风向塑造城市运河的空间降温分布：基于PALM4U的阿姆斯特丹湍流与平流热传输大涡模拟

《Sustainable Cities and Society》：Wind direction shapes spatial cooling distribution of urban canals: Large-eddy simulation of turbulent and advective heat transport with PALM4U in Amsterdam

　　

城市水体提供基于自然的降温解决方案，然而湍流交换与平流输运在重新分配运河诱发降温中的机制性贡献尚未被量化。研究人员采用PALM4U大涡模拟（large-eddy simulation, LES）并结合真实城市几何形态，研究荷兰阿姆斯特丹的运河降温机制。该城市为高密度历史中心，其半圆形运河环使得在同一场景中可系统性研究不同风-运河夹角。模型评估基于涡度协方差（eddy covariance, EC）与城市气象站观测，结果显示感热通量、净辐射和近地表气温均具有良好性能。通过受控实验，研究人员将降温分解为湍流和平流分量，揭示降温有效性根本上取决于风-运河夹角。当风向垂直于运河时，机械驱动的街谷涡旋将水面冷空气重新分配至周边区域，在相邻路面和冠层上方，平流占总体降温效应的60%至80%，降温不对称地垂向延伸至2至3个建筑高度，并水平扩展至相邻街谷。当风向平行于运河时，缺乏跨街谷涡旋限制了重新分配，降温集中于水面附近，主要由局地感热通量减少主导。风-运河夹角不显著改变整体降温强度，而是控制降温在冠层内的空间再分配，从而产生显著的热异质性，个别街谷内温差可达1.5°C。尽管这些量级仅反映单个夏季日和阿姆斯特丹的特定形态，该机制指向一个可推广的原则：蓝色基础设施相对于夏季盛行风的方向布局，可引导降温朝向行人空间。

一、研究背景与目标
全球城市正面临由城市化和气候变化带来的日益加剧的热胁迫。城市小型水体（如喷泉、池塘和运河）作为基于自然的降温解决方案受到广泛关注，其降温机制包括蒸发冷却、感热通量减少以及水平平流输送冷空气。然而，垂直湍流交换与水平平流输运在街谷尺度重新分配热量的相对重要性仍未被量化。以往微观尺度研究多采用雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier–Stokes, RANS）模拟，该框架完全参数化湍流，无法解析对湍流输运至关重要的间歇性脉动，也未能将平流效应从平均温度场中分离出来。为此，本研究采用PALM4U大涡模拟系统（PALM for Urban applications, PALM4U LES），以阿姆斯特丹历史中心为案例，实现两个目标：其一，评估PALM4U LES在真实城市环境中的模拟性能；其二，刻画运河诱发的流动结构，分解并量化垂直湍流交换与水平平流输运的相对贡献，阐明风-运河夹角对降温空间分布的控制作用。

二、主要方法
研究采用多尺度降尺度框架：WRF（Weather Research and Forecasting）模式由ERA5全球再分析资料驱动，为PALM4U提供随时间变化的动态边界强迫；PALM4U采用双向嵌套域，水平分辨率分别为8 m（外层）和2 m（内层），垂直方向144层。为分离运河的热效应，设置参考算例（CTRL，包含真实运河）和无水算例（NOWAT，将运河替换为不透水路面），两者差异即运河的净热效应。诊断量包括分辨的湍流感热通量（H = ρc_pw′θ′）和由平均风与位温梯度计算的平流热通量，并将净效应分解为感热通量差与平流通量差之和。模型评估采用均方根误差（RMSE）、决定系数（R²）和一致性指数（IoA）三个指标，观测数据包括荷兰皇家气象研究所（KNMI）Schiphol机场站、阿姆斯特丹大气监测超级站网（AAMS）的25个自动气象站（其中5个位于LES内域）以及市中心M007涡度协方差（EC）通量塔。所有数据采集于2022年8月13日一个典型夏季反气旋日。

三、研究结果

4.1 总体特征
CTRL算例显示，白天水面上方2 m气温始终低于路面上方，峰时温差约0.5°C；夜间两者趋同。垂直方向上，近地面差异最明显，在z/z_H = 1处温差约0.6°C，至z/z_H = 4处消失。水面因粗糙度较低，近地面风速比路面高约1.2 m s^?1。

4.2 风-运河配置对比
依据风与运河夹角，选取两个代表性区域：Area I（夹角87.6°，近垂直）和Area II（夹角3.0°，近平行）。Area I街谷内形成剪切驱动的逆时针涡旋，属于典型掠流（skimming flow）状态，涡旋强度随街谷宽度变化；Area II则以热力驱动的垂直环流为主，涡旋明显较弱。两区域2 m气温均值相近（28.9°C vs 28.8°C），但空间分布不同：Area I中无运河的街谷气温显著更高，而Area II的低温区集中在运河上方。

5.1 温差
CTRL与NOWAT对比显示，运河使相邻路面2 m气温在午后最多降低约0.7°C（区域平均）。垂直范围内，降温在近地面最强，随高度衰减，夜间趋于零。空间分布上，Area I街谷内降温呈显著不对称：狭窄街谷的右侧降温可达?1.5°C，而左侧仅?0.2至?0.5°C；Area II降温分布较均匀，约?0.7°C，且横向扩散有限。垂直剖面进一步表明，Area I的降温可延伸至z/z_H = 2至3，并可进入无水的相邻街谷；Area II的降温主要局限于含运河街谷内。

5.2 感热通量差
运河显著改变地表与大气间的感热交换。午后近地面感热通量差的中位数峰值约为?20至?40 W m^?2，但空间变率极大，范围从?100 W m^?2到+20 W m^?2。Area I中，强负值（最大约?150 W m^?2）集中在水面及紧邻路面，并形成沿街谷环流延伸的羽流状结构；Area II的负值则以垂直柱状形态集中于运河上方，水平扩散较弱。

5.3 水的热平流
平流通量差分解显示，Area I运河正上方出现平流增暖，而峡谷涡旋下风侧路面出现强平流降温（最大约50 W m^?2），并沿环流路径形成连贯负羽流；Area II的平流增暖出现在水面上方，路面两侧仅有较弱降温，且缺乏连贯结构。这表明垂直于运河的风通过街谷涡旋有效实现冷空气从水面向周边区域的再分配，而平行风则限制了这种横向输运。

四、讨论与结论
平流相对贡献分析表明，在Area I的净降温区域，平流贡献占60%至80%，主导路面和冠层上方的降温；在净增暖区域，平流增暖也占主导，二者共同反映运河冷却信号的空间再分配而非系统总热量的额外移除。Area II中平流贡献较小且空间不一致，降温以局地感热通量减少为主。设计启示包括：蓝绿走廊应尽可能与夏季盛行风方向对齐；在运河走向固定的情况下，垂直于运河的建筑开口和街道通风路径可扩展有效降温区；临近运河的填充开发需评估对街谷通风的影响。本研究受限于单一夏季日、特定气象条件和固定水面温度，具体数值不宜直接外推，但湍流-平流分解框架和风-运河夹角控制降温空间再分配的机制具有可推广性。
结论可归纳为：本研究采用PALM4U LES研究荷兰阿姆斯特丹高密度历史中心区城市运河对感热分配和热传输的调控机制。模型与涡度协方差通量塔及城市气象站观测的对比显示，感热通量（IoA = 0.94）、净辐射（IoA = 1.00）和近地表气温（IoA = 0.72）均表现良好，确立LES作为量化城市地表-大气能量交换的可靠工具。通过含运河与无运河的受控实验，将热效应分解为湍流和平流分量后发现：风向垂直于运河时，机械驱动的街谷涡旋将水面冷空气重新分配至周边区域，在相邻路面和冠层上方平流贡献占60%至80%，降温不对称地垂向延伸至2至3个建筑高度、水平扩展至不含水体的相邻街谷；风向平行于运河时，缺乏跨街谷涡旋限制了横向和垂直再分配，降温集中于水面附近，主要由局地感热通量减少驱动，平流贡献较小且空间不一致。重要的是，平流在冠层内重新分配热量而非整体移除更多热量，改变的是降温发生的位置而非总量。这些发现表明，将蓝绿基础设施布局与夏季盛行风向对齐，并将运河轴向视为设计变量，有助于将降温引导至行人空间。街谷内温差可达1.5°C，说明蓝色基础设施的降温效益具有高度空间依赖性，不应假设为均匀分布。上述结论基于单个代表性夏季日和阿姆斯特丹特有的半圆形运河形态，具体数值应视为案例特定，其背后机制、即风-运河夹角通过街谷尺度环流控制降温空间分布，则具有更强的可迁移性。