气候与环境研究  2019, Vol. 24 Issue (1): 22-36   PDF    
基于高分辨率数值模拟的杭州市通风廊道气象效应研究
刘红年1 , 贺晓冬2 , 苗世光2 , 俞布3 , 危良华4 , 王学远1     
1 南京大学大气科学学院, 南京 210023;
2 中国气象局北京城市气象研究所, 北京 100089;
3 杭州市气象局, 杭州 310008;
4 浙江工业大学建筑规划设计研究院, 杭州 310014
摘要: 城市通风廊道能增加城市空气流通能力,缓解城市热岛,为了定量评估城市通风廊道的气象效应,本文采用区域边界层化学模式(RBLM-Chem),利用杭州市高分辨率地表类型、城市建筑等资料,开展了杭州市通风廊道影响的模拟研究,模式水平分辨率为250 m。本文针对冬季和夏季两个典型个例进行数值模拟和敏感性试验,夏季个例时间为2013年8月12日,盛行南风,风向顺着通风廊道;冬季个例时间为2014年1月28日,盛行东风,风向垂直于通风廊道。主要结论如下:城市绿色通风廊道有增加风速、降低气温、提高湿度的作用,与没有通风廊道的情况相比,夏季风顺着廊道方向时,廊道区域风速平均增加可达1.4 m/s,廊道区域内60 m高度风速平均增加可达1 m/s。而冬季风垂直于廊道时,廊道区域风速增加较小,仅有0.5 m/s左右。通风廊道夏季降温幅度平均可达2.7℃,冬季降温幅度较小,仅有0.6℃左右。通风廊道对气象场的影响随风向向下游延伸,夏季在通风廊道下游250 m处,风速增加、气温下降、相对湿度增加最大值分别为1.5 m/s、2.9℃、3.1%,即使在通风廊道下游1500 m处,最大降温仍有1.2℃。
关键词: 杭州      城市气候      城市通风廊道      RBLM-Chem模式     
A Study on Meteorological Effect of the Hangzhou Ventilation Corridors Based on High Resolution Numerical Simulation
LIU Hongnian1, HE Xiaodong2, MIAO Shiguang2, YU Bu3, WEI Lianghua4, WANG Xueyuan1     
1 School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023;
2 Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089;
3 Hangzhou Meteorological Office, Hangzhou 310008;
4 Institute of Architecture Design and Planning, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014
Abstract: Urban ventilation corridors can increase urban air liquidity capacity and relieve the urban heat island. In order to quantitatively evaluate the meteorological effects of urban ventilation corridors, the regional boundary layer chemistry model (RBLM-Chem) was used to analyze meteorological effects of the ventilation corridor under different weather types based on the dataset of high resolution surface types and urban buildings in Hangzhou. The horizontal resolution of the model is 250 m. The results indicate that the urban ventilation corridor can increase wind speed, decrease temperature, and increase humidity. Compared with the situation that the ventilation corridor is absent, wind speeds at the surface and 60-m height in the corridor area increase by 1.4 m/s and 1 m/s, respectively. In the summer, temperature in the corridor area can decrease by 2.7℃ due to the cooling effect of the ventilation corridor. This value is much higher than that in winter, which is only about 0.6℃. At 250-m downstream of the ventilation corridor, the maximum values of the increments of wind speed, temperature, and relative humidity are 1.5 m/s, -2.9℃ and 3.1%, respectively. Even at 1500-m downstream of the ventilation corridor, the maximum temperature increments can still reach up to -1.2℃.
Keywords: Hangzhou     Urban climate     Urban ventilation corridor     RBLM-Chem model    

1 引言

改革开放以来,伴随着城市化进程的加速,我国经济快速发展。杭州作为长三角城市群中的特大中心城市,也出现了城市规模明显扩大,城市功能日趋多样,城市人口迅速增加的城市发展特点。随着城市规模的扩大,城市建筑密度和高度的增加,城市人为热及污染物排放的加剧,一方面,城市建设发展对城市局地气候影响效应日趋凸显,形成城市暖干化、极端暴雨增加、通风不畅等城市特有的气候现象;另一方面,城市气候影响城市能源消费、人体健康、生态环境等城市生命线运行和市民生活的方方面面,并衍生出如城市热岛、城市雾霾和城市积涝等“城市通病”。

城市通风廊道的构建是提升城市空气流通能力、缓解城市热岛、改善人体舒适度、降低建筑物能耗的有效措施,对局地气候环境的改善有着重要的作用。

德国学者Kress(1979)最早根据局地环流规律提出了下垫面气候功能评价标准,将城市通风系统分为作用空间、补偿空间与空气引导通道即风道,风道的气候调节功效取决于通道表面粗糙度、长度、宽度、边缘状态与障碍物等因素,这被作为德国城市通风道规划的思想基础。Mayer et al.(1994)将空气引导通道分为3类:通风通道、新鲜空气通道与冷空气通道,并认为冷空气通道是最应该通过城市规划得以保护与发展的空气引导通道。通风廊道能将新鲜空气引入城市内部,促进城市空气流通运动、缓解热岛,以达到改善局地气候,提高人体舒适度的目的(Masmoudi and Mazouz, 2004)。

在《香港规划标准与准则》中的“第十一章:城市设计指引”于2006年首次在城市规划中列明城市通风廊道(风道)的定义及功能:“通风廊应以大型空旷地带连成,例如主要道路、相连的休憩用地、美化市容地带、非建筑用地、建筑线后移地带及低矮楼宇群;贯穿高楼大厦密集的城市结构。通风廊应沿盛行风的方向伸展;在可行的情况下,应保持或引导其他天然气流,包括海洋、陆地和山谷的风,吹向已发展地区”(https://www.pland.gov.hk/pland_sc/tech_doc/hkpsg/full/index.htm [2018-08- 30])。Ng(2009)研究了香港城市通风廊道,认为风道宽度在100~150 m左右时才能在城市尺度内形成较为理想的通风效果。

翁清鹏等(2015)利用南京城市地表温度的卫星遥感资料,采用基于局地环流的德国城市通风廊道的构建理论,分析了南京市通风廊道的作用空间与补偿空间。党冰等(2017)利用南京江北新区的气象观测数据、NCEP全球再分析资料和卫星遥感数据,采用统计分析、数值模拟以及地表温度反演技术,分析了江北新区的背景风场特征和城市热岛分布状况,构建了其核心规划区域的通风廊道系统。

目前已有一些城市在城市规划中对通风廊道建设提出规划,如北京将构建5条宽度500 m以上的一级通风廊道,多条宽度80 m以上的二级通风廊道,未来形成通风廊道网络系统。划入通风廊道的区域严控建设规模,并在有条件的情况下打通阻碍廊道连通的关键节点(http://news.ifeng.com/a/20160221/47518937_0.shtml[2016-02-21])。杭州市将在城市规划中构建若干条一级、二级、三级通风廊道。此外,武汉、广州和西安等大型城市也开展了城市通风廊道规划研究(李军和荣颖,2014梁颢严等,2014赵红斌和刘晖,2014)。

但目前关于通风廊道的效应到底如何?廊道的建设对周边地区的风场、温度场、湿度场的影响程度和影响距离有多大?相关的定量研究还很缺乏,本文选取杭州市规划的“运河二通道城市一级廊道”进行数值敏感性试验,研究不同的廊道特征对城市气象场的影响。

2 数值模拟方案设计 2.1 RBLM-Chem模式

RBLM(Regional Boundary Layer Model)模式是南京大学在ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式基础上发展的高分辨率三维非静力的区域气象数值预报模式,该模式在ARPS模式动力框架基础上详细考虑了城市下垫面特征及人为因素等对边界层结构的影响。徐敏等(2002)在动量方程和湍能方程中引入了城市建筑物拖曳项,使之能够更准确地模拟城市气象特征,并为城市空气质量模拟研究提供详细的气象背景场及相应的时空变化特征。何晓凤(2006)何晓凤等(2007, 2009)在模式中耦合了人为热方案和城市冠层模式(NJU- UCM-S)(Nanjing University Urban Canopy Model),完善了RBLM模式对城市区域陆面过程的参数化方案。Yang et al. (2015)建立了城市植被冠层模式并耦合到RBLM模式中,研究了植被对苏州地区气象条件的影响。Yang et al. (2017)在RBLM基础上,耦合了大气化学输送扩散模式(ACTDM),并建立了植被干沉降模块,将RBLM发展为新的区域边界层化学模式(RBLM-Chem),使之适用于城市及区域尺度的气象和大气环境高分辨率数值模拟研究。

2.2 研究区域及试验设计

在由杭州市气象局、规划局组织的“杭州城市气候规划基础研究”中,规划了杭州一级和二级通风廊道(图 1),图中红色圆圈内即为“运河二通道”通风廊道。

图 1 杭州市通风廊道规划图(红色圆圈内即为“运河二通道”通风廊道) Fig. 1 The cityplan of ventilation corridors in Hangzhou (red circle is "the second passage through the Beijing—Hangzhou Grand Canal" ventilation corridor)

本文选择“运河二通道”通风廊道进行研究,模拟区域中心经纬度为(30.373°N,120.339°E),模拟范围25 km×25 km,网格距为250 m。

本文构建了5种下垫面类型(如图 2),分别为case0、casel、casen、cases、caseb(其特征见表 1),其中,case0为现状地表类型,在廊道范围内有少量低矮建筑,地表类型主要为城市和少量农田;casel为通风廊道个例,廊道范围内地表类型改为常绿林,建筑高度和密度全部取为0,廊道宽度为1000 m;casen为无廊道个例,将casel个例中廊道范围内地表类型全部改为城市,建筑高度和建筑密度分别为30 m和0.5,即用较高的密集建筑将廊道堵塞;cases为窄廊道个例,廊道宽度500 m,其余设置同廊道个例casel;caseb为建筑廊道个例,将廊道个例casel中廊道范围内地表类型改为城市,建筑高度和密度分别为4 m和0.2,即用低矮稀疏建筑替换廊道范围内的常绿植被。

图 2 不同个例中的地表类型分布:(a)现状(case0);(b)无廊道(casen);(c)有廊道(casel);(d)窄廊道(cases)(1:沙漠;2:苔原;3:草地;4:灌木覆盖的草地;5:城市;6:落叶林;7:常绿林;8:雨林;9:冰面;10:农田;11:灌木;12:短灌木;13:半沙漠;14:水面。红色为钱塘江) Fig. 2 Distributions of surface types in expts (a) case0, (b) casen, (c) casel, and (d) cases (1:desert; 2:tundra; 3:grassland; 4:grassland with shrub cover; 5:urban; 6:deciduous forest; 7:evergreen forest; 8:rain forest; 9:ice; 10:cultivation; 11:bog or marsh; 12:dwarf shrub; 13:semidesert; 14:water. Red represents the Qiantangjiang River)

表 1 不同数值试验中的地表类型特征 Table 1 Surface type characteristics in different numerical experiments
2.3 高分辨率城市形态特征参数

进行250 m分辨率的城市边界层模拟,需要相匹配的城市形态特征参数分布,本文利用杭州市规划部门10 m分辨率的城市建筑、绿化和水网资料,基于遥感及地理信息系统(GIS),建立了杭州市高分辨率城市形态数据集。图 3图 4分别为几种个例的建筑高度和建筑密度分布。

图 3 不同个例的建筑高度分布:(a)现状(case0);(b)无廊道(casen);(c)有廊道(casel);(d)窄廊道(cases) Fig. 3 Distributions of building height in expts (a) case0, (b) casen, (c) casel, and (d) cases

图 4 不同个例的建筑密度分布:(a)现状(case0);(b)无廊道(casen);(c)有廊道(casel);(d)窄廊道(cases) Fig. 4 Distributions of building density in expts (a) case0, (b) casen, (c) casel, and (d) cases
2.4 气象初始场

气象要素初始场由模拟域内11个地面自动气象站观测(代号K1003、K1010、K1022、K1159、K1163、K1164、K1207、K1209、K1218、K1228、K1701)的小时资料和杭州气象观测站58457的探空资料经BARNES插值和客观分析得到。

针对每种下垫面类型,进行了冬季和夏季两个个例的模拟,夏季个例时间为2013年8月12日,盛行南风,风向顺着通风廊道,冬季个例时间为2014年1月28日,盛行东风,风向垂直于通风廊道。

3 模拟结果与分析 3.1 模式模拟性能检验

为了验证模式模拟结果的可靠性,图 5给出了模拟域内所有测站和个例平均的气温、风速及相对湿度的逐时观测结果和模拟结果。表 2中还给出了逐时观测和模拟结果对比的统计检验,包括平均值偏差(MB),均方根误差(RMSE)及相关系数(R)。

图 5 所有测站和个例平均的气象要素日变化特征:(a)气温;(b)相对湿度;(c)风速;模拟值为所有个例的平均 Fig. 5 Diurnal variations of (a) temperature, (b) relative humidity, and (c) wind speed obtained from observations and simulations. The simulations are the mean values from all the cases

表 2 逐时观测和模拟对比统计检验 Table 2 Statistics of hourly simulations and observations

根据统计结果可以看出,模式对于气温、相对湿度和风速的平均误差为1 ℃、0.65%和0.18 m/s,模拟总体上与观测吻合地较好,气温和相对湿度的相关系数达0.98和0.88,风速的模拟结果与观测之间的平均误差较小,但相关系数较低。总体来看,可以认为模式对于研究区域气象场的模拟是合理可信的,可以进行通风廊道的数值敏感性试验。

3.2 模式结果分析

图 6是现状地表类型(case0)夏季和冬季地面气象场,城市热岛现象明显,夏季城市热岛强度大约为2 ℃左右,冬季大约为1.5 ℃,夏季热岛的强度和范围高于冬季。夏季江面相对湿度最大,大约为44%,市区相对湿度约39%,比近郊地区湿度略低,但比北部地区郊区相对湿度高,这可能是受大尺度天气形势影响,冬季城市相对湿度低于郊区,显示了典型的城市“干岛”特征。受城市建筑阻碍,夏季市区风速低于1.2 m/s,郊区风速较大,在1.8~2.2 m/s之间,钱塘江江面风速最大,可达2.4 m/s以上。冬季的市区风速也低于郊区。

图 6 现状地表类型(case0)地面气象场:(a)夏季气温;(b)冬季气温;(c)夏季相对湿度;(d)冬季相对湿度;(e)夏季风速和风矢量;(f)冬季风速和风矢量 Fig. 6 Surface meteorological fields in expt case0: (a) Summer temperature; (b) winter temperature; (c) summer relative humidity; (d) winter relative humidity; (e) summer wind speed and vectors; (f) winter wind speed and vectors

图 7是敏感性试验中不同地表类型夏季个例地面平均风速分布,无廊道个例中(图 7a),由于廊道被高大密集的城市建筑堵塞,导致廊道区域风速很低,在0.6 m/s以下,而城区其余区域风速为1 m/s左右,钱塘江江面上风速达2.4 m/s左右。有廊道时(图 7b),廊道区域风速明显增大,风速在1.6~2.0 m/s之间,窄廊道的风速亦达1.6~2.0 m/s(图 7c),但风速增大的范围比有廊道的个例小。有低矮建筑廊道的个例中(图 7d),廊道区域的风速增加现象不明显。冬季风速分布特征总体上与夏季类似(图略),有廊道时风速增加,无廊道时风速明显下降,窄廊道时风速增加的范围较小。

图 7 夏季个例地面平均风速分布:(a)无廊道(casen);(b)有廊道(casel);(c)窄廊道(cases);(d)有低矮建筑廊道 Fig. 7 Distributions of average surface wind speed in the summer: (a) Expt casen; (b) expt casel; (c) expt cases; (d) expt caseb

图 8是夏季不同地表类型地面气温分布,没有廊道时,城市高温区域连成一片,廊道区域气温最高。有通风廊道时,廊道区域降温明显,夏季气温在30 ℃以下,而周边城市区域气温约为32.5 ℃,通风廊道明显将原来连成一片的城市热岛区分为两个高温中心,廊道的降温范围较大。窄通风廊道同样有降温作用,但降温幅度和降温范围明显比宽廊道小。有低矮建筑廊道的结果显示(图 8d),由于地表类型为城市下垫面,虽然建筑高度和建筑密度较低,但这种廊道没有降温作用,和无廊道结果很相似。通风廊道在冬季对气温的影响明显小于夏季。

图 8图 7,但为地面气温 Fig. 8 As in Fig. 7, but for surface temperature

图 9是夏季不同地表类型地面相对湿度分布,与没有廊道相比,有通风廊道时,廊道区域相对湿度明显增加,这是因为绿色廊道增加了地表蒸发,使廊道区域相对湿度高于其他城市区域。窄通风廊道同样有增湿作用,但影响幅度和范围明显比宽廊道小。有低矮建筑廊道对湿度几乎没有影响。通风廊道在冬季对相对湿度影响较小。

图 9图 7,但为地面相对湿度 Fig. 9 As in Fig. 7, but for surface relative humidity

图 10图 11分别是夏季和冬季不同地表类型地面风速与无廊道时的差值。与没有廊道相比,有通风廊道时,窄廊道和宽廊道区域风速增加可达1.4 m/s左右,但宽廊道风速增加范围大于窄廊道。在下游地区风速也有0.2 m/s左右的增加。有低矮建筑时,廊道区域风速增加大约为0.8 m/s,这是因为caseb中的建筑高度和建筑密度远低于无廊道情况。在冬季,通风廊道的风速增加幅度较小,这可能是因为冬季个例中主导风向为东风,与廊道基本垂直,廊道内建筑特征变化所起的作用相对较小。

图 10 不同地表类型夏季地面风速与无廊道时的差值:(a)case0-casen;(b)casel-casen;(c)casel-casen;(d)caseb-casen Fig. 10 Differences in summer surface wind speed between individual cases: (a) case0-casen; (b) casel-casen; (c) casel-casen; (d) caseb-casen

图 11图 10,但为冬季 Fig. 11 As in Fig. 10, but for winter

图 12图 13分别是夏季不同地表类型地面气温和相对湿度与无廊道时的差值。与无廊道相比,有通风廊道时,夏季降温幅度可达2.7 ℃,冬季降温幅度较小,约为0.6 ℃。在夏季,廊道下游有大面积降温区域,窄廊道的降温幅度和降温范围较小。与没有廊道相比,有通风廊道时,夏季湿度增加3%,窄廊道增加约2%,在下游较远距离也有1%的增加,冬季增加幅度较小。

图 12图 10,但为地面气温 Fig. 12 As in Fig. 10, but for surface temperature

图 13图 10,但为地面相对湿度 Fig. 13 As in Fig. 10, but for surface relative humidity

图 14是沿通风廊道方向南北剖面有廊道与无廊道的风速和气温差值的垂直分布,从图中可以看出通风廊道对风速影响的垂直高度,有廊道导致风速增加1 m/s的高度大约为60 m,在100 m高度,风速增加可达0.3~0.5 m/s,通风廊道的降温幅度为2.7 ℃,降温幅度0.5 ℃的高度达100 m,降温幅度0.1 ℃的高度达150 m。在冬季,风垂直于廊道时,风速增加的高度仅约40 m,对风速和气温的影响高度明显低于夏季。

图 14 有廊道与无廊道时风速差值和气温差值的垂直分布(通过廊道中心的南北剖面,图中两条竖线分别是通风廊道起点和终点):(a)夏季风速差值;(b)冬季风速差值;(c)夏季气温差值;(d)冬季气温差值 Fig. 14 Vertical distributions of differences in wind speed and temperature between expts casel and casen (north—south cross sections across the center of the corridor; the two vertical lines in the figure are the starting and ending points of the ventilation corridor)

表 3总结了3种通风廊道个例中在下游方向不同距离处的气象要素的平均变化和极值。总体而言,距离廊道越远,气温、风速、湿度的变化越小,对绿色宽廊道而言,250 m处风速增加、气温下降、相对湿度增加的平均值分别为1.2 m/s、2.6 ℃、2.6%,极值变化分别为1.5 m/s、2.9 ℃、3.1%。在1000 m处,风速增加、气温下降、相对湿度增加的极值变化分别为0.4 m/s、1.6 ℃、1.4%。在1500 m处,最大降温仍有1.2 ℃。窄廊道的影响范围总体小于宽廊道,建筑廊道的影响最小。廊道在冬季的影响低于夏季。

表 3 通风廊道对下游不同距离处风速、气温和相对湿度的平均影响和极值 Table 3 The average influences of ventilation corridors on wind speed, temperature, and relative humidity in the lower reaches and the extreme values
4 结论

本文采用区域边界层化学模式(RBLM-Chem),利用杭州市高分辨率地表类型、城市建筑等资料,开展了杭州市通风廊道影响的模拟研究,针对冬季和夏季两个典型个例进行数值模拟和敏感性试验,得到主要结论如下:

(1)城市绿色通风廊道有增加风速、降低气温、提高湿度的作用,与没有廊道相比,有通风廊道时,窄廊道和宽廊道区域风速增加在夏季平均可达1.4 m/s,在通风廊道下游风速也有0.2 m/s左右的增加。而冬季风垂直于廊道时,廊道区域风速增加较小,仅有0.5 m/s左右。廊道宽度增加时,风速增加幅度和范围大于窄通风廊道。

(2)与没有廊道相比,有通风廊道时,夏季降温幅度平均可达2.7 ℃,冬季降温幅度较小,约为0.6 ℃。在夏季,廊道下游有大面积降温区域,窄廊道的降温幅度和降温范围较小。

(3)与没有廊道相比,有通风廊道时,夏季湿度增加3%,窄廊道增加约2%,在下游较远距离也有1%的增加,冬季增加幅度较小。

(4)有廊道导致的风速平均增加1 m/s的高度大约为60 m,在100 m高度,风速增加可达0.3~0.5 m/s,不同宽窄的廊道对风速的影响高度比较相似。在冬季,风垂直于廊道时,风速增加的高度仅约40 m。廊道内降温幅度达0.5 ℃的高度达100 m,降温幅度0.1 ℃的高度达150 m。在60 m高度以下,通风廊道使相对湿度增加2%,相对湿度增加1%的高度可达120 m。

(5)总体而言,距离廊道越远,气温、风速、湿度的变化越小,对绿色宽廊道而言,250 m处风速增加、气温下降、相对湿度增加的平均值分别为1.2 m/s、2.6 ℃、2.6%,极值变化分别为1.5 m/s、2.9 ℃、3.1%。在1000 m处,风速增加、气温下降、相对湿度增加的极值变化分别为0.4 m/s、1.6 ℃、1.4%。在1500 m处,最大降温仍有1.2 ℃。窄廊道的影响范围总体小于宽廊道,建筑廊道的影响最小。廊道在冬季的影响低于夏季。

致谢 感谢南京大学高性能计算中心提供数值计算方面的技术支持
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