城市下垫面阻力参数化研究
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摘要
在城市化及全球气候变化背景下,我国城市人口、资源和环境的矛盾日益突出,城市人居环境正处在崩溃的边缘,严重影响到居住环境的舒适性和身心健康。例如,城市人口的高度集中带来人们生活消费的相对集中,使污染物排放相对集中,城市地区PM2.5浓度高于郊区和农村。城市气候的形成与城市规划和建设紧密相关,城市土地利用与开发建设造成特殊的、复杂多变的城市气候,其典型特征表现为城市内部越来越密不透风,静风以至无风日数越来越多,中国大部分城市已表现出静风特征。静风、无风状态的大气稳定导致城市内部高温异常区域增多,污浊空气扩散困难,雾霾、灰霾日数增多。这些由于气候环境恶化给城市发展带来的负面环境问题有待通过改善城市规划与建设方法来改良。运用城市规划的方法,调整城市发展模式以及建筑、绿地、水体等区域的空间布局来改善城市内部的自然通风,创造适宜的城市环境,更好地为城市居民生活服务,对于实现城市的宜居可持续发展具有相当重要的意义。根据研究对象不同尺度的特点,城市大气环境数值模拟技术可分为城市尺度(中尺度)和局域尺度(小区尺度)数值模式,而城市尺度大气运动又被更大尺度大气运动控制。模拟尺度越大,意味着对城市冠层下垫面结构和污染源的模型处理越粗糙,难以与城市大气环境检测站的观测结果耦合,完成高分辨率分析研究。事实上,城市区域及更大尺度模拟精度的提高取决于对大气复合污染的物理化学过程认识的深入程度。基于城市大气边界层观测和数值模拟耦合的研究,是深入理解大气复合污染与大气物理过程相互作用关系的突破口之一。下垫面的复杂多样性使得在数值模拟中采用不同简化程度的各种数学模型。将城市下垫面复杂的地形简化成多孔介质模型,多孔介质模型中,对标准的流体流动控制方程中的动量方程增加了额外的源项来表示多孔介质。Belcher和Coceal应用附加阻力方法对城市风环境进行数值模拟。至今为止,该方法只能模拟规则的建筑群,很难针对真实城市下垫面得到较准确的结果。本文提出一种新的多孔介质阻力源模型,可以较准确的描述城市下垫面不同障碍物的分布特征。
引文