城市区域热气候与风环境研究的技术手段概论

现场观测、模型／试样试验和数值模拟。
１．１
现场观测 所谓现场观测，是在实际条件下直接测量城市
区域内部不同位置的物理参数（如风速、温湿度、污 染物浓度等），从而分析热气候与风环境时空变化 客观规律的方法。这是研究城市区域热气候和风环 境问题最本质的研究方法和手段。由于观测结果不 易再现和重复，如何从大量观测数据中总结和提炼 出内在机理是采用这种方法最大的课题。现场观测 又分为固定测量和移动测量两大类（图ｌ所示）。
模式、ＨＯＴＭＡＣ模式等。该类方法适用于对流活动 相对较弱，垂直方向运动速度较小的情况。可预测各 种复杂地形地貌条件下的风速、风向、湍动度、温湿度 以至于污染物扩散等大气物理量的分布。该类方法 一般不具备直接模拟建筑尺度的流体动力学分辨率， 在进行细密网格（１ ｋｍ以下）的计算时会出现计算发 散的情况，需要通过导入地表能量收支方程和拖曳项 等城市参数化方法来考虑城市冠层的影响。 下例展示的是千米级摩天大楼动态建筑负荷研
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数值模拟方法都衍生于湍流运动的基本方程，利用 系综平均等方法来描述湍流统计量的演化。但具体 的模型形式又有所差异。
［摘要］随着绿色建筑、绿色生态城区规划设计和建设工作的推进，城市区域热气候与风环境问题已成为建筑环境等 相关领域的热门课题之一，受到越来越大的关注。本文首先简单介绍了城市区域热气候与风环境问题的复杂性。然后结合 自身科研经验，简要分析了主要的３类技术手段，即现场观测、模型／试样试验与数值模拟的工作原理、特点、适用性及应用时 的注意事项，对各自今后的发展方向也进行了展望，以供从事该领域研究的科研人员或工程应用的技术人员参考。 ［关键词】城市区域；热气候；风环境；技术手段 ［中图分类号］ＴＫ５２９ ［文献标识码】Ａ
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图３积雪一大气热质传递试样试验（左）…； 透水铺装一大气热质传递试样试验（右）…３
１．３数值模拟 所谓数值模拟，是指在一些基本假定的基础上 建立数学物理模型，通过计算求解获得城市与建筑 环境的相关信息的方法。与现场观测、模型／试样试 验相比，该类方法的优点非常突出：计算条件易于控 制，可以重复进行运算，所需人力物力代价小。但计 算结果必须经过观测／实验验证才能证明其有效性 和可靠性。数值模拟方法又可分为大气边界层气象 模式、ＣＦＤ模拟技术和城市冠层模型３种。这３种
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左右，以反映行人活动高度，因此要注意测量不影响 公共场所的日常使用，同时考虑好仪器设备的保管 问题；最后，由于固定测点极易受到周边更大尺度大 气参数状态、下垫面分布等的影响，为捕捉到局地热
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建筑科学
第３ｌ卷
度、能谱垂直分布等的相似性，这一点对获得有价值 的测试结果至为重要；另外，目前的风洞试验以流场 研究为主，进ห้องสมุดไป่ตู้热力场和污染扩散场的相关研究实 例还比较少。
技术手段
城市热气候与风环境研究的主要技术手段包括
通拥堵等可能出现的局面；其次，尽量保持匀速前 进，太快太慢都会增加校正的困难；最后，测试仪器 要注意进行防辐射处理，以免受到车辆自身和周围 汽车发动机或尾气排热的影响而出现误差。该方法 一般以短期测量为主。 现场观测技术的发展方向主要表现在两个方 面，一是更先进观测设备技术的引入和应用。如利 用卫星遥感技术来方便地获取地表温湿度信息，通 过数据传输和处理，研究较大空间尺度上与环境参 数分布∽１；利用风廓雷达、激光雷达、多普勒声雷达 等研究城市大气边界层内部大气构造＂１；二是更为 价廉物美的小型气象站的建立和城市热气候与风环 境数据网络系统的建立旧１，从而能够更有效全面地 把握较大空间尺度的城市区域内热气候与风环境的 时空演变规律。 １．２模型／试样试验 所谓模型试验，将实际的城市区域按特定比例 缩小为模型后放置在大气边界层风洞（或实际室外 环境）进行测量，从而分析城市区域风场及热力场、
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第２期
刘
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述文章了解这个领域内的最新动态‘２｛ｏ）。更可喜 的是，除传统的城市气象学、建筑环境学外，来自于 建筑、城乡规划与风景园林、土木工程、环境生态、城 市地理等其他学科体系的关注也越来越多。这种多 学科之间的交叉融合对于从根本上认识城市区域热 气候与风环境问题机理，促进城市宜居性和可持续 发展都具有重要意义。笔者拟结合自身多年来的学 术经验和体会，在本文中谈一谈研究城市热气候与 风环境研究的主要技术手段。
第３１卷第２期 ２０１５年２月
建
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科
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Ｖ０１．３１．Ｎｏ．２
ＢＵＩＬＤＩＮＧ ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｆｅｂ．２０１５
［文章编号】１００２．８５２８（２０１５）０２＿０１４６句７
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城市区域热气候与风环境研究的技术手段概论
刘
京（哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨１５００９０）
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引
言
气候与风环境问题属于影响因子众多的高度非线性 的大系统问题。主要表现在：１）现象自身的高度复 杂性。城市区域热气候与风环境问题所针对的不是 单纯的自然现象规律。城市区域一方面受外部广域 的大气环境和地貌特征的影响，另一方面城市边界 层下垫面的陆面特征，如城市水泥道路、建筑群等下 垫面的感热、潜热输送及其能量、水分循环特征均与 自然状况存在很大差异。更重要的是，该问题还和 城市化进程密切相关，其形成更多地体现了人类各 种社会活动的影响；２）尺度的高度多样性。城市区 域热气候与风环境问题在空间维度上涵盖了从上万 ｋｍ２的城市尺度一直到以平方米计量的建筑尺度， 在时间维度上从以小时、天为单位的短期尺度到以 年、世纪为单位的长期尺度。不同尺度问交互重叠、 嵌套和相互作用，同时对象的结构、特征、动态演变 规律又不尽相同。 国内外关于城市区域热气候与风环境问题已有 大量高水平的研究成果（读者可通过一些精彩的综
图２摩天大楼风压风洞试验（左）； 建筑群可视化风洞试验（右）
究例…１。对于这样高度的建筑，其周边大气参数特 性和普通建筑有很大区别。本研究中利用大气边界 层气象模式ＷＲＦ计算得到的当地夏季中尺度范围 内流场和温度场计算结果，基于此结果作为边界条 件并与能耗动态模拟软件相结合，获得了千米级摩 天大楼的垂向建筑负荷分布（图４所示）。
［收稿日期］２０１５－０ｌ－２０ ［基金项目］国家自然科学基金重点项目“严寒地区城市微气候调 节原理与设计方法研究”（５１４３８００５）；中央高校基本科 研业务费专项资金资助（ＨＩＴ．ＫｌｓＴＰ．２０１４１９） 【作者简介］刘京（１９７２一），男，博士，教授 ［联系方式］ｌｉｕｊｉｎｇｈ旧＠１６３．ｃｏｍ
试样试验（如图３所示）一般不需要风洞这样 相对比较昂贵的试验设施，但也有一些重要事项要 注意：当试验在室内环境进行时，其日射、气温与风 速的湍动特性可能与室外条件完全不同；由于试样 尺寸普遍较小，往往出现所谓“绿洲效应”，使得测 量结果和实际现场有很大区别；另外，试样试验一般 无法涉及实际现场中可能存在的大尺度水平移流造 成的传热传质过程。
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气候和风环境的特征，本方法应以中长期测量统计 分析为主要目的。 所谓移动测量，是利用车载工具沿事先设计的 路线布置大量测点，进行沿程的大气参数测试，然后 利用该路线附近同时进行的定点测量结果进行时间 校正的方法。该方法只配备适量的交通工具，利用 较少的测量器材就可以较完整地反映出特定时间段 内较大空间尺度内各物理量的分布关系。该方法的 首要问题同样是路线和测点的选择。因为利用交通 工具，所以要同时兼顾测点本身的代表性和道路交
图１
固定测量（左）；移动测量（右）
污染物扩散场特性的方法；所谓试样试验，是将不同 下垫面类型提取出小的试样，放置在室内人工环境 （或实际室外环境）中研究其与大气间热质传递规 律的方法。这类方法有助于克服实际城市条件高度 复杂性所带来的困难，加深对现象本质的认识。 进行精密的风洞试验（图２所示）要注意几个 问题：首先，目前大多数大气边界层风洞属于中小型 风洞，为保证几何相似等条件，往往要选择小缩尺比 例的模型甚至采用变态相似的方法，以避免风洞内 试验段气流因模型障碍物的阻挡而产生来流的异常 变化。但过小的缩尺比例又会造成测试仪器的安装 困难，带来较大实验误差；其次，要确定合适的尖劈 漩涡发生器及地面粗糙元，以保证来流风的湍动强
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