内陆城市热岛与湖风环流耦合特性研究

刘呈威,赵福云,刘润哲,杨国彪



内陆城市热岛与湖风环流耦合特性研究

刘呈威,赵福云*,刘润哲,杨国彪

(武汉大学动力与机械学院,湖北 武汉 430072)

为探究湖泊等大型水体对内陆城市大气环境的影响,本文运用数值模拟的方法,引入KRB坐标变换,建立内陆城市热岛与湖风环流的模型,对比水箱实验验证数值模型的精确性,探究不同内陆城市湖泊面积和城-湖中心距大小对城市热岛影响,模拟结果表明:湖泊面积越大,近地面城市热岛羽流的偏移量越大,而当城-湖中心距增大的时候,近地面城市热岛羽流的偏移量则减小.在湖泊靠近城市时,湖风与城市气流协同作用产生较强的环流,对城市热岛羽流产生偏转作用;在湖泊远离城市时,湖风与城市上空气流发生对抗作用,并绕过城市热岛羽流顶部,与城市上空的分散流协同,在背风面产生增益效果.

内陆城市；城市热岛；湖风环流；数值模拟

在我国广大的长江中下游地区,经济增长速度快,城市聚集的人口多,高大建筑密集,建筑空调余热、汽车尾气、工业废气排放强度大,加上南方地区高温高湿气候特征,形成了“闷热”和“窒息”的城市热岛(UHI)局部气候[1-4].受城市霾气象的静风逆温条件约束,城市热岛环流流动会将远郊或周边区域地面的气态污染物输送到城区中心[5-6].特别对于内陆城市,由于局部(空气)形成闭环流动,气态污染物难以被稀释扩散,以致随时间不断聚集于城区,形成严重的污染岛[7].

为了解决城市环境污染的问题,以北京为首的几大城市初步探究开展城市通风廊道[8],以增强通风潜力、缓解热岛效应.中国地域辽阔,很多城市拥有自身地形特征,而地形下垫面是城市载体,所以越来越多的专家学者开始探究下垫面结构对城市环境的增益机制[9-11].对于城市而言,由于人类活动对水资源的重大需求,城市往往形成于临近水体的地区,如太湖平原、江汉平原、长江三角洲、珠江三角洲等;这些水体在决定局地和区域气候方面扮演着重要的角色[12-13].

水体具有粗糙度小、反照率大,比热大、热导率低等物理特征,使其与城市下垫面具有很大的热量差异.局部大气在这种温度差异的驱动下往往形成局部热环流,如山谷风环流、城市热岛环流和海陆风环流等.国内外研究学者一直致力于对于沿海城市的城市热岛与海风相互作用的环流影响的研究,如Freitas等[14]通过模拟巴西圣保罗都市区超大城市环境中城市热岛和海风环流的相互作用发现:城市热岛在城市中心形成了强辐合区,因此加速了海风锋向城市中心的传播; Lin等[15]利用WRF模式模拟了台湾北部城市热岛效应对边界层发展以及海陆风环流的影响,发现城市热岛效应对海陆风环流的影响主要表现在;白天加强海风、夜间削弱陆风.此外,Wang等[16]还发展了一种利用修正的CFD模型计算城市热岛环流的方法,发现城市建筑形态对于热岛环流的作用非常明显.Cenedese等[17]搭建水箱实验模型模拟城市热岛与海风的相互作用,发现了城市热羽流轴线偏移的现象.李东海等[18]通过GIS分析方法,发现湖泊不同距离对城市用地温度的影响.万君等[19]用EOS/M0DIS卫星数据定量反演了襄阳市地表温度,分析其随季节变化,探究水体对襄阳市城市热岛效应的影响. 这些研究都表明:城市热岛环流与海陆风之间存在显著的相互作用,并会明显地改变局地大气环流.基于海陆风环流的研究已经较为成熟.

综上所述,沿海城市热岛和海风环流的相互作用机制及其影响因素已得到了广泛关注,而对内陆城市热岛和湖风环流的相互作用机制及其对城市环境影响的研究相对较少.我国广大内陆城市,尽管没有海陆风影响,但与内陆城市尺度接近的大型湖泊或水体,同样可能会对城市大气环境热交换和污染物迁移过程产生影响.内陆城市热岛环流和湖风环流都是在区域或局地热力差异驱动下形成的风场系统;在复杂气象条件约束下两者作用区域重叠,从而形成更复杂的耦合流场,所以探究湖泊等大型水体对内陆城市大气环境的影响很有必要.

1 多尺度城市热岛环流模型

1.1 KRB垂直坐标转换

在建立城市热岛环流的模型中,模型高度是一个重要的问题,地球表面的大气层向上最高可延伸至3000km的高空,在数值模拟的研究中,考虑到计算成本等原因,必须对模型的高度进行假设.本文采用提升CFD模型尺度的方法建立多尺度城市热岛环流模型,遵循Kristóf等[20]提出的垂直坐标变换方法对模型高度进行假设,在中尺度大气中,空气状态的基本参数可以描述为:

图1 ICAO标准计算的密度参数ζ的值和本模型中的近似值

当垂直高度z→∞时,转换后的高度→1/ζ,因此大气层的垂直高度被限定在一个明确的界限(1/ζ)以内.从图2中可以看出转换后的高度范围.

1.2 数值模型

数值计算模型如图3所示,大气区域高度取值在2km以内的行星边界层,这个区域中的大气最主要的热量和水气的源和动量的汇,是大气污染物的主要活动场所,是大气流动的主要研究对象.城市尺寸为直径= 1km(城市中心位置在= 0处).为了实现计算湖泊的尺寸大小对城市热岛与湖风环流的影响和城-湖(城市距湖泊的距离)中心距对城市热岛与湖风环流的影响,在城市左侧预留出面积放置湖面,在(-10.5km<£-0.5km)的区域内预留了10km的距离,可以实现湖泊直径在L=1~10之间的尺寸变化,探究湖泊面积对城市环境的影响.

图3 数值计算模型物理描述

本次模型控制方程中密度的变化通过动量方程中的浮力项来考虑,要对应力项进行修正,未转换的场变量的动量方程描述的大气动力学表达式为

环境的入口风速设置成垂直方向上的梯形风[23],垂直剖面的湍动能及流入边界层的耗散率表示为:

式中:()为高度处的水平风速,m/s;为离地面高度;*为大气边界层到达地面摩擦风速;为湍流动能,m2/s2;数值计算的顶部边界条件设定为symmetry对称边界条件以保证计算域顶部平行流的实现.

在本次城市热岛与湖风环流的计算中,城市热通量的大小参考前人研究取值为=100W/m2.与城市热通量类似,湖泊的热通量参考汪如良[24]等人对鄱阳湖地区的湖陆气候的研究.选取鄱阳湖的热通量作为参考的原因是,在现有的关于内陆湖陆风的研究中,鄱阳湖与其他内陆城市湖泊所处地理位置相近,所属气候带相同,且纬度位置接近,具有相似的气候特征,故本文选取鄱阳湖的热通量作为参考值. 鄱阳湖夏季白天的显热通量范围L= -30~-42W/ m2,本次计算中取平均值-37W/m2做基本实验组,本次数值模拟的工况数量较大,表1罗列出了几种特征相对比较明显的工况.

表1 各工况湖面参数设定

注:为湖的直径(km),为湖中心距城市中心的距离(km);L为湖面热通量(W/m2),0为城市热通量(W/m2).

1.3 模型验证

为了验证模型的正确性,需要将模型得到的变量值与Cenedese等[17]建立的水箱城市热岛环流模型实验结果进行对比.对比水箱实验中,湍流的特征较弱,采用大涡模拟和Realizable湍流模型方法进行验证,由于城市尺度的数值模型和水箱实验中的模型尺度存在差距,所以要将城市尺度的数值模型进行等比例缩小,以水箱实验中的循环电加热器(直径=100mm)作为城市的大小进行等比例缩小.

图4是与水箱实验得到的速度场进行定量比较,从结果中可以看到,数值模拟的结果经过无量纲化后与测量结果有很大的相似性.特别是在= 0处的速度场的水平分量与垂直分量同水箱实验测得数据的整体趋势有很好的一致性,可验证城市热岛湖风环流模型的准确性.

图4 三种方法在X=0处速度场水平分量和垂直分量

2 结果与讨论

图5是不同工况下数值模拟计算得到的在湖风环流与热岛环流处的速度场矢量图.从图中可以发现不同的湖泊面积大小与不同的城-湖中心距导致湖风环流与热岛环流各项同性(异性)的流动关系,城市热羽流的偏转与城市上空涡结构的强化具有一致性,当羽流向右偏转时,左侧的涡结构强化;当羽流向左偏转时,右侧的“涡”强化,随着湖泊与城市的中心距的增加,城市羽流与湖风相互作用产生的涡结构从城市迎风面强化,逐渐转变为城市背风面的涡的强化而同时正面涡衰减,其中箭头所表示的城市羽流的中心线的方向也因此产生了明显的变化.

本文选取城市羽流变化比较明显的工况2.1与2.2进行分析,在工况2.1中城市与湖面的中心距=1.5km;在工况2.2中城市与湖面的中心距= 5.5km,出现这种模拟结果的原因可以推测是因为位于城市左侧的湖泊将城市的热羽流往背风(以城市为中心,将湖风的来向定义为迎风面,相对方向定义为背风面)方向“吹走”.在这两种工况中,湖泊的大小是相同的(同为直径=2km),工况2.1中的城市距离湖泊更近,因此湖风对城市热岛羽流的近地面作用力更强,可以将热羽流的下部“吹”得更远.

图5 各工况下流线

为了进一步了解城市热羽流偏移量的变化原因,首先探究城-湖中心距的影响,将湖泊大小为1km的情况下不同的城-湖中心距的城市热羽流偏移量制成折线图如图6所示,发现城市热羽流往背风面偏移,偏移量随城市与湖泊中心距的增加而减小;当距离增大到某一临界值时,热羽流的偏移不再受中心距的影响,或者说热羽流不再受湖风的影响,可知在湖泊大小相同的情况下,湖泊紧邻城市的情况,城市热岛羽流的偏移量最大,随着湖泊距离城市的距离的增加,城市热岛羽流的偏移距离减小,直到不发生偏移.

类似的,探究当城市与湖泊中心距不变时,湖泊大小对城市热羽流偏移量的影响,选取中心距=4.0km和5.5km的情况进行比较,如图7所示,当湖泊中心与城市中心之间的距离不变时,随着湖泊面积(直径)的增大,湖泊对城市热羽流的偏移量影响增大,或者说湖风将城市热羽流往背风面“吹”得更远.可以获知当湖泊与城市中心距不变时,湖泊面积越大,城市热羽流偏移距离越大,湖风将城市热羽流推往背风处的作用力越大.

图6 城-湖中心距对城市热羽流偏移量影响

图7 湖泊大小对城市热羽流偏移量影响

城市热岛与湖风环流的数值模型中湖风对于城市热岛的影响是本次关注的重点,本文选取典型工况2.1和2.2中的城市热岛与湖风相互作用的迎风面和背风面的流线图如图8所示,其中工况2.1流线范围(-7500m££1000m,0m££1000m湖泊位置为-2500m££-500m),工况2.2的迎风面的流线图,流线范围(-7500m££1000m,0m££1000m湖泊位置-6500m££-4500m).

图8 两种工况下的迎风面流线

在工况2.1中,湖面距离城市更近,在由城市往湖泊的过渡区域内(-2500m££0m),城市热岛所产生的向上的热空气向外扩散,迅速下沉至近地面,在靠近湖面冷却后形成湖陆风,往城市中心汇聚并推动城市热羽流中心往>0的方向(背风面)推动;同时可以明显看到城市热岛与湖泊形成一个强烈而又“紧凑”的环流(涡较小),因此城市热羽流的上部往迎风面偏转.反观工况2.5情况下,湖面与城市距离较远,因此城市热岛与湖风产生的环流不像工况2.1中那么“紧凑”;又由于湖所处位置(-6500m££-4500m),所以在城市热岛中产生的上升的热空气向外扩散的过程中,在过渡区域内(-4500m££0m)缓慢下沉至湖面,此时的下沉气流已与接近地表湖面产生向外扩散的湖风形成对抗作用,因此城市热岛与湖风形成的环流范围很大,看起来“松散”(涡较大),所以向城市中心汇聚的湖风并没能够对近地面范围的城市热羽流形成很强的推力,且热羽流的偏移量很小

图9 两种工况下的背风面流线

图9是工况2.1、2.2的背风面的流线图,由于范围缩小,中心区域放大之后迎风面的环流也变得更加明显(工况2.1的涡较小、工况2.2的涡较大),着重研究背风面的区别:在工况2.1中,由于热羽流与左侧邻近的湖泊形成强烈的环流,因此热羽流往左侧偏转.而在工况2.2中热羽流偏转方向相反,而且在背风面反而形成了一个前者中没有的“涡”,其中的原因对比图8和图9可以说明.从图8中可以看到,湖泊距离城市的距离很远,城市上部向外扩散的热空气在城市往湖面的过渡区域内下沉,由于湖泊的吸热效应,湖泊在近湖面形成一个冷高压区域,因此在抵达湖面前已与近地表的湖泊产生的向外扩散的空气形成对抗作用,因此,猜想这股向外扩散的冷空气对城市热岛高空的背风面产生了一个推动力,将热羽流的上部往背风面“吹”,同时形成了一个“涡”,该现象与Cenedese和Monti水箱实验[17]中观察到的现象一致,更加证实数值计算可靠性.

湖风对城市热岛环流存在对抗/协同作用,对于产生原因,再通过观察图10工况2.1、2.2中城市热岛羽流的迎风面,背风面上的速度场涡量,从图10上可以看到,在工况2.1中,城市热岛羽流的迎风面(箭头左侧)上部,向左延伸的区域内涡量强度大于工况2.2中该区域的涡量强度.同时可以发现工况2.2背风面(箭头右侧)上部,向右延伸的区域内涡量强度大于2.1.

总结湖泊与城市热岛环流的相互作用分为两种情况,一是以工况2.1为代表的湖泊紧邻城市的情况.如图11所示,城市热岛形成后,热空气上浮,在城市近地面中心区域形成低压区,非城市区域(农村)的空气往城市中心汇聚;类似的,湖面的冷效应在使气流下沉,在湖面形成高压区,湖风向外分散,与非城市区域近地面往城市的汇聚流形成协同作用,强化了湖陆风,使近地面城市热岛羽流偏移量增加.城市热空气上升在上空往四周扩散,与湖面上空下沉的气流协同,增大了城市热岛与湖风环流的强度,但由于城市热岛背风面的上部受到湖泊效应的吸引,速度场的水平分量减小.

图10 城市热岛羽流迎风面和背风面涡量

图11 湖泊紧邻城市演示

二是以工况2.2为代表的湖泊远离城市中心的情况如图12所示,城市热岛形成后,城市近地面区域加热后形成局部低压,四周气流向城市中心汇聚.湖泊近湖面区域冷却后形成局部高压,湖面下沉气流向四周分散,近地面气流方向由高压流向低压,在近地面,城市热岛效应与湖风形成协同作用;但由于城市与湖泊距离较远,协同作用在中间的过渡区域衰减,导致进入城市的湖风速度减小,而此时城市热岛羽流已经形成,故对近地面城市热岛的羽流作用力减小,即热羽流的偏移量减小.此外,湖面的冷效应所产生的向外分散的湖风在城市高空对城市热岛产生作用,城市热岛的上升热气流在城市高空向四周分散;在往湖面分散的这股气流受到冷却缓慢下沉,与此时迎面而来的湖风产生反抗作用,因此在该处横风受到削弱,进一步减小湖陆风,城市热羽流的偏移量随之发生减小,此时城市热岛与湖风环流的相互作用由近地面的协同作用和高空的反抗作用组成,在城市热羽流的背风面高空处,湖风绕过羽流顶点流向背风面.因此湖风与城市热岛向上的分散气流在背风面产生协同作用,在羽流背风面处速度场的水平分量增加,表现为横风加强.

图12 湖泊远离城市演示

3 结论

3.1 验证了存在湖泊的内陆城市,城市热岛环流会受到湖风环流的相互协同/抑制作用.而且湖泊面积和城-湖中心距都是影响城市热岛的重要因素.

3.2 在城-湖中心距不变的情况下,湖泊面积越大,湖风对近地面城市热岛的影响越大,热羽流的偏移量越大.

3.3 在湖泊面积不变的情况下,湖泊紧邻城市的时候,湖风对近地面城市热岛的影响最大,城市热岛羽流的偏移量最大.

3.4 当湖泊远离城市时,城市热岛形成的上升热气流,在高空向四周分散的过程中在迎风面受到湖风的对抗作用使环流强度减小,城市热岛形成的环流受湖风影响而削弱;湖风还绕过城市热羽流的顶部,对城市热岛上升气流在背风面的分散风产生增益效果.

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致谢：本研究获得武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室的大力支持,在此一并致谢.

Research on multiple circulations co-driven by lake breeze and urban heat islands in inner cities.

LIU Cheng-wei, ZHAO Fu-yun*, LIU Run-zhe, YANG Guo-biao

(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)., 2019,39(5)：1890~1898

The impact of inland large water bodies on the air environment of inland cities was investigated based on the method of CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation with KRB coordinate transformation. Both urban heat island circulation and lake wind circulation were modelled by the CFD methodology, and they were verified by comparing with the reduced-scale water tank experiment. The urban island circulation was heavily influenced by the size of the water body and its distance to the urban center. It was shown that the larger the lake area, the greater offset of the observed urban thermal plume; whereas, when the distance from the city center to the water bodies increased, the offset of the heat island plume near the ground reduced. When the lake was located close to the city, lake-breeze and the city airflow put aiding effect, i.e., generating strong aiding circulations. However, as the lake was further away from the city, opposing effect was found betweenthe lake wind and the urban heat island circulation. Cooperating aiding effect could be found between the diverging flow and lake wind beyond of the plume.

inland cities；urban heat island；lake wind circulation；full numerical simulation

X323

A

1000-6923(2019)05-1890-09

刘呈威(1991-),男,湖北荆州人,武汉大学博士研究生,主要从事建筑环境流体动力学,城市通风及非接触测量实验研究.发表论文10余篇.

2018-10-12

国家自然科学基金资助项目(51778504);深圳市科技局基础研究计划(JCYJ20160523160857948);国防重点预研项目(2042018gf0031)

*责任作者, 教授, fyzhao@whu.edu.cn