張云偉，顧兆林，周 典

（西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049）

城市局部氣候分區(qū)及其參數(shù)化條件下風(fēng)環(huán)境模擬

張云偉，顧兆林，周 典

（西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049）

在改善城市空氣污染和城市熱島研究時，城市風(fēng)環(huán)境研究受到人們關(guān)注。利用計算流體力學(xué)（CFD）的方法直接對城市尺度風(fēng)環(huán)境進行模擬，將是一種高效的研究方法。本文對局部氣候分區(qū)及其參數(shù)特征進行分析，針對中國城市化建筑高大化、密集化的特點以及多孔介質(zhì)模型對城市下墊面參數(shù)化的要求，提出基于局部氣候分區(qū)及其參數(shù)進行城市風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的方法，并以西安市西咸新區(qū)的灃西新城為例進行初步探討。對灃西新城的模擬結(jié)果顯示了本文方法的可行性，并對該區(qū)域通風(fēng)廊道建設(shè)進行分析。

城市風(fēng)環(huán)境；通風(fēng)廊道；多孔介質(zhì)模型；城市下墊面

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加速進行，城市空氣污染日趨加劇。尤其是近年來頻繁暴發(fā)的高強度霧霾污染導(dǎo)致人們對空氣污染的關(guān)注達到前所未有的高度（曹軍驥，2014）。如何降低城市空氣污染物濃度是目前我國各大城市共同關(guān)注的問題。從污染形成的過程特征來看，減少污染物源排放和優(yōu)化城市通風(fēng)以促進污染物擴散是解決我國城市空氣污染問題的兩個有效途徑（賀克斌等，2011；Zhang and Gu，2013；Albers et al，2015）。近年來，我國各大城市已經(jīng)相繼進行了工業(yè)污染源整治、燃煤鍋爐改造及提高機動車尾氣排放控制標(biāo)準(zhǔn)等有利于減少污染源排放的工作。但是，對城市風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化主要體現(xiàn)在優(yōu)化建筑布局與打造城市風(fēng)道等構(gòu)想上，其具體建設(shè)過程仍需對城市風(fēng)環(huán)境的詳細研究成果提供支持。

通過合理的城市規(guī)劃改善城市風(fēng)環(huán)境，首先需要了解不同城市冠層下墊面結(jié)構(gòu)條件下的城市風(fēng)環(huán)境特征，這要求在進行城市風(fēng)環(huán)境研究時，具體考慮城市冠層下墊面結(jié)構(gòu)與參數(shù)特征（Ashie and Kono，2011；任超和吳恩融，2012）。目前，多數(shù)對城市尺度風(fēng)環(huán)境的數(shù)值模擬工作對冠層結(jié)構(gòu)采用均勻的多孔介質(zhì)模型假設(shè)（Wang，2009；Barlow，2014）。在具體刻畫建筑結(jié)構(gòu)與布局時，研究尺度通常較小，主要研究局部建筑周圍的風(fēng)環(huán)境特征（顧兆林和張云偉，2011），模擬研究時工作量隨著研究區(qū)域的增加快速增長，甚至超出普通服務(wù)器的模擬能力（Ashie and Kono，2011；Miao and Shen，2014）。城市尺度和建筑尺度風(fēng)環(huán)境研究所關(guān)注的側(cè)重點不同，要求的分辨率也不同，因此在建筑尺度上用精細網(wǎng)格，獲取風(fēng)場及湍流信息；在城市尺度上采樣較粗的網(wǎng)格，獲取宏觀的風(fēng)環(huán)境信息，并為建筑尺度模擬提供邊界條件，這是當(dāng)前對城市風(fēng)環(huán)境進行多尺度模擬研究的新方向（崔桂香等，2013）。本文主要研究城市尺度宏觀風(fēng)環(huán)境的模擬方法，這要求在進行城市風(fēng)環(huán)境模擬研究時，首先研究城市冠層結(jié)構(gòu)的科學(xué)描述方法。

近年來，為了進一步刻畫城市冠層內(nèi)部不同下墊面的流體力學(xué)特征，來自建筑學(xué)、城市地理科學(xué)及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的城市氣候研究專家提出了WUDAPT （The World Urban Database and Access Port Tools）計劃（www.wudapt.org），利用局部氣候分區(qū)（Local climate zones，LCZs）的概念來描述城市下墊面特征，按照建筑高度、密度、綠化等參數(shù)特征，分為10余種局部氣候類型（Stewart and Oke，2012）。局部氣候分區(qū)目前主要用于城市熱島的研究（Stewart and Oke，2012；Middel et al，2014；Stewart et al，2014）。本文基于局部氣候分區(qū)的概念，以西咸新區(qū)的灃西新城為例，根據(jù)我國城市化高密度、高高度、立體化發(fā)展的特點，提取不同局部氣候分區(qū)參數(shù)，并對灃西新城風(fēng)環(huán)境現(xiàn)狀進行初步地模擬分析，以期為新城區(qū)的規(guī)劃建設(shè)提供參考。本文重點在于介紹基于局部氣候分區(qū)及其參數(shù)化進行城市尺度風(fēng)環(huán)境模擬的一種新方法。

1 局部氣候分區(qū)及參數(shù)化

1.1 局部氣候分區(qū)類型

道路網(wǎng)是城市的重要組成部分，它將城市區(qū)域分割為若干基本地塊單元。不同的地塊單元因土地利用性質(zhì)、人類活動特點的差異，形成不同的下墊面結(jié)構(gòu)特征和不同的局部氣候特征。以道路網(wǎng)分布將城區(qū)分為不同地塊單元的概念在我國由來已久，唐長安城就有以路網(wǎng)為基礎(chǔ)將城區(qū)分為108坊的歷史（譚縱波，2005）?？梢?，基于道路網(wǎng)對土地的分割，并根據(jù)地塊單元的結(jié)構(gòu)和人類行為特征進行局部氣候分區(qū)的劃分具有合理性和可行性。

Stewart and Oke（2012）在對以往研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出一組局部氣候分區(qū)分類方法，將建筑類型分為10個類型，并將土地覆蓋情況分為7個類型，其中建筑高度考慮了高、中、低三種情況，而建筑密度（Building density，BD）考慮了稠密、稀疏等。本文在將該分類方法用于西安地區(qū)城市冠層局地氣候分區(qū)的劃分時，根據(jù)我國當(dāng)前城市化高大化、密集化的特點，建議將建筑高度為“中高”的類型再進一步細分為兩個類型：中高Ⅰ，建筑高度在4 — 6層；中高Ⅱ，建筑高度在7 — 15層。將建筑高度在16層以上的歸為高建筑。對建筑高度分類的調(diào)整是為了適應(yīng)我國城市30層左右的建筑大批涌現(xiàn)，主體建筑高度差異較大等特點（Zhang and Gu，2013）。另外，本文對Stewart and Oke （2012）提出的局部氣候分區(qū)簡化，將建筑類型分為8個類型。本文建議的局部氣候分區(qū)及定義特征如表1所示，其中LCZ 1—6為市區(qū)常見建筑類型，而LCZ 7—8為郊區(qū)常見建筑類型。并非所有基本地塊單元都可以用一種LCZ來描述，對于復(fù)雜的地塊單元，可以看作由兩個LCZ組合而成，如圖1所示，其對應(yīng)參數(shù)也由兩種LCZ參數(shù)組合而成。對于組合型的局部氣候分區(qū)，其參數(shù)化根據(jù)源局部氣候分區(qū)在不同高度的參數(shù)化而定。

表1 局部氣候分區(qū)分類及定義特點（Stewart and Oke，2012）Tab.1 De fi nitions for local climate zones (Stewart and Oke, 2012)

（續(xù)表1 Continued Tab.1）

圖1 局部氣候分區(qū)的組合示意圖（Stewart and Oke，2012）Fig.1 Diagram of the combination of LCZs (Stewart and Oke, 2012)

1.2 不同局部氣候分區(qū)的參數(shù)特征

Stewart and Oke（2012）列出了局部氣候分區(qū)對應(yīng)的7個參數(shù)，包括天空視角因子（Sky view factor）、形狀因子（Aspect ratio，建筑高度與街谷寬度的比值）、建筑密度（Building density）、不滲水地面比例（Impervious surface fraction）、可滲透地面比例（Pervious surface fraction）、粗糙單元高度（Height of roughness elements）等。

本文運用多孔介質(zhì)模型進行風(fēng)環(huán)境模擬，更關(guān)注局部氣候分區(qū)內(nèi)建筑高度、建筑密度、綠化密度等。

1.3 灃西新城LCZ分析

以西安市西咸新區(qū)的灃西新城為例，根據(jù)規(guī)劃道路網(wǎng)，將該區(qū)域分為若干個基本地塊單元，對每個地塊單元判斷其局部氣候分區(qū)類型，并建立各局部氣候分區(qū)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。灃西新城道路網(wǎng)將該區(qū)分為429個基本地塊單元，如圖2所示。每個地塊給予固定編號，建立局部氣候分區(qū)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，參數(shù)獲取可以通過實地調(diào)查或航拍照片確定。表2列出了部分局部氣候分區(qū)的參數(shù)信息。

灃西新城面積約124 km2，局部氣候分區(qū)類型涉及LCZ 1、2、3、4、5、6、7、D及其組合類型。其中，草地、農(nóng)田為主的LCZ D分區(qū)約占總面積的52%，低層建筑為主的村莊、遺址保護區(qū)等（LCZ 3、6、7）約占總面積的38%，以中層建筑和高層建筑為主的建成區(qū)（LCZ 1、2、4、5）各約占5%，且主要在灃西新城的北部區(qū)域。

表2 灃西新城部分地塊LCZ及參數(shù)Tab.2 LCZ and parameters in part of Fengxi New Town

圖2 灃西新城規(guī)劃路網(wǎng)對土地的劃分及地塊編號Fig.2 Land block divided by road net and number in Fengxi New Town

2 灃西新城風(fēng)環(huán)境分析

局部氣候分區(qū)參數(shù)可以為城市風(fēng)環(huán)境模擬提供模型參數(shù)。局部氣候分區(qū)的建筑密度和樹木綠化程度參數(shù)用于確定多孔介質(zhì)模型的孔隙率參數(shù)，不同局部氣候分區(qū)內(nèi)建筑高度參數(shù)決定多孔介質(zhì)模型的空間分布。因此，與傳統(tǒng)的城市冠層多孔介質(zhì)模型不同，基于局部氣候分區(qū)參數(shù)的城市冠層模型具有較高的空間分辨率，分辨率的高度取決于地塊單元和計算網(wǎng)格的大小。本文運用多孔介質(zhì)模型對灃西新城風(fēng)環(huán)境進行模擬，對基于局部氣候分區(qū)參數(shù)進行城市風(fēng)環(huán)境模擬這一方法進行初步探討。

2.1 模型設(shè)置

本文湍流模擬運用大渦模擬方法，對灃西新城風(fēng)環(huán)境進行模擬分析（顧兆林和張云偉，2014）。模擬區(qū)域如圖3a所示，東西方向?qū)?5.55 km，南北方向長20.90 km，模擬區(qū)域高度為1.00 km。水平方向網(wǎng)格大小約0.3 km×0.3 km，高度方向為非均勻網(wǎng)格，最底層網(wǎng)格高2 m，共14層網(wǎng)格。灃西新城地塊單位多孔介質(zhì)參數(shù)由LCZ參數(shù)確定，左上側(cè)屬于咸陽市區(qū)，右上側(cè)位于西安三環(huán)以內(nèi)建成區(qū)并不屬于灃西新城，按均勻多孔介質(zhì)處理，多孔介質(zhì)模型采用顧兆林和張云偉（2014）所提模型。背景來流條件采用指數(shù)分布固定風(fēng)速，風(fēng)向為東北風(fēng)，10 m高處來流風(fēng)速大小為10 m · s-1，風(fēng)速在垂直方向上呈指數(shù)分布。進口采用固定風(fēng)速的邊界條件，出口邊界假設(shè)風(fēng)速水平變化梯度為零，上邊界采用對稱邊界。

圖3 灃西新城近地面風(fēng)場（a）及與建筑密度疊加圖（b）Fig.3 Near ground wind fi eld in Fengxi New Town (a) and overlying analysis with building density (b)

本文數(shù)值模擬所用軟件代碼由作者自主開發(fā)，軟件基于C語言，控制方程離散采用有限體積法，對流項離散用QUICK格式，時間上采用隱式格式。該軟件代碼已經(jīng)在作者前期工作中主要用來模擬小尺度空間空氣流動與污染物擴散，取得良好效果（Gu et al，2010，2011；Zhang et al，2011），本文嘗試用該軟件對城區(qū)尺度風(fēng)環(huán)境進行模擬。

2.2 灃西新城風(fēng)環(huán)境模擬

圖3b顯示了建筑密度對城市冠層內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響。在灃西新城的北部建筑密度較大的區(qū)域，風(fēng)場強度顯著減弱；而在建筑較少的灃西新城南部地區(qū)，風(fēng)場強度較大。特別說明的是，模擬結(jié)果中左上方和右側(cè)兩個明顯的弱風(fēng)區(qū)并不在灃西新城內(nèi)，分別對應(yīng)咸陽市市區(qū)和西安市西三環(huán)內(nèi)大片的建成區(qū)。本文對這兩個區(qū)域的多孔介質(zhì)模型采用均勻模型，在整個區(qū)域內(nèi)假設(shè)建筑高度為6層，孔隙率為0.4。較小的孔隙率導(dǎo)致這兩個區(qū)域顯著的弱風(fēng)環(huán)境。另外，本文作為該方法的初步工作，暫時未考慮地形和地貌的影響。

灃西新城地處渭河與灃河中間地帶，西北向與咸陽城區(qū)隔渭河相望，東邊與灃東新城以灃河為界。在西咸新區(qū)規(guī)劃中，沿渭河和灃河都是生態(tài)景觀廊道規(guī)劃，期望沿生態(tài)廊道能形成有效的通風(fēng)廊道。模擬結(jié)果顯示，沿渭河生態(tài)景觀廊道風(fēng)速顯著偏大，形成有效的通風(fēng)廊道；而沿灃河生態(tài)景觀廊道，并沒有明顯的通風(fēng)廊道出現(xiàn)。主要原因在于灃河在該地區(qū)呈南北走向，與該地盛行風(fēng)向夾角較大。陳宏等（2014）在分析城市通風(fēng)廊道設(shè)計時也指出，城市通風(fēng)廊道的設(shè)計要依據(jù)城市風(fēng)向科學(xué)布局。西安地區(qū)盛行東北風(fēng)，因此西安市城市風(fēng)道的設(shè)計應(yīng)該多考慮依據(jù)東北-西南走向的自然資源，包括水體、河道、路網(wǎng)和大規(guī)模綠地，具體的通風(fēng)廊道規(guī)劃還需更深入的研究。灃西新城下方目前主要以農(nóng)田為主，因此風(fēng)場變化不明顯，目前尚不能分析沿西寶高速公路新線和南部遺址保護區(qū)帶是否能形成有效的通風(fēng)廊道。

3 結(jié)論

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影響學(xué)生心理的因素非常復(fù)雜，因而幫助他們形成健康心理的任務(wù)就十分艱巨。為了適應(yīng)教學(xué)改革新形勢的要求，實現(xiàn)全面實施素質(zhì)教育的要求，教師應(yīng)積極幫助農(nóng)村中學(xué)生形成健康心理，更有效地對學(xué)生進行心理健康教育，這就需要學(xué)生、學(xué)校、家庭和社會等多方通力協(xié)作，共同來完成。

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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；錄用日期：2016-08-27

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

科技部基礎(chǔ)性工作專項（2013FY112500）；“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAJ15B06）；國家自然科學(xué)基金項目（51508458，11572242）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目（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