丘陵状地形对下游城市建筑群风场特征的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Influence of hill-like topography on wind flow characteristics in downstream urban building arrays

　　**摘要要点：**- 系统考察了不同建筑群密度下的山脊-建筑相互作用。- 山脊诱发的流动与建筑密度的效应表现出耦合相互作用。- 空气动力粗糙度参数对采样位置表现出强烈依赖性。- 随着建筑密度的增加，山脊尾涡涡核向山脊方向偏移。---## 引言城市地区的风在行人层面的舒适度与安全性[9,45]、空气污染物扩散[33,65]、自然通风潜力[1,47]、风致雨[7,17]、城市热岛缓解[79]以及城市风能资源评估[57,63,73]等方面均发挥着关键作用。城市几何形态复杂多变——建筑密度、布局与高度各不相同——显著改变了大气边界层（ABL）的下部结构，形成高度湍流且具有空间异质性的流动条件。因此，理解这些流动特性对于实现安全、可持续且具有气候响应能力的城市设计至关重要[23,50]。现有大量研究集中于城市风场，研究区域多为平坦地形，因为城市常建于平原、河谷或沿海地区。在此类情形下，大气边界层通常假设为中性稳定分层（如[59]）并一般认为处于平衡状态。风洞试验长期以来被用于考察规则建筑群及街道峡谷中的流动发展（如[13,64]），以及真实城市街区上方大气边界层的发展（如[54]）。计算流体力学（CFD）模拟同样被广泛应用于理想化与真实城市形态下的城市风场及微气候研究（如[8,66]）。尽管实地测量在捕捉空间变异性方面存在固有局限，仍为不同尺度下的城市风特性提供了宝贵洞见[4,49]。在城市边界层（UBL）尺度上，协调推进的科研行动（如COST Action 715 [19]，包含BUBBLE [55]等大型专项）以及DAPPLE [41]等研究和高塔观测[78]，增进了对垂直风速廓线、湍流结构以及冠层—大气相互作用的认知。其他实地测量还考察了北京、首尔、香港等城市的UBL特征[25,27,51,74]。在小尺度上，近期研究聚焦于地表以上最初几米[83]或平均屋顶高度[61]范围内的近地面湍流。总体而言，这些研究在平坦上游条件下，对城市冠层流动结构、粗糙度子层行为以及湍流特征贡献卓著，但并未显式考虑地形影响。另一条主要研究线索专门关注山地地形特征（如山丘、山脊和断崖）上的风场。早期研究主要利用解析与理论模型处理简化的二维山脊和三维山丘。Queney [53]提出早期理论模型之一，描述了稳定分层条件下山体的无粘分层流动。随后，Jackson和Hunt [31]提出了著名的JH75线性模型，该模型描述低与中等坡度（坡度<20°）二维粗糙表面山脊上方的绝热湍流边界层流动。该模型可对孤立二维山脊在无流动分离情况下山脊顶部峰值风速放大效应作出准确估计。后续改进进一步扩展了该框架的适用范围[5,28,60]，同时引入非线性模型以处理陡坡山脊上的流动分离[26,67,68]。然而，线性与非线性模型在准确捕捉真实山地地形上复杂的三维尾涡结构方面仍存在局限。实地测量同样在理解地形流动格局中发挥了重要作用。早期研究开展于坡度适中的山丘之上，如Brent Knoll [42]、Black Mountain [10]、Ailsa Craig [32]、Bungendore Ridge [11]、Blashaval [43]、Nyland Hill [44]以及Cooper's Ridge [15]。近期基准研究包括Bolund Hill [6]与Belmont Hill [20]，这些研究提供了流动加速、分离及湍流结构的详细观测。在山地地区，近期研究主要聚焦于热浪动力学（如[70,72]）、风能评估（如[71,80]）以及风对土木基础设施的影响（如[46,75]）。过去数十年，大量风洞试验和数值模拟进一步考察了地形特征与几何形态的影响。风洞研究表明，地表粗糙度会改变山丘和山脊上方的流动分离与尾流发展[3,36]。大涡模拟（LES）研究证明，坡度陡度主导了背风侧回流区的范围[12,39]。二维山脊与三维山丘之间的差异也得到考察[22,37,39]。近期研究综合利用CFD模拟和风洞试验考察地形—城市气流耦合问题。Li等人[35]利用CFD模拟香港九龙湾山地城市区域的流动，其场地几何由GIS数据获取；Zhao等人[81]则将中尺度数值天气预报（NWP）模型与微尺度CFD模型耦合，用于模拟台风事件中山地地形上的城市风况。LES也被应用于真实城市场地。Coburn等人[14]对比了南安普顿大学校园在真实地形与平坦地形上的气流情况；Talwar和Yuan [62]考察了新加坡一处高密度住宅区中自然地形的影响。风洞试验也被用于刻画丘陵城市环境中的风场特征。Yu等人[76]考察了上游城市发展带长度的影响；Yu等人[77]与Li等人[36]考察了山地地形与城市暴露条件复合作用下的风特性。这些研究共同深化了对复杂地形与城市区域上空气流的认识。然而，现有大量理想化研究聚焦于固定的建筑布局，而在固定地形条件下，下游建筑密度对尾流穿透、湍流再分配及空气动力参数的系统性影响仍未得到充分量化。总体而言，现有研究为真实与理想条件下地形—城市气流相互作用提供了宝贵洞见，但仍存在一个具体的研究空白：即在保持山脊几何形状和来流条件一致的前提下，系统分离下游建筑密度的影响。这一空白正是本研究采用控制性LES研究的方法动机。在实际中，许多城市位于山丘或山脊类地形的下游，来流受到地形诱发的加速和分离的强烈影响。这些被改变的来流条件会显著影响下游城市区域的平均流动和湍流特性。图1给出了位于复杂地形之上的城市区域示例，展示了真实环境中地形效应与不同城市密度共存的现象。针对具体真实场地的研究对于理解复杂地形下的城市风况至关重要。然而，在这些情况下，地形几何、来流条件和城市形态往往同时变化，这使得难以分离单个参数的影响，也难以识别控制地形—城市气流相互作用的内在机制。因此，理想化构型提供了一种有效手段，可分离单一因素并系统考察上游山脊诱发流动与下游建筑群之间的相互作用。Zhu等人[82]在保持下游建筑布局固定的前提下，考察了山脊高度与坡度的影响。在此基础上，本研究保持山脊几何恒定，系统研究从低密度郊区到高密度城市形态的下游建筑群密度。通过对比孤立山脊、平坦地形上的建筑群以及二者复合构型，本研究考察了从山脊主导流动到冠层修正流动的下游调整过程，以及与之相伴的尾流穿透与恢复、湍流再分配、回流结构和空气动力参数变化。由此得到的密度相关趋势有助于澄清本研究理想化构型下的山脊—建筑相互作用，并可为更复杂丘陵城市流动的解释提供支持。本文其余部分安排如下。第2节介绍数值方法与建模设置，包括几何构型、计算域、边界条件、网格生成、数值设置以及LES结果的验证。第3节讨论流动特性和地形—城市相互作用，重点关注平均速度场与湍流强度场、空气动力粗糙度参数以及尾流回流行为。最后，第4节总结本研究的主要发现与结论。---## 章节摘要### 几何构型与计算案例采用均匀分布的立方体块表示城市建筑群，并设置四个密度等级。传统上用于刻画城市形态的两个关键形态参数分别为平面面积分数（λ_P）和前视面积分数（λ_F）——见图2a。平面面积分数λ_P定义为总建筑面积占地面积（即ΣA_P）与总地表面积（即ΣA_r）之比。在某一特定风向下的前视面积分数（λ_F）为……### 流动特性与地形—城市相互作用本节详细分析山脊下游不同建筑密度等级下（即构型DB-0.04、DB-0.10、DB-0.30和DB-0.50）建筑群上空的流动特性。分析重点关注平均速度分布、湍流强度廓线以及山脊尾流结构。为便于对比，相应的孤立山脊（Case R）和孤立建筑群构型（Cases IB-0.04、IB-0.10、IB-0.30和IB-0.50）也被……### 总结与结论本研究利用LES系统地考察了山脊—城市构型对丘陵城市下游城市风场的影响。通过揭示下游建筑密度如何在理想化山脊几何、规则城市布局和中性ABL条件下调节地形修正后的来流，本研究为理解耦合的地形—城市系统提供了洞见。在该框架下，可得出以下主要结论：1. 在所研究的构型下，平均风速……### 利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 数据可用性数据可在请求时提供。### CRediT作者贡献声明**Jia Tang（汤佳）：** 论文初稿撰写、软件、概念构思。**Jianhan Yu（俞剑翰）：** 项目管理、概念构思。**Hatem Alrawashdeh：** 论文审阅与编辑、数据整理。**Alessio Ricci：** 论文审阅与编辑、软件。**Zhongwei Shen（沈中伟）：** 方法学。**Yingzi Zhong（钟英姿）：** 验证、数据整理。作者：Jia Tang | Jianhan Yu | Hatem Alrawashdeh | Alessio Ricci | Zhongwei Shen | Yingzi Zhong