溫度層結(jié)對建筑風(fēng)環(huán)境定量影響的大渦模擬

李玉潔 徐一平 苗世光 嚴(yán)超

1 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081

2 北京城市氣象研究院，北京 100089

3 紹興市氣象局，浙江紹興 312000

4 中國氣象局城市氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100089

1 引言

城市化和工業(yè)化發(fā)展極大地提高了城市居民的生活質(zhì)量，但與此同時也顯著改變了城市土地利用方式，形成獨(dú)特的城市微氣候。微氣候環(huán)境是人居環(huán)境的重要內(nèi)容之一，各種研究表明城市微氣候?qū)ㄖ茉葱枨螅⊿antamouris et al., 2001; Davies et al., 2008）和人體熱舒適（Kovats and Hajat, 2008;Moonen et al., 2012）都存在影響，利用數(shù)值模擬方法揭示微氣候環(huán)境特征，可為城市設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，改善城市氣候環(huán)境。

隨著對城市微氣候問題認(rèn)識的不斷深入，除了地區(qū)氣候類型（張鵬程, 2014; 李宏宇等, 2015）土地利用類型（林波榮, 2004; 李書嚴(yán)等, 2008）及布局（張偉, 2015）外，城市空間形態(tài)逐漸成為城市微氣候領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自O(shè)ke（1988）定量分析了城市街道形態(tài)與城市微氣候的關(guān)系后，眾多研究表明建筑的體量、布局和朝向、街區(qū)的建筑密度、建筑平均高度等要素均會對街區(qū)微氣候效應(yīng)產(chǎn)生影響（袁超, 2010; 鄭子豪等, 2016; 李晗等, 2016; 鄔尚霖和孫一民, 2016）。其中不乏對典型的城市中心區(qū)、街區(qū)、街谷、街道對城市微氣候影響的研究，然而這些研究往往在不同城市的特定區(qū)域，涵蓋多種城市形態(tài)，分類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。不同于側(cè)重表述城市功能的土地利用劃分（商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、居住區(qū)等），Stewart and Oke（2012）提出了局地氣候區(qū)（Local Climate Zones, LCZ）劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土地覆蓋物的物理性質(zhì)和表面幾何結(jié)構(gòu)，LCZ系統(tǒng)地將城市景觀按建筑類型分為17個局部尺度區(qū)域（包括了人造和自然的生態(tài)系統(tǒng)），分類易于實(shí)現(xiàn)且同一類型的區(qū)域具有相同的局地氣候特征。采用LCZ研究不同建筑類型下的局地微氣候貼合真實(shí)城市觀測結(jié)果（Stewart et al., 2014），國內(nèi)也利用LCZ研究了杭州、南京、成都等城市的微氣候（陳方麗, 2018; 王坦, 2019; 楊詩敏, 2020）。

城市邊界層溫度廓線會改變大氣邊界層的厚度、結(jié)構(gòu)及湍流廓線，對城市氣候特征有重要影響。因此，研究真實(shí)復(fù)雜下墊面對局地微氣候的影響必須考慮大氣層結(jié)，但受觀測的局限性和數(shù)值模擬的網(wǎng)格精度及湍流模型等因素的影響，目前相關(guān)研究較少。部分研究者探討了中性層結(jié)、穩(wěn)定層結(jié)和不穩(wěn)定層結(jié)下的建筑周圍氣流和標(biāo)量擴(kuò)散特征（Shen et al., 2015, 2017; Zhou et al., 2021），采用風(fēng)洞（Uehara et al., 2000）和計算流體力學(xué)方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）（郭棟鵬等, 2020; 史學(xué)峰等, 2021）的研究表明街區(qū)內(nèi)部渦的強(qiáng)度受溫度層結(jié)影響較明顯：不穩(wěn)定層結(jié)下，街區(qū)內(nèi)渦流較強(qiáng)，反之較弱。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，不穩(wěn)定層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)條件下湍動能都會增加，但不穩(wěn)定層結(jié)對湍流的影響比穩(wěn)定層結(jié)更明顯（Masoumi-Verki et al., 2021）。此外，不同溫度層結(jié)條件下建筑物背風(fēng)面的流動結(jié)構(gòu)在形態(tài)上都是尾跡干擾流，但在渦的形態(tài)和數(shù)量上存在明顯差異（Huang et al., 2021）。

在近地邊界層內(nèi)，由于地表摩擦和上下層空氣混合，動量、熱量和水汽等通過風(fēng)和湍流在三維空間內(nèi)輸送，通過分析風(fēng)場和湍流的主要特征是獲得城市復(fù)雜下墊面（建筑、水體、植被）和大氣之間的通量交換信息，研究其微氣候重要途徑（于貴瑞和孫曉敏, 2006）。而精細(xì)分辨建筑物、陸地和植被的幾何分布，數(shù)值解析城市冠層內(nèi)復(fù)雜的動力和熱力效應(yīng)，則是揭示微氣候環(huán)境特征的重要手段。

近年來，隨著并行計算技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)方法被越來越廣泛地應(yīng)用于捕捉城市復(fù)雜下墊面和大氣之間的相互作用研究中，得到較為精確的平均場和湍流統(tǒng)計場分布。常用的CFD分為3類：直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation,DNS）、大渦模擬（Large-Eddy Simulation, LES）和雷諾平均方法（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）。Gousseau et al.（2011）分別用RANS和LES模擬了蒙特利爾市中心的污染擴(kuò)散并將結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)做對比，發(fā)現(xiàn)LES的預(yù)測結(jié)果優(yōu)于RANS的結(jié)果。李海鋒等（2015）基于大渦模擬方法展現(xiàn)了典型夏季晴天中心商業(yè)區(qū)的風(fēng)場、溫度場和污染物擴(kuò)散過程，精細(xì)的流動結(jié)構(gòu)揭示了由于峽谷效應(yīng)引起的冠層內(nèi)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)。由此可見，相較于RANS和DNS，大渦模擬既能再現(xiàn)邊界層內(nèi)的一般流動特征，又可以極大程度的減小計算量。

基于Stewart and Oke（2012）提出的LCZ模型，本文以北京門頭溝城區(qū)作為研究對象，采用大渦模擬方法研究城區(qū)大氣環(huán)境熱力和動力作用機(jī)制，考察大氣層結(jié)效應(yīng)對城市復(fù)雜下墊面風(fēng)環(huán)境和湍流特征的影響，探討城市微氣候的局地差異，從而為城市規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模式介紹

本文采用的并行大渦模擬模式（Parallelized Large-eddy simulation Model, PALM）由德國萊布尼茲漢諾威氣象研究所開發(fā)，已被廣泛應(yīng)用于大氣和海洋邊界層湍流模擬研究（Maronga et al.,2020）。PALM模型基于牛頓流體模型，采用Boussinesq假設(shè)考察溫差產(chǎn)生的浮力效應(yīng)，控制方程為網(wǎng)格濾波后的質(zhì)量、動量和位溫的守恒方程，采用1.5階湍流閉合方案?；尉W(wǎng)格不可解析尺度湍渦對可解尺度湍流運(yùn)動的作用。使用有限差分法在Arakawa-C網(wǎng)格上進(jìn)行垂直離散，采用顯式二階或三階Runge-Kutta時間推進(jìn)方法求解動量、溫度、濕度和其他標(biāo)量的三維預(yù)測方程。

PALM模式由PALM核心和PALM-4U組件組成，當(dāng)前天氣和氣候模式依然難以模擬城市冠層過程，但是PALM-4U基于地表能量平衡，考慮了植被、裸土、路面、水體表面熱通量，能夠通過由單個元素物理性質(zhì)（反照率、發(fā)射率）吸收輻射且有限迭代短波和長波輻射的輻射模型、預(yù)測土壤溫度和含水量的多層土壤模型以及植被冠層模型模擬城市大氣邊界層內(nèi)的物理過程（Resler et al., 2017）。

2.2 研究區(qū)域介紹

北京門頭溝區(qū)位于北京城區(qū)正西偏南，地處華北平原向蒙古高原過渡地帶，地勢西北高，東南低（圖1a中黑色粗實(shí)線），本文選取門頭溝區(qū)東部一片4000 m×5000 m都市區(qū)為研究對象（圖1a中白色粗實(shí)線），區(qū)域中建筑物高度分布如圖1b所示，共包含45個智能氣象站（圖1中編號1～45）測量氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)速等氣象要素。本文依據(jù)Stewart and Oke（2012）提出的局地氣候區(qū)模型，結(jié)合智能氣象站資料將門頭溝城區(qū)主要劃分為高層密集型（LCZ 1）、中層密集型（LCZ 2）、高層開闊型（LCZ 4）、稀疏建筑（LCZ 9）、密集樹木（LCZ A）、水體（LCZ G）6種類型，重點(diǎn)關(guān)注高層開闊型地塊A、高層密集型地塊B、中層密集型地塊C、稀疏建筑地塊D（圖1b）。

圖1 （a）北京門頭溝城區(qū)位置和周邊地形圖；（b）智能站站點(diǎn)分布、門頭溝城區(qū)建筑物高度和土地利用圖（黑色圓點(diǎn)及其周圍數(shù)字1～45表示智能站分布和編號，陰影表示門頭溝城區(qū)建筑物的高度，藍(lán)色線條表示河流，綠色塊狀區(qū)域表示城市公園，A、B、C、D分別為高層開闊型地塊、高層密集型地塊、中層密集型地塊、稀疏建筑地塊，虛線為各地塊垂直剖面位置）Fig. 1 (a) Location and surrounding terrain of Mentougou, Beijing and(b) distributions of intelligent weather stations, building heights, and land use in Mentougou (locations of the stations are marked with black dots and the station numbers are represented by numbers 1-45. The color code indicates the building height in the Mentougou District, the blue line indicates the river, and the green block areas represent urban parks; A is an open highrise, B is a compact highrise, C is a compact midrise, D is sparsely built, and the dotted line is the vertical section of each building)

如圖2所示，研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類型包括農(nóng)田、森林、草地、灌木、濕地、水體、不透水地表、裸地。根據(jù)土地利用狀況，本文將區(qū)域內(nèi)下墊面劃分為建筑物、樹木、灌木、莊稼、草地、水體、不透水地表和裸地共7種類型，并且在PALM模型中選定植被區(qū)域的土壤類型為細(xì)粒土、森林樹木類型為落葉闊葉林、灌木為落葉灌木、農(nóng)田為莊稼、草地為短草、濕地和水體統(tǒng)一選為河流、非滲透地表選為瀝青混凝土、裸地選為裸土。

圖2 研究區(qū)域10 m分辨率土地利用資料Fig. 2 10-m resolution land use data in the study area

2.3 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計

本文數(shù)值模擬以門頭溝城區(qū)（39.95°N，116.12°E）為中心，計算域范圍為4000 m (x)×5000 m (y)×2110 m (z)，水平方向采用均勻網(wǎng)格，分辨率為5 m，垂直方向在離地120 m高度范圍內(nèi)采用4 m分辨率均勻網(wǎng)格，從而精細(xì)刻畫城市粗糙子層內(nèi)物理過程，垂向網(wǎng)格在120 m高度外均勻拉伸（拉伸因子1.08，最大網(wǎng)格距為80 m），總網(wǎng)格數(shù)為800 (x)×1000 (y)×80 (z)。分析北京觀測資料發(fā)現(xiàn)其城市溫度層結(jié)具有季節(jié)性變化特征：冬季為弱不穩(wěn)定層結(jié)，而夏季為弱穩(wěn)定層結(jié)；但在中午前后為不穩(wěn)定層結(jié)（王喜全等, 2009）。當(dāng)前城市下墊面觀測手段較多，但街區(qū)尺度下的加密觀測數(shù)據(jù)較為匱乏。觀測數(shù)據(jù)來源于北京市氣象局與北京市門頭溝區(qū)政府合作項目中的加密智能氣象觀測站數(shù)據(jù)（2019年11月1日至2020年11月1日）。本文主要關(guān)注晴天天氣條件下城市粗糙子層內(nèi)熱動力特性，不考慮天氣尺度外部強(qiáng)迫條件變化，從而更便于考察建筑物和土地利用的影響。因此，基于觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制（極值檢驗(yàn)、時間連續(xù)性檢驗(yàn)、剔除缺測站點(diǎn)數(shù)據(jù)）后，共篩選出34個晴天小風(fēng)個例，最后選取典型晴天小風(fēng)個例（即2019年11月7日）的不同時段開展數(shù)值模擬敏感性試驗(yàn)，從而考察中性、穩(wěn)定和不穩(wěn)定3種大氣層結(jié)條件下城市邊界層流動特征。其中，穩(wěn)定邊界層模擬時段為01:00（北京時間，下同）至02:00，而對流邊界層模擬時段對應(yīng)當(dāng)天13:00至14:00，中性層結(jié)作為理想?yún)⒄瞻咐齼H考慮動力作用，3種層結(jié)的大氣邊界層初始位溫廓線如圖3所示，地表氣壓均取1017 hPa，模擬時長為1 h。

圖3 敏感性試驗(yàn)中性邊界層（Neutral Boundary Layer, NBL）、對流邊界層（Convective Boundary Layer, CBL）、穩(wěn)定邊界層（Stable Boundary Layer, SBL）初始位溫廓線Fig. 3 Initial potential temperature profiles of the Neutral Boundary Layer (NBL), Convective Boundary Layer (CBL), and Stable Boundary Layer (SBL) in the sensitivity experiment

初始風(fēng)廓線采用如下形式：

其中，U為高度z（單位：m）處的平均風(fēng)速，U1是參考高度z1處平均風(fēng)速，300 m高度以上風(fēng)速同300 m高度處且隨高度不變。敏感性試驗(yàn)高度z13=4 m處風(fēng)速U13=2.2 m/s，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)。本文主要關(guān)注城市粗糙子層內(nèi)熱動力特性，因而忽略科里奧力作用，且由于模擬時間較短，不考慮天氣尺度外部強(qiáng)迫條件變化。計算域x方向側(cè)邊界采用周期條件，y方向?yàn)榉侵芷跅l件，底部邊界和建筑物壁面采用無滑移條件，頂部采用自由滑移不可穿透條件（并通過Rayleigh衰減消除頂部邊界對城市粗糙子層內(nèi)流動的影響）。本文數(shù)值試驗(yàn)利用晴空輻射模型考慮輻射傳輸過程，并使用陸面模式和城市地表模式，考慮建筑物表面（墻和屋頂）的能量平衡，包括建筑材料內(nèi)部熱量傳輸以及室內(nèi)外熱量交換。

2.4 模擬檢驗(yàn)

為驗(yàn)證PALM在穩(wěn)定邊界層（02:00）和對流邊界層（14:00）對門頭溝城區(qū)各種類型下墊面的模擬效果，按照2019年11月7日45號智能氣象站的觀測資料設(shè)置初始條件：01:00模式4 m高度位溫取280.09 K，初始位溫廓線變化率為1 K/100 m，地表氣壓設(shè)置為1012 hPa，風(fēng)廓線高度z1=4 m處風(fēng)速U1=1.3 m/s，風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)；13:00 4 m高度位溫取285.47 K，初始位溫廓線取100 m以下-1 K/100 m，100～700 m為等位溫，700 m以上位溫隨高度增長，增長率為1 K/100 m，地表氣壓設(shè)置為1017 hPa；風(fēng)廓線高度z1=4 m處風(fēng)速U1=2.2 m/s，風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)。其他設(shè)置與1.3節(jié)相同。將02:00和14:00 4 m高度氣溫和風(fēng)速與同時段45個智能氣象站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并分別統(tǒng)計了不同下墊面類型的模擬效果。

如圖4所示，模式能較好地模擬門頭溝城區(qū)4 m高度風(fēng)在02:00和14:00的水平分布情況，風(fēng)向模擬與觀測基本一致。水體地塊、密集樹木地塊、稀疏建筑地塊、高層密集型地塊的風(fēng)速相對較高，而中層密集型地塊的風(fēng)速相對較低，這與觀測也較為一致。

圖4 PALM模擬的2019年11月7日（a）01:00至02:00、（b）13:00至14:00 4 m高度風(fēng)與相應(yīng)時刻智能氣象站觀測對比（藍(lán)紫色箭頭為觀測，紅色箭頭為數(shù)值模擬結(jié)果，灰色填充表示建筑物）Fig. 4 Comparisons of the simulated wind at the height of 4 m from Parallelized Large-eddy simulation Model (PALM) with the observations of the smart weather station during (a) 0100 LST-0200 LST and (b) 1300 LST-1400 LST on 7 Nov 2019 (blue-purple arrow is the observation, red arrow is the numerical simulation result, and gray filling represents the building)

如表1所示，對02:00（穩(wěn)定邊界層）和14:00（對流邊界層）45個站點(diǎn)的模擬效果進(jìn)行統(tǒng)計量檢驗(yàn)，從結(jié)果看，模式對于02:00和14:00的模擬效果較好。溫度方面，02:00，PALM模式模擬的氣溫與智能氣象站觀測的平均偏差為0.38°C、均方根誤差為0.51°C，而14:00則為0.56°C、0.75°C；風(fēng)速方面，02:00模擬的風(fēng)速與智能氣象站觀測的平均偏差為0.28 m/s、均方根誤差為0.67 m/s，而14:00則為0.64 m/s、0.93 m/s。

表1 45個站點(diǎn)02:00和14:00觀測與模擬的統(tǒng)計量檢驗(yàn)Table 1 Statistical test of observations and simulations at 45 stations at 0200 LST and 1400 LST

如表2所示，對于不同的下墊面類型，模式對于氣溫和風(fēng)速的模擬效果有所差異。溫度方面，模式對于高層密集型地塊的模擬效果最好，與觀測的平均偏差僅為-0.07°C（02:00）和0.01°C（14:00），而對于植被地塊的模擬效果相對較差，平均偏差可達(dá)0.86°C（02:00）和0.85°C（14:00）；風(fēng)速方面，模式對中層密集型地塊的模擬效果最好，平均偏差僅為0.15 m/s（02:00）、0.14 m/s（14:00）；對于高層密集型（02:00）、稀疏建筑型地塊（14:00）的模擬效果相對較差，平均偏差可達(dá)1.26 m/s、1.16 m/s。

表2 三種下墊面站點(diǎn)02:00和14:00觀測與模擬的統(tǒng)計量檢驗(yàn)Table 2 Statistical test of observations and simulations of three underlying surface types at 0200 LST and 1400 LST

3 結(jié)果分析

城市熱環(huán)境特征和地氣通量交換與下墊面元素的組成和分布密切相關(guān)。因此，分析比較不同局地氣候區(qū)的微氣象要素分布特征是量化城市復(fù)雜下墊面對局地微氣候影響的有效途徑。為綜合評估城市復(fù)雜下墊面對大氣環(huán)境的影響，本文重點(diǎn)關(guān)注研究區(qū)域中不同局地氣候區(qū)在近地表的風(fēng)環(huán)境和湍流分布特征。由于文章篇幅有限，高層開闊型、中層密集型和稀疏建筑型地塊的風(fēng)速、湍動能近地面水平剖面及垂直剖面的分布圖不顯示，僅以文字說明。

3.1 高層開闊型地塊風(fēng)和湍流分布特征

圖5為不同大氣層結(jié)條件下高層開闊型地塊近地面水平剖面的流線分布?？傮w而言，流場的差異主要體現(xiàn)在迎風(fēng)向第二棟建筑物的背風(fēng)面，渦的環(huán)流結(jié)構(gòu)受層結(jié)影響較明顯。中性層結(jié)該區(qū)域形成一大一小的雙渦環(huán)流結(jié)構(gòu)，不穩(wěn)定層結(jié)時該區(qū)域出現(xiàn)三渦環(huán)流結(jié)構(gòu)，且渦旋的縱向范圍明顯縮小，由中性層結(jié)時的250 m縮小到不足100 m，而穩(wěn)定層結(jié)時，該區(qū)域僅有一個渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)，較不穩(wěn)定層結(jié)渦旋的橫向范圍明顯增大。

圖5 PALM模擬的2019年11月7日高層開闊型地塊近地面（4 m高度）（a）中性層結(jié)、（b）不穩(wěn)定層結(jié)（13:00至14:00）、（c）穩(wěn)定層結(jié)（01:00至02:00）流線水平分布（灰色填充表示建筑物，紅框?yàn)橹攸c(diǎn)分析區(qū)域，藍(lán)色表示渦旋）Fig. 5 Streamline horizontal distributions of the open highrise near the ground (4 m) from PALM model at (a) neutral stratification,(b) unstable stratification (1300 LST-1400 LST), and (c) stable stratification (0100 LST-0200 LST) on 7 Nov 2019 (gray filling indicates the buildings, red box is the key analysis area, and blue indicates the eddies)

不同大氣層結(jié)條件下高層開闊型地塊在近地面水平方向上，風(fēng)速的高值區(qū)主要位于平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)并伴有強(qiáng)烈的風(fēng)切變，不穩(wěn)定層結(jié)近地面水平最大風(fēng)速超過4.4 m/s（200%U13）。比較平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)風(fēng)速高值區(qū)的范圍大?。翰环€(wěn)定層結(jié)時最大，穩(wěn)定層結(jié)時次之，而中性層結(jié)時最小。湍動能的高值區(qū)主要位于平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)，這是由于風(fēng)切變而產(chǎn)生了機(jī)械湍流。總體上，不同層結(jié)時，高層建筑物之間的風(fēng)速和湍動能都較小、流線稀疏，即高層開闊型地塊建筑物之間地氣通量交換能力較弱。

3.2 高層密集型地塊風(fēng)和湍流分布特征

圖6和圖7分別為不同大氣層結(jié)條件下高層密集型地塊近地面水平方向和垂直剖面流線分布。由于高層密集型地塊建筑物分布十分復(fù)雜，建筑物之間距離較近，大氣主要繞流過建筑物而難以在建筑物之間形成渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)（Oke et al., 2017）；高層密集型地塊內(nèi)渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)和范圍受層結(jié)影響非常明顯。在水平方向，相比中性層結(jié)，不穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)減弱，縱向范圍縮??；而穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)被增強(qiáng)，渦旋的縱向范圍增大。例如圖6最左邊的紅框（水平x方向0～200 m，水平y(tǒng)方向400～550 m）范圍內(nèi)建筑物背風(fēng)面的渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。相較于中性層結(jié)，該區(qū)域左側(cè)渦旋在不穩(wěn)定層結(jié)下幾乎消失，右側(cè)渦旋的縱向范圍也從100 m左右縮小到不足50 m；而穩(wěn)定層結(jié)時該區(qū)域內(nèi)雙渦結(jié)構(gòu)更加明顯，左側(cè)渦旋的縱向范圍從不足30 m擴(kuò)大到50 m左右。其他兩個紅框也可得到類似結(jié)論。

圖6 同圖5，但為高層密集型地塊Fig. 6 Same as Fig. 5, but as the compact highrise

圖7 同圖6，但為高層密集型地塊垂直剖面流線（剖面位置如圖1所示）Fig. 7 Same as Fig. 6, but as vertical streamline distribution in the compact highrise (cross section location shown in Fig. 1)

垂直剖面上（圖7），相比中性層結(jié)，不穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，縱向范圍增大，而穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)被削弱，渦旋的縱向范圍縮小。例如水平x方向300～350 m，垂直方向0～60 m區(qū)域內(nèi)的渦旋，不穩(wěn)定層結(jié)時，該區(qū)域的渦旋明顯增強(qiáng)，垂直方向范圍從50 m增加到60 m，而穩(wěn)定層結(jié)時，該區(qū)域的渦旋減弱，垂直方向范圍從50 m縮小到30 m。這是由于流場隨湍動能的變化而變化，不穩(wěn)定條件下垂直方向上產(chǎn)生較強(qiáng)的熱力湍流，而穩(wěn)定層結(jié)時，大氣在垂直方向上運(yùn)動相對較弱，湍動能較小。

圖8和圖9分別為不同大氣層結(jié)條件下高層密集型地塊近地面水平方向和垂直剖面總風(fēng)速分布，風(fēng)速的高值區(qū)主要位于平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)和屋頂。水平方向，不穩(wěn)定層結(jié)最大風(fēng)速相比中性層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)區(qū)域平均偏高2 m/s左右，形成明顯的狹管效應(yīng)；而穩(wěn)定層結(jié)時則不明顯。垂直剖面上，不穩(wěn)定層結(jié)時，建筑物頂部（z/H=1，H是建筑物高度）的風(fēng)速大值區(qū)最大風(fēng)速可達(dá)5.2 m/s（236%U13），而中性層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)時建筑物頂部最大風(fēng)速僅為3.2 m/s。值得注意的是，不穩(wěn)定層結(jié)高層建筑物之間的底部風(fēng)速最大可達(dá)4.8 m/s，是入流風(fēng)速的2.18倍。

圖10和圖11分別為不同大氣層結(jié)條件下高層密集建筑型地塊近地面水平和垂直剖面的湍動能分布。整體上來看，不穩(wěn)定層結(jié)時湍動能總體較高，中性層結(jié)次之，穩(wěn)定層結(jié)時最低，且由于風(fēng)切變產(chǎn)生的機(jī)械湍流，湍動能的高值區(qū)與風(fēng)速的高值區(qū)較為一致。不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定3種層結(jié)時，水平方向湍動能最大值分別為0.48 m2/s2、0.4 m2/s2、0.32 m2/s2，即高層密集型地塊近地面水平面在不穩(wěn)定層結(jié)條件下，建筑物街區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生較強(qiáng)的熱力湍流，而穩(wěn)定層結(jié)時，湍流受到抑制作用。不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定3種層結(jié)時垂直方向湍動能最大值分別為0.56 m2/s2、0.46 m2/s2和0.41 m2/s2，但相比中性層結(jié)，穩(wěn)定層結(jié)下建筑物之間的湍動能更大。

圖10 PALM模擬的2019年11月7日高層密集型地塊近地面（4 m高度）（a）中性層結(jié)、（b）不穩(wěn)定層結(jié)（13:00至14:00）、（c）穩(wěn)定層結(jié)（01:00至02:00）湍動能水平分布（灰色填充表示建筑物）Fig. 10 Turbulent energy horizontal distributions of the compact highrise near the ground (4 m) from PALM model at (a) neutral stratification, (b) unstable stratification (1300 LST-1400 LST), and(c) stable stratification (0100 LST-0200 LST) on 7 Nov 2019 (gray filling indicates the buildings)

圖11 PALM模擬的2019年11月7日高層密集型地塊（a）中性層結(jié)、（b）不穩(wěn)定層結(jié)（13:00至14:00）、（c）穩(wěn)定層結(jié)（01:00至02:00）垂直剖面湍動能分布（灰色填充表示建筑物）Fig. 11 Turbulent energy vertical distributions of the compact highrise from PALM model at (a) neutral stratification, (b) unstable stratification (1300 LST-1400 LST), and (c) stable stratification (0100 LST-0200 LST) on 7 Nov 2019 (gray filling indicates the buildings)

總體來說，在水平方向上，不穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)被削弱，渦旋的縱向范圍可縮小近50%，而穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)被加強(qiáng)，渦旋的縱向范圍可擴(kuò)大近67%；在垂直剖面上則相反，不穩(wěn)定層結(jié)時渦旋擴(kuò)大近20%，穩(wěn)定層結(jié)時，渦旋縮小近40%。風(fēng)速在不穩(wěn)定層結(jié)下易形成狹管效應(yīng)，且高層建筑物之間的底部風(fēng)速較大。不同層結(jié)下湍動能在水平和垂直剖面大小均為不穩(wěn)定層結(jié)＞中性層結(jié)＞穩(wěn)定層結(jié)。

3.3 中層密集型地塊風(fēng)和湍流分布特征

圖12為不同大氣層結(jié)條件下中層密集型地塊近地面水平剖面流線分布。中層密集型地塊流線的分布與高層密集型地塊總體類似，水平方向上不穩(wěn)定層結(jié)時的渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)有一定的削弱，而穩(wěn)定層結(jié)時則有一定的增強(qiáng)，但是該特征弱于高層密集型地塊。例如水平x方向500～600 m，水平y(tǒng)方向0～100 m的區(qū)域內(nèi)，相比中性層結(jié)，不穩(wěn)定層結(jié)情況下，該渦旋的縱向范圍有所縮小，從90 m縮小到80 m，縮小約11%；穩(wěn)定層結(jié)時該渦旋的縱向范圍從90 m擴(kuò)大120 m，增大約33%。

圖12 同圖5，但為中層密集型地塊Fig. 12 Same as Fig. 5, but for the compact midrise

不同大氣層結(jié)條件下中層密集型地塊在近地面水平方向上，街區(qū)峽谷的風(fēng)速明顯大于建筑區(qū)域內(nèi)部。水平剖面不穩(wěn)定層結(jié)總風(fēng)速最大，可達(dá)4 m/s（初始風(fēng)速的1.82倍），而中性與穩(wěn)定層結(jié)風(fēng)速最大值較為接近，分別為2.4 m/s和2.8 m/s，穩(wěn)定層結(jié)時略高。這說明中層密集型地塊中熱力作用對近地水平面的風(fēng)速有增益作用，熱力作用越強(qiáng)，增益效果越明顯。不穩(wěn)定層結(jié)時的狹管效應(yīng)明顯強(qiáng)于中性和穩(wěn)定層結(jié)，但是弱于高層密集建筑。中層密集型地塊街區(qū)峽谷的最大風(fēng)速只有3.2 m/s，較高層密集型地塊街區(qū)峽谷內(nèi)最大風(fēng)速偏低1.6 m/s。由于建筑物阻擋產(chǎn)生了強(qiáng)烈的機(jī)械湍流，湍動能的高值區(qū)主要位于建筑物底部拐角處。湍動能最大值從大到小分布依次為不穩(wěn)定層結(jié)最大（0.48 m2/s2）、中性層結(jié)次之（0.4 m2/s2）和穩(wěn)定層結(jié)最?。?.32 m2/s2）。這說明中層密集型地塊近地面水平面在不穩(wěn)定層結(jié)條件下，建筑物街區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生較強(qiáng)的熱力湍流。而穩(wěn)定層結(jié)時，湍流受到抑制作用。

綜上可知，中層密集地塊與高層密集地塊渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)、風(fēng)速和湍動能整體特征相似，但中層密集地塊對局地風(fēng)環(huán)境的影響程度低于高層密集地塊。水平方向，不穩(wěn)定層結(jié)時的渦旋的縱向范圍縮小約11%，而穩(wěn)定層結(jié)時增大約33%。中層密集型地塊街區(qū)峽谷的最大風(fēng)速較高層密集型地塊偏低33%。整體上湍動能從大到小分布依次為不穩(wěn)定層結(jié)、中性層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)。

3.4 稀疏建筑地塊風(fēng)和湍流分布特征

圖13為不同大氣層結(jié)條件下稀疏建筑地塊近地面水平剖面流場分布。稀疏建筑地塊由于建筑物之間的相互作用較小，建筑物的渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)十分明顯。不穩(wěn)定層結(jié)時，渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)明顯削弱，而穩(wěn)定層結(jié)時渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)則不明顯。例如水平x方向400～500 m，水平y(tǒng)方向400～500 m區(qū)域內(nèi)，中性層結(jié)下該處建筑物背風(fēng)面有明顯的馬蹄形雙渦環(huán)流結(jié)構(gòu)，而不穩(wěn)定層結(jié)下右側(cè)渦旋明顯縮小，左側(cè)渦旋縱向范圍從100 m縮小至40 m。

圖13 同圖5，但為稀疏建筑地塊Fig. 13 Same as Fig. 5, but for the sparsely built

不同大氣層結(jié)條件下稀疏建筑地塊在近地面水平方向上，風(fēng)速的大值區(qū)主要位于平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)區(qū)域，而建筑物內(nèi)部和背風(fēng)面風(fēng)速較小。不穩(wěn)定層結(jié)時，建筑物周圍的水平總風(fēng)速最大值可達(dá)4 m/s（182%U13），穩(wěn)定層結(jié)時為3.2 m/s，而中性層結(jié)時僅為2.8 m/s，即稀疏建筑型地塊中熱力作用對近地水平面的風(fēng)速有增益作用，熱力作用越強(qiáng)，增益效果越明顯。近地面水平剖面湍動能分布整體上與中層、高層密集型地塊類似，近地面水平面在不穩(wěn)定層結(jié)條件下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱力湍流。而穩(wěn)定層結(jié)時，湍流受到抑制作用。不穩(wěn)定層結(jié)條件下湍動能最大（0.48 m2/s2），中性層結(jié)次之（0.32 m2/s2），穩(wěn)定層結(jié)時最小（0.16 m2/s2）。不同層結(jié)時，由于建筑物阻擋作用產(chǎn)生的機(jī)械湍流，湍動能高值區(qū)的位置均出現(xiàn)在建筑物底部拐角處。

由上可知，水平方向上較中性層結(jié)渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)而言，不穩(wěn)定層結(jié)時依然被明顯削弱，渦旋縱向范圍可縮小60%，而穩(wěn)定層結(jié)時差異不大。不同層結(jié)總風(fēng)速最大值從大到小依次為不穩(wěn)定層結(jié)、穩(wěn)定層結(jié)和中性層結(jié)；而湍動能則為不穩(wěn)定層結(jié)、中性層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)。

4 結(jié)論與討論

比較高層開闊、中層密集、高層密集型和稀疏建筑地塊的風(fēng)環(huán)境和湍流特征可以發(fā)現(xiàn)：1）垂直剖面上，相比中性層結(jié)，不穩(wěn)定層結(jié)渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)，而穩(wěn)定層結(jié)渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)被削弱，這與以往研究結(jié)論一致（郭棟鵬等, 2020; 史學(xué)峰等,2021）；但在近地面水平方向上，相比中性層結(jié)，不穩(wěn)定層結(jié)時，渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)被削弱，而穩(wěn)定層結(jié)時，渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)。2）溫度層結(jié)對渦的數(shù)量和范圍有顯著影響。近地面水平方向上，穩(wěn)定層結(jié)下渦的數(shù)量較中性層結(jié)相等或減少，渦的縱向范圍可增大67%；不穩(wěn)定層結(jié)下渦的數(shù)量較中性層結(jié)相等或增加，渦的縱向范圍可縮小60%；尤其是中性層結(jié)若出現(xiàn)成對的渦旋結(jié)構(gòu)，在不穩(wěn)定層結(jié)下其中一個幾乎消失，另一個渦旋范圍縮減。Huang et al.（2021）的研究也表明不同溫度層結(jié)條件渦的形態(tài)和數(shù)量上存在明顯差異。3）不同層結(jié)時，4種地塊的流線密集區(qū)和風(fēng)速、湍流高值區(qū)都位于平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)及屋頂附近?？傦L(fēng)速大小都是不穩(wěn)定層結(jié)＞穩(wěn)定層結(jié)＞中性層結(jié)。熱力作用對近地面總風(fēng)速有增益作用：不穩(wěn)定層結(jié)下較入流風(fēng)速增加1.82～2.18倍，穩(wěn)定層結(jié)下較入流風(fēng)速增加1.27～1.64倍，這與劉馨澤等（2021）的結(jié)論較為一致。4）高層密集、中層密集和稀疏建筑型地塊湍動能從大到小都為不穩(wěn)定層結(jié)＞中性層結(jié)＞穩(wěn)定層結(jié)。不穩(wěn)定層結(jié)下近地面的湍動能是中性層結(jié)的1.2～1.5倍，而穩(wěn)定層結(jié)下是中性層結(jié)的0.5～0.8倍，即在不穩(wěn)定層結(jié)條件下產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱力湍流；而穩(wěn)定層結(jié)時，湍流受到抑制。但Masoumi-Verki et al.（2021）提出不穩(wěn)定層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)條件下湍動能都會增加，這可能是近地水平面湍動能與垂直剖面湍動能特征的差異。

本文利用PALM模式，模擬分析了2019年11月7日晴天小風(fēng)個例在中性、不穩(wěn)定、穩(wěn)定3種層結(jié)情況下高層開闊、高層密集、中層密集、稀疏建筑4種局地氣候區(qū)風(fēng)速和湍動能的差異，初步探究了城市街區(qū)微環(huán)境熱動力相互作用，得到的主要結(jié)論如下：

（1）溫度層結(jié)對渦的數(shù)量和范圍有顯著影響。近地面水平剖面上：穩(wěn)定層結(jié)下渦的數(shù)量較中性層結(jié)相等或減少，渦的縱向范圍可增大67%；不穩(wěn)定層結(jié)下渦的數(shù)量較中性層結(jié)相等或增加，渦的縱向范圍可縮小60%。但在垂直剖面上則相反：相較于中性層結(jié)，穩(wěn)定層結(jié)下環(huán)流結(jié)構(gòu)減弱且渦的縱向范圍可縮小40%，不穩(wěn)定層結(jié)下環(huán)流結(jié)構(gòu)增強(qiáng)且渦的縱向范圍可增大20%。該現(xiàn)象在高層密集型地塊最為明顯，然后依次是中層密集型、稀疏建筑、高層開闊型地塊。

（2）熱力作用對總風(fēng)速有增益作用，近地面風(fēng)速較入流風(fēng)速可增加1.27～2.18倍。4種局地氣候區(qū)的風(fēng)速高值區(qū)主要位于平行于盛行風(fēng)方向的建筑物兩側(cè)及屋頂附近，均為風(fēng)速的高切變區(qū)且不穩(wěn)定層結(jié)風(fēng)速最大、穩(wěn)定層結(jié)次之、中性層結(jié)最小。不穩(wěn)定層結(jié)時，建筑物頂部（z/H=1，H是建筑物高度）的最大風(fēng)速可達(dá)入流風(fēng)速的2.36倍。

（3）不同層結(jié)下，熱力作用對近地面水平剖面湍流的影響不同。不穩(wěn)定層結(jié)下近地面的湍動能是中性層結(jié)的1.2～1.5倍，而穩(wěn)定層結(jié)下是中性層結(jié)的0.5～0.8倍，即不穩(wěn)定層結(jié)條件下會產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱力湍流，但穩(wěn)定層結(jié)條件下湍流受到抑制作用。湍動能的高值區(qū)都主要位于建筑物底部拐角處和頂部。

（4）相較于其他地塊，高層密集地塊的建筑物底部風(fēng)速較大，在不穩(wěn)定層結(jié)下易形成較強(qiáng)的狹管效應(yīng)，其街區(qū)峽谷最大風(fēng)速是中層密集型的1.5倍。

需要指出的是，本文是對2019年11月7日晴天小風(fēng)個例開展的敏感性試驗(yàn)，且僅考慮了南風(fēng)條件，其他風(fēng)向和入流湍流脈動條件下大氣層結(jié)效應(yīng)及城市街區(qū)內(nèi)熱動力相互作用還有待進(jìn)一步研究。此外，為了更好地探究溫度層結(jié)對微氣候的影響，后續(xù)將開展多個典型個例在不同層結(jié)下局地氣候區(qū)內(nèi)溫度分布特征的研究。

致謝感謝北京市氣象探測中心李林高級工程師在觀測資料、數(shù)據(jù)處理和分析等方面的幫助！