基于WRF-CFD 耦合的复杂城市形态街道通风性能模拟研究

2019-07-16刘冲彭云龙王体健顾聿笙张婷婷丁沃沃

装备环境工程 2019年6期

刘冲，彭云龙，王体健，顾聿笙，张婷婷，丁沃沃

（1.南京大学 a.大气科学学院 b.建筑与城市规划学院，南京 210093； 2.山东省滨州市气象局，山东滨州 256600）

1949 年，新中国成立之初，只有10.64%的人口生活在城市地区。随着近现代工业化和城市化进程的加速，人们的生产生活方式发生巨大的改变，人口和产业不断向城市聚集，城市的规模也在逐渐扩大。2017 年，我国城镇人口比例已经达到了58.52%[1]。在城市的发展过程中，涌现出了交通拥挤、资源短缺、区域经济发展不平衡等一系列城市病，尤其是大气环境恶化，直接影响生活在城市中人们的健康。工业排放和机动车排放已经成为了城市大气污染的两大主要来源[2]，尤其在城市街道峡谷尺度，空气中的一氧化碳、O3、可吸入颗粒物PM2.5等直接影响人们的呼吸系统，长期暴露在空气污染中会诱发肺癌，并增加死亡风险。

城市建筑布局与城市外部风的相互作用决定了城市建成环境内部风环境的特征，而城市形态的复杂性能够显著影响城市内部的风环境。城市形态的复杂化一方面体现在城市的整体规模、平均高度和城市密度的增加；另一方面体现在城市内部街道形态特征和街道两侧建筑形态的多样性[3]。复杂的城市形态形成了极不均匀的大气下垫面，使城市内部的风环境已经不再是自然风的状态，而是出现了局地环流、小尺度的空气平流和复杂的湍流。在这种情况下，城市的近地面风速降低，导致城市呼吸性能（City Breathability）下降[4]。

影响城市街道通风的主要原因可以归结于源、流、汇三个方面，引发空气污染的源主要是工业生产和交通污染等，污染物的强度以及流经街道的途径和汇集方式决定了城市街道的通风性能和空气质量[5]。城市的物质形态直接与街道的通风性能和污染物的流汇有着重要的关系，即使处在同一气候区的城市，由于城市形态的差异产生了不同的街道风环境。因此通过合理控制城市的物质形态，可以有效改善街道的通风性能，这就需要加深对城市形态影响下街道通风性能的研究。

目前大多数三维模型属于欧拉型，可根据规模进一步分为两类：区域尺度或中尺度（CMAQ、CAMx、CALPUFF 等）和建筑规模模型（使用 CFD，OpenFOAM、ENVI-Met、Urban-CFD 等）。对此国内外很多学者开展了一系列数值模拟研究，在方法上基于中尺度气象模式，通过修改模式下垫面条件来模拟城市化过程中人造下垫面的扩张对气候[6-9]及大气化学环境[10-15]的影响。尽管研究区域、时间有所差异，但这些研究都表明了城市下垫面的变化，能够显著影响城市区域的微气候特征。如增大城区近地层温度、边界层高度，减小城区10 m 风速、水汽比等。表1列出了近年来研究区域尺度以及城市微尺度下垫面对微气候及环境影响的部分工作。

表1 近些年主要区域尺度城市下垫面对微气候和环境的影响研究

总体上对下垫面复杂性尤为突出的城市地区，通常采用地形追随坐标描述复杂地形，因此多数像WRF 这样的中尺度模式对于复杂地形的解决能力有限。一般中尺度模式将建筑高度以下的城市冠层作为一个整体建立冠层模型进行参数化描述，但事实上并不能描述建筑物对城市冠层内流场的影响。到目前为止，发展较为成熟的冠层参数化方案包括单层冠层方案[21-22]、多层冠层方案[23-24]和考虑室内外大气能量交换的更加复杂的多层冠层方案[25-26]三大类。单层冠层方案对辐射、能量传递等过程的描述相对细致，但对城市建筑高度参差不齐、密度非均匀等的特征未能描述，对不同层次上城市湍流的影响未予区分。多层冠层方案对建筑高度以下冠层的过程可以更详细的描述，如区分不同层次内的空气动力学阻力系数，但并没有考虑到建筑物内部热量的产生以及与室外大气的交换。三类冠层方案由于空间分辨率的限制，都不能明显地分辨出街道和建筑物，所以需要更精确的模型给出建筑物的高度、密度等形态特征。为此本研究通过WRF 耦合CFD 模拟的方法来更精确地描述城市的微气候特征，并针对以往CFD 的研究大多集中在城市尺度，文中主要针对不同形态街道小尺度的通风性能进行对比研究。特别是在静稳天气下，城市的通风性能显得尤为重要，文中将通过分析南京城区主要城市形态街道通风性能，为城市规划与建设提供更科学合理的依据。

1 模式实验设计

1.1 WRF

WRF（Weather Research Forecas）模式[27]是美国国家大气研究中心（NCAR）中小尺度气象处（MMM）、国家环境预报中心（NCEP）的环境模拟中心（EMC）、预报系统试验室的预报研究处（FRD）和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心（CAPS）联合开发的新一代高分辨率中尺度天气模式，主要针对分辨率为1～10 km、时效为60 h 以内的有限区域天气预报和模拟问题。

文中选用WRF 的最新版本4.0.1，采用五层嵌套，水平分辨率分别为64、16、4、1、0.25 km，垂直分37 层，模式的中心位于南京（32°00′N，118°48′E，如图1 所示）。WRF 驱动的气象数据是美国NCEP的再分析资料，时空分辨率为3 h、0.25°×0.25°，适用于高分辨率的城市气候模拟。积分步长为60 s，模式中物理过程参数化方案选择见表2。根据一次典型高压控制的天气过程，模拟南京2018 年的1 月17 日00：00 至23 日00：00 静稳天气下气场要素（尤其是风速）的变化。

图1 WRF-Chem 中模拟区域（五层嵌套）

表2 模拟中选定的物理过程参数化方案

1.2 CFD

1.2.1 计算模型和区域

对于复杂城市形态特征的微尺度通风性能数值模拟，其形态特征的复杂度要远远高于理想城市形态，虽然有大量学者从复杂的城市特征中抽象并归纳了几类主要的城市形态类型[24，36-37]，但并不能完全代表真实的城市肌理。南京作为向高密度发展的城市之一，既具备高密度的高层商业综合体空间，又具备典型城市中住宅集中的情况。因此选取了具有典型代表性的三个切片：第一个切片位于新街口地区，该地区中主要覆盖了大型的办公、商业建筑，整个区域的建筑体量大，并以较大的单体建筑为主；第二个切片位于南京东部的老城区，该片区以多层、小高层板式住宅为主，具有相对均匀的肌理特征，在一定程度上能够代表住宅区的形态特征类型；第三个切片位于南京老城区的西北区域，该区域既包含了匀质的住宅肌理特征，又有部分办公、商业综合建筑，最主要的特殊性在于其道路多位斜向，是包含多种类型的典型城市形态切片。

1.2.2 边界条件和求解设定

对于湍流模型的选择，标准的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）和大涡模拟（LES）最常在城市通风模拟中进行比较和讨论。在很多研究中，已经充分地确定了LES 的精度，特别是在预测低风速区域的流动和湍流特征[38-39]。与LES 相比，许多文献研究报道了稳定RANS 方法的局限性[40-41]。由于LES模型的计算成本比RANS 模型高几倍，RANS 方法仍然是城市通风评估的最常用方法，并且已经显示出通用城市配置的良好结果。与LES 方法相比，虽然模拟精度存在部分误差，尤其是在复杂的城市区域内高层建筑的尾流区域和狭窄的跨度街道中发生的复杂湍流无法用RANS 很好地捕获，但LES 方法需要占用大量的计算资源和时间，所以文中仍采用RANS 方法中的标准k-ε 模型进行数值模拟[42]。

图2 数值模拟的切片肌理形态

对于流入边界条件，大气边界层中U(z)、k(i)、ε(z)的入口剖面使用Richards 和Hoxey[43]的方案。速度曲线（U）为：

以南京为例，设置z0=0.4，这代表了城市内部和周围的林地[44]，湍流动能分布（k）和湍流耗散率分布（ε）分别为：

式中：Cμ是常数，Cμ=0.09。

零静压条件定义为流出边界条件，在计算域的顶部和横向边界处，应用对称边界条件，在地面和所有建筑表面上设置为无滑移边界条件。ANSYS Fluent 15.06 用于解决不可压缩和等温流动的3D 稳定RANS 方程。由于城市形态的复杂性，模拟采用非结构化网格，在所有方向上，粗糙、精细与基础网格以大约1.5 倍的增减系数来产生三种分辨率。粗糙、基本和精细的总网格数分别约为6400 万、1.01亿和1.48 亿。最小的网格单元尺寸单元δx、δy、δz分别为：1.5、1.5、0.9 m（粗网格），1.0、1.0、0.5 m（基本网格），0.5、0.5、0.33 m（细网格）。由于研究的是人行高度的风环境特征，在0～1.5 m 高度进行3 层网格加密，建筑的表面保证至少覆盖5 个网格，通过分析街道中选取点在三种网格分辨率下的测试结果，发现基本和精细两种网格的计算偏差小于5%，因此采用基本网格分辨率方案。压力插值是二阶精度。对于控制方程的对流和黏性项，使用二阶离散化方案。CFD 详细建模设置见表3，计算区域和局部网格如图3 所示。

表3 CFD 数值模拟边界条件设定

图3 数值模拟的计算区域与局部网格

1.3 天气形势分析

2018 年1 月17—20 日期间，南京地区冷空气活动较弱，比多年平均位势高度高出了20 hPa（气候资料来自于NCEP 提供的1981—2010 年逐日大气环流资料，如图4 所示），高压抑制了对流的发展。17日08 时500 hPa 上，极涡位于北纬60°以北，我国大部地区处于稳定的西风环流中，700 hPa 处于弱暖高压前部的偏西北气流中，南京500 hPa 始终处于稳定的纬向西风环流中。17 日20 时，高层500 hPa 环流无明显变化，中低层700 hPa 以下，江苏南部地区受暖平流影响，中低层增温明显，有利于逆温层的形成。持续至20 日夜间，高空环流形势变化不明显，中低层风场不时有切变影响，但强度较弱，扩散条件不佳。18 日夜间，中低层有切变影响南京地区，但冷暖平流不明显。21 日夜间08 时，极涡北部冷涡旋转向东南移动至黑龙江省以东地区，在黄土高原至川渝一带形成高空槽。高空槽在东移过程中不断加深，中低层风切变明显，系统趋于深厚。21 日夜间，高空槽在携冷空气过境过程中，甩下冷空气，逐渐影响南京、江苏南部地区。

图4 2018 年1 月17—23 日500 hPa 位势高度距平场

从海平面气压场来看，16 日夜间至17 日白天，江苏中南部大范围都处于地面高压控制中心，气压梯度较小，不利于水平扩散。17 日夜间，地面高压中心不断东移，后部弱冷空气不断向江苏南部地区渗透，但强度较弱。18 日白天，在鲁苏一带再次形成高压中心，南京处于高压中心南部的偏东气流中。18日夜间，在内蒙东北部形成的低压中心随高空系统向南移动，对应地面低压区也不断向南扩展，冷锋从低压中心移动至鲁冀豫交界一带。如图5 所示，19 日20 时（北京时），在华东、华南一带形成巨型弱高压中心，与西北高压构成西北-东南向的不对称鞍型场，江苏南部地区处于高压中心下沉气流控制中。随后，华东、华南高压中心强度逐渐减弱，江浙一带等压线稀疏，表现为明显的静稳形势。

2 结果及分析

2.1 WRF 模拟验证

WRF 主要为CFD 模型提供垂直气象廓线参数，通过观测和模拟的斜温图（见图6）对比，证明WRF的模拟结果能够很好地再现此次静稳天气（数据来源http：//weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html）。南京站探空资料显示，16 日20 时，探空站上部湿层深厚，从近地面至高层500 hPa 左右处，温度露点差小于4 ℃，接近饱和，为大气气溶胶凝结核的吸湿增长提供了足够的水汽条件。17 日08 时，随着干空气的卷入，850 hPa 左右湿度迅速减小，且在地面上空1～2 km 高度处出现了的逆温层，逆温程度达到6 ℃，上干下湿的“暖干盖”结构抑制了垂直湍流扩散。17时20 时，逆温层顶高度下降，逆温强度明显加强。18 日08 时，近地面不足百米高度内出现了“贴地”逆温，使得大气近地层变得更加稳定。同时其上空至700 hPa 高度范围内的不同高度处也出现了不同程度的逆温，多层逆温现象一直持续到19 日20 时（图6以19 日08 时为例），多层逆温的存在有效地阻隔了中低层向高处扩散。

图5 2018 年1 月19 日20 时地面天气图（韩国气象厅KMA）

图6 WRF 模拟结果与观测结果Skew-T 斜温图对比（2018 年1 月19 日08 时）

由图6 可知，整体上模式和观测的结果基本吻合，上层主要为西风，但边界层以内（1000 m 以下）的风速较小，在2 m/s 左右。边界层顶有明显的风切变和逆温层的存在，将进一步减弱城市下垫面的通风性能[45]。

2.2 CFD 结果分析

不同形态的城市切片，在同样静稳的大气环流背景下，表现的通风性能有明显的差别。图7 给出了三种不同肌理的复杂城市街道内部的气流情况，从图7a 中可以看出，由于大量高层建筑的影响，会在建筑背风面形成风速较小的区域，Juan 等人[38-39]通过模拟也得到了相类似的结果。其余的主要街道都有较好的通风性能，在静稳天气下，风速能接近背景2～3 m/s的风速。从图7b 中可以看出，覆盖率较高的居民区域导致了通风性能的明显降低，虽然街道交叉口与来流风方向相同的街道内部通风性能较好，但由于大量高密度建筑的聚集，导致切片整体人行高度的通风性能较差[40-41]，风速大部分都在0.3 m/s 以下。与图7a、b 相比，图7c 中存在了大量的通风廊道，虽然切片内建筑的密度与图7b 相近，甚至局部区域的建筑密度高于图7b，但从数值模拟的结果可以看出，气流经过主要和次要的街道，基本保证了整个区域内部良好的气流峡谷效应，从而表明适当的建立通风廊道，有助于街区的通风性能增加[36]，特别在静稳天气下有助于空气的流通，进而可以减少污染物以及微生物病菌等的堆积[24，37]。

南京作为古都和现代化城市相结合的代表，其城市的形态复杂多变，不同形态切片的中心区域差异明显，表现出不同的气流分布特征。三个切片中心区域的气流分布具体情况如图8 所示，可以看出，三个切片的局部形态特征类似，既有体量较大的商业建筑，也混合了高层的板式住宅。从三个切片的模拟结果可以看出，综合型切片中心区域的通风性能显然优于中心区、住宅两种切片。其中两条与来流风相同的街谷具有重要的通风作用，在复杂的城市中形成了明显的峡谷效应，这样能够最大化地加强城市的呼吸作用。