城市人居环境及多尺度气候环境分析课件

Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境城市人居环境及多尺度气候环境分析及多尺度气候环境分析西安交通大学西安交通大学人居环境与建筑工程学院人居环境与建筑工程学院 顾兆林顾兆林2012-09-22陕西省环境科学学会年会陕西省环境科学学会年会城市人居环境及多尺度气候环境分析西安交通大学人居环境Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University目录目录城市人居环境及城市气候环境城市人居环境及城市气候环境城市人居环境科学与国家需求城市人居环境科学与国家需求城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图城市冠层气候环境的小（微）尺度分析城市冠层气候环境的小（微）尺度分析陕西省环境科学学会年会陕西省环境科学学会年会目录城市人居环境及城市气候环境陕西省环境科学学会年会Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境及城市气候环境城市人居环境及城市气候环境城市人居环境及城市气候环境Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城城镇镇化化是是我我国国经经济济社社会会发发展展的的必必然然趋趋势势，也也是是工工业业化、现代化的重要标志。化、现代化的重要标志。中中国国城城市市发发展展报报告告:20072007年年末末我我国国城城镇镇化化水水平平达到达到45%45%，20112011年已经超过年已经超过50%50%。建建筑筑能能耗耗已已经经与与工工业业能能耗耗、交交通通能能耗耗成成为为我我国国能能源源消耗的三大行业领域。消耗的三大行业领域。建建筑筑用用能能总总量量已已超超过过全全国国能能源源消消费费总总量量的的1/41/4，随随着人民生活水平的提高，将增加到着人民生活水平的提高，将增加到1/31/3以上。以上。城镇化城镇化-我国现代化的标志我国现代化的标志城镇化是我国经济社会发展的必然趋势，也是工业化、现代化的重要Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境城市人居环境 根据根据根据根据2011201120112011年度国家最高科学技术奖获得年度国家最高科学技术奖获得年度国家最高科学技术奖获得年度国家最高科学技术奖获得者吴良镛院士提出的人居环境科学理论体系、者吴良镛院士提出的人居环境科学理论体系、者吴良镛院士提出的人居环境科学理论体系、者吴良镛院士提出的人居环境科学理论体系、住建部人居环境评价指标以及我们的相关研住建部人居环境评价指标以及我们的相关研住建部人居环境评价指标以及我们的相关研住建部人居环境评价指标以及我们的相关研究：究：究：究：人居环境是指人类聚居生活的场所，人居环境是指人类聚居生活的场所，是以人为中心，是以人为中心，由人由人-建筑建筑-环境构成的地环境构成的地表空间表空间，是建筑学尺度和地理学社会空间，是建筑学尺度和地理学社会空间尺度的综合概念。尺度的综合概念。人居环境人居环境自然生态环境自然生态环境城市人居环境 根据2011年度国家最高科学技术奖获得者Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市气候环境城市气候环境城市城市水环境水环境人居环境人居环境城市气候环境城市气候环境太阳太阳辐射辐射热湿热湿环境环境建筑建筑风环境风环境 城市气候环境变化城市气候环境变化是人类经济社会活动是人类经济社会活动及生态环境对城市人居环境影响的及生态环境对城市人居环境影响的集中集中表现和综合表征表现和综合表征。城市气候环境城市人居环境城市气候环境太阳热湿建筑 城市气候环Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University气候环境是城市人居环境的核心要素气候环境是城市人居环境的核心要素 城市气候环境包括城市气候环境包括热湿环境、城市与建筑风环境、热湿环境、城市与建筑风环境、城市水环境、太阳辐射城市水环境、太阳辐射等。等。城市气候环境城市气候环境以城市所处地理背景和气候区域为以城市所处地理背景和气候区域为基础基础，影响着城市人居环境的，影响着城市人居环境的热舒适性、城市空气品热舒适性、城市空气品质质等要素。等要素。气候环境是城市人居环境的核心要素 城市气候环境包括热湿Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市环境问题城市环境问题城市城市水环境水环境人居环境人居环境消费活动消费活动生产活动生产活动原因原因原因原因城市环境问题城市环境问题近地层逆温近地层逆温热岛热岛污染物超标污染物超标极端天气极端天气城市气候环境城市气候环境太阳太阳辐射辐射热湿热湿环境环境建筑建筑风环境风环境城市环境问题城市人居环境消费活动生产活动原因原因城市环境问题Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市气候环境质量问题城市气候环境质量问题“热岛热岛”效应效应近地层的逆温层近地层的逆温层大气污染物浓度长期超标大气污染物浓度长期超标气象灾害以及极端气候事件气象灾害以及极端气候事件城市气候环境质量问题“热岛”效应近地层的逆温层大气污染物浓度Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 城市气候环境所造成的问题，它不仅城市气候环境所造成的问题，它不仅严重严重影响到人们居住环境的舒适性和身心健康，还影响到人们居住环境的舒适性和身心健康，还会造成城市对能源和资源消耗的增加会造成城市对能源和资源消耗的增加。我国是一个应对气候变化能力相对较弱的我国是一个应对气候变化能力相对较弱的发展中国家发展中国家，随着城市化进程的不断加快以及，随着城市化进程的不断加快以及居民用能水平的不断提高，城市人居环境会面居民用能水平的不断提高，城市人居环境会面临更加严峻的挑战。临更加严峻的挑战。城市气候环境质量问题城市气候环境质量问题 城市气候环境所造成的问题，它不仅严重影响到人们居住环Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市气候环境问题的原因城市气候环境问题的原因城市环境问题城市环境问题近地层逆温近地层逆温热岛热岛污染物超标污染物超标极端天气极端天气主要致使原因主要致使原因城市气候未融入城市气候未融入城市规划城市规划城市气候环境问题的原因城市环境问题近地层逆温热岛污染物超标极Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市规划现状缺乏对气候环境的结合城市规划现状缺乏对气候环境的结合 城市的盲目扩张和无序发展造成城市的盲目扩张和无序发展造成目前城市人居环目前城市人居环境质量问题，境质量问题，与城市规划中存在的问题密切相关与城市规划中存在的问题密切相关。传统城市规划主要考虑风向、风频的影响。传统城市规划主要考虑风向、风频的影响。l 缺乏城市真实环境下中观、微观层面上的风环境缺乏城市真实环境下中观、微观层面上的风环境控制。控制。l 缺乏与城市用地布局、空间结构以及建筑设计建缺乏与城市用地布局、空间结构以及建筑设计建立直接的联系。立直接的联系。l 缺乏从城市规划的角度将城市气候融入空间规划，缺乏从城市规划的角度将城市气候融入空间规划，达到改善人居环境的目的。达到改善人居环境的目的。城市规划现状缺乏对气候环境的结合 城市的盲目扩张和无序Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境科学与国家需求城市人居环境科学与国家需求城市人居环境科学与国家需求Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境科学城市人居环境科学城市环境问题城市环境问题近地层逆温近地层逆温热岛热岛污染物超标污染物超标极端天气极端天气人居环境人居环境科学研究科学研究解决方案解决方案主要致使原因主要致使原因城市气候未融入城市气候未融入城市规划城市规划城市人居环境科学城市环境问题近地层逆温热岛污染物超标极端天气Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境科学研究的迫切性城市人居环境科学研究的迫切性 吴良镛院士所倡导的吴良镛院士所倡导的人居环境科学，人居环境科学，是城乡规是城乡规划学、建筑学、地理学、划学、建筑学、地理学、环境学等学科的综合性、环境学等学科的综合性、交叉性学科群。交叉性学科群。它以人类聚居环境为研究对象，它以人类聚居环境为研究对象，从各分支学科方向从各分支学科方向探讨人与环境之间相互关系以及相互作用的机理探讨人与环境之间相互关系以及相互作用的机理。城市人居环境科学研究的迫切性 吴良镛院士所倡导的人居环Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市气候环境规划城市气候环境规划城市环境问题城市环境问题近地层逆温近地层逆温热岛热岛污染物超标污染物超标极端天气极端天气城市气候未融入城市气候未融入城市规划城市规划城市规划城市规划气候环境耦合气候环境耦合人居环境人居环境科学研究科学研究解决方案解决方案解决方案解决方案主要致使原因主要致使原因城市气候环境规划城市环境问题近地层逆温热岛污染物超标极端天气Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市规划是改善城市气候环境的重要手段城市规划是改善城市气候环境的重要手段 城市空间规划必须与城市气候环境规划相结合城市空间规划必须与城市气候环境规划相结合，才能保证城市人居环境的健康发展。才能保证城市人居环境的健康发展。城市规划和建筑布局不仅影响到城市建筑的风城市规划和建筑布局不仅影响到城市建筑的风环境和污染物的扩散，同时对城市人居环境的热舒环境和污染物的扩散，同时对城市人居环境的热舒适性产生重要影响。适性产生重要影响。通过合理的空间规划、建筑设计、交通布局和通过合理的空间规划、建筑设计、交通布局和生态环境改善等手段，可以减缓和适应城市气候变生态环境改善等手段，可以减缓和适应城市气候变化，营造健康的人居环境。化，营造健康的人居环境。城市规划是改善城市气候环境的重要手段 城市空间规划必须Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市气候环境图城市气候环境图n 城市气候环境图是科学指导城市规划的重要手段城市气候环境图是科学指导城市规划的重要手段 城市气候环境图从城市气候学的角度，城市气候环境图从城市气候学的角度，分析分析城市区域气候特点并将其结果用于城市区域气候特点并将其结果用于城市规划、环城市规划、环境保护及生态环境建设境保护及生态环境建设，是目前国外城市规划对是目前国外城市规划对环境影响评估的先进手段环境影响评估的先进手段。城市气候环境图与规划建议图城市气候环境图与规划建议图是城市规划的是城市规划的重要依据和人居环境质量的基础图集重要依据和人居环境质量的基础图集。城市气候环境图 城市气候环境图是科学指导城市规划的重要手段 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境科学研究现状城市人居环境科学研究现状 近年来，虽然环境学科、气候学科、城市规划学科近年来，虽然环境学科、气候学科、城市规划学科和建筑学科开展了城市人居环境质量、特别是气候环和建筑学科开展了城市人居环境质量、特别是气候环境的相关研究工作，但由于境的相关研究工作，但由于:l现有分析城市人居环境质量的环境、气象和城市现有分析城市人居环境质量的环境、气象和城市基础建设相关数据不足；基础建设相关数据不足；l现有监测数据尺度较大，数据格式多样，数据质现有监测数据尺度较大，数据格式多样，数据质量不高；量不高；l各数据间缺乏相应的关联标准。各数据间缺乏相应的关联标准。造成研究工作难以取得突破性进展和应用性推广。造成研究工作难以取得突破性进展和应用性推广。城市人居环境科学研究现状 近年来，虽然环境学科、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University综合调查是城市人居环境科学研究的重要基础综合调查是城市人居环境科学研究的重要基础 在城市社区建筑多尺度上，迫切需要开在城市社区建筑多尺度上，迫切需要开展城市人居环境质量的综合调查：展城市人居环境质量的综合调查：l 获取城市人居环境自然本底情况和基础科获取城市人居环境自然本底情况和基础科学数据；学数据；l 综合分析城市人居环境质量与自然、地理综合分析城市人居环境质量与自然、地理因素、城市规划与建筑布局及人为活动等因因素、城市规划与建筑布局及人为活动等因素的影响。素的影响。为广泛开展和提升城市人居环境质量的综为广泛开展和提升城市人居环境质量的综合研究提供基础依据。合研究提供基础依据。综合调查是城市人居环境科学研究的重要基础 在城市社区Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University“十二五十二五”规划城镇化与城市发展重点工作规划城镇化与城市发展重点工作国家中长期科学和技术发展规划纲要（国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006200620202020年）年）重点领域重点领域“城镇化与城市发展城镇化与城市发展”（5252）优先主题优先主题“城镇区域规划与动态监测城镇区域规划与动态监测”：重点研究开发各类区域城镇空间布局规划和系统重点研究开发各类区域城镇空间布局规划和系统设计技术；设计技术；(56)(56)优先主题优先主题“城市信息平台城市信息平台”：重点研究开重点研究开发城市基础数据获取与更新技术，城市多元数据发城市基础数据获取与更新技术，城市多元数据整合与挖掘技术，城市动态监测与应用关键技术，整合与挖掘技术，城市动态监测与应用关键技术，城市网络信息共享标准规范。城市网络信息共享标准规范。“十二五”规划城镇化与城市发展重点工作国家中长期科学和技术Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境的研究方法城市人居环境的研究方法整体论思想指导整体论思想指导大尺度大尺度 在在宏宏观观上上把把握握城城镇镇人人居居环环境境生生态态系系统统的的结结构构、功功能能和和调调节节机机理理，为为城城镇镇的的发发展展提提供供宏宏观观的战略指导和规划设计的战略指导和规划设计 还原论思想指导还原论思想指导中、小尺度中、小尺度 利利用用人人居居环环境境支支撑撑科科学学的的研研究究，阐阐述述城城镇镇与与自自然然、资资源源、环环境境之之间间关关系系，为为城城镇镇化化提提供供具体的指导具体的指导 城市人居环境的研究方法整体论思想指导大尺度Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University人居环境的多尺度层次图人居环境的多尺度层次图洋葱模型及支撑学科洋葱模型及支撑学科人居环境的多尺度层次图洋葱模型及支撑学科Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城城市市气气候候环环境境分分析析图图主主要要针针对对城城市市“热热岛岛”问问题题提提出出，不不一一定定适适合合我我国国部部分分城城市市可可能能以以污污染染控控制制为为主主的的城城市人居环境建设的需要市人居环境建设的需要需需要要发发展展以以减减低低城城市市污污染染、改改善善空空气气质质量量为为主主要要目目标标的的城市污染控制图技术城市污染控制图技术 城市气候环境的多尺度分析城市气候环境的多尺度分析城市气候环境分析图主要针对城市“热岛”问题提出，不一定适合我Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境及多尺度气候环境分析课件Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境及多尺度气候环境分析课件Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市西安市-自然背景自然背景西安市-自然背景Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市的城区演变西安市的城区演变西安市的城区演变Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市西安市-主导风向主导风向西安市-主导风向Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市主城北部布局西安市主城北部布局西安市主城北部布局Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市西安市-自然风阻自然风阻西安市-自然风阻Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市西安市-城市风道城市风道西安市-城市风道Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安市西安市-城市绿地管控城市绿地管控西安市-城市绿地管控Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市冠层气候环境的小（微）尺度分析城市冠层气候环境的小（微）尺度分析城市冠层气候环境的小（微）尺度分析Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市风环境城市规划城市风环境城市规划城城市市风风环环境境是是影影响响城城市市热热岛岛和和污污染染物物扩扩散散的的重重要因素要因素。城市风环境城市规划城市风环境是影响城市热岛和污染物扩散的重Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市规划对城市风环境的影响城市规划对城市风环境的影响建筑物密度的影响建筑物密度的影响城市规划对城市风环境的影响建筑物密度的影响Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University建筑物高度及均匀性的影响建筑物高度及均匀性的影响建筑物高度及均匀性的影响Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University保留城市冠层内风场通道（保留城市冠层内风场通道（AVAAVA）建筑结构与布局建筑结构与布局保留城市冠层内风场通道（AVA）建筑结构与布局Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市规划城市规划城市规划Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市街谷城市街谷城城市市街街谷谷指指两两侧侧都都有有连连续续的的高高大大建建筑筑物物的的相相对对狭狭长长的的街街道道，是是组组成成城城市市冠冠层层结结构构的的基基本本单单元元(Nicholson,1975)(Nicholson,1975)。城城市市街街谷谷内内空空气气和和污污染染物物在在街街谷谷顶顶部部与与自自由由流流动动气气流流完完成成交交换换，形形成成特特殊殊的的微微尺尺度度气气候候环环境境(Oke,1988)(Oke,1988)。城城市市街街谷谷微微尺尺度度气气候候环环境境的的最最主主要要特特征征是是受受城城市市主主导导风风（边边界界层层流流动动）引引起起的的街街谷谷内内流流动动，如如街谷漩涡、峡谷效应等。街谷漩涡、峡谷效应等。城城市市街街谷谷的的大大气气环环境境质质量量体体现现了了源源排排放放的的强强度度与与扩扩散散能能力力，也体现城市规划与设计的水平。也体现城市规划与设计的水平。城市街谷城市街谷指两侧都有连续的高大建筑物的相对狭长的街道，Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityOke(1988)根据现场观测和数值模根据现场观测和数值模拟结果，将背景风向与街谷垂直时拟结果，将背景风向与街谷垂直时街谷内空气流动的型态分为街谷内空气流动的型态分为3种。种。u孤立粗略流孤立粗略流(isolated roughness flow,AR0.3)u干扰流干扰流(wake interference flow,0.3AR0.7)街谷掠流导致街谷内产生独立回街谷掠流导致街谷内产生独立回流，限制了机动车尾气污染物向外流，限制了机动车尾气污染物向外传输，起地面附近污染物浓度很高，传输，起地面附近污染物浓度很高，大气环境很差，成为人们研究的重大气环境很差，成为人们研究的重点。点。3种街谷流动型式(Oke,1988)理想街谷的流动型式理想街谷的流动型式街街谷谷内内空空气气流流动动的的型型态态跟跟街街谷谷的的形形状状因子因子(高度与宽度的比值）密切相关。高度与宽度的比值）密切相关。Oke(1988)根据现场观测和数值模拟结果，将背景风向与Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University非理想街谷的大气流动非理想街谷的大气流动非对称街谷非对称街谷对于非对称街谷，当迎风向建筑高于下风向建筑时，称为对于非对称街谷，当迎风向建筑高于下风向建筑时，称为下台阶流下台阶流动动；反之称为；反之称为上台阶流动上台阶流动。风洞实验表明：风洞实验表明：上台阶流动时上台阶流动时，街谷内环流强度比均匀情形时要高，街谷内环流强度比均匀情形时要高，有利于污染物传输有利于污染物传输(Hoydysh and Dabberdt 1988)。下台阶流动下台阶流动时，不同文献对街谷内流场的描述不同。可能产生上下时，不同文献对街谷内流场的描述不同。可能产生上下两个反向旋转的漩涡，不利于污染物传输两个反向旋转的漩涡，不利于污染物传输(Baik,Park et al.2000;Nazridoust and Ahmadi 2006)；也有可能产生一个漩涡；也有可能产生一个漩涡(Nazridoust and Ahmadi 2006)。非理想街谷的大气流动非对称街谷对于非对称街谷，当迎风向建筑Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University现场观测表明，即使在顶部来流垂直于街谷轴现场观测表明，即使在顶部来流垂直于街谷轴向时，向时，非均匀街谷内有明显的沿街谷流动非均匀街谷内有明显的沿街谷流动，经经典的街谷内环流漩涡变得不明显典的街谷内环流漩涡变得不明显。在真实街谷内有明显的在真实街谷内有明显的垂直速度垂直速度，其平均值大，其平均值大小与街谷顶部来流平均速度相当，可见并非由小与街谷顶部来流平均速度相当，可见并非由街谷内环流漩涡的不稳定变化引起街谷内环流漩涡的不稳定变化引起;街谷内水平街谷内水平方向上流场源与汇的存在，并能引起方向上流场源与汇的存在，并能引起污染物在污染物在沿街道方向形成非均匀分布沿街道方向形成非均匀分布(Nielson,2000)。Schatzman et al(2000)则在非均匀街谷内观测则在非均匀街谷内观测到了污染物在沿街谷方向上的非均匀分布。到了污染物在沿街谷方向上的非均匀分布。非均匀街谷的流动示意图 非理想街谷的大气流动非理想街谷的大气流动非均匀街谷非均匀街谷现场观测表明，即使在顶部来流垂直于街谷轴向时，非均匀街谷内有Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University非均匀街谷内的典型流线非均匀街谷内的典型流线(高层建筑物分离高层建筑物分离)空气从进入计算区域，经由街谷空气从进入计算区域，经由街谷内回旋然后流出计算区域的整个内回旋然后流出计算区域的整个过程，清晰展示了街谷内的流场过程，清晰展示了街谷内的流场结构，包括结构，包括气流在迎风面、背风气流在迎风面、背风面及地面附近的偏斜面及地面附近的偏斜。非均匀街谷内回旋涡并不是完全非均匀街谷内回旋涡并不是完全被限制在街谷内部，而是联通着被限制在街谷内部，而是联通着街谷外部大气。也就是说，街谷街谷外部大气。也就是说，街谷内部大气与街谷外部大气之间存内部大气与街谷外部大气之间存在在宏观的质量交换宏观的质量交换。这种宏观的。这种宏观的质量交换基于可解速度流场，相质量交换基于可解速度流场，相比与湍流交换而言，可以称之为比与湍流交换而言，可以称之为大尺度宏观对流运动大尺度宏观对流运动。非理想街谷的大气流动非理想街谷的大气流动非均匀街谷非均匀街谷Gu&Zhang et al.2011,Building and Environment,DOI:10.1016/j.buildenv.2011.06.028 非均匀街谷内的典型流线空气从进入计算区域，经由街谷内回旋然后Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University太阳辐射太阳辐射引起城市街谷内壁面温度分布不均，导致引起城市街谷内壁面温度分布不均，导致街谷内大气不稳定街谷内大气不稳定。受太阳直照的墙壁或地面温度明显比街谷内大气温度高受太阳直照的墙壁或地面温度明显比街谷内大气温度高(Nakamura&Oke 1988;Offerle et al.2007)，而街谷大气温度几乎呈现均匀分布，大气温度的变化仅限，而街谷大气温度几乎呈现均匀分布，大气温度的变化仅限与靠近壁面的很薄一层内与靠近壁面的很薄一层内(Solazzo&Britter 2007;Idczak et al.2007)。受热壁面附近空气温度变化受热壁面附近空气温度变化(Idczak,2007)街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响大气稳定度大气稳定度太阳辐射引起城市街谷内壁面温度分布不均，导致街谷内大气不稳定Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University街街谷谷建建筑筑物物壁壁面面受受热热引引起起街街谷谷内内大大气气不不稳稳定定，增增加加街街谷谷内内空空气气环环流流强强度度，引起街谷内空气流动主漩涡中心向迎风面偏移引起街谷内空气流动主漩涡中心向迎风面偏移;u背风面受热背风面受热使得背风面附近上升气流增强，增加街谷内空气环流强度使得背风面附近上升气流增强，增加街谷内空气环流强度;u迎迎风风面面受受热热时时会会引引起起街街谷谷内内空空气气环环流流的的减减弱弱，随随街街谷谷内内大大气气不不稳稳定定度度的增加甚至会引起迎风面下角处空气流动停滞或形成二次漩涡流动。的增加甚至会引起迎风面下角处空气流动停滞或形成二次漩涡流动。热浮力热浮力街谷内的街谷内的大气环流大气环流街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响建筑物壁面受热建筑物壁面受热街谷建筑物壁面受热引起街谷内大气不稳定，增加街谷内空气环流强Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University背景来流是驱动街谷内空气流动的主要动力源背景来流是驱动街谷内空气流动的主要动力源，来流风速风向对街谷内，来流风速风向对街谷内空气流动特征有很大影响。空气流动特征有很大影响。以前的研究大都用来流的以前的研究大都用来流的平均速度和主导风向平均速度和主导风向定义模拟边界条件，定义模拟边界条件，忽略忽略了来流自身的湍流特征了来流自身的湍流特征。Zhang and Gu et al.(Atmospheric Environment,2011,45(20):3352-3359)提出了一种在大涡模拟中实现序列变化的边界条件的方法，并模拟了提出了一种在大涡模拟中实现序列变化的边界条件的方法，并模拟了真真实变化风环境下理想街谷内大气流动实变化风环境下理想街谷内大气流动与污染物扩散过程的演化。与污染物扩散过程的演化。街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向背景风速风向Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055 背景来流是驱动街谷内空气流动的主要动力源，来流风速风向对街谷Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University实验测量风速风向随时间的变化实验测量风速风向随时间的变化(星号表示风向，圆点表示风速星号表示风向，圆点表示风速)边界条件由实地测量风速风向确定。边界条件由实地测量风速风向确定。街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向背景风速风向Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055 实验测量风速风向随时间的变化边界条件由实地测量风速风向确定。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University TSM30 TSM35 TSM40 TSM45 TSM50 TSM60Reference vector,3ms-1,真实来流条件街谷展向中截面上流线及速度矢量的演化过程.街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向背景风速风向Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055 TSM30 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University(a)真实来流的模拟真实来流的模拟 (b)稳态来流的模拟稳态来流的模拟街谷展向中截面上平均流线及速度矢量分布平均流场平均流场街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向背景风速风向Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055 (a)真实来流的模拟 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University(a)真实来流的模拟真实来流的模拟 (b)稳定来流的模拟稳定来流的模拟街谷展向中截面上污染物浓度(mgm-3)统计平均值分布平均污染物浓度分布平均污染物浓度分布平均来流平均来流街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向背景风速风向Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055(a)真实来流的模拟 (b)Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University(a)真实来流的模拟真实来流的模拟 (b)稳态来流的模拟稳态来流的模拟街谷展向中截面上污染物垂直湍流通量(wc/mgm-2s-1)污染物湍流扩散：污染物湍流扩散：真真实实来来流流条条件件下下，污污染染物物湍湍流流扩扩散散强强度比稳定来流时高一个量级度比稳定来流时高一个量级。平均来流平均来流Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055 街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向背景风速风向(a)真实来流的模拟 (b)稳态来流的模Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University绿化树木会降低街谷环流风速绿化树木会降低街谷环流风速，增加街谷内污染物浓度尤其是在地，增加街谷内污染物浓度尤其是在地面和背风面附近，而迎风面附近污染物浓度可能会降低。面和背风面附近，而迎风面附近污染物浓度可能会降低。街谷内绿化树木能改变街谷内大气温度分布街谷内绿化树木能改变街谷内大气温度分布，在不同太阳辐射条件，在不同太阳辐射条件下引起街谷内大气稳定度的复杂变化。这使得对绿化树木对街谷内下引起街谷内大气稳定度的复杂变化。这使得对绿化树木对街谷内空气流动和污染物扩散影响的研究更加复杂。空气流动和污染物扩散影响的研究更加复杂。总的来看，总的来看，城市街谷内绿化树木不利于污染物向外传输城市街谷内绿化树木不利于污染物向外传输。有树木绿。有树木绿化的街谷内污染物浓度能比裸露情形时化的街谷内污染物浓度能比裸露情形时(没有树木绿化时没有树木绿化时)高高8(Ries,2001)。街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响树木绿化树木绿化Gu&Zhang et al.2010,Science in China Series,E-Technological Sciences,DOI:10.1007/s11431-010-3243-x 绿化树木会降低街谷环流风速，增加街谷内污染物浓度尤其是在地面Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University街街谷谷内内物物理理因因素素及及边边界界来来流流的的影影响响树木绿化树木绿化街谷内物理因素及边界来流的影响树木绿化Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University行驶车辆对街谷内大气流动及湍流都有明显影响，尤其在街谷行驶车辆对街谷内大气流动及湍流都有明显影响，尤其在街谷底部及微风条件下；底部及微风条件下；对背风面的影响比迎风面要大；对背风面的影响比迎风面要大；Mazzeo et al.(2009)根据现场观测结果分析车辆诱导湍流对街根据现场观测结果分析车辆诱导湍流对街谷内谷内CO浓度的影响，浓度的影响，当顶部自由风速大于临界速度时当顶部自由风速大于临界速度时CO浓度浓度比不考虑车辆诱导湍流时低比不考虑车辆诱导湍流时低29%。街谷内物理因素及边界来流的影响街谷内物理因素及边界来流的影响车辆诱导湍流车辆诱导湍流行驶车辆对街谷内大气流动及湍流都有明显影响，尤其在街谷底部及Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 所有现场观测、风洞试验都有一个共同的目标，即为模拟、预报街谷内所有现场观测、风洞试验都有一个共同的目标，即为模拟、预报街谷内空气流动与污染物扩散的数值模式开发提供依据。空气流动与污染物扩散的数值模式开发提供依据。现有的现有的模拟与预报数值模式主要有两类模拟与预报数值模式主要有两类。根据根据实验数据参数化而得出的经验实验数据参数化而得出的经验(半经验半经验)模式模式，包括，包括OSPM、AEOLIUS Full、ADMS-Urban等。等。经验经验/半经验模式对街谷内流场的描述不够详细，往往限制其模拟精度；半经验模式对街谷内流场的描述不够详细，往往限制其模拟精度；基于基于计算流体力学计算流体力学(CFD)方法方法的数值模式。的数值模式。现有现有CFD模式通常对街谷物理模型的考虑过于简单，应此通常用于研究模式通常对街谷物理模型的考虑过于简单，应此通常用于研究个别影响因素对街谷内流动及污染物扩散的影响。个别影响因素对街谷内流动及污染物扩散的影响。为实现对街谷内污染物浓度分布与日变化的模拟和预报，有必要开发为实现对街谷内污染物浓度分布与日变化的模拟和预报，有必要开发基基于于CFD的综合模式的综合模式。街谷流动及污染扩散的模拟方法街谷流动及污染扩散的模拟方法模式模式 所有现场观测、风洞试验都有一个共同的目标，即为模拟、预报街Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University以污染为研究目标的技术路线以污染为研究目标的技术路线以污染为研究目标的技术路线Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University以以UHIUHI研究为目标的技术路线研究为目标的技术路线以UHI研究为目标的技术路线Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University城市人居环境的关键科学问题城市人居环境的关键科学问题城市人居环境的关键科学问题Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University Thanks for your attention!城市人居环境及多尺度气候环境分析课件