详细信息

在全球气候变化加剧、极端天气事件频发的背景下，提升城市气候适应性已成为人类应对气候风险的必然选择，优化城市形态能够实现对局地气候环境的调节，从而提升对不利气候条件的适应性。以沈阳市为研究区，通过相关性分析进行指标的提取与筛选，建立城市形态对多种气候效应的回归模型，采用K-means算法实现了局地气候区的空间划分；并且在城市更新片区进行应用示范，在回归分析的量化指导下，对示范区的不同气候风险进行调控。研究表明：（1）城市局地气候因受到建成环境影响而空间分布差异显著，并存在尺度效应；（2）建立城市形态参数对气候指标的多元回归模型，能够较好解释不同气候环境的空间分布特征，精准划分局地气候区；（3）建立量化的城市形态与气候环境关联性研究，能够在精准评估、明确预期的目标下，通过城市形态优化实现对局地气候的调节。旨在通过揭示城市形态与气候环境的影响机制，为调节城市局地气候、提升城市气候适应性提供一种有效手段。

关键词：气候适应性局地气候区多元回归分析规划应对

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地铁源热泵系统气候适应性研究

地铁源热泵系统气候适应性研究

作者：夏越青岛理工大学

学位级别：硕士

近年来,地铁因其运输量大、运行速度快、方便准时等优势,成为缓解交通拥堵问题的首选。但其高效、安全、舒适和卫生的内在需求使其成为典型的“能耗大户”,其中环控系统能耗占比为40%-50%。环控系统能耗与地铁隧道热环境密切相关,且随... 详细信息

近年来,地铁因其运输量大、运行速度快、方便准时等优势,成为缓解交通拥堵问题的首选。但其高效、安全、舒适和卫生的内在需求使其成为典型的“能耗大户”,其中环控系统能耗占比为40%-50%。环控系统能耗与地铁隧道热环境密切相关,且随着隧道热环境的不断恶化而逐渐增加。如何在保证地铁舒适、健康、安全运行的前提下,减少其能源消耗,进而降低运行费用,是目前亟待解决的问题,对地铁的运营具有重要的工程实践意义。地铁源热泵是解决上述问题的有效技术之一,其在解决地铁热环境恶化导致环控系统能耗增加问题的同时,将其“废热”用于地上建筑供热,是目前最为有效、节能的地铁隧道降温方法。现有研究主要针对地铁源热泵系统性能,缺少系统的评价方法及其在不同气候区的适应性分析,制约了该技术的推广。本文对地铁源热泵系统在不同气候区的适应性进行了研究。首先,选取了典型气候区典型建筑作为技术应用对象,并采用De ST软件计算了不同气候区建筑全年逐时负荷;其次,基于现行地铁源热泵系统设计方法进行了设备选型,并在TRNSYS平台中搭建了相应的系统仿真模型;再次,提出了系统性能、经济性、环境效益评价指标,基于指标对不同气候区地铁源热泵系统适应性进行了分析,并针对不适应地区系统提出了对应的优化策略;最后,编写了系统气候适应性评价软件。分析结果显示,在本研究所建立评价体系下,严寒气候区的哈尔滨地区不适用,寒冷气候区的北京地区、青岛地区、西安地区适用,夏热冬冷气候区的上海地区、武汉地区、重庆地区基本适用,夏热冬暖气候区的广州地区基本适用,南宁地区不适用。以青岛地区对应地铁源热泵系统为例,对评价软件进行了验证,结果表明SEER、HSPF、APF的评价误差分别为5.20%、2.13%、0.54%,初投资、运行费、运行维护费的评价误差分别为1.75%、3.59%、1.75%,表明该评价软件具有较高的准确性与可靠度。本研究为地铁源热泵系统在不同区域的应用提供了评价体系,对于地铁源热泵系统的推广应用具有重要意义。

关键词：地铁源热泵系统气候适应性 APF 费用年值隧道空气温度

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苏南地区粮仓建筑气候适应性初探

苏南地区粮仓建筑气候适应性初探

作者：刘雨嫣东南大学

学位级别：硕士

建筑与气候的关系一直是建筑学领域探讨的重要话题。乡村建筑在长期的实践活动中,积累下适应地域气候环境的设计经验,体现出气候适应性的特征,这些设计经验和营建智慧对降低现代建筑能耗、实现建筑可持续性发展具有重要的参考意义和借... 详细信息

建筑与气候的关系一直是建筑学领域探讨的重要话题。乡村建筑在长期的实践活动中,积累下适应地域气候环境的设计经验,体现出气候适应性的特征,这些设计经验和营建智慧对降低现代建筑能耗、实现建筑可持续性发展具有重要的参考意义和借鉴价值。粮仓建筑作为乡村产业建筑中的一种重要类型,出于储粮的需求对室内外环境质量有着严格的要求。苏南地区的粮仓建筑位于夏热冬冷地区,雨热同期的气候条件不仅为农作物生长提供了得天独厚的条件,也影响着粮仓建筑的设计与建造。本文以苏南地区的粮仓建筑为研究对象,以气候适应性为切入点,研究并总结其设计经验与营建智慧。本文共分为六个章节。第一章绪论部分包括研究背景、研究对象、研究意义与目标、相关研究综述、研究方法和研究框架。第二章,笔者对建筑气候适应性进行基础性研究,明确了苏南地区夏热冬冷的气候特征及其对建筑设计的影响,分析了苏南地区的气候特征和气候利用潜能;通过研究与气候适应性相关的理论,明确建筑气候设计原理,指出建筑的气候适应性在宏观、中观和微观尺度层面上皆有所体现,为后续的研究工作提供了理论依据。第三章,梳理通过田野调查获得的苏南地区粮仓建筑的基础性资料,筛选出典型案例样本。第四章是本文的研究重点,以典型案例作为分析样本,通过CFD数值模拟软件分别从建筑选址、建筑布局和建筑单体三个层面深入研究粮仓建筑气候适应性设计方法,总结其营建特征。第五章分析了苏南地区粮仓建筑的历史适应性和现代局限,指出现代粮仓设计应将传统营建智慧和现代技术结合;并总结苏南地区粮仓建筑气候适应性的设计经验,对粮仓建筑气候适应性的未来发展方向说明了个人观点。第六章是总结和反思,指出本文研究工作中的不足以及对未来研究工作的思考。全文字数:60000余字,图片80幅(表格内图片不计入在内),表格28份。

关键词：苏南地区粮仓建筑气候适应性数值模拟

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装配式建筑外围护结构体系气候适应性研究

装配式建筑外围护结构体系气候适应性研究

作者：卢煜西华大学

学位级别：硕士

随着世界经济发展和能源消耗加剧,面对我国建筑能耗逐年攀升的现状,降低建筑能耗、推进建筑绿色化已是大势所趋。装配式建筑作为一种可实现绿色环保、加速工业化转型的工程建造新模式,国家接连出台了《国务院办公厅关于大力发展装配式... 详细信息

随着世界经济发展和能源消耗加剧,面对我国建筑能耗逐年攀升的现状,降低建筑能耗、推进建筑绿色化已是大势所趋。装配式建筑作为一种可实现绿色环保、加速工业化转型的工程建造新模式,国家接连出台了《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》、《“十四五”建筑业发展规划》等相关政策推进装配式建筑的发展。建筑的外围护结构作为室内房间与室外环境之间的桥梁,对于营造良好室内热环境及人体热舒适具有很大的影响。随着室内环境控制技术的日益发达,人们开始依赖供暖空调等设备来控制室内热环境,而忽略了建筑围护结构本身在营造室内热环境中的作用。由于各气候分区之间室外热湿环境的不同,导致各种围护构造取得的节能效果具有城市差异性,目前国内对不同气候分区装配式外围护构造的气候适应性缺乏深入的探索。本文首先通过文献研究总结了常用的装配式外围护结构预制构件类型;然后针对钢筋桁架式叠合板的钢筋混凝土材料导热系数进行了实验测定;接着以一栋办公建筑为研究对象,选取了5种外墙、3种外窗、4种屋面组成不同的围护结构体系,应用Energy Plus软件对不同气候分区典型城市建筑模型进行能耗模拟。通过计算围护结构节能率与建筑节能率,对比研究了不同围护结构体系的气候适应性。本文得到的主要研究结果如下:(1)基于热箱法的理论基础,采用SK-QB1000建筑墙体保温性能测定设备测得预制钢筋桁架式叠合板导热系数为1.46W/m·℃。(2)夏热冬冷地区的五个典型城市中,成都市能够获得最佳的节能效果,建筑节能率可达72.37%,能够同时满足《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015中建筑节能率65%和《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021中建筑节能率72%要求,此时对应的装配式结构体系为方案14:蒸压轻质加气混凝土墙板(125mm)+空气间层(30mm)+蒸压轻质加气混凝土墙板(75mm)的外墙构造、水泥砂浆(20mm)+XPS(80mm)+粉煤灰陶粒混凝土(20mm)+现浇混凝土(40mm)+预制混凝土叠合板(60mm)+水泥砂浆(20mm)的屋面构造和断桥铝合金真空镀膜复合中空玻璃外窗。而南昌、上海、武汉、南京市采用最佳的外围护构造体系对应的节能率分别为:70.16%、67.76%、65.90%和65.26%,可满足《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015中65%要求,但达不到《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021规定的72%要求,需进一步采取节能措施从而满足标准规定的建筑节能要求;(3)对不同气候分区进行装配式围护结构体系气候适应性分析,发现在夏热冬暖地区具有高达89.41%的建筑节能率,远超《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015和《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021所规定的公共建筑平均节能率标准,对应的装配式建筑结构体系为方案41:水泥砂浆(20mm)+XPS(50mm)+整体式套筒灌浆型预制墙板(200mm)+水泥砂浆(20mm)的外墙构造、水泥砂浆(20mm)+XPS(80mm)+现浇混凝土(60mm)+预制混凝土叠合板(60mm)+水泥砂浆(20mm)的屋面构造和断桥铝合金充惰性气体镀Low-E膜中空玻璃外窗。而对于严寒地区和寒冷地区,本研究选取的60种外围护结构体系均不能满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015和《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021中的节能率标准。因此,目前常用的装配式建筑外围护结构体系在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区均可获得较高的建筑节能率,有较好的气候适应性,应推广使用,而针对严寒地区和寒冷地区,应考虑其他节能技术或者重新选择其他能够达到节能规范要求的围护结构体系。

关键词：装配式建筑外围护结构体系建筑节能率气候适应性

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秦巴山区乡村民居气候适应性营建模式研究

秦巴山区乡村民居气候适应性营建模式研究

作者：王雪薇长安大学

学位级别：硕士

秦巴山区大部分地区属于夏热冬冷地区,因此当地民居要兼顾夏季防热和冬季保暖的需求。为了适应当地的气候条件,民居在长期发展中积累许多气候适应性营建经验。现如今,随着人们生活水平的不断提高,对居住环境的舒适度有了更高的要求,因此... 详细信息

秦巴山区大部分地区属于夏热冬冷地区,因此当地民居要兼顾夏季防热和冬季保暖的需求。为了适应当地的气候条件,民居在长期发展中积累许多气候适应性营建经验。现如今,随着人们生活水平的不断提高,对居住环境的舒适度有了更高的要求,因此,对秦巴山区民居气候适应性的研究,不仅可以为当地民居今后的营建提供指导,而且有利于节能环保,促进社会的可持续发展。通过对秦巴山区西南板块的13个县区的20个村落的民居进行实地调研和测绘,整理汇总得到秦巴山区西南板块的民居形态、空间、构造做法等建筑特征,选取其中6个民居,测试其夏季和冬季室内外的空气温度、黑球温度、空气湿度和风速的数据,通过测试数据得到各民居室内热环境的变化特点,分析民居室内热环境情况,发现秦巴山区乡村民居普遍存在室内热环境差,夏季闷热,冬季湿冷等问题。通过定性研究、定量研究和模拟相结合的方式,从建筑形态、建筑空间和建造技术三方面分析秦巴山区民居气候适应性技术对民居热环境的作用机理。秦巴山区民居开敞的平面形式有利于夏季自然通风和冬季墙面得热,深远的挑檐有利于夏季遮阳和防止雨水滴落至墙面,开敞的堂屋空间有利于夏季除湿除热、阁楼空间有利于室内冬季保暖和夏季隔热,围护结构就地取材,节能环保,能有效应对夏季炎热、冬季寒冷的气候。使用Ladybug Tools对建筑高度、阁楼高度、挑檐宽度、墙体厚度、屋面厚度和窗墙比六种气候适应性技术进行单因素和多因素模拟分析,得到两种组合方案,方案1建筑高度为4.8m、阁楼高度为2.4m、挑檐宽度为1.8m、墙体和屋面厚度为500mm和80mm、窗墙比为0.1;方案2建筑高度为4.5m、阁楼高度为1.5m、挑檐宽度为0.9m、墙体和屋面厚度为500mm和100mm、窗墙比为0.12;通过对比基准模型得出两种组合方案的冬夏两季室内平均辐射温度均有所改善,夏季室内平均辐射温度分别降低了0.64℃和0.19℃,冬季室内平均辐射温度分别上升了上升了0.37℃和0.48℃。以模拟结果和结论为基础,以期通过对该地区已有的气候适应性技术与室内平均辐射温度之间的影响关系进行研究,能够为秦巴山区民居气候适应性营建模式提供一定的参考。

关键词：秦巴山区乡村民居气候适应性营建模式

城市灰绿基础设施的气候适应性耦合优化——以粤港澳大湾区为例

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城市灰绿基础设施的气候适应性耦合优化——以粤港澳大湾区为例

作者：刘铭广州大学

学位级别：硕士

城市雨洪管理系统的可持续性规划和建设是目前人居环境建设领域的一项前沿热点课题,也是气候变化和高速城市化发展背景下城市亟待解决的重大问题。气候变化所导致的极端降雨事件的强度和频率增加,给传统的城市雨洪管理系统带去威胁。为... 详细信息

城市雨洪管理系统的可持续性规划和建设是目前人居环境建设领域的一项前沿热点课题,也是气候变化和高速城市化发展背景下城市亟待解决的重大问题。气候变化所导致的极端降雨事件的强度和频率增加,给传统的城市雨洪管理系统带去威胁。为了缓解城市内涝灾害,分布式绿色基础设施提供了一种创新的地表径流管理方式,其与灰色基础设施相结合的耦合策略有机会为城市水文管理提供先进的解决方案,有条件成为我国海绵城市建设的重要思路。然而,目前的大多数灰绿基础设施耦合策略在很大程度上依赖于历时降雨数据,而忽视了非平稳性气候变化的长期影响。此外,对于灰绿基础设施耦合策略的优化往往是基于单一基础设施的优化,较少实现真正意义上的灰绿耦合。因此本研究力图从宏观到微观,从历史到未来,搭建一个气候适应性导向的灰绿基础设施系统的耦合优化框架,为未来的城市雨洪管理提供更具系统性、科学性和前瞻性的理论与技术支持。本研究以粤港澳大湾区为研究对象。首先进行区域性的降雨变化预测,借助最新的全球环流模型对粤港澳大湾区进行未来降雨预测,并通过极端指标变化分析不同未来情景(SSP1-2.6,SSP2-4.5和SSP5-8.5)下降雨的空间分布特征。此外本研究打破了传统类似五年或十年的年代际划分方式,通过Bernaola-Galván分割算法方法识别未来降雨的变化趋势特征,实现了更能体现气候变化非平稳性特征的阶段划分,建立了更加科学的长历时情景作为气候风险情景模拟工具。研究结果表明,目前粤港澳大湾区主要在南部和北部遭受较高的年降雨量和较为严重的强降水日数。未来,受气候变化影响粤港澳大湾区的大部分地区(尤其是中部和东南部地区)将面临更为频繁和强烈的降雨事件,特别是在SSP5-8.5的高排放情景下。随后,选取位于粤港澳大湾区中心位置,且具有巨大发展潜力的未来金融中心——横沥岛尖作为灰绿基础设施的气候适应性耦合优化试验点,进行场地现状雨洪管理系统的气候适应性评估,并进一步开展优化研究。在短历时情景和不同长历时情景的降雨情景模拟中,可以看到场地现状的管网系统在面对长历时情景仍有一定局限性,尤其在不同未来情景的模拟下,城市雨水管道所展示出的径流控制效果均比历史情景下的差。此外,场地现状的雨洪管理过度依赖大管径管道,这也导致了更高的建设成本和更严重的环境影响。因此,本研究基于现状的管网系统,进行进一步的优化研究。在这一过程中首先通过基于图论的空中花园算法和遗传算法,获得不同去中心化程度(即不同出口数)的最佳灰色基础设施布局;随后基于不同去中心化程度的最佳灰色基础设施布局,利用遗传算法,以最小生命周期成本和最小碳排放量为优化目标,生成一系列满足水力可靠性的灰绿基础设施耦合优化解集。在对解集中的代表性解的评估中,本研究发现相较于管网的去中心化程度,绿色基础设施的比例对于系统的雨洪管理效果有更大的作用。更大比例的绿色基础设施可以较好地实现对径流的引导、下渗和收集,减轻雨水管道的排水压力,同时可以从源头上实现对污染物的去除,弥补现状雨洪管理系统的缺陷。最后,本研究借助多准则决策工具,对优化解集中的代表性解进行打分和排序,得到可较好权衡生命周期成本、碳排放量、不同未来情景下的径流总量控制效果和污染物控制效果的最佳灰绿基础设施耦合布局,并结合场地现状规划,提出具有针对性的灰绿基础设施规划设计策略。本研究提出的优化和决策框架也可为其他城市的气候适应性雨洪管理规划提供方法参照,提升灰绿基础设施建设在城市水文管理中的前瞻性、系统性和科学性。

关键词：气候适应性灰绿基础设施多目标优化灰绿耦合气候变化