李磊 胡非 劉京

（1 深圳市氣象局深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040；2 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點實驗室, 北京 100029；3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150001）

CFD技術(shù)在我國城市氣候環(huán)境微尺度問題中的應(yīng)用

李磊1胡非2劉京3

（1 深圳市氣象局深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040；2 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點實驗室, 北京 100029；3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150001）

從城市風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境及空氣污染等多個方面回顧了計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)在我國城市氣候環(huán)境微尺度問題有關(guān)研究中的應(yīng)用。通過回顧可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)城市氣候環(huán)境研究著眼于城市街區(qū)尺度和城市冠層內(nèi)部時，CFD可充分發(fā)揮其描述復(fù)雜幾何形體的能力，給出街區(qū)內(nèi)部的熱力、動力以及物質(zhì)擴散的細(xì)節(jié)，具有中尺度模式難以比擬的優(yōu)勢。我國在本領(lǐng)域的研究起步較晚，但近二十年來由于高速城市化進程所激發(fā)的強烈需求而發(fā)展迅速，已有大量研究在此領(lǐng)域開展并取得成果。未來隨著高性能計算機計算能力的逐漸提高，CFD有望在大氣環(huán)境質(zhì)量預(yù)報、機場風(fēng)切變預(yù)報以及風(fēng)能評估等多個領(lǐng)域中投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。

計算流體力學(xué)，城市氣候環(huán)境，微尺度

0 引言

近30年來，我國經(jīng)歷了快速的城市化進程，根據(jù)中國社會科學(xué)院發(fā)布的《城市藍(lán)皮書：中國城市發(fā)展報告》，2011年我國城鎮(zhèn)人口已達(dá)到6.91億人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到了51.27%。快速的城市化進程，對我國城市氣候和環(huán)境造成了明顯的影響，為緩解城市化在氣候環(huán)境方面的不利影響，為政府決策部門提供科技支撐，近年來國內(nèi)在城市氣候環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域展開了大量研究，并取得了豐碩的成果[1-5]。

城市氣候環(huán)境雖然僅是大氣科學(xué)中的一個分支，但也包含非常豐富的研究內(nèi)容，當(dāng)前廣義的城市氣候環(huán)境問題已經(jīng)從早期的“五島”（熱島、雨島、混濁島、干島和濕島）效應(yīng)拓展到整個城市邊界層的大氣

物理環(huán)境與化學(xué)環(huán)境問題，其本身也包含了若干更細(xì)的分支。近20年來，有大量研究集中在城市冠層內(nèi)的微尺度問題上。城市冠層內(nèi)的微尺度問題，指空間尺度從幾米到十千米范圍內(nèi)的問題。從數(shù)值模擬角度而言，在這個尺度范圍內(nèi)科里奧利（Coriolis）力不再重要，但對于幾何形態(tài)復(fù)雜的下墊面，不能再簡單地通過參數(shù)化來解決，必須通過足夠復(fù)雜而精確的邊界條件來描述。對于中尺度大氣問題來說，城市的影響可以通過添加人工熱源和改變計算網(wǎng)格的動力學(xué)粗糙度來解決[2]，但對于深入城市冠層內(nèi)部的微尺度問題，則必須考慮另外的方法。

計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一種研究流體熱-動力學(xué)問題的技術(shù)，利用CFD建立研究對象的計算模型，將流體動力學(xué)應(yīng)用于該模型進行計算，可以分析流體在該模型上的動力學(xué)和熱力學(xué)行為。由于具有一些中尺度模式不具備的特點，CFD已被廣泛應(yīng)用于與城市冠層內(nèi)微尺度問題有關(guān)的研究，本文對國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究工作做了詳細(xì)回顧。

1 CFD技術(shù)的特點

由于以研究流體流動為核心任務(wù)，CFD技術(shù)的核心內(nèi)容是大氣科學(xué)工作者都非常熟悉的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程組，以及圍繞如何數(shù)值求解納維-斯托克斯方程組的一系列算法方案。但是它通常還包括一些大氣科學(xué)工作者較少使用的技術(shù)，如 CAD（computer aided design）建模技術(shù)、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，以及結(jié)果可視化顯示技術(shù)等[6]，在數(shù)值求解方面CFD則使用了有限體積法（finite volume method，F(xiàn)VM）。有限差分法、有限元法和有限體積法等均屬于空間離散化方法（spatial discretization method），但有限體積法更適用于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有助于在模擬中刻畫復(fù)雜幾何形體。這些特點，使得CFD能夠被用于與城市冠層內(nèi)微尺度問題有關(guān)的研究。同時，值得特別指出的是，由于經(jīng)常被用于城市微尺度問題，CFD本身也成為微尺度的代名詞，國外有些學(xué)者專門提出了CFD尺度（CFD scale）這一名詞，作為與中尺度對應(yīng)的名詞[7]。對于城市冠層而言，CFD與中尺度模式最大的區(qū)別在于，CFD可以在模擬中“顯式”地描述建筑物的存在；而中尺度模式一般只能對建筑物的影響做參數(shù)化，建筑物引起的繞流等流動在模擬中不可見，因此這種描述可稱為“隱式”的。

大體上，CFD與中尺度模式的區(qū)別如表1所示，由表1可知，微尺度模式在研究對象、核心問題、關(guān)鍵物理量等多個方面都存在不同，這是由CFD自身的特點所決定的。需要特別指出的是，表1所列舉的區(qū)別并非是絕對的，例如國內(nèi)有些科研機構(gòu)同樣開發(fā)了一些微尺度數(shù)值模式，這些模式在數(shù)值求解方法上并非基于FVM，但是由于采取了一些特別的技術(shù)手段，這些模式同樣可以“顯式”地描述建筑物的存在，且主要用于模擬城市冠層內(nèi)的問題，因此在廣義上它們也可歸為CFD類模式。目前在國內(nèi)用戶較多的CFD軟件包括FLUENT，CFX，PHOENICS和STAR-CD等，而自主開發(fā)的微尺度模式則主要以南京大學(xué)的USSM模式為代表[8-10]。

表1 CFD用于城市氣候環(huán)境問題時與中尺度模式的主要區(qū)別

2 CFD工具準(zhǔn)確性的驗證

在應(yīng)用于任何具有實際應(yīng)用價值的研究之前，數(shù)值模擬工具本身的準(zhǔn)確性必須得到確認(rèn)，對于CFD也不例外，國內(nèi)外均有大量研究對CFD的準(zhǔn)確性進行了驗證。CFD的核心基礎(chǔ)是納維-斯托克斯方程組，而選擇合適的湍流閉合方案則是準(zhǔn)確求解納維-斯托克斯方程組的前提。Gosman[6]指出，并沒有對所有問題都普適的湍流閉合方案，針對不同研究問題，應(yīng)選擇相對適合的閉合方案。利用CFD研究城市氣候環(huán)境問題，究竟應(yīng)選擇什么樣的湍流閉合方案，是一個需要事先解決的問題，而風(fēng)洞實驗則為解決這個問題提供了必要的數(shù)據(jù)。Li等[11-12]利用從漢堡大學(xué)獲得的單體繞流風(fēng)洞資料[13]對3種湍流閉合方案——標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型和realizable k-ε模型——進行了檢驗，發(fā)現(xiàn)realizable k-ε模型在單體繞流問題中，計算更準(zhǔn)確。為驗證CFD在解決熱力學(xué)問題方面的可靠性，Xie等[14]采用了熱力學(xué)風(fēng)洞實驗的數(shù)據(jù)對CFD軟件FLUENT進行了驗證，李磊等[15]和Li等[16]利用水槽實驗[17]和熱力學(xué)風(fēng)洞實驗[18]進行了驗證，證實FLUENT確實可以較好地再現(xiàn)熱力學(xué)風(fēng)洞所觀測到的數(shù)據(jù)。圖1給出了李磊等[15]利用FLUENT進行數(shù)值模擬與Liu等[17]水槽實驗的結(jié)果之間的對比，由圖可知，選擇合適的參數(shù)化方案和物理模型，CFD可以較好地再現(xiàn)水槽實驗中的觀測結(jié)果。

3 城市風(fēng)環(huán)境問題研究

城市的局部風(fēng)環(huán)境問題屬于城市氣候環(huán)境微尺度問題范疇，在城市地區(qū)，建筑物的存在可能會造成風(fēng)環(huán)境的惡化，影響行人的舒適度，甚至對行人帶來危險[19]，對建筑物的設(shè)計方案進行風(fēng)環(huán)境評價已顯得日益重要。Murakami等[20]指出，CFD技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于人體尺度到城市尺度的風(fēng)環(huán)境分析研究中。國外的學(xué)者在20世紀(jì)90年代即已開始利用CFD技術(shù)分析城市風(fēng)環(huán)境舒適度問題[21]。國外研究認(rèn)為，不同的建筑物布局方案會對風(fēng)環(huán)境造成影響，有必要建立一套評估風(fēng)環(huán)境的體系，以便選出最佳設(shè)計方案，而CFD技術(shù)在其中可以發(fā)揮重要作用。與風(fēng)洞試驗相比，CFD模擬可以獲得解域空間內(nèi)任意格點的資料，而風(fēng)洞實驗獲得的數(shù)據(jù)就相對有限；同時，用CFD技術(shù)完成一個典型的建筑群風(fēng)環(huán)境影響評估，通常只需2～3周的時間，遠(yuǎn)小于風(fēng)洞試驗完成同樣案例評估所需要的時間。

傅曉英等[22]在國內(nèi)較早利用CFD研究風(fēng)環(huán)境問題，他們提出應(yīng)用CFD技術(shù)對規(guī)劃的建筑群進行小氣候數(shù)值模擬，預(yù)測規(guī)劃方案使樓宇、街區(qū)小氣候發(fā)生的改變，以便調(diào)整方案趨利避害。周莉等[23]利用FLUENT模擬某高層建筑群附近的風(fēng)環(huán)境，得出了建筑物在不同風(fēng)向條件下的風(fēng)場和壓力。他們的研究結(jié)果表明，風(fēng)在受到第一個阻礙后所形成的渦旋最為強烈，壓力梯度最大，是最危險的受力區(qū)，在建筑群中，最靠近迎風(fēng)面的建筑物所受負(fù)壓最大，且建筑物間的間距對建筑群周圍的風(fēng)環(huán)境有較大影響。唐毅等[24]應(yīng)用PHOENICS對廣州某住宅小區(qū)的風(fēng)環(huán)境進行了模擬分析，分析了住宅小區(qū)內(nèi)不同位置風(fēng)環(huán)境受周圍建筑物布局、高度等情況的影響，對住宅小區(qū)的規(guī)劃設(shè)計提供了技術(shù)支持。林波榮等[25]運用PHOENICS研究了中國傳統(tǒng)民居四合院的建筑設(shè)計對周邊區(qū)域和四合院內(nèi)的風(fēng)環(huán)境的影響，得出了一系列有趣的結(jié)論，他們的研究表明在研究中國傳統(tǒng)民居的特點時，引入CFD技術(shù)是深入了解其微氣候效應(yīng)的新手段。Li等[11]利用FLUENT建立了一個理想的街區(qū)模型（如圖2所示），以此為基礎(chǔ)研究了高大建筑物對行人高度風(fēng)環(huán)境安全性的影響。研究結(jié)果表明，高大建筑物確實會帶來風(fēng)環(huán)境安全隱患，其對行人造成傷害的可能性大小，取決于風(fēng)向、建筑物的幾何尺寸以及與周邊建筑物的距離等因素。Wang等[26]利用自己開發(fā)的模式評估了一個實際街區(qū)內(nèi)高層建筑周邊的風(fēng)環(huán)境特征。相對于大風(fēng)條件下的風(fēng)環(huán)境安全性問題而言，追求更好的通風(fēng)能力對于大多數(shù)城市來說更具有現(xiàn)實意義，李磊等[27]利用USSM研究了街區(qū)詳細(xì)規(guī)劃與風(fēng)環(huán)境的關(guān)系，在總結(jié)數(shù)值模擬試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上指出，對于街區(qū)詳細(xì)規(guī)劃即使保持容積率不變，按照一定原則對方案進行調(diào)整，仍可在一定程度上改善街區(qū)內(nèi)的通風(fēng)條件。同時，他們進一步提出應(yīng)建立基于數(shù)值模擬的城市街區(qū)詳細(xì)規(guī)劃通風(fēng)評估。

國內(nèi)的一系列研究表明，城市街區(qū)的風(fēng)環(huán)境已成為目前比較受關(guān)注的問題，包括大氣科學(xué)、建筑學(xué)及規(guī)劃學(xué)在內(nèi)的許多學(xué)者都在這一領(lǐng)域展開了研究，而CFD技術(shù)的引入可以幫助深入細(xì)致地、從定性到定量地分析和了解由于建筑或建筑群影響所產(chǎn)生的復(fù)雜風(fēng)環(huán)境。

4 城市熱環(huán)境問題

近年來，由于全球變暖和城市化進程的雙重作用，城市的熱環(huán)境舒適度問題越來越引起人們的關(guān)注，在2012年舉行的第八屆國際城市氣候大會上，展示了集中在這個領(lǐng)域的大量研究工作[28-30]。在研究城市微尺度熱環(huán)境方面，CFD因其可以給出城市冠層內(nèi)熱-動力耦合過程的精細(xì)結(jié)構(gòu)而得到了廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)進行此方面研究的主要是建筑環(huán)境領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者。Li等[31]提出簡化的地表面溫度計算方法，然后與CFD風(fēng)環(huán)境模擬相結(jié)合，從而在較小的計算負(fù)荷下進行熱環(huán)境計算。劉艷紅等[32]將CFD與RS技術(shù)相結(jié)合，對城市中五類常見的綠地空間格局在垂直和水平方向上進行溫度場和風(fēng)速場數(shù)值模擬，探討了不同綠地空間格局與城市熱環(huán)境之間的關(guān)系。宋曉程等[33]嘗試在CFD模擬中導(dǎo)入水體與大氣間熱水分傳輸?shù)挠嬎阈路椒?，研究城市水體對周邊建筑熱濕環(huán)境的影響（圖3）。邵建濤[34]和Shao等[35]在總結(jié)URANS在進行建筑繞流提出改進的非線性k-ε模型及邊界設(shè)定方案，專門討論建筑、路面等不透水人工表面與大氣間的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性，進而分析其熱浮力作用。另外，利用CFD模擬得到的熱氣候物理參數(shù)，還可進一步探討室外人體熱舒適性感覺及其分布。與氣象預(yù)報中常用的一些簡化舒適度指數(shù)不同[36]，建筑環(huán)境領(lǐng)域一般采用標(biāo)準(zhǔn)等效溫度*（standard effective temperatures，SET*）或生理等效溫度（physiological equivalent temperature，PET）等結(jié)合了人體對熱濕環(huán)境生理響應(yīng)的指標(biāo)[37]，從而更適用于城市微尺度的舒適性研究。如Lin等[38]利用CFD研究了不同住宅區(qū)綠化條件下室外SET*分布情況，發(fā)現(xiàn)由于水分蒸騰、遮陽以及風(fēng)速衰減等不同因素的綜合作用，樹木對室外舒適度不一定起到改善作用。

總體上，目前國內(nèi)利用CFD進行城市熱環(huán)境研究的尚不是很多，其主要原因在于熱環(huán)境問題除了受風(fēng)環(huán)境影響外，還涉及到太陽輻射、城市人工排熱、城市各種不同下墊面自身的熱力屬性及其與城市大氣間的傳熱等大量復(fù)雜現(xiàn)象。另外，與風(fēng)環(huán)境問題有所不同的是，熱環(huán)境問題本質(zhì)上是非穩(wěn)態(tài)過程，進行常規(guī)的穩(wěn)態(tài)模擬在理論和實際現(xiàn)象上都存在矛盾，而進行CFD非穩(wěn)態(tài)模擬又要面臨計算機性能等方面的制約。因此，研究城市熱環(huán)境問題所面臨的各種問題都要比單純研究風(fēng)環(huán)境問題要復(fù)雜得多，但從另一個角度看，這又正好為本領(lǐng)域的研究提供了充足的發(fā)展空間。

5 城市空氣污染問題

由于汽車尾氣排放對城市大氣環(huán)境的影響，城市街區(qū)微尺度的污染物輸送擴散問題引起了高度重視，而這正是CFD技術(shù)被廣泛應(yīng)用的另一個領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域，國外早期研究的重心放在了動力學(xué)過程[39-41]，對于熱力作用的影響關(guān)注不多。但近十年來，熱力作用對物質(zhì)擴散的影響已逐漸成為本領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容[14, 42-43]。

國內(nèi)學(xué)者在本領(lǐng)域的進展也非常迅速，金穎等[44]嘗試用FLUENT解一個經(jīng)典的高架源擴散問題，他們設(shè)計了一個單點煙囪排放污染物的模型，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流閉合模型進行計算，然后用解決這類問題的經(jīng)

典高斯模型進行對比驗證，證明FLUENT可以合理地模擬出單點高架源排放造成的污染狀況。程雪玲[45]用FLUENT詳細(xì)地研究了街道峽谷污染問題，用風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)進行驗證，發(fā)現(xiàn)無論是風(fēng)場還是污染物濃度，數(shù)值模擬和試驗的結(jié)果都吻合得非常好。通過分析街區(qū)中污染物的分布，程雪玲等[46]定量地比較了湍流擴散程度與層流擴散程度的差別；另外她還比較了“開放街區(qū)峽谷”與“城市街區(qū)峽谷”的擴散能力，得出的結(jié)論是，“城市街區(qū)峽谷”由于其內(nèi)部旋渦結(jié)構(gòu)的影響，使得擴散能力要差一些。李磊等[47]建立了一個假想的3維街道十字路口模型，并用FLUENT模擬了兩種風(fēng)向條件下該街區(qū)的污染物分布情景。他們選取RNG k-ε湍流閉合方案進行計算，并定性地分析了污染物在街道十字路口內(nèi)的分布情況，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果是合理的。蔣德海等[48]建立了不同形狀建筑物構(gòu)成的街谷模型和存在高架橋的街谷模型，然后利用FLUENT研究了街谷內(nèi)的湍流參數(shù)分布和污染擴散特征。苗世光等[49]利用異模式耦合的方法，研究了城市小區(qū)氣象條件與污染擴散的精細(xì)化預(yù)報問題，認(rèn)為街區(qū)尺度的污染預(yù)報在理論上是可行的，這為未來建立業(yè)務(wù)化的街區(qū)尺度污染預(yù)報系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。王寶民等[50]利用微尺度模式對北京商務(wù)中心區(qū)的大氣環(huán)境進行了模擬，指出交通高峰時段主要道路尤其是交叉路口可能出現(xiàn)NOx濃度超標(biāo)的情況。在前期研究基礎(chǔ)上，李磊等[15]進一步研究了熱力作用對街谷污染擴散的影響，他們利用FLUENT的包辛尼斯克近似模型，研究了溫度層結(jié)和地表加熱對街道峽谷內(nèi)污染擴散能力的影響，得出結(jié)論認(rèn)為即使街谷上空被逆溫層覆蓋，地表加熱仍可有效地幫助提升街谷內(nèi)的擴散能力。Li等[16]進一步研究了不同背景風(fēng)速條件下街谷底部加熱對于街區(qū)擴散能力的影響，他們給出了靜風(fēng)條件下街谷底部加熱激發(fā)街谷內(nèi)環(huán)流的物理過程，并指出即使是在靜風(fēng)條件下街谷的熱力作用也可以激發(fā)出足夠強的環(huán)流，能夠驅(qū)散污染物（圖4）。同時，Li等[16]還指出對于固定高寬比的街谷，存在一個風(fēng)速閾值，當(dāng)背景風(fēng)速大于該閾值時，動力學(xué)作用決定了街谷內(nèi)的環(huán)流特征，而當(dāng)背景風(fēng)速低于該閾值時，熱力作用的影響則占有重要地位。

可見，CFD技術(shù)的出現(xiàn)，使得人們能夠著眼城市的局部研究微尺度空氣污染問題，這些研究可以深入到城市冠層內(nèi)部，分析污染物在建筑物周圍和街區(qū)上空的輸運和擴散規(guī)律。CFD技術(shù)的特點使得它在與街區(qū)大氣環(huán)境相關(guān)的科研或業(yè)務(wù)工作中上有著良好的應(yīng)用前景，諸如小區(qū)、建筑建設(shè)的環(huán)境影響評價，分析街道拓寬、建筑物改建等對環(huán)境的影響，以期得出合理建設(shè)方案等等。

6 其他相關(guān)研究

6.1 復(fù)雜地形的模擬

早期利用CFD開展城市氣候環(huán)境微尺度研究，很少考慮到復(fù)雜地形的存在，而事實上，國內(nèi)外均有大量城市是建立在復(fù)雜地形之上的，因此用CFD描述復(fù)雜地形的影響，成為城市氣候環(huán)境微尺度研究不可回避的問題。程雪玲等[51]利用FLUENT進行了平地上不同風(fēng)條件下煙羽擴散的數(shù)值模擬實驗，并與相應(yīng)

的風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)進行了對比，取得不錯的效果。在程雪玲等[51]的研究中，還利用FLUENT的CAD建模部分進行了復(fù)雜地形網(wǎng)格生成的研究，研究首先建立了一個地形復(fù)雜的丘陵地區(qū)的計算模型，并對計算模型進行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，從而為下一步利用CFD進行復(fù)雜地形條件下污染物擴散輸送的數(shù)值試驗提供了必要條件。李磊等[52]以北京的佛爺頂和我國西南某峽谷為研究對象，利用FLUENT模擬了復(fù)雜乃至陡峭地形的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，他們指出“相比于普通中尺度模式，F(xiàn)LUENT可以更為精確地描述下墊面的復(fù)雜地形特征，因而能夠在小尺度范圍內(nèi)得到分辨率更高且更為準(zhǔn)確的復(fù)雜地形上的近地層風(fēng)場模擬結(jié)果?！边@些研究為進一步將CFD的應(yīng)用延伸到復(fù)雜地形之上的城市氣候環(huán)境研究打下了基礎(chǔ)。

6.2 與中尺度模式的耦合

盡管CFD在描述復(fù)雜幾何形體方面有著中尺度模式難以比擬的優(yōu)勢，但它仍然存在自己的局限性，這些局限性主要體現(xiàn)在兩方面：一是難以描述地表熱力平衡過程，二是因模擬范圍較小難以獲得大范圍環(huán)流的背景信息。為了彌補CFD這方面的不足，李磊[53]提出了將中尺度模式與CFD耦合的思路，依靠這種方法，既可利用CFD來精細(xì)描述復(fù)雜幾何形狀下墊面對風(fēng)、溫的影響，又能利用中尺度模式獲取大尺度環(huán)流的信息，并提供下墊面能量平衡計算得到的更準(zhǔn)確的地表溫度。隨后，以中尺度模式RAMS和CFD軟件FLUENT為工具，Li等[54-55]先后給出了北京佛爺頂和香港國際機場的成功例子。尤其是在香港國際機場的案例模擬中，Li等[55]利用RAMS與FLUENT耦合的方法研究了臺風(fēng)情境下建筑擾動引起的風(fēng)切變問題，他們在模擬中同時考慮了復(fù)雜地形和建筑群的存在，得到了較好的模擬結(jié)果（圖5）。更進一步，Li等[56-57]用RAMS與FLUENT耦合方法模擬了香港國際機場地形引起的背風(fēng)波，獲得了不錯的效果。在業(yè)務(wù)應(yīng)用層面，苗世光等[58]建立了一個多模式嵌套的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，將小區(qū)尺度模式與中尺度邊界層模式耦合，進行青島奧林匹克主題公園10m分辨率的風(fēng)場預(yù)報，并在2008年北京奧運會青島帆船比賽中進行了服務(wù)，取得了良好效果。Li等[59]以北京為對象，嘗試將WRF與他們自行開發(fā)的基于大渦模擬（large eddy simulation，LES）方案的CFD模式進行耦合。相對于常用的雷諾平均（reynolds averaged Navier-Stokes，RANS）類型的湍流閉合方案，LES通常能獲得更精確地模擬結(jié)果，但同時也需要更細(xì)的計算網(wǎng)格和消耗更多的計算資源。但Li等[59]采用了特別的處理方法，將關(guān)心區(qū)域的建筑物進行準(zhǔn)確地“顯式”處理，而將非關(guān)心區(qū)域的區(qū)域當(dāng)作拖曳粗糙元，從而節(jié)省了計算量，計算結(jié)果也與實測結(jié)果相當(dāng)一致。這些工作，無疑為未來建立真正可用的CFD預(yù)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

7 討論與展望

結(jié)合作者在本領(lǐng)域的研究工作，回顧了CFD技術(shù)在我國城市氣候環(huán)境微尺度問題中的應(yīng)用。通過回顧可發(fā)現(xiàn)近十余年CFD技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國城市氣候環(huán)境微尺度問題多個方面的研究，尤其是當(dāng)研究問題著眼于城市街區(qū)尺度和城市冠層內(nèi)部，CFD可充分發(fā)揮其描述復(fù)雜幾何形體的能力，給出街區(qū)內(nèi)部的熱力、動力以及物質(zhì)擴散的細(xì)節(jié)，從而具有中尺度模式難以比擬的優(yōu)勢。

從總體來看，國外由于開展研究較早，CFD技術(shù)在城市氣候環(huán)境微尺度問題領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用；在國內(nèi)，雖然開展研究較晚，但近十余年來由于高速城市化進程所激發(fā)的強烈需求而發(fā)展迅速。Gosman[6]曾指出，CFD技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮全部潛能，因為人們往往認(rèn)為CFD技術(shù)是一種高科技而心存畏懼。然而事實上，隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，CFD軟件甚至已可以在微機上流暢運行，解決大量實際問題，目前國內(nèi)建筑和規(guī)劃領(lǐng)域?qū)FD的廣泛應(yīng)用即是很好的佐證。

最后，特別值得討論的一點在于商業(yè)CFD軟件在科學(xué)研究中的應(yīng)用，一直以來對于商業(yè)CFD軟件用于城市氣候環(huán)境領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究存在一定爭議和質(zhì)疑，這主要是由于商業(yè)CFD軟件的源代碼不公開，其核心部分只能被當(dāng)作“黑箱”。同時，商用CFD軟件的出現(xiàn)，導(dǎo)致一些使用者在對計算流體力學(xué)基本原理及其在城市氣候環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用原則缺乏必要了解的情況，產(chǎn)出了大量似是而非的“研究成果”，這一現(xiàn)象

在工程實際應(yīng)用中尤為普遍，對于這樣的現(xiàn)象，還是值得注意的。盡管如此，我們?nèi)詰?yīng)正確評價商業(yè)CFD軟件在科學(xué)研究上的價值，商業(yè)CFD軟件往往提供了豐富的參數(shù)設(shè)置接口，并同時提供了用戶自定義函數(shù)（user defined function）接口，使得研究者可根據(jù)需要拓展CFD的功能，包括增加源項、改變流體物理屬性和設(shè)置邊界條件等內(nèi)容。因此在作者看來，商業(yè)CFD軟件實際上提供了一個以計算流體力學(xué)為核心的可拓展的平臺，可幫助研究者擺脫相對枯燥和繁瑣的編程，而把精力集中在所關(guān)注的科學(xué)問題本身。

關(guān)于CFD未來的發(fā)展，在研究領(lǐng)域，正如本文前文所述，由于當(dāng)前城市微氣候的熱力學(xué)問題研究尚不成熟，CFD在本領(lǐng)域的發(fā)揮空間還較大，關(guān)于熱壓力、舒適度等多方面的問題都有待繼續(xù)研究。除此之外，關(guān)于CFD自身如何更適用于真實大氣的模擬，也值得探討，例如如何在通用CFD軟件中加入科里奧利力，以適應(yīng)10km以上尺度的研究，類似的工作有待進一步開展。在業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著高性能計算機運算速度的不斷提升，制約CFD投入實際業(yè)務(wù)應(yīng)用的瓶頸正在慢慢消失。在未來，基于并行計算的CFD技術(shù)很有可能在以下幾個領(lǐng)域逐漸投入業(yè)務(wù)應(yīng)用：（1）城市街區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量預(yù)報，在與數(shù)值預(yù)報模式耦合之后，CFD能夠獲得更精細(xì)的冠層內(nèi)的風(fēng)場與湍流結(jié)構(gòu)，從而為預(yù)報汽車尾氣污染提供了可能性；（2）航空風(fēng)切變預(yù)報，對于建立在山地周邊的機場（例如香港國際機場），可考慮利用CFD精細(xì)刻畫復(fù)雜和陡峭地形的能力，進行低空的風(fēng)切變預(yù)報；（3）城市地區(qū)的風(fēng)能評估及預(yù)報，利用CFD預(yù)報建筑影響條件下的風(fēng)能評估和風(fēng)功率預(yù)報，為城市地區(qū)的風(fēng)能利用示范工程（例如風(fēng)光互補路燈）提供服務(wù)。當(dāng)然，除此之外，還有更多可能應(yīng)用的領(lǐng)域無法一一列舉?？傊欣碛上嘈?，隨著未來計算機技術(shù)的提升和新理論及算法的引入，CFD技術(shù)將有可能取得新的突破并在城市氣候環(huán)境領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。

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Application of CFD Technique on Micro-Scale Issues in Urban Climatic Environment Researches in China

Li Lei1, Hu Fei2, Liu Jing3
(1 Shenzhen National Climate Observatory, Municipal Meteorological Bureau of Shenzhen, Shenzhen 518040 2 State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029 3 School of Municipal Environment Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

Covering such aspects as urban wind environment, urban thermal environment and air pollution, the application of computational fluid dynamics (CFD) technique is reviewed on the micro-scale issues in urban climatic environment researches in China. Through the review it is found that when urban climatic environment researches focus on the urban neighborhood scale and focus on the phenomena within the urban canopy layer, CFD technique has special capabilities in describing complex geometries and provides the details of thermal, dynamic and diffusion processes within the urban blocks, which cannot be realized by mesoscale models. Generally speaking, the initiation of researches in this field in China is relatively late, but the progress made over the last 20 years is quite rapid and the achievements in this field are quite productive due to the strong demand inspired by the rapid urbanization process of China. In the future, along with the improvement of the capability of high performance computer, it is expected that CFD technique will be applied in many operational jobs, such as atmospheric environment forecasting, wind shear forecasting in airports and wind energy assessment.

computational fluid dynamics (CFD), urban climatic environment, micro-scale

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.06.004

2014年1月2日；

2014年3月9日

李磊（1977—），Email: chonp@163.com

資助信息：國家自然科學(xué)基金項目（51278308）；城市氣象科學(xué)研究基金（UMRF2013（LH）05）