城市局部气候分区及其参数化条件下风环境模拟

张云伟，顾兆林，周 典

（西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，西安 710049）

城市局部气候分区及其参数化条件下风环境模拟

张云伟，顾兆林，周 典

（西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，西安 710049）

在改善城市空气污染和城市热岛研究时，城市风环境研究受到人们关注。利用计算流体力学（CFD）的方法直接对城市尺度风环境进行模拟，将是一种高效的研究方法。本文对局部气候分区及其参数特征进行分析，针对中国城市化建筑高大化、密集化的特点以及多孔介质模型对城市下垫面参数化的要求，提出基于局部气候分区及其参数进行城市风环境数值模拟的方法，并以西安市西咸新区的沣西新城为例进行初步探讨。对沣西新城的模拟结果显示了本文方法的可行性，并对该区域通风廊道建设进行分析。

城市风环境；通风廊道；多孔介质模型；城市下垫面

随着我国经济发展和城市化进程的加速进行，城市空气污染日趋加剧。尤其是近年来频繁暴发的高强度雾霾污染导致人们对空气污染的关注达到前所未有的高度（曹军骥，2014）。如何降低城市空气污染物浓度是目前我国各大城市共同关注的问题。从污染形成的过程特征来看，减少污染物源排放和优化城市通风以促进污染物扩散是解决我国城市空气污染问题的两个有效途径（贺克斌等，2011；Zhang and Gu，2013；Albers et al，2015）。近年来，我国各大城市已经相继进行了工业污染源整治、燃煤锅炉改造及提高机动车尾气排放控制标准等有利于减少污染源排放的工作。但是，对城市风环境的优化主要体现在优化建筑布局与打造城市风道等构想上，其具体建设过程仍需对城市风环境的详细研究成果提供支持。

通过合理的城市规划改善城市风环境，首先需要了解不同城市冠层下垫面结构条件下的城市风环境特征，这要求在进行城市风环境研究时，具体考虑城市冠层下垫面结构与参数特征（Ashie and Kono，2011；任超和吴恩融，2012）。目前，多数对城市尺度风环境的数值模拟工作对冠层结构采用均匀的多孔介质模型假设（Wang，2009；Barlow，2014）。在具体刻画建筑结构与布局时，研究尺度通常较小，主要研究局部建筑周围的风环境特征（顾兆林和张云伟，2011），模拟研究时工作量随着研究区域的增加快速增长，甚至超出普通服务器的模拟能力（Ashie and Kono，2011；Miao and Shen，2014）。城市尺度和建筑尺度风环境研究所关注的侧重点不同，要求的分辨率也不同，因此在建筑尺度上用精细网格，获取风场及湍流信息；在城市尺度上采样较粗的网格，获取宏观的风环境信息，并为建筑尺度模拟提供边界条件，这是当前对城市风环境进行多尺度模拟研究的新方向（崔桂香等，2013）。本文主要研究城市尺度宏观风环境的模拟方法，这要求在进行城市风环境模拟研究时，首先研究城市冠层结构的科学描述方法。

近年来，为了进一步刻画城市冠层内部不同下垫面的流体力学特征，来自建筑学、城市地理科学及环境科学领域的城市气候研究专家提出了WUDAPT （The World Urban Database and Access Port Tools）计划（www.wudapt.org），利用局部气候分区（Local climate zones，LCZs）的概念来描述城市下垫面特征，按照建筑高度、密度、绿化等参数特征，分为10余种局部气候类型（Stewart and Oke，2012）。局部气候分区目前主要用于城市热岛的研究（Stewart and Oke，2012；Middel et al，2014；Stewart et al，2014）。本文基于局部气候分区的概念，以西咸新区的沣西新城为例，根据我国城市化高密度、高高度、立体化发展的特点，提取不同局部气候分区参数，并对沣西新城风环境现状进行初步地模拟分析，以期为新城区的规划建设提供参考。本文重点在于介绍基于局部气候分区及其参数化进行城市尺度风环境模拟的一种新方法。

1 局部气候分区及参数化

1.1 局部气候分区类型

道路网是城市的重要组成部分，它将城市区域分割为若干基本地块单元。不同的地块单元因土地利用性质、人类活动特点的差异，形成不同的下垫面结构特征和不同的局部气候特征。以道路网分布将城区分为不同地块单元的概念在我国由来已久，唐长安城就有以路网为基础将城区分为108坊的历史（谭纵波，2005）。可见，基于道路网对土地的分割，并根据地块单元的结构和人类行为特征进行局部气候分区的划分具有合理性和可行性。

Stewart and Oke（2012）在对以往研究总结的基础上，提出一组局部气候分区分类方法，将建筑类型分为10个类型，并将土地覆盖情况分为7个类型，其中建筑高度考虑了高、中、低三种情况，而建筑密度（Building density，BD）考虑了稠密、稀疏等。本文在将该分类方法用于西安地区城市冠层局地气候分区的划分时，根据我国当前城市化高大化、密集化的特点，建议将建筑高度为“中高”的类型再进一步细分为两个类型：中高Ⅰ，建筑高度在4 — 6层；中高Ⅱ，建筑高度在7 — 15层。将建筑高度在16层以上的归为高建筑。对建筑高度分类的调整是为了适应我国城市30层左右的建筑大批涌现，主体建筑高度差异较大等特点（Zhang and Gu，2013）。另外，本文对Stewart and Oke （2012）提出的局部气候分区简化，将建筑类型分为8个类型。本文建议的局部气候分区及定义特征如表1所示，其中LCZ 1—6为市区常见建筑类型，而LCZ 7—8为郊区常见建筑类型。并非所有基本地块单元都可以用一种LCZ来描述，对于复杂的地块单元，可以看作由两个LCZ组合而成，如图1所示，其对应参数也由两种LCZ参数组合而成。对于组合型的局部气候分区，其参数化根据源局部气候分区在不同高度的参数化而定。

表1 局部气候分区分类及定义特点（Stewart and Oke，2012）Tab.1 De fi nitions for local climate zones (Stewart and Oke, 2012)

（续表1 Continued Tab.1）

图1 局部气候分区的组合示意图（Stewart and Oke，2012）Fig.1 Diagram of the combination of LCZs (Stewart and Oke, 2012)

1.2 不同局部气候分区的参数特征

Stewart and Oke（2012）列出了局部气候分区对应的7个参数，包括天空视角因子（Sky view factor）、形状因子（Aspect ratio，建筑高度与街谷宽度的比值）、建筑密度（Building density）、不渗水地面比例（Impervious surface fraction）、可渗透地面比例（Pervious surface fraction）、粗糙单元高度（Height of roughness elements）等。

本文运用多孔介质模型进行风环境模拟，更关注局部气候分区内建筑高度、建筑密度、绿化密度等。

1.3 沣西新城LCZ分析

以西安市西咸新区的沣西新城为例，根据规划道路网，将该区域分为若干个基本地块单元，对每个地块单元判断其局部气候分区类型，并建立各局部气候分区参数数据库。沣西新城道路网将该区分为429个基本地块单元，如图2所示。每个地块给予固定编号，建立局部气候分区参数数据库，参数获取可以通过实地调查或航拍照片确定。表2列出了部分局部气候分区的参数信息。

沣西新城面积约124 km2，局部气候分区类型涉及LCZ 1、2、3、4、5、6、7、D及其组合类型。其中，草地、农田为主的LCZ D分区约占总面积的52%，低层建筑为主的村庄、遗址保护区等（LCZ 3、6、7）约占总面积的38%，以中层建筑和高层建筑为主的建成区（LCZ 1、2、4、5）各约占5%，且主要在沣西新城的北部区域。

表2 沣西新城部分地块LCZ及参数Tab.2 LCZ and parameters in part of Fengxi New Town

图2 沣西新城规划路网对土地的划分及地块编号Fig.2 Land block divided by road net and number in Fengxi New Town

2 沣西新城风环境分析

局部气候分区参数可以为城市风环境模拟提供模型参数。局部气候分区的建筑密度和树木绿化程度参数用于确定多孔介质模型的孔隙率参数，不同局部气候分区内建筑高度参数决定多孔介质模型的空间分布。因此，与传统的城市冠层多孔介质模型不同，基于局部气候分区参数的城市冠层模型具有较高的空间分辨率，分辨率的高度取决于地块单元和计算网格的大小。本文运用多孔介质模型对沣西新城风环境进行模拟，对基于局部气候分区参数进行城市风环境模拟这一方法进行初步探讨。

2.1 模型设置

本文湍流模拟运用大涡模拟方法，对沣西新城风环境进行模拟分析（顾兆林和张云伟，2014）。模拟区域如图3a所示，东西方向宽15.55 km，南北方向长20.90 km，模拟区域高度为1.00 km。水平方向网格大小约0.3 km×0.3 km，高度方向为非均匀网格，最底层网格高2 m，共14层网格。沣西新城地块单位多孔介质参数由LCZ参数确定，左上侧属于咸阳市区，右上侧位于西安三环以内建成区并不属于沣西新城，按均匀多孔介质处理，多孔介质模型采用顾兆林和张云伟（2014）所提模型。背景来流条件采用指数分布固定风速，风向为东北风，10 m高处来流风速大小为10 m · s-1，风速在垂直方向上呈指数分布。进口采用固定风速的边界条件，出口边界假设风速水平变化梯度为零，上边界采用对称边界。

图3 沣西新城近地面风场（a）及与建筑密度叠加图（b）Fig.3 Near ground wind fi eld in Fengxi New Town (a) and overlying analysis with building density (b)

本文数值模拟所用软件代码由作者自主开发，软件基于C语言，控制方程离散采用有限体积法，对流项离散用QUICK格式，时间上采用隐式格式。该软件代码已经在作者前期工作中主要用来模拟小尺度空间空气流动与污染物扩散，取得良好效果（Gu et al，2010，2011；Zhang et al，2011），本文尝试用该软件对城区尺度风环境进行模拟。

2.2 沣西新城风环境模拟

图3b显示了建筑密度对城市冠层内风环境的影响。在沣西新城的北部建筑密度较大的区域，风场强度显著减弱；而在建筑较少的沣西新城南部地区，风场强度较大。特别说明的是，模拟结果中左上方和右侧两个明显的弱风区并不在沣西新城内，分别对应咸阳市市区和西安市西三环内大片的建成区。本文对这两个区域的多孔介质模型采用均匀模型，在整个区域内假设建筑高度为6层，孔隙率为0.4。较小的孔隙率导致这两个区域显著的弱风环境。另外，本文作为该方法的初步工作，暂时未考虑地形和地貌的影响。

沣西新城地处渭河与沣河中间地带，西北向与咸阳城区隔渭河相望，东边与沣东新城以沣河为界。在西咸新区规划中，沿渭河和沣河都是生态景观廊道规划，期望沿生态廊道能形成有效的通风廊道。模拟结果显示，沿渭河生态景观廊道风速显著偏大，形成有效的通风廊道；而沿沣河生态景观廊道，并没有明显的通风廊道出现。主要原因在于沣河在该地区呈南北走向，与该地盛行风向夹角较大。陈宏等（2014）在分析城市通风廊道设计时也指出，城市通风廊道的设计要依据城市风向科学布局。西安地区盛行东北风，因此西安市城市风道的设计应该多考虑依据东北-西南走向的自然资源，包括水体、河道、路网和大规模绿地，具体的通风廊道规划还需更深入的研究。沣西新城下方目前主要以农田为主，因此风场变化不明显，目前尚不能分析沿西宝高速公路新线和南部遗址保护区带是否能形成有效的通风廊道。

3 结论

曹军骥. 2014. PM2.5与环境[M]. 北京:科学出版社. [Cao J J. PM2.5and environment [M]. Beijing: Science Press.]

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影响学生心理的因素非常复杂，因而帮助他们形成健康心理的任务就十分艰巨。为了适应教学改革新形势的要求，实现全面实施素质教育的要求，教师应积极帮助农村中学生形成健康心理，更有效地对学生进行心理健康教育，这就需要学生、学校、家庭和社会等多方通力协作，共同来完成。

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Simulation on urban wind environment based on local climate zones and its parameterization

ZHANG Yunwei, GU Zhaolin, ZHOU Dian
(School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Background, aim, and scopeIn the face of rapid industrialization and urbanization, China is confronted with growing contradictions among urban population, resources and environment. At present, China has become one of the most polluted regions in the world. The frequency, magnitude, and intensity of haze events have kept growing over China. Reasonable urban wind environment is crucial for mitigating air pollution and urban heat island effects.Materials and methodsIn study of urban wind environment, the computational fluid dynamic (CFD) method is a high-efficiency method. For urban scale wind environment simulation, physical model of urban canopy layer acts a key role in determining the accuracy of the simulated results. The local climate zones (LCZs) have been validated of advantages in characterization the urban canopy layer, by dividing the urban areas into blocks.ResultsIn the current work, local climate zones and its parameterization are investigated, based on which a new method for urban wind environment simulation is proposed. Eight LCZs with different building types and seven LCZs with different land cover types are de fi ned. Fengxi New Town a new development zone in Xi’an, is divided into about 429 blocks. Each block has the characteristics of one or two LCZs. Characteristics of urbanization in China and the parameterization in porous medium models are considered in thisnewly proposed method. With this newly proposed method, wind environment in Fengxi New Town is studied. The designing on ventilation corridors in Fengxi New Town is also investigated.DiscussionResults show grassland and farmland are the main LCZs in Fengxi New Town, which occupy 52% of the areas. Built areas of middle rise or high rise buildings are less, which only occupies about 10%. The wind environment in Fengxi New Town shows a ventilation corridor along the Weihe River, but no ventilation corridor along the Fenghe River. It seems the development of an ventilation corridor is heavily affected by the wind direction.ConclusionsLCZs is a reasonable method to describe the urban canopy layer characteristics. The results show the practicability of the newly proposed method for urban wind simulation.Recommendations and perspectivesAlthough there are two rivers in Fengxi New Town, but ventilation corridor is only developed over the Weihe River. It is recommended that in designing of ventilation corridor, the wind direction should be considered.

urban wind environment; ventilation corridor; porous medium; urban underlying surface

ZHOU Dian, E-mail: dian-z@xjtu.edu.cn

10.7515/JEE201605004

2016-06-16；录用日期：2016-08-27

Received Date:2016-06-16;Accepted Date:2016-08-27

科技部基础性工作专项（2013FY112500）；“十二五”科技支撑计划项目（2012BAJ15B06）；国家自然科学基金项目（51508458，11572242）；中央高校基本科研业务费项目（xjj2014054）

Foundation Item:Basic Work Project of Ministry of Science and Technology of China (2013FY112500); 12th Five-year Science and Technology Support Program (2012BAJ15B06); National Natural Science Foundation of China (51508458, 11572242); Basic Research Projects of Central University (xjj2014054)

周 典，E-mail: dian-z@xjtu.edu.cn