低风条件下建成环境中蜿蜒流动的分析

《Atmospheric Research》：Meandering analysis under low wind conditions in built-up environment

　　

研究人员利用邻近站点的观测资料研究了建成环境对蜿蜒流动的影响，并在相同的中尺度气象条件下对开阔环境与建成环境进行了对比。结果表明：在开阔区域，稳定与不稳定大气条件下蜿蜒流动的出现概率相近；在建成环境中夜间出现频率增强，且不稳定条件下蜿蜒周期更短。蜿蜒强度以及水平与垂直风速分量标准差之比在湍流动能(TKE)阈值以上受微弱影响，而在阈值以下显著增大。研究人员开发了一种基于欧拉自相关函数(EAF)的低风条件数据处理新方法，以更好地刻画与蜿蜒流动相关的振荡特征。

研究背景与立项依据

在大气扩散研究中，低风速度（通常定义为平均风速U_mean≤2 m s^?1，或U_mean与水平湍流速度标准差σ_u相当）被认为是最临界的条件之一。随着风速降低，次中尺度运动（如蜿蜒流动、重力波、冷池排水流）显著增大风向变率。蜿蜒流动表现为低频水平风振荡，周期可达半小时以上，与大气稳定度、地形、地理位置无严格绑定。既有研究多通过异地站点（如意大利与巴西）或单点不同高度对比来分析蜿蜒流动，难以排除次中尺度结构差异的干扰；同时传统基于指数衰减的自相关函数无法刻画低风下水平风分量的负环振荡特征。为厘清建成环境（建筑群粗糙次层）对蜿蜒流动发生概率、周期、强度及与湍流耦合关系的影响，研究人员在法国巴黎南部SIRTA（Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique）观测站选取同一中尺度背景下“建成区Z4b”与“开阔区Z1”双区域、多高度（30 m基准层及3 m/10 m）三年超声风速仪数据，开展对照分析。该文发表于《Atmospheric Research》。

主要技术方法

研究人员采用SIRTA站Z4b（周边建筑高5–30 m，30 m超声仪位于惯性次层下部）与Z1（距建筑300–400 m平坦草坪）同步观测数据，以30 m高度U_mean≤2 m s^?1判定低风事件，按10分钟滑动取2小时重叠切片；对水平风分量做坐标系旋转与去趋势后，用改进的四步算法拟合Frenkiel模型R_x(τ)=exp(?pτ)cos(qτ)：先限定物理参数空间，再以皮尔逊系数筛选振荡段最优(p,q)候选，继以最小二乘定参，最后用负环极小值R_min≤?0.2与m=q/p>1联合判据区分非蜿蜒/准蜿蜒/蜿蜒。湍流动能(TKE)与莫宁–奥布霍夫长度L取5分钟块中位数以隔离次中尺度贡献；稳定度按z/L五类划分。

研究结果

5.1 蜿蜒流动发生与时间尺度

在Z4b低风事件占16%、Z1占12%；建成区Z4b夜间蜿蜒频率明显高于开阔区Z1，且不稳定层结下周期更短。同一区域30 m层蜿蜒占比高于3 m/10 m层，表明建筑粗糙次层抑制大尺度水平摆动。蜿蜒周期T^?=2π/q多落在15–60分钟。

5.2 蜿蜒强度与流参数关系

蜿蜒强度（以R_min绝对值计）随TKE增大呈两段行为：TKE高于阈值时变化平缓，低于阈值时急剧上升；水平/垂直风速标准差比σ_h/σ_w亦在TKE阈值下显著抬高，印证低摩擦下大涡寿命延长假说。

5.3 低风起伏与湍流影响

σ_h取2小时窗含蜿蜒贡献，TKE取5分钟中位数排除之；数据显示蜿蜒振幅随平均风速减小而放大，但与净辐射日变化无一一对应。

5.4 热稳定度影响

按z/L分层后，开阔区Z1稳定与不稳定条件蜿蜒概率相近；建成区Z4b不稳定类蜿蜒略减、稳定类夜间频发。L在2小时窗内波动大，用1/L中位数较单次估计更稳健。

5.5 建成环境与高度效应

Z4b的3 m层因建筑尾流与遮挡，EAF负环浅、m_u,v常不达标；30 m层负环清晰。Z1的10 m与30 m差异小。说明测量高度是否脱离粗糙次层（约2倍建筑高≈30 m）是决定EAF法可靠性的前提。

讨论与结论翻译

讨论指出，既有异地对比研究混淆了次中尺度背景差异，而本研究同址双环境设计首次在控中尺度条件下给出建成环境效应：建筑群通过增加夜间稳定层结滞留与阻碍大涡平流，使蜿蜒更频但周期压缩；EAF负环深度可作为低风下各向异性湍流强度的替代指标。结论为：低风蜿蜒流动在开阔区对稳定度不敏感，在建成区呈夜间增强、不稳定期缩短；强度与σ_h/σ_w在TKE阈值下突变；所提耦合皮尔逊系数的EAF拟合流程能稳定捕获负环，为城市边界层扩散参数化提供新工具。