《城市与建筑风环境的大涡模拟方法及其应用》：
1 绪 论
我国目前仍然处于高速的城市化进程中，城市规模不断扩大，城市人口与日俱增，随之而来的诸如城市污染、极端天气等问题也越来越严重。加之经济增长，城市居民生活水平的提高，我国私人汽车保有量在2000年以来快速增加，导致机动车尾气污染成为城市大气环境治理中首要考虑的重点因素之一。虽然现代社会在汽车内燃机技术、尾气过滤及燃料处理等方面有了很大提高[1]，但是汽车尾气污染物仍然是城市污染物的主要来源。研究显示，21世纪初期北京市内PM2.5来源主要是机动车尾气，占30%左右[2]。
在世界各地的城市地区，尤其是超级大都市，机动车尾气污染物经常高于规定标准[3，4]。在众多的城市大气污染物中，颗粒污染物浓度超出污染物控制标准的现象尤为普遍[5]。人类生活环境内颗粒污染物浓度对人类的健康有严重影响，能导致多种急、慢性呼吸道疾病和传染病的发病率上升[6，7]。世界卫生组织研究结果显示，细颗粒污染物（PM2.5）浓度比粗颗粒污染物（PM10）浓度更严重影响人们的健康[3]。而机动车尾气中的颗粒污染物恰恰处于PM2.5的范围，为城市空气中细颗粒污染物的主要来源[8，9]。城市街谷，作为机动车尾气的直接接收场所，同时又是人类频繁暴露的活动场所，其内部的环境质量和污染控制，成为20世纪80年代以来，各国和地区政府关注的重点[4，10]。2013年以来，我国开始加强对重点城市PM2.5浓度的监测与控制工作，但城市冠层内部颗粒物的扩散机制与控制理论仍需更加深入的研究[11]。
城市街谷内空气污染控制与治理是一个涉及环境、化工、工程力学与城市规划等多学科的技术难题，需要环境保护、城市规划与交通等多个政府部门的通力协作。从改善城市人居环境、合理规划城市布局出发，以实现更有利于街谷内污染物向外扩散为目标，城市街谷内风场特征和机动车尾气污染物的扩散规律成为当前的研究重点，其成果将为政府有关部门制定相应政策、法规提供理论依据。
1.1 城市建筑及街谷微尺度气候环境
1.1.1 建筑与城市街谷
城市街谷是指城市冠层内两侧都有连续的高大建筑物的相对狭长街道。城市街谷与其周围建筑是构成城市冠层结构的基本几何单元。与开放性街谷不同，城市街谷是城市街道网络中的一个单元，位于城市冠层的内部，其周围有无数的类似街谷存在；开放性街谷又称孤立街谷，是指单一的街谷模型，通常在风洞实验和数值模拟中用到。但是，二者在数值模拟研究时计算区域和边界条件的选取都有很大差异（见图1.1），内部的空气流动与污染物分布特征也明显不同。事实上，孤立街谷的情形在实际城市环境内很少见，因此大多数研究针对城市街谷或街谷网络的情形。
1.1.2 街谷微尺度气候环境
城市街谷是城市冠层的基本单元，只是城市大气边界层（urban boundary lay-er，UBL）底部的非常微小的模块。人为活动已经严重改变了城市边界层的底部粗糙特征，使得城市大气边界层流动具有非常复杂的三维结构，因此很难对其进行详细描述。城市大气边界层按垂直高度大致可分为：城市冠层、城市粗糙层和城市边界层，如图1.2所示。在城市大气边界层的底部，从地面到粗糙物单元（建筑、树木等）的高度zh，为城市冠层（urbancanopylayer，UCL），它是粗糙层（roughnesssublayer，RS）的一部分。城市粗糙层的高度（z）与冠层内粗糙单元的高度和密度等参数有关，通常认为z等于3~5倍的zh。紧接粗糙层的上方是惯性子层（intertial sublayer，IS），这里大气流动规律与理想大气边界层相似。在惯性子层上方，边界层大气流动在很大程度上受对流方程控制，这一层被称为城市大气边界层外层（outerurbanboundarylayer，OUBL）[12~16]。通常，根据模拟工作中计算区域的选择，将数值模式按尺度分为：中尺度（mesoscale）、局部尺度（localscale）和微尺度（microscale），如图1.2所示[16，17]。中尺度模式又称城市尺度或地区尺度模式，包括一个城市地区的大部分面积，垂直高度包含整个城市边界层；局部尺度又称小区尺度，包括城市核心区的一组建造群或街谷网络，垂直高度一般达到惯性子层内；微尺度模式包括城市核心区域的最基本单元，垂直高度一般在粗糙层内。本书所讨论的城市街谷环境属于微尺度模式范畴。城市街谷内空气流动通常受冠层外自由来流驱动而诱发多旋涡的复杂流场；城市街谷内污染物主要在街谷顶部与冠层外自由流动空气形成交换，通常情况下交换效率不高而导致街谷内污染物累计和污染物浓度极高。因此，城市街谷内通常形成特征鲜明的大气环境，被称为城市街谷微尺度气候环境[18]。
1.2 城市与建筑风环境的研究方法概述
大气污染的本质是社会经济发展模式、产业结构和能源结构不合理，污染物集中高强度排放，并长期积累到一定程度的结果，在城市区域表现最为显著。如何在人为活动与污染排放相对集中的城市冠层空间加快污染物的扩散效率，减少污染物在城市区域的累积，在城市大气污染防治对策研究中具有重要意义，这需要城市与建筑风环境的理论研究基础提供支持[11]。城市与建筑风环境的研究方法主要包括现场观测、风洞实验和数值模拟。
1.2.1 现场观测
现场观测方法是指用仪器直接在街谷内监测流场及污染物浓度的分布与变化[19~21]。主要仪器包括风速风向仪和污染物浓度测量设备。另外还可能用到测量温度的设备，包括测量大气温度和测量固体壁面温度的仪器。污染物浓度的测量方法主要分两种：其一是通过在线仪器直接读取街谷内污染物浓度的适时变化，常用的在线仪器如测量颗粒物浓度的DustTrack；其二是通过现场采样取得样品，然后在实验室内对样品进行分析，以获取测量时间内污染物浓度的平均值和物理化学特征等，如测量挥发性有机物过程中现场采样结合气相色谱-质谱联用仪分析的方法。现场观测的最大优点在于直接获取最真实的数据，因此现场观测数据往往最具实际意义，可用来指导和考核其他方法的研究[22]。但是，现场观测方法的缺点与优点一样不可回避。现场测量得到综合复杂环境下的结果，很难单独分析某个因素的影响效果。另外，现场观测结果的实用性及指导意义需建立在大量的实验基础上，这个数据库的建立需要大量的时间和人力、物力的投入，因此现场实验虽然是运用最久的研究方法，但观测结果至今仍然相对缺乏。尤其是从考核数值模式的角度看，已有实验数据不能胜任模式考核。因此，以模式考核为目的而特别设置的实验方法，其现场测量结果更显弥足珍贵。
1.2.2 风洞实验
风洞实验弥补了现场观测研究方法的不足。借助实验室内实验条件的可控性，风洞实验通常用来研究典型理想街谷内的流场和污染物分布特征[23~25]，以及街谷形状因子、壁面受热、建筑物几何形状和街谷两侧建筑物非对称性等因素的影响[26~28]。还可以植入绿化树木的多孔介质模型，来研究绿化树木的存在对街谷内空气流动和污染物扩散的影响[29，30]。甚至可以借助机械装置来实现对街谷内行驶车辆的模拟，以研究行驶车辆对街谷内空气流动和污染物扩散的影响[31]。风洞实验对数据的获取要比现场测量简单得多，而且测量结果的精确性也提高很多，因此风洞实验结果通常被用来验证数值模式的正确性和精确程度。无论用什么研究方法，人们都希望能实现对街谷内污染物真实扩散过程的重现，甚至对街谷内污染物变化过程的模拟及预报。然而，风洞实验很难模拟复杂的真实环境，因此风洞实验的研究范围至今仍限制在研究个别参数的影响内。而作为实用型的数值预报模式的最终考核，仍然需要现场测量结果。总体而言，风洞实验对人们理解街谷内空气流动和污染物扩散的基本规律给予了很大帮助，而且实验数据已经相当多。目前仍有风洞实验在模拟分析城市绿化、行驶车辆等因素对街谷内空气流动和污染物扩散规律的影响。
1.2.3 数值模拟
数值模拟的方法既不需要像现场观测那样消耗人力、物力，也不需要像风洞实验那样受实验装置的限制，同时还能得到连续变化的高分辨率的流场和浓度分布信息，动态显示街谷内流场和污染物扩散的演化过程[32]。随着计算机技术的不断提高，数值模拟手段越来越广泛地应用于街谷微尺度环境研究[33~35]。目前来看，数值模式是这方面研究的发展趋势。
但是，数值模式的发展离不开现场观测和风洞实验的辅助，数值模式需要风洞实验结果来验证其精确度，同时还需要现场观测结果考核其应用效果。反过来，数值模式的发展也可以帮助解释现场测量中观测到的一些现象，为现场观测和风洞实验平台的搭建提供建议。因此，现场观测、风洞实验和数值模拟实际上是三种相辅相成的研究方法，正确的处理三者的关系，充分利用各种方法的优点，才能使我们的研究工作顺利进行。
1.3 街谷物理模型及数值预报模式开发
1.3.1 理想街谷模型
真实街谷两侧的建筑物通常呈现高低起伏的非均匀排列，同时建筑壁面又伴有门、窗等缺口，使得街谷内空气与室内空气形成交换。这种非均匀的建筑布局给模拟研究带来非常大的困难，主要体现在计算区域的选取和边界条件的设置上[36~38]。街谷内空气与室内空气的交换过程又相对复杂。因此在风洞实验和数值模拟中通常采用理想街谷模型。理想街谷模型假设街谷两侧建筑物为等高的均匀分布，用平均建筑物高度确定街谷几何形状，忽略建筑物沿街谷方向的高低变化；假设建筑物壁面连续、平整，忽略门、窗等缺口的影响；忽略街谷内附属设施（如
围栏、路标、广告牌等）的影响。图1.3为德国犓arlsruhe大学建筑与环境动力学实验室（LaboratoryofBuildingandEnvironmentalAerodynamics）在风洞内研究街谷内绿化树木对街谷内空气流动影响时所采用的理想街谷模型及其对应的真实街谷模型[39]。另外，将背景来流的风速风向假设为稳定来流（有固定的来流风速风向）也是理想街谷模型的一个重要假设。其中，固定的来流风速风向通常由研究期间真实来流的平均风速和主导风向确定[22，35，40~42]。
1.理想城市街谷内空气流动基本特点
城市街谷微尺度环境内空气流动特点主要是受驱动性，即城市街谷内空气流动主要受顶部自由来流（背景来流）的驱动而形成。其流动形态除受街谷形状因子影响外[18]，还与顶部自由来流（背景来流）风向与街谷轴向的夹角有关。当来流与街谷轴向接近垂直时，来流在街谷顶部形成一层很薄的强剪切层。在该剪切层的驱动下，街谷内空气流动形成孤立的环流旋涡，称为典型环流旋涡[32，43，44]。当街谷形状因子接近1时，城市街谷内空气环流旋涡的个数为1，此时街谷内空气环流旋涡的强度明显低于背景来流强度。风洞和水槽实验发现，在街谷形状因子较大的深街谷内，还可能同时存在多个典型环流旋涡[26，27]。此时，位于底部的旋涡强度更加微弱。当来流与街谷轴向夹角较小，与街谷轴向几乎平行时，街谷内空气流动呈现明显的沿街谷的槽道流（channelflow），并形成所谓的峡谷效应[45]。而当背景来流方向与街谷轴向成任意夹角时，街谷内的流型可以认为是以上两种类型的组合[33]。
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