城市建筑“狭管效应”风速增速模拟分析

刘馨泽，郑丽颖，夏冬，洪晓媛，文敏，朱鹏程，3

（1.珠海市公共气象服务中心，广东珠海519000；2.珠海市气象局，广东珠海519000；3.中山大学大气科学学院，广东广州510275）

近20多年，伴随着经济持续快速发展及城镇化的持续推进，城市规模不断扩大，人类活动对气候产生了明显的影响，“狭管效应”成为新型城市灾害之一。城市规模扩大导致城市中高楼数量越来越多，出现小尺度气候“狭管效应”的几率也随之增加。国内外对其已有一些研究，美国学者Bonan［1］利用卫星观测图片研究一个居民区内建筑设计对室外风速的影响，研究指出建筑密度的高低对小区气候有直接影响。风环境研究的工作在我国也有很多，例如王辉等［2］对高层建筑群的风环境有所研究；刘春艳等［3］指出沿海城市受海风影响明显，常年风大。复杂的建筑群也会导致“狭管效应”，风速过大给行人造成不便，也易造成灾害。人们意识到气象与人类生存的紧密联系［4］，对气象科技的依赖感越来越强。气象部门努力实践科学发展观，探索新思路、新途径、新举措［5-6］。有调查显示，公众希望了解的气象内容：气象防灾减灾知识和天气预报的制作排名并列第1［7］。因此了解气候问题的形成和危害十分有必要，并需大力发展气候变化研究和业务、加强应对气候变化决策服务［8-10］，更好地服务城市公共安全与社会经济可持续发展［11］。本研究将通过城市建筑“狭管效应”增速模拟，分析“狭管效应”发生原理并进一步探讨增速模拟创作在气象防灾减灾应用中发挥的新模式。

1 模型实验设计

1.1 设计原理

液体在管中流动，经过狭窄处时流速加快。空气的流动与伯努利方程原理一致，气流在地面流经狭窄地形时类似液体在管中的流动，流速也会加快，并因为气体具有可压缩性，密度也会增大。具体来说当气流由开阔地带流入地形构成的狭长峡谷时，空气不能大量堆积，于是加速流过峡谷，导致风速增大，流出峡谷时，空气流速又会减缓。图1为“狭管效应”城市建筑群原理图。

图1 “狭管效应”城市建筑群原理图

如图1所示，城市中的高楼就像地形复杂的山区，两幢大楼之间的空间像狭谷中的狭长缝隙，大风刮来且风向与街道走向相一致，高楼间的缝隙形成的峡谷会阻碍风的通行，风迎面吹来后无法顺畅通过，同时后方空气源源不断挤压，于是聚集在很小的空间内的空气加速穿过街道，在狭管的出口处形成局地大风，这就是城市中建筑群的“狭管效应”。

1.2 增速装置组成及材料

“狭管效应”增速模拟装置包含多种模块：高楼模型6幢、电风扇、广告牌、广告牌底座增重装置、风速仪、三角尺等（见图2）。

使用较重亚克力板材制作高楼模型，相比于塑料或木材等材料，亚克力材料具有更高的密度，可提高高楼模型的重量，保证高楼模型单元在受风时的稳定性。电风扇为无风向变化的家用电扇，广告牌用纸盒制作，在纸盒内放进一支与底部接触面较大的物品用于稳定底座，三角尺用于精准测量两侧高楼间的夹角，风速仪用于测量初始风速及风扇吹向广告牌的风速。

图2 “狭管效应”仿真模拟实景

2 结果与分析

2.1 模拟场景构建

“狭管效应”在生活中到处可见，因此寻找其成因规律就显得十分重要，该次增速模拟中每个模块具有独立性，将模块进行组合，共设计7个不同的场景进行模拟，部分构建如图3所示。

图3 “狭管效应”增速模拟布局平面图

模拟参数：高楼长0.2 m，宽0.12 m，高0.45 m，风扇风口直径为0.21 m，高0.25 m，广告牌（含增重底座）长为0.13 m，宽0.4 m，高0.16 m，重42.6 g。风扇与广告牌之间的距离为1.10 m，高楼与广告牌之间的距离为0.22 m。

模型摆放条件：

1）风扇、高楼模型及广告牌的位置及距离固定，风扇与广告牌之间的距离适宜且风速与广告牌重量达到相对均衡的状态，确保在场地空旷时广告牌不会被直接吹翻。

2）风扇风力强度设置在同一档位，高楼模型摆放走向与风扇吹出的气流方向一致，广告牌正对风扇。

3）模拟测试空间空气流动稳定，如环境内出现其他小尺度的空气流动，会使数据出现误差，或直接导致模拟失败。

在设计操作中，将模块进行排列组合，模拟不同的高楼建筑布局，摆放说明见表1。

表1 增速场景和说明

场景1中将测风仪放置在广告牌所处的位置，此时场地空旷，无高楼模型；场景2在空旷的场地中，将高楼单侧成列摆放，测试在单侧楼体的阻挡下是否会对风速产生影响，示意图如图3a所示。

场景3、场景4和场景5见图3a-c，本组场景摆放利用增加法，测试高楼狭管长度变化对风速的影响。正对广告牌的两侧分别平行摆放高楼，并在沿线两侧增加高楼的数量，从两侧各1栋楼增加至两侧各3栋楼，两侧高楼始终处于平行状态。

场景5、场景6和场景7见图3d-f，本组场景摆放利用调整布局法，测试高楼狭管出风口逐渐变窄时风速的变化。在场景5的基础上，调整两侧高楼之间夹角度数，场景5两侧高楼相互平行，两侧高楼之间无夹角，场景6将两侧高楼之间夹角调整为60°，场景7继续减小两侧高楼间夹角度数，将夹角调整至30°。

在计算风速的研究中，常用的方法有计算增速百分比及增长系数的方法等。本研究采用了计算增长系数的方法进行分析和预测，根据场景布置和各场景产生的风速来推算风速的变化。式（1）中E为增速系数，v1和v0分别为有建筑物状态下的测量风速和无建筑物状态下的测量风速（m/s）。

2.2 模拟场景

增速模拟前，首先选取十分钟风扇一档风速及二档风速并放置广告牌进行测试。在一档风速持续吹动下，广告牌轻微抖动，二档风力过大，空旷场地持续吹动下极易将广告牌吹翻，故本次增速模拟选取了一档风速进行测量。经测风仪测量，一档风10 min初始平均风速为3.3 m/s。在广告牌位置处所测得的十分钟平均风速为0.85 m/s，故该次增速模拟将0.85 m/s作为基准风速来计算增速系数，此时广告牌的状态为轻微抖动。

风的走向会影响“狭管效应”的发生。当风向与街道走向相一致时，风受到不同方向的挤压加速穿过狭窄的街道，这样街道形成的狭管所引发的“狭管效应”就制造出强风。街道走向与风向相垂直，街道上的风就会受到高楼的阻挡而消散。

在高度相同、间距相同、风速风向相同的情况下，建筑物整齐的排列，风力轻微增大，广告牌轻微晃动，增速不明显。

在高度相同、间距相同、风速风向相同的情况下，两侧建筑物的数量增加，狭管长度增长，广告牌处的风速不断增大，广告牌的状态，也由晃动变为明显晃动，增速系数由1.18增加至1.47，系数增加幅度见表2。

在高度相同、风速风向相同的情况下，高楼建筑物之间的间距（夹角）逐渐缩小，广告牌处的风速也随之增加，夹角为30°时，两侧建筑物间距最小，聚风效果明显，此时风速最大，增速系数也由无夹角时的1.47增加至2.18，系数增加幅度见表2。

高楼之间的狭窄缝隙形成了人造风口，经风口吹出的风，风速增大不仅给行人造成不便，还有可能导致不安全事件或事故发生，一些单薄的广告牌和不牢固户外装置很难抵御。

表2 7种场景下的测量风速和增速系数的比较

3 结论

建筑群的规整排列会形成“狭管效应”，说明“狭管效应”的出现与风环境和建筑布局密切相关。建筑物间整齐有序排列使“狭管效应”出现的可能性增大。

在高度相同、风速、风向相同的情况下，间距（夹角）在增速模拟范围内最小的情况下，增速系数从基础风速1攀升至2.18，增加了2.18倍，也就是说，4级风经过“狭管效应”的放大，至少可以增加至7～8级。说明“狭管效应”的威力大小，与一个城市高层建筑的数量、间距密切相关。高层建筑物越多、狭管越长、间距越小“狭管效应”越明显，反之则越小。

试验结果所呈现出的数据变化与气象科学理论相符合，这说明“狭管效应”的气象原理可通搭建增速模拟的方式向公众进行体验性展示，公众可以通过对模型的构建摆放、角度调整探知风速的变化规律，依托科普日及科普馆等平台让公众进行亲身体验，将单项输出逐渐发展为双向互动。在传播方式上，可以采用录制气象科普视频的方式，将“狭管效应”增速模拟分析录制成一期科普视频节目，通过融媒体等传播渠道进行展播，更富有影响力和传播力。