劉呈威,趙福云,劉潤哲,楊國彪

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內(nèi)陸城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流耦合特性研究

劉呈威,趙福云*,劉潤哲,楊國彪

(武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院,湖北 武漢 430072)

為探究湖泊等大型水體對內(nèi)陸城市大氣環(huán)境的影響,本文運用數(shù)值模擬的方法,引入KRB坐標(biāo)變換,建立內(nèi)陸城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的模型,對比水箱實驗驗證數(shù)值模型的精確性,探究不同內(nèi)陸城市湖泊面積和城-湖中心距大小對城市熱島影響,模擬結(jié)果表明:湖泊面積越大,近地面城市熱島羽流的偏移量越大,而當(dāng)城-湖中心距增大的時候,近地面城市熱島羽流的偏移量則減小.在湖泊靠近城市時,湖風(fēng)與城市氣流協(xié)同作用產(chǎn)生較強的環(huán)流,對城市熱島羽流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)作用;在湖泊遠(yuǎn)離城市時,湖風(fēng)與城市上空氣流發(fā)生對抗作用,并繞過城市熱島羽流頂部,與城市上空的分散流協(xié)同,在背風(fēng)面產(chǎn)生增益效果.

內(nèi)陸城市；城市熱島；湖風(fēng)環(huán)流；數(shù)值模擬

在我國廣大的長江中下游地區(qū),經(jīng)濟(jì)增長速度快,城市聚集的人口多,高大建筑密集,建筑空調(diào)余熱、汽車尾氣、工業(yè)廢氣排放強度大,加上南方地區(qū)高溫高濕氣候特征,形成了“悶熱”和“窒息”的城市熱島(UHI)局部氣候[1-4].受城市霾氣象的靜風(fēng)逆溫條件約束,城市熱島環(huán)流流動會將遠(yuǎn)郊或周邊區(qū)域地面的氣態(tài)污染物輸送到城區(qū)中心[5-6].特別對于內(nèi)陸城市,由于局部(空氣)形成閉環(huán)流動,氣態(tài)污染物難以被稀釋擴散,以致隨時間不斷聚集于城區(qū),形成嚴(yán)重的污染島[7].

為了解決城市環(huán)境污染的問題,以北京為首的幾大城市初步探究開展城市通風(fēng)廊道[8],以增強通風(fēng)潛力、緩解熱島效應(yīng).中國地域遼闊,很多城市擁有自身地形特征,而地形下墊面是城市載體,所以越來越多的專家學(xué)者開始探究下墊面結(jié)構(gòu)對城市環(huán)境的增益機制[9-11].對于城市而言,由于人類活動對水資源的重大需求,城市往往形成于臨近水體的地區(qū),如太湖平原、江漢平原、長江三角洲、珠江三角洲等;這些水體在決定局地和區(qū)域氣候方面扮演著重要的角色[12-13].

水體具有粗糙度小、反照率大,比熱大、熱導(dǎo)率低等物理特征,使其與城市下墊面具有很大的熱量差異.局部大氣在這種溫度差異的驅(qū)動下往往形成局部熱環(huán)流,如山谷風(fēng)環(huán)流、城市熱島環(huán)流和海陸風(fēng)環(huán)流等.國內(nèi)外研究學(xué)者一直致力于對于沿海城市的城市熱島與海風(fēng)相互作用的環(huán)流影響的研究,如Freitas等[14]通過模擬巴西圣保羅都市區(qū)超大城市環(huán)境中城市熱島和海風(fēng)環(huán)流的相互作用發(fā)現(xiàn):城市熱島在城市中心形成了強輻合區(qū),因此加速了海風(fēng)鋒向城市中心的傳播; Lin等[15]利用WRF模式模擬了臺灣北部城市熱島效應(yīng)對邊界層發(fā)展以及海陸風(fēng)環(huán)流的影響,發(fā)現(xiàn)城市熱島效應(yīng)對海陸風(fēng)環(huán)流的影響主要表現(xiàn)在;白天加強海風(fēng)、夜間削弱陸風(fēng).此外,Wang等[16]還發(fā)展了一種利用修正的CFD模型計算城市熱島環(huán)流的方法,發(fā)現(xiàn)城市建筑形態(tài)對于熱島環(huán)流的作用非常明顯.Cenedese等[17]搭建水箱實驗?zāi)Ｐ湍M城市熱島與海風(fēng)的相互作用,發(fā)現(xiàn)了城市熱羽流軸線偏移的現(xiàn)象.李東海等[18]通過GIS分析方法,發(fā)現(xiàn)湖泊不同距離對城市用地溫度的影響.萬君等[19]用EOS/M0DIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量反演了襄陽市地表溫度,分析其隨季節(jié)變化,探究水體對襄陽市城市熱島效應(yīng)的影響. 這些研究都表明:城市熱島環(huán)流與海陸風(fēng)之間存在顯著的相互作用,并會明顯地改變局地大氣環(huán)流.基于海陸風(fēng)環(huán)流的研究已經(jīng)較為成熟.

綜上所述,沿海城市熱島和海風(fēng)環(huán)流的相互作用機制及其影響因素已得到了廣泛關(guān)注,而對內(nèi)陸城市熱島和湖風(fēng)環(huán)流的相互作用機制及其對城市環(huán)境影響的研究相對較少.我國廣大內(nèi)陸城市,盡管沒有海陸風(fēng)影響,但與內(nèi)陸城市尺度接近的大型湖泊或水體,同樣可能會對城市大氣環(huán)境熱交換和污染物遷移過程產(chǎn)生影響.內(nèi)陸城市熱島環(huán)流和湖風(fēng)環(huán)流都是在區(qū)域或局地?zé)崃Σ町愹?qū)動下形成的風(fēng)場系統(tǒng);在復(fù)雜氣象條件約束下兩者作用區(qū)域重疊,從而形成更復(fù)雜的耦合流場,所以探究湖泊等大型水體對內(nèi)陸城市大氣環(huán)境的影響很有必要.

1 多尺度城市熱島環(huán)流模型

1.1 KRB垂直坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在建立城市熱島環(huán)流的模型中,模型高度是一個重要的問題,地球表面的大氣層向上最高可延伸至3000km的高空,在數(shù)值模擬的研究中,考慮到計算成本等原因,必須對模型的高度進(jìn)行假設(shè).本文采用提升CFD模型尺度的方法建立多尺度城市熱島環(huán)流模型,遵循Kristóf等[20]提出的垂直坐標(biāo)變換方法對模型高度進(jìn)行假設(shè),在中尺度大氣中,空氣狀態(tài)的基本參數(shù)可以描述為:

圖1 ICAO標(biāo)準(zhǔn)計算的密度參數(shù)ζ的值和本模型中的近似值

當(dāng)垂直高度z→∞時,轉(zhuǎn)換后的高度→1/ζ,因此大氣層的垂直高度被限定在一個明確的界限(1/ζ)以內(nèi).從圖2中可以看出轉(zhuǎn)換后的高度范圍.

1.2 數(shù)值模型

數(shù)值計算模型如圖3所示,大氣區(qū)域高度取值在2km以內(nèi)的行星邊界層,這個區(qū)域中的大氣最主要的熱量和水氣的源和動量的匯,是大氣污染物的主要活動場所,是大氣流動的主要研究對象.城市尺寸為直徑= 1km(城市中心位置在= 0處).為了實現(xiàn)計算湖泊的尺寸大小對城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的影響和城-湖(城市距湖泊的距離)中心距對城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的影響,在城市左側(cè)預(yù)留出面積放置湖面,在(-10.5km<￡-0.5km)的區(qū)域內(nèi)預(yù)留了10km的距離,可以實現(xiàn)湖泊直徑在L=1~10之間的尺寸變化,探究湖泊面積對城市環(huán)境的影響.

圖3 數(shù)值計算模型物理描述

本次模型控制方程中密度的變化通過動量方程中的浮力項來考慮,要對應(yīng)力項進(jìn)行修正,未轉(zhuǎn)換的場變量的動量方程描述的大氣動力學(xué)表達(dá)式為

環(huán)境的入口風(fēng)速設(shè)置成垂直方向上的梯形風(fēng)[23],垂直剖面的湍動能及流入邊界層的耗散率表示為:

式中:()為高度處的水平風(fēng)速,m/s;為離地面高度;*為大氣邊界層到達(dá)地面摩擦風(fēng)速;為湍流動能,m2/s2;數(shù)值計算的頂部邊界條件設(shè)定為symmetry對稱邊界條件以保證計算域頂部平行流的實現(xiàn).

在本次城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的計算中,城市熱通量的大小參考前人研究取值為=100W/m2.與城市熱通量類似,湖泊的熱通量參考汪如良[24]等人對鄱陽湖地區(qū)的湖陸氣候的研究.選取鄱陽湖的熱通量作為參考的原因是,在現(xiàn)有的關(guān)于內(nèi)陸湖陸風(fēng)的研究中,鄱陽湖與其他內(nèi)陸城市湖泊所處地理位置相近,所屬氣候帶相同,且緯度位置接近,具有相似的氣候特征,故本文選取鄱陽湖的熱通量作為參考值. 鄱陽湖夏季白天的顯熱通量范圍L= -30~-42W/ m2,本次計算中取平均值-37W/m2做基本實驗組,本次數(shù)值模擬的工況數(shù)量較大,表1羅列出了幾種特征相對比較明顯的工況.

表1 各工況湖面參數(shù)設(shè)定

注:為湖的直徑(km),為湖中心距城市中心的距離(km);L為湖面熱通量(W/m2),0為城市熱通量(W/m2).

1.3 模型驗證

為了驗證模型的正確性,需要將模型得到的變量值與Cenedese等[17]建立的水箱城市熱島環(huán)流模型實驗結(jié)果進(jìn)行對比.對比水箱實驗中,湍流的特征較弱,采用大渦模擬和Realizable湍流模型方法進(jìn)行驗證,由于城市尺度的數(shù)值模型和水箱實驗中的模型尺度存在差距,所以要將城市尺度的數(shù)值模型進(jìn)行等比例縮小,以水箱實驗中的循環(huán)電加熱器(直徑=100mm)作為城市的大小進(jìn)行等比例縮小.

圖4是與水箱實驗得到的速度場進(jìn)行定量比較,從結(jié)果中可以看到,數(shù)值模擬的結(jié)果經(jīng)過無量綱化后與測量結(jié)果有很大的相似性.特別是在= 0處的速度場的水平分量與垂直分量同水箱實驗測得數(shù)據(jù)的整體趨勢有很好的一致性,可驗證城市熱島湖風(fēng)環(huán)流模型的準(zhǔn)確性.

圖4 三種方法在X=0處速度場水平分量和垂直分量

2 結(jié)果與討論

圖5是不同工況下數(shù)值模擬計算得到的在湖風(fēng)環(huán)流與熱島環(huán)流處的速度場矢量圖.從圖中可以發(fā)現(xiàn)不同的湖泊面積大小與不同的城-湖中心距導(dǎo)致湖風(fēng)環(huán)流與熱島環(huán)流各項同性(異性)的流動關(guān)系,城市熱羽流的偏轉(zhuǎn)與城市上空渦結(jié)構(gòu)的強化具有一致性,當(dāng)羽流向右偏轉(zhuǎn)時,左側(cè)的渦結(jié)構(gòu)強化;當(dāng)羽流向左偏轉(zhuǎn)時,右側(cè)的“渦”強化,隨著湖泊與城市的中心距的增加,城市羽流與湖風(fēng)相互作用產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)從城市迎風(fēng)面強化,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘斜筹L(fēng)面的渦的強化而同時正面渦衰減,其中箭頭所表示的城市羽流的中心線的方向也因此產(chǎn)生了明顯的變化.

本文選取城市羽流變化比較明顯的工況2.1與2.2進(jìn)行分析,在工況2.1中城市與湖面的中心距=1.5km;在工況2.2中城市與湖面的中心距= 5.5km,出現(xiàn)這種模擬結(jié)果的原因可以推測是因為位于城市左側(cè)的湖泊將城市的熱羽流往背風(fēng)(以城市為中心,將湖風(fēng)的來向定義為迎風(fēng)面,相對方向定義為背風(fēng)面)方向“吹走”.在這兩種工況中,湖泊的大小是相同的(同為直徑=2km),工況2.1中的城市距離湖泊更近,因此湖風(fēng)對城市熱島羽流的近地面作用力更強,可以將熱羽流的下部“吹”得更遠(yuǎn).

圖5 各工況下流線

為了進(jìn)一步了解城市熱羽流偏移量的變化原因,首先探究城-湖中心距的影響,將湖泊大小為1km的情況下不同的城-湖中心距的城市熱羽流偏移量制成折線圖如圖6所示,發(fā)現(xiàn)城市熱羽流往背風(fēng)面偏移,偏移量隨城市與湖泊中心距的增加而減小;當(dāng)距離增大到某一臨界值時,熱羽流的偏移不再受中心距的影響,或者說熱羽流不再受湖風(fēng)的影響,可知在湖泊大小相同的情況下,湖泊緊鄰城市的情況,城市熱島羽流的偏移量最大,隨著湖泊距離城市的距離的增加,城市熱島羽流的偏移距離減小,直到不發(fā)生偏移.

類似的,探究當(dāng)城市與湖泊中心距不變時,湖泊大小對城市熱羽流偏移量的影響,選取中心距=4.0km和5.5km的情況進(jìn)行比較,如圖7所示,當(dāng)湖泊中心與城市中心之間的距離不變時,隨著湖泊面積(直徑)的增大,湖泊對城市熱羽流的偏移量影響增大,或者說湖風(fēng)將城市熱羽流往背風(fēng)面“吹”得更遠(yuǎn).可以獲知當(dāng)湖泊與城市中心距不變時,湖泊面積越大,城市熱羽流偏移距離越大,湖風(fēng)將城市熱羽流推往背風(fēng)處的作用力越大.

圖6 城-湖中心距對城市熱羽流偏移量影響

圖7 湖泊大小對城市熱羽流偏移量影響

城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的數(shù)值模型中湖風(fēng)對于城市熱島的影響是本次關(guān)注的重點,本文選取典型工況2.1和2.2中的城市熱島與湖風(fēng)相互作用的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的流線圖如圖8所示,其中工況2.1流線范圍(-7500m￡￡1000m,0m￡￡1000m湖泊位置為-2500m￡￡-500m),工況2.2的迎風(fēng)面的流線圖,流線范圍(-7500m￡￡1000m,0m￡￡1000m湖泊位置-6500m￡￡-4500m).

圖8 兩種工況下的迎風(fēng)面流線

在工況2.1中,湖面距離城市更近,在由城市往湖泊的過渡區(qū)域內(nèi)(-2500m￡￡0m),城市熱島所產(chǎn)生的向上的熱空氣向外擴散,迅速下沉至近地面,在靠近湖面冷卻后形成湖陸風(fēng),往城市中心匯聚并推動城市熱羽流中心往>0的方向(背風(fēng)面)推動;同時可以明顯看到城市熱島與湖泊形成一個強烈而又“緊湊”的環(huán)流(渦較小),因此城市熱羽流的上部往迎風(fēng)面偏轉(zhuǎn).反觀工況2.5情況下,湖面與城市距離較遠(yuǎn),因此城市熱島與湖風(fēng)產(chǎn)生的環(huán)流不像工況2.1中那么“緊湊”;又由于湖所處位置(-6500m￡￡-4500m),所以在城市熱島中產(chǎn)生的上升的熱空氣向外擴散的過程中,在過渡區(qū)域內(nèi)(-4500m￡￡0m)緩慢下沉至湖面,此時的下沉氣流已與接近地表湖面產(chǎn)生向外擴散的湖風(fēng)形成對抗作用,因此城市熱島與湖風(fēng)形成的環(huán)流范圍很大,看起來“松散”(渦較大),所以向城市中心匯聚的湖風(fēng)并沒能夠?qū)孛娣秶某鞘袩嵊鹆餍纬珊軓姷耐屏?且熱羽流的偏移量很小

圖9 兩種工況下的背風(fēng)面流線

圖9是工況2.1、2.2的背風(fēng)面的流線圖,由于范圍縮小,中心區(qū)域放大之后迎風(fēng)面的環(huán)流也變得更加明顯(工況2.1的渦較小、工況2.2的渦較大),著重研究背風(fēng)面的區(qū)別:在工況2.1中,由于熱羽流與左側(cè)鄰近的湖泊形成強烈的環(huán)流,因此熱羽流往左側(cè)偏轉(zhuǎn).而在工況2.2中熱羽流偏轉(zhuǎn)方向相反,而且在背風(fēng)面反而形成了一個前者中沒有的“渦”,其中的原因?qū)Ρ葓D8和圖9可以說明.從圖8中可以看到,湖泊距離城市的距離很遠(yuǎn),城市上部向外擴散的熱空氣在城市往湖面的過渡區(qū)域內(nèi)下沉,由于湖泊的吸熱效應(yīng),湖泊在近湖面形成一個冷高壓區(qū)域,因此在抵達(dá)湖面前已與近地表的湖泊產(chǎn)生的向外擴散的空氣形成對抗作用,因此,猜想這股向外擴散的冷空氣對城市熱島高空的背風(fēng)面產(chǎn)生了一個推動力,將熱羽流的上部往背風(fēng)面“吹”,同時形成了一個“渦”,該現(xiàn)象與Cenedese和Monti水箱實驗[17]中觀察到的現(xiàn)象一致,更加證實數(shù)值計算可靠性.

湖風(fēng)對城市熱島環(huán)流存在對抗/協(xié)同作用,對于產(chǎn)生原因,再通過觀察圖10工況2.1、2.2中城市熱島羽流的迎風(fēng)面,背風(fēng)面上的速度場渦量,從圖10上可以看到,在工況2.1中,城市熱島羽流的迎風(fēng)面(箭頭左側(cè))上部,向左延伸的區(qū)域內(nèi)渦量強度大于工況2.2中該區(qū)域的渦量強度.同時可以發(fā)現(xiàn)工況2.2背風(fēng)面(箭頭右側(cè))上部,向右延伸的區(qū)域內(nèi)渦量強度大于2.1.

總結(jié)湖泊與城市熱島環(huán)流的相互作用分為兩種情況,一是以工況2.1為代表的湖泊緊鄰城市的情況.如圖11所示,城市熱島形成后,熱空氣上浮,在城市近地面中心區(qū)域形成低壓區(qū),非城市區(qū)域(農(nóng)村)的空氣往城市中心匯聚;類似的,湖面的冷效應(yīng)在使氣流下沉,在湖面形成高壓區(qū),湖風(fēng)向外分散,與非城市區(qū)域近地面往城市的匯聚流形成協(xié)同作用,強化了湖陸風(fēng),使近地面城市熱島羽流偏移量增加.城市熱空氣上升在上空往四周擴散,與湖面上空下沉的氣流協(xié)同,增大了城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的強度,但由于城市熱島背風(fēng)面的上部受到湖泊效應(yīng)的吸引,速度場的水平分量減小.

圖10 城市熱島羽流迎風(fēng)面和背風(fēng)面渦量

圖11 湖泊緊鄰城市演示

二是以工況2.2為代表的湖泊遠(yuǎn)離城市中心的情況如圖12所示,城市熱島形成后,城市近地面區(qū)域加熱后形成局部低壓,四周氣流向城市中心匯聚.湖泊近湖面區(qū)域冷卻后形成局部高壓,湖面下沉氣流向四周分散,近地面氣流方向由高壓流向低壓,在近地面,城市熱島效應(yīng)與湖風(fēng)形成協(xié)同作用;但由于城市與湖泊距離較遠(yuǎn),協(xié)同作用在中間的過渡區(qū)域衰減,導(dǎo)致進(jìn)入城市的湖風(fēng)速度減小,而此時城市熱島羽流已經(jīng)形成,故對近地面城市熱島的羽流作用力減小,即熱羽流的偏移量減小.此外,湖面的冷效應(yīng)所產(chǎn)生的向外分散的湖風(fēng)在城市高空對城市熱島產(chǎn)生作用,城市熱島的上升熱氣流在城市高空向四周分散;在往湖面分散的這股氣流受到冷卻緩慢下沉,與此時迎面而來的湖風(fēng)產(chǎn)生反抗作用,因此在該處橫風(fēng)受到削弱,進(jìn)一步減小湖陸風(fēng),城市熱羽流的偏移量隨之發(fā)生減小,此時城市熱島與湖風(fēng)環(huán)流的相互作用由近地面的協(xié)同作用和高空的反抗作用組成,在城市熱羽流的背風(fēng)面高空處,湖風(fēng)繞過羽流頂點流向背風(fēng)面.因此湖風(fēng)與城市熱島向上的分散氣流在背風(fēng)面產(chǎn)生協(xié)同作用,在羽流背風(fēng)面處速度場的水平分量增加,表現(xiàn)為橫風(fēng)加強.

圖12 湖泊遠(yuǎn)離城市演示

3 結(jié)論

3.1 驗證了存在湖泊的內(nèi)陸城市,城市熱島環(huán)流會受到湖風(fēng)環(huán)流的相互協(xié)同/抑制作用.而且湖泊面積和城-湖中心距都是影響城市熱島的重要因素.

3.2 在城-湖中心距不變的情況下,湖泊面積越大,湖風(fēng)對近地面城市熱島的影響越大,熱羽流的偏移量越大.

3.3 在湖泊面積不變的情況下,湖泊緊鄰城市的時候,湖風(fēng)對近地面城市熱島的影響最大,城市熱島羽流的偏移量最大.

3.4 當(dāng)湖泊遠(yuǎn)離城市時,城市熱島形成的上升熱氣流,在高空向四周分散的過程中在迎風(fēng)面受到湖風(fēng)的對抗作用使環(huán)流強度減小,城市熱島形成的環(huán)流受湖風(fēng)影響而削弱;湖風(fēng)還繞過城市熱羽流的頂部,對城市熱島上升氣流在背風(fēng)面的分散風(fēng)產(chǎn)生增益效果.

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致謝：本研究獲得武漢大學(xué)水力機械過渡過程教育部重點實驗室的大力支持,在此一并致謝.

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

劉呈威(1991-),男,湖北荊州人,武漢大學(xué)博士研究生,主要從事建筑環(huán)境流體動力學(xué),城市通風(fēng)及非接觸測量實驗研究.發(fā)表論文10余篇.

2018-10-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(51778504);深圳市科技局基礎(chǔ)研究計劃(JCYJ20160523160857948);國防重點預(yù)研項目(2042018gf0031)

*責(zé)任作者, 教授, fyzhao@whu.edu.cn