林 滿，王寶民，，劉輝志

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)系，廣東廣州510275;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所LAPC，北京100029)

隨著全球氣候變暖，城市化引起的氣候和環(huán)境變化越來越受到重視。城市微氣候的研究始于20世紀(jì)70年代，德國斯圖加特市為了減低弱風(fēng)條件下的污染，繪制了第一張都市氣候圖［1－2］，從而展開了城市微氣候的研究工作。2000年后，日本開始關(guān)注城市化引起的局地氣候變化，東京23區(qū)的熱環(huán)境圖于2005年問世［3－4］。2003年，我國香港在發(fā)生“非典”之后，意識到城市通風(fēng)的重要性，香港規(guī)劃署聯(lián)合香港中文大學(xué)等高校，采用多種手段對香港城市微氣候開展系統(tǒng)研究［5－6］。

影響城市微氣候特征的因子主要是下墊面類型，包括城市建筑、綠地、水體、土壤等的分布，從而產(chǎn)生微氣候的局地差異。城市微氣候研究方法可概況為外場觀測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。外場觀測一般可以獲得近地面要素的水平分布，而垂直廓線觀測則有一定難度。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可對中性層結(jié)條件下的流場特征進(jìn)行研究。隨著計算條件的不斷發(fā)展，數(shù)值模式在微氣候研究中的應(yīng)用越來越廣泛，而且能夠捕捉微氣候特征的三維結(jié)構(gòu)及演變［7－9］。

處于濕熱地區(qū)的廣州市，人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，然而針對該地區(qū)的城市微氣候研究還比較少［10－11］。本文以廣州大學(xué)城一個典型小區(qū)為試驗(yàn)基地，選取代表性的晴朗天氣條件，采用現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究該地微氣候時空分布特征，以期為具有相似微氣候特征的城市規(guī)劃與設(shè)計提供一定的參考。

1 研究地點(diǎn)及觀測方案

1.1 研究地點(diǎn)

研究地點(diǎn)位于番禺廣州大學(xué)城內(nèi)的一個典型小區(qū) (圖 1)，研究范圍 420 m×370 m。圖中 L(23.04N，113.23E)為該區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)參考位置。該區(qū)包括了3類典型的建筑形式:單體方形建筑、毗鄰雙體建筑和街谷建筑，下墊面類型有廣場、水泥路面、樹木、草地和水體，是多種下墊面混合組成的典型城市下墊面。此外，該地綠化均為亞熱帶地區(qū)常見植被，其蒸發(fā)率及葉面積指數(shù)等生物參數(shù)在廣州地區(qū)有很好的代表性。因此選擇該地微氣候特征進(jìn)行研究，對于廣州地區(qū)城市復(fù)雜下墊面和亞熱帶濕熱氣候的特點(diǎn)都具有很好的典型意義。

1.2 觀測方案

觀測時間為2013年4月14日09:00－19:00時 (北京時，下同)，每小時觀測1次，觀測項(xiàng)目包括2.0 m高度的風(fēng)速、氣溫、相對濕度及云量。觀測儀器及參數(shù)見表1，觀測點(diǎn)共設(shè)置8個 (圖1)。此外，也利用了自動氣象站觀測的風(fēng)向和風(fēng)速資料，該自動氣象站位于研究區(qū)域西側(cè)約250 m處。觀測期間廣州地區(qū)處于高壓中心附近，位于高空高壓脊后部，天氣比較穩(wěn)定，近地面風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng)，屬于比較典型的晴朗天氣。本文統(tǒng)計分析了1970－2000年廣州市番禺區(qū)的氣象觀測資料，其主導(dǎo)風(fēng)向即為偏南風(fēng)，而4月季風(fēng)開始爆發(fā)，高溫高濕天氣開始增多，因此本文的觀測代表了廣州地區(qū)偏南風(fēng)和高溫高濕情況下的一種典型天氣條件。

圖1 觀測點(diǎn)分布圖 (序號代表觀測點(diǎn))Fig.1 Distribution of observational sites(number represents site)

表1 觀測儀器及參數(shù)Table 1 Specific parameters of the observational instruments

2 數(shù)值模式及模擬方案

2.1 數(shù)值模式簡介

數(shù)值模式 ENVI-met［12］由德國 Mainz大學(xué) Michael Bruce教授及團(tuán)隊(duì)開發(fā)，模式以流體動力學(xué)和熱力學(xué)方程組為基礎(chǔ)，采用1.5階湍流閉合方案，適用于城市環(huán)境中下墊面－植被－大氣相互作用的三維微氣候模擬研究。ENVI-met模式在城市街區(qū)通風(fēng)、熱環(huán)境、污染物傳輸擴(kuò)散及人體熱舒適度等方面得到廣泛應(yīng)用［13－14］。ENVI-met模式典型水平分辨率為0.5～10 m，積分時間長度為24～48 h，最大時間步長為10 s，在這樣的高分辨率條件下可以分析建筑物、下墊面、植物之間的相互作用。本文采用ENVI-met模式，研究該區(qū)流場、溫度場和濕度場等微氣候特征，模擬方案如下。

2.2 數(shù)值模擬方案

模擬區(qū)域 (圖1)為420 m×370 m，垂直高度2500 m，網(wǎng)格距為2.5 m×2.5 m×3 m，模式采用開式側(cè)邊界條件，模擬起始時間與開始觀測的時間一致。10 m高度風(fēng)速和風(fēng)向利用自動氣象站觀測資料，溫度和相對濕度利用當(dāng)日09:00時8個觀測點(diǎn)的平均值，云量為當(dāng)日09:00時的觀測值。模擬初始參數(shù)為:10 m高度風(fēng)速1.6 m/s、風(fēng)向226°、氣溫 295.6 K，2 m高度相對濕度61.8%、2500 m高度比濕7 g/kg、低云量6(模式1 h后低云量為1)、中云量1、高云量0。

3 結(jié)果與分析

3.1 觀測結(jié)果

觀測得到的溫度、相對濕度和風(fēng)速的統(tǒng)計結(jié)果(圖2)表明:瀝青路表面 (測點(diǎn)8)為高溫，鋪設(shè)地磚的表面 (測點(diǎn)6)為低溫，街谷型建筑物的內(nèi)部空地 (測點(diǎn)4)因?yàn)槭芙ㄖ幱暗挠绊?，?4:00時之前為低溫，之后為高溫;街谷型建筑物的通風(fēng)口處 (測點(diǎn)5)、測點(diǎn)6是高濕區(qū)，而測點(diǎn)4在14:00時前是高濕，之后是低濕;測點(diǎn)6是大風(fēng)區(qū)，測點(diǎn)8是小風(fēng)區(qū)。這些觀測結(jié)果顯示了明顯的微氣候因子局地差異，同時也提供了不同下墊面與植被作用而影響氣象因子的參考價值。

圖2 溫度、相對濕度和風(fēng)速觀測結(jié)果統(tǒng)計Fig.2 Observational temperature，relative humidity and wind speed

3.2 模式和觀測結(jié)果對比

圖3給出了測點(diǎn)2的數(shù)值模擬結(jié)果與觀測結(jié)果的距平值對比。溫度的模擬值與實(shí)際觀測值非常接近，而從溫度和濕度模擬的趨勢看，該模式很好地捕捉了兩個物理量的日變化情況。12:00時后，溫度升高、濕度降低，18:00時后，溫度降低、濕度升高，并且在大部分時間，模式準(zhǔn)確地反映了該時刻的數(shù)值相對平均值的高低趨勢，模擬結(jié)果與觀測結(jié)果比較吻合，其中模擬值的變化幅度稍小。風(fēng)速模擬略遜于溫度和濕度的模擬，實(shí)際觀測中，風(fēng)速瞬時變化大，而模式結(jié)果的趨勢較平緩，但在時間平均值上兩者非常接近，分別是0.8 m/s和0.5 m/s。其他觀測點(diǎn)的模擬結(jié)果對比與測點(diǎn)2的結(jié)果類似 (圖略)，因此，ENVI-met模式能夠較好的模擬氣溫、相對濕度和風(fēng)速分布。

圖3 模式模擬氣溫、相對濕度和風(fēng)速與觀測結(jié)果的對比Fig.3 Comparison of temperature，relative humidity and wind speed between simulations and observational results

3.3 溫度、濕度及風(fēng)速水平分布特征

圖4給出了15:00時的溫度、濕度、風(fēng)速的空間分布圖。由圖可看出，溫度、濕度在該時刻的空間分布受下墊面的影響較大，且存在明顯的高溫低濕、低溫高濕現(xiàn)象。硬體表面沒有植被覆蓋，是高溫區(qū)，其中瀝青路表面溫度最高，水分蒸發(fā)快，配以開闊地形氣流對水汽的輸送，同時也是濕度最低的區(qū)域;土壤區(qū)域由于表面植被的遮陰效果，溫度較低，濕度較高，且兩者的空間分布均勻，梯度小;而水體表面溫度最低，且溫度變化幅度最小，與之相對應(yīng)，其表面濕度最大。風(fēng)速圖上，特別關(guān)注大建筑的周圍，氣流受阻擋，發(fā)生繞流，易出現(xiàn)大風(fēng)，同時建筑的不同方位風(fēng)速差異大;而密集的建筑之間，空間較封閉，空氣流通差，需加強(qiáng)自然通風(fēng)的設(shè)計。開闊地形 (包括水體、硬體表面)和植被覆蓋的區(qū)域，是風(fēng)速的過渡區(qū)域，風(fēng)速均勻，約為1.0～1.6 m/s。

珠江三角洲地區(qū)城市化進(jìn)程非常快，密集的建筑群會使得空氣停滯，降低通風(fēng)效果，增加資源能耗。若是在城市建設(shè)的過程中，根據(jù)該地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向，合理安排建筑布局，設(shè)計通風(fēng)管道，便可以提高城市通風(fēng)效果。另外，本文中研究區(qū)域內(nèi)較大范圍的植被覆蓋與水體設(shè)計，有明顯的降溫增濕作用，對于較長時間處于炎熱天氣的廣州來說，也是很好的規(guī)劃參考因素。城市規(guī)劃中需要發(fā)揮江流河道、綠化對城市降溫的作用，但需特別注意植被高度，才能保證行人空間里的通風(fēng)效果，提高人體舒適度，在節(jié)約能源消耗的同時，也有利于污染物的傳輸擴(kuò)散。

圖4 模擬的溫度、濕度和風(fēng)速的水平分布Fig.4 Horizontal distribution of temperature，relative humidity and wind speed

3.4 流場特征分析

主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)時，南北走向毗鄰的兩棟建筑周圍1.8 m高度的水平流場分布 (圖5)中，可以看出在兩棟建筑間出現(xiàn)高風(fēng)速，其風(fēng)速值約為來流風(fēng)速的1.4～1.7倍，這就是狹管效應(yīng)導(dǎo)致的“狹管流”，亦稱“巷道風(fēng)”，俗稱“穿堂風(fēng)”，其成因是氣流截面減小而形成的不可壓縮流體的流速升高。在城市街區(qū)中，狹管效應(yīng)主要出現(xiàn)在行人高度 (1.75～2 m)，而在高處該效應(yīng)不明顯［15］。狹管效應(yīng)導(dǎo)致的高風(fēng)速可能會對行人產(chǎn)生不適，但另一方面，狹管流對污染物的傳輸擴(kuò)散有一定的促進(jìn)作用。

圖5 毗鄰的建筑物周圍水平流場分布Fig.5 Horizontal flow field around Adjoining Buildings

圖6給出了單體建筑物周圍1.8 m高度的水平流場分布。來流風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，建筑物迎風(fēng)面被阻塞的氣流在其兩側(cè)產(chǎn)生繞流，形成角隅流強(qiáng)風(fēng)區(qū)。其風(fēng)速特別是陣風(fēng)風(fēng)速可達(dá)到來流平均風(fēng)速的2～3倍。當(dāng)城市中主導(dǎo)風(fēng)向與建筑物成一夾角時，若來流風(fēng)速為8 m/s(5級風(fēng))，在角隅流區(qū)陣風(fēng)可達(dá)20 m/s(9級風(fēng))［7］，這時便需要加強(qiáng)整個城市的高空物體的抗風(fēng)力設(shè)計。在建筑物的下風(fēng)方向(東北角)是尾流區(qū)，此區(qū)域內(nèi)基本氣流微弱，可能出現(xiàn)有渦旋，與建筑物的配置及風(fēng)向有關(guān)。

圖6 單體建筑物周圍水平流場分布Fig.6 Horizontal flow field around Single Building

從單體建筑物的南北方向垂直剖面的流場分布(圖7)可以看到，平均風(fēng)流經(jīng)該建筑后，形成的流場可分為下沖區(qū)、上升區(qū)和尾流區(qū)。下沖區(qū):在建筑物的迎風(fēng)面的下部分 (圖7中垂直格點(diǎn)9以下部分)，平均流碰到迎風(fēng)墻面后，被迫分流，下半部分的氣流沖向地面并形成微弱的回流;上升區(qū):迎風(fēng)面上半部氣流越過建筑物，由于流線壓縮而流動加快，形成在屋頂前部的強(qiáng)風(fēng)區(qū);尾流區(qū):建筑物背風(fēng)面都是尾流區(qū)，這里風(fēng)速減弱，并有弱渦旋形成，對污染物的傳輸擴(kuò)散不利。

圖7 單體建筑物南北方向垂直剖面流場分布 (圖左側(cè)為南)Fig.7 Flow field along south to north vertical cross section of Single Building(Left is South)

街谷型建筑的南北方向垂直剖面流場分布(圖8)顯示的迎風(fēng)面氣流下沖、上升和屋頂強(qiáng)風(fēng)區(qū)特征與單體建筑物南北垂直剖面的流場分布相似。其4個街谷間風(fēng)速較低，并有微弱的渦旋形成。有關(guān)研究指出［16］，街谷渦旋的出現(xiàn)與否、強(qiáng)度大小及出現(xiàn)個數(shù)與街谷的幾何配置 (街谷高寬比)和來流風(fēng)向有關(guān)，例如當(dāng)來流風(fēng)向垂直街谷走向時最易出現(xiàn)街谷渦旋，此時也對污染物的擴(kuò)散極為不利。城市中，教學(xué)樓及商業(yè)中心區(qū)等多為街谷型建筑，此時更需要配合該地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)計建筑走向，以增強(qiáng)建筑群利用自然通風(fēng)對局地污染物的清除能力。

圖8 街谷型建筑南北方向垂直剖面流場分布 (圖左側(cè)為南)Fig.8 Flow field along south to north vertical cross section of The Street Canyon Buildings(Left is South)

4 結(jié)論

采用觀測和模式相結(jié)合的方法，以廣州大學(xué)城一個典型小區(qū)為試驗(yàn)基地，選取典型高壓系統(tǒng)控制下的晴朗天氣，研究了氣溫、濕度和風(fēng)場的微氣候特征，對典型下墊面類型 (水泥路面、綠化帶和水體)與典型建筑形式 (單體建筑、雙體建筑和街谷建筑)的微氣候效應(yīng)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

1)ENVI-met模式在考慮各種下墊面及建筑物的熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù)后，能夠較好地捕捉該區(qū)域的溫度、濕度及流場的空間分布和時間變化，并與實(shí)地觀測結(jié)果吻合。

2)在晴朗天氣條件下，水泥路面、綠化帶和水體導(dǎo)致的溫度和濕度分布有顯著差異，水泥路面表現(xiàn)出高溫低濕，水體表面表現(xiàn)出低溫高濕的特征，而綠化帶則是溫度與濕度的過渡區(qū)域，植被降溫增濕作用介于水體和水泥路面之間。

3)單體建筑、毗鄰雙體建筑和街谷建筑形式對流場的影響各異。來流為西南風(fēng)時，單體建筑物迎風(fēng)面兩側(cè)出現(xiàn)角隅大風(fēng)，陣風(fēng)風(fēng)速可達(dá)平均風(fēng)速的2.0～3.0倍;毗鄰的雙體建筑間行人高度出現(xiàn)狹管流，風(fēng)速值約為來流風(fēng)速的1.4～1.7倍;街谷建筑物之間出現(xiàn)弱渦旋，各建筑物的背風(fēng)尾流區(qū)風(fēng)速微弱。

4)揭示的上述微氣候特征有助于城市規(guī)劃中完善及綜合考慮各種下墊面的布局、建筑走向及建筑形式的優(yōu)化選擇。

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