城市异质性如何塑造近地面风场：方向条件统计重建方法在中国南京城市通风分析中的应用

《Sustainable Cities and Society》：How urban heterogeneity shapes near-surface wind fields: Direction-Conditioned Statistical Reconstruction for urban ventilation analysis in Nanjing, China

　　

•方向条件统计重构（DCSR）利用 165 个站点绘制 10 米高度风场。
•重构结果比中尺度模型更贴近观测数据。
•在特定方向下，河流段和开阔郊区显示风速更快、响应更早。
•密集建成区显示风速较弱、响应延迟且风向改变。
•研究结果支持方向敏感的通风廊道规划。

引言
快速城市化通过密集的建筑群、复杂的路网以及交错的水体和地形改变了城市下垫面。这些特征形成了异质性的城市冠层，在多个空间尺度上改变了近地表风环境（Zhao 等，2023；Zhou 等，2015）。城市通风影响污染物扩散、热岛缓解和室外热舒适度，因此与环境可持续和社会韧性城市发展密切相关（Hang & Li, 2010；Li 等，2021；Yang, Shi, Xia 等，2020；Yang, Shi, Zheng 等，2020）。密集建成区可能阻碍气流，而河流、开阔地和其他低粗糙度表面可促进通风并改变城市扩散热量和污染物的能力（He 等，2022）。因此，表征这些空间分异的风响应对于面向通风的城市规划和气候适应至关重要（He 等，2022；Yuan & Ng, 2012；Yuan 等，2014）。

尽管已有既定的物理理解，但规划相关的城市尺度风信息仍难以获取。城市通风评估需要比点观测或区域平均风更多的内容：需要空间连续的近地表风场，以揭示在特定背景风条件下响应时间偏差、响应风速偏差和响应风向偏差的空间模式。此类方向条件信息有助于识别优先通风路径、持续阻滞区和系统性气流偏转区（Xie 等，2022）。然而，常规观测在空间上仍是离散的，而规划应用需要站间异质风响应的连贯表征。

已通过几种基于模型和外推的方法获取城市风信息，利用不同的空间信息来源生成或更新连续场。基于观测的临近预报和外推可提供快速的短期更新，但其空间表征受站点覆盖范围限制，且性能可能随天气条件演变而下降（Schlink & Tetzlaff, 1998；Torres 等，2005）。中尺度数值模型，如天气研究与预报模型（WRF），提供连续的区域风场并表示大规模气象强迫（Santiago & Martilli, 2010）。然而，其对城市内部近地表异质性的表征受网格间距和城市参数化限制，特别是在建筑配置和本地表面对比空间复杂之处（Xie 等，2020）。计算流体力学可解析建筑物周围详细的流动结构，非常适合局部设计研究（H?gbo & Giljarhus, 2024；Marciotto & Fisch, 2013；Shen 等，2015；Toja-Silva 等，2018），但其计算需求和边界条件依赖限制了其在大型城市域和多种气象情况下的常规应用。因此，这些方法解决了互补的空间尺度和决策背景。

相关研究领域探索了观测 - 分析融合方法，将站点观测与连续模型、再分析或客观分析场相结合。Wang 等（2024）应用本征正交分解 - 线性随机估计（POD–LSE）将局部客观分析数据与地表观测融合，通过站点数据估计模态系数以扩展城市风速数据库。Wang 等（2025）将该框架扩展至东京的长期温度和湿度场重构。在这些方法中，连续背景场提供了从中导出主导模态或结构的空间先验，而观测则约束重构。因此，这一路线与基于站点的重构互补，后者直接从未长期观测中推导城市内部空间响应模式，而不调用外部连续场作为空间先验。

在此方法学背景下，我们提出了一种观测驱动的统计重构框架，其在数据基础和计算策略上不同于上述方法。该框架不使用外部连续场作为空间先验，也不在更细的模型网格上显式解析城市流动，而是利用密集站点网络的长期观测，表征在不同风向下局部风响应相对于区域背景流的变化。它旨在通过为城市通风分析和规划提供计算高效的近地表空间响应的方向条件表征，来补充中尺度建模、计算流体力学和观测 - 分析融合。

基于这一概念，我们开发了方向条件统计重构框架（DCSR）。DCSR 首先从长期观测中提取方向条件的站点响应模式，表达为单个站点相对于相应方向条件下区域平均背景风矢量的典型风速和风向偏差。这些基于站点的模式通过三角形插值插值为连续空间图。在按空间平均风速归一化后，这些图可根据特定事件的背景风条件进行缩放，以重构相应的近地表水平风场。事件选择、响应指标定义和空间插值的详细程序见方法部分。

由于方向条件图源自特定高度的观测，其解释和前瞻性扩展本质上是高度特定的。在当前实施中，DCSR 重构 10 米高度的近地表风，这与用于构建历史图的观测高度一致。只有当相应高度的风观测可用以建立高度特定的方向条件响应模式时，同样的方法论逻辑才能扩展到其他垂直层次。因此，本研究对低空应用的贡献在于提供了一种方法框架，当纳入飞行相关高度的相应风观测时，可计算高效地重构高度特定的平均风场。此类场可提供背景流语境，但运行中的城市空中交通评估还需要高度分辨、三维、时间变化的阵风、湍流、垂直风切变、垂直速度、快速空间变异性及相关不确定性信息（Jia 等，2026；Veiga-Pi?eiro 等，2025）。

以中国南京为案例研究，我们利用 165 个自动气象站收集的多十年观测构建了方向条件响应图。主城区的 48 个代表性站点支持基于事件的观测 - 重构一致性评估。检查了与对比背景方向相关的四次风入侵事件，使用了响应时间偏差、响应风速偏差和响应风向偏差。还将 DCSR 估计值与 WRF-Chem 输出作为中尺度参考进行比较，从而评估方向条件基于站点的重构和区域数值建模提供的互补信息。本研究考察了这些空间响应是否能为在对比背景风方向下识别通风廊道和空间分异的通风约束提供定量证据。

本文其余部分组织如下。第 2 节描述研究区域、观测数据、事件识别、DCSR 框架、WRF-Chem 中尺度参考和评估指标。第 3 节呈现重构的风场及其基于事件的评估。第 4 节总结主要发现、其对方向敏感通风规划的影响以及框架的局限性和未来扩展。

章节片段
数据与方法
方法学框架包含三个关联阶段：定义特定事件的背景风条件和响应指标；构建方向条件响应图并重构事件风场；以及开展基于事件的观测 - 重构一致性评估。
首先，利用第 2.1 节描述的 165 个站点基准网络，我们识别历史稳定风期并从 2018–2020 年选择四个代表性的背景风入侵事件（第 2.2 节）。
背景风入侵过程的空间时间特征
以下比较应结合 DCSR 和 WRF-Chem 提供的不同空间表征进行解读。对于四个案例事件，DCSR 重构的场使用约 400 米的输出网格显示；标称的 100 米网格仅指可能的输出采样间隔。DCSR 提供了受站点信息的城市冠层异质性相关局部平均风变异的统计重构，而 WRF-Chem 具有 9 公里网格间距，以及结论

结论
本研究利用南京 165 个站点的多十年观测开发了方向条件统计重构（DCSR）框架。它提取了方向条件的站点响应模式，描述站点对背景风方向在风速、风向和响应时间上的响应。在 10 米高度，归一化图根据特定事件的背景风条件进行缩放，以重构水平风场，提供受站点信息的城市内部风表征

通俗语言摘要
城市中的风影响热量和空气污染物扩散。河流、开阔地、丘陵和密集建筑在不同风向变化下对近地表风的改变不同。区域天气模型描述更广泛的天气状况，而详细的气流模拟可能计算需求大。其他方法将站点数据与外部连续风图相结合。单个站点无法显示风如何跨越城市变化。我们开发了方向条件统计重构

数据可用性声明
数据可按要求提供：https://doi.org/10.5281/zenodo.18949591

CRediT 作者贡献声明
Zhenxin Liu 和 Zifeng Rao 对本工作贡献均等。
Zhenxin Liu：概念化、形式分析、方法论、项目管理、资源、验证和撰写 - 审阅与编辑；Zifeng Rao：数据管理、调查、方法论、验证、可视化和撰写 - 初稿；Weimin Li：数据管理、方法论和可视化；Xuanhui Zhong：形式分析、方法论和验证；Junjie Zhang：手稿修订和编辑、验证；Yuanjian
CRediT 作者贡献声明
Zhenxin LIU：撰写 - 审阅与编辑、验证、资源、项目管理、方法论、形式分析、概念化。Zifeng RAO：撰写 - 初稿、可视化、验证、方法论、调查、数据管理。Weimin LI：可视化、方法论、数据管理。Xuanhui ZHONG：验证、方法论、形式分析。Junjie ZHANG：撰写 - 审阅与编辑、验证。Yuanjian YANG：资金获取、数据管理。Jianpin GUO：撰写 - 审阅与
声明无利益冲突
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金创新研究群体项目（42521006）和京津冀区域综合治理环境改善 - 国家科技重大专项（2025ZD1201601）的支持。
我们感谢南京信息工程大学高性能计算中心对本工作的支持。

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