《Building and Environment》：Field measurements of pedestrian-level wind speed and turbulence in dense urban areas
编辑推荐：
•现场测量在40赫兹的频率下捕捉了行人高度的风速和湍流情况。•利用多元线性回归（MLR）量化了气象因素和建筑形态的影响。•建筑形态对风速变化的影响大于气象因素。•TKE（湍流动能）的驱动因素从晴朗稳定的气象条件转变为多云不稳定的建筑形态。•行人风速评估应考虑建筑形态、大气稳定性和
- •
现场测量在40赫兹的频率下捕捉了行人高度的风速和湍流情况。
- •
利用多元线性回归（MLR）量化了气象因素和建筑形态的影响。
- •
建筑形态对风速变化的影响大于气象因素。
- •
TKE（湍流动能）的驱动因素从晴朗稳定的气象条件转变为多云不稳定的建筑形态。
- •
行人风速评估应考虑建筑形态、大气稳定性和天空状况。
引言
根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，城市居民已经占全球人口的一半以上，预计到2050年这一比例将上升至65%以上[1]。这一趋势使得行人高度处的环境条件成为日常户外活动和公共卫生的实际问题。行人高度的环境通常指地面以上1.5–2.0米范围内的风速、温度和空气质量[2]。风是这一环境中的关键因素，它影响自然通风和室外热舒适度[[3],[4],[5],[6]]。此外，城市风还影响污染物的扩散和稀释，从而影响行人接触空气污染物的程度[7,8]。因此，了解行人高度的风环境对城市环境质量和公共健康至关重要。
行人高度的风环境可以通过平均风速和湍流特性来描述。平均风速是指在选定时间段内的平均风速和风向。平均风速指标被广泛用于评估不同室外条件下的城市通风和行人的风舒适度[[3],[4],[5]]。Blocken等人[4]根据年平均风速超过5米/秒的时间百分比，定义了五个行人风舒适度等级，并将这一方案应用于埃因霍温理工大学校园内的评估。同时，Mohamed[3]使用平均风速作为评估指标，研究了具有点状、线状和组团式建筑布局的住宅区的城市通风情况。除了平均风速，行人高度的湍流也很重要。行人高度的湍流决定了风速的波动和阵风[9,10]。较强的阵风会降低风舒适度。例如，Li等人[11]通过风洞实验发现，在城市建筑群后方的阵风风速比上游区域增加了34.16%，风舒适度等级从建筑前方的“长时间坐着”降到了建筑后方的“无法忍受”。此外，风阵和湍流波动会增加污染物浓度的短期变化，从而影响暴露风险评估[8,12]。Wang和You[8]使用数值模型和多种湍流建模方法计算了通用建筑阵列和真实城市布局中的污染物扩散情况，他们发现能够更精确地模拟湍流的模型能提供更好的浓度结果。因此，深入理解城市风环境需要同时考虑平均风速和湍流特性。
现场测量在城市风研究中被广泛使用，因为可以直接在城市环境中获取风数据。许多研究在街道或建筑物附近的选定位置放置单个风速计来测量风速和风向[[13],[14],[15],[16]]。也使用风速计阵列。多个传感器可以安装在杆或框架上，以评估空间变化并获得详细的风分布[17,18]。例如，Ma[15]在冰岛雷克雅未克一个院子的四个位置放置了四个微型气象站，报告了该院子的风分布情况。Christen等人[18]在瑞士巴塞尔的一条街道上安装了两根高度分别为32米和38米的杆，每根杆上安装了六个风速计，以测量街道峡谷内的垂直风分布。除了记录平均风速和风向，高采样频率运行的风速计还可以捕捉风速波动，并计算湍流参数，如湍流强度（TI）和湍流动能（TKE）[19,20]。例如，Zhou等人[20]在建筑群后方使用超声波风速计进行了现场行人高度风速测量，收集了四个风分量，测量频率为4赫兹。这些测量结果描述了湍流强度及其对人体对流热传递的影响。总体而言，高采样频率运行的风速计对于获取城市环境中的风速和湍流信息非常重要。
尽管已有大量的关于城市风速和湍流的现场测量报告，但许多研究的观测数据收集的高度远高于行人高度[19,21,22]。例如，Gao等人[21]在雷丁大学校园内使用安装在地面以上3.5米处的风速计测量了风况。Wang等人[22]在华盛顿大学中央校区使用安装在地面以上12.5米和21.9米处的两个屋顶式超声波风速计进行了现场测量。然而，先前的研究表明，由于建筑物布局复杂，远离地面的风况无法准确反映行人高度的风环境。Sun等人[23]发现，建筑物密度和高度的变化使城市冠层内的风速降低了25–35%，而上层空气的风速变化则小得多（5-10%）。然而，同时描述行人高度风速和湍流特性的现场测量仍然有限。Li等人[24]使用安装在地面以上1.5米处的杯形风速计测量了行人高度的风速。收集的数据以1赫兹的频率进行分析，研究重点是水平风速而非湍流特性。Maing等人[25]在地面以上1.75–2.0米处测量了风速，但采样间隔为1秒，这限制了湍流特性的分析。Zou等人[13]在悉尼的三个城市公园中使用20赫兹的超声波风速计测量了0.6米至1.8米高度的湍流强度（TI），但没有报告平均风速。因此，由于缺乏适当高度和采样频率的现场证据，城市区域的行人高度风速和湍流状况仍不够清楚，需要更多的行人高度测量。
尽管之前的研究通过现场测量研究了城市风环境，但具有足够高时间分辨率的同时描述风速和湍流的行人高度观测数据仍然有限。本研究的主要贡献是基于高频风速测量提供了行人高度风速和湍流特性的现场证据。测量数据使得能够分析行人高度风特性的时间变化和空间差异，并进一步研究了气象条件和建筑形态对观察到的变化的影响。具体来说，本研究旨在：（1）基于高频现场测量描述行人高度风速和湍流特性；（2）探讨气象条件和建筑形态与观察到的行人高度风速和湍流变化之间的关联，以进一步了解密集城市区域的风况。为了实现这些目标，本研究在香港九龙的一个面积为578米×560米的公共住房区进行了现场测量。选择了四个地点来代表不同的建筑形态。在每个地点，将一个超声波风速计安装在地面以上1.6米处，并以40赫兹的频率记录了三个风分量。2025年1月至7月期间完成了十二次测量活动。然后使用10分钟平均风速、湍流动能（TKE）和湍流强度（TI）来量化风速和湍流特性，并分析了不同地点之间的空间变化和活动期间的时间变化。为了进一步研究测量中观察到的变化的原因，应用了多元线性回归（MLR）来检验气象条件和建筑形态对行人高度平均风速和湍流的解释能力。气象数据来自最近的气象站（Kai Tak站），包括10分钟平均风速、气温、太阳辐射和大气稳定性状况。
章节片段
方法论
为了收集城市区域行人高度的风速和湍流数据，选择了香港九龙地区作为具有复杂和密集城市形态的代表性研究背景[26]。使用超声波风速计在公共住房区进行了现场测量。选择了四个测量地点来代表不同的建筑形态，包括一个院子、一个街道峡谷和两个半封闭空间。
测量期间的气象条件
为了分析行人高度风速和湍流的分布和时间变化，首先获取了测量期间的背景气象条件。先前的研究表明，行人高度的风速受到天气系统和局部热条件的共同影响[37]。因此，选择了距离研究区域最近的Kai Tak（KT）气象站（约1.5公里）作为参考站（图3(a)）。KT的背景数据包括
结果
为了研究测量期间行人高度风速和湍流的空间和时间变化，比较了四个测量地点的风玫瑰图（基于10分钟平均风速和风向）、湍流强度（TI）和湍流动能（TKE）。还分析了每个地点的概率密度函数（PDF），以描述10分钟平均行人高度风速的分布。随后，应用了多元线性回归
讨论与局限性
在这项研究中，我们调查了香港九龙一个公共住房区行人高度风速和湍流的特性及其影响因素。该地点代表了典型的高密度城市环境，平均建筑高度接近100米。仅使用气象变量的回归模型对行人高度风速的解释能力有限，R2值在0.15–0.18的范围内。一致地，估计的解释能力
结论
本研究旨在使用超声波风速计通过现场测量来研究城市区域行人高度的风速和湍流特性。选择了香港九龙的一个公共住房区作为研究区域，并选出了四个具有不同建筑形态的测量地点。测量时间安排在白天10:00至17:00，涵盖了不同的天空状况和大气稳定性条件。
作者贡献声明
Jue Wang：撰写——原始稿、方法论、调查。Wei Wang：调查。Rui Zhao：调查。Ruoyu You：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹集。
Jue Wang|Wei Wang|Rui Zhao|Ruoyu You
