风雨耦合作用下城市树木近实时损毁预警：预测框架与案例研究

为解决城市树木在风雨耦合荷载下的损毁风险预测难题，研究人员提出了一种整合CFD（计算流体力学）模拟与树木破坏机理模型的新型预警框架。该研究首次量化了暴雨对树木气动特性及根-土锚固强度的双重影响，通过北京典型城区的案例验证，证实土壤饱和状态可使树木抗损能力骤降。成果为城市树木安全管理提供了可视化决策工具，发表于《International Journal of Disaster Risk Reduction》。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，极端风雨天气频发，城市树木损毁事件日益成为威胁公共安全的隐形杀手。2018年超强台风“山竹”横扫香港时，6万余棵树木倒伏导致交通瘫痪的惨痛教训仍历历在目。然而，当前树木抗风评估模型如HWIND、GALES等主要针对森林生态系统，难以应对城市建筑群导致的复杂气流场；更关键的是，传统模型完全忽略了暴雨对树木稳定性的致命影响——澳大利亚学者Moore的实地调查显示，56.3%的倒伏树木基部存在积水，而持续暴雨中这一比例飙升至90%以上。这种“风雨双杀”效应，正是当前城市树木安全管理的盲区。

针对这一双重挑战，北京某高校联合研究团队在《International Journal of Disaster Risk Reduction》发表突破性成果。研究创新性地将Gu等开发的近实时风场预测系统与风雨耦合破坏模型相结合，构建了全球首个城市树木损毁预警框架。关键技术包括：基于RANS标准k-ε模型的CFD城市风场模拟、考虑降雨影响的根-土锚固强度修正算法，以及整合树木形态参数（胸径、树高、冠幅）与木材力学特性的破坏阈值计算模型。

工作流程与方法学
研究团队设计四步预警框架：首先建立风雨耦合破坏模型，量化降雨对树冠质量动态和根-土界面剪切强度的削弱效应；其次通过CFD构建包含216种建筑布局场景的数据库；随后采用基于PCA（主成分分析）的降维技术实现秒级风场预测；最终输出可视化风险地图。北京某典型街区的验证显示，系统可在2分钟内完成500棵树木的风险评估。

数值模型验证
采用建筑风工程学会（AIJ）风洞数据校验CFD模型精度。对比10个监测点的风速比发现，RANS标准k-ε模型误差控制在8.2%以内，特别在建筑尾流区仍保持较高准确性。树木破坏模型的验证则通过对比现场倒伏记录完成，预测误差仅为±1.3m/s。

案例研究
北京案例揭示三个关键发现：1）土壤饱和状态下，根-土锚固强度下降42%，导致抗倾覆临界风速(CWS_up)降低31%；2）胸径<30cm的树木占倒伏风险的73%，而树高/胸径比>80的个体更易发生干折；3）忽略降雨影响会高估树木抗性达28%，尤其在低渗透性黏土地带。

结论与意义
该研究首次实现城市树木风雨耦合风险的近实时预警，突破传统模型在复杂城市环境中的适用性瓶颈。创新点体现在：1）建立首个整合降雨-土壤-树木力学链的破坏模型；2）开发基于CFD场景库的分钟级预测技术；3）揭示树高/胸径比是比木材弹性模量更敏感的预警指标。成果已应用于北京市行道树智慧管理系统，为极端天气下的应急决策提供科学依据。正如通讯作者Jing Wang强调：“这项技术让市政部门能在台风登陆前6小时精准定位高风险树木，将防灾响应效率提升40%。”未来研究将进一步融合物联网实时土壤湿度监测，构建更动态的预警体系。