基于WRF-CFD 耦合的復(fù)雜城市形態(tài)街道 通風(fēng)性能模擬研究

劉沖，彭云龍，王體健，顧聿笙，張婷婷，丁沃沃

（1.南京大學(xué) a.大氣科學(xué)學(xué)院 b.建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，南京 210093； 2.山東省濱州市氣象局，山東 濱州 256600）

1949 年，新中國(guó)成立之初，只有10.64%的人口生活在城市地區(qū)。隨著近現(xiàn)代工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，人們的生產(chǎn)生活方式發(fā)生巨大的改變，人口和產(chǎn)業(yè)不斷向城市聚集，城市的規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大。2017 年，我國(guó)城鎮(zhèn)人口比例已經(jīng)達(dá)到了58.52%[1]。在城市的發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出了交通擁擠、資源短缺、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡等一系列城市病，尤其是大氣環(huán)境惡化，直接影響生活在城市中人們的健康。工業(yè)排放和機(jī)動(dòng)車排放已經(jīng)成為了城市大氣污染的兩大主要來源[2]，尤其在城市街道峽谷尺度，空氣中的一氧化碳、O3、可吸入顆粒物PM2.5等直接影響人們的呼吸系統(tǒng)，長(zhǎng)期暴露在空氣污染中會(huì)誘發(fā)肺癌，并增加死亡風(fēng)險(xiǎn)。

城市建筑布局與城市外部風(fēng)的相互作用決定了城市建成環(huán)境內(nèi)部風(fēng)環(huán)境的特征，而城市形態(tài)的復(fù)雜性能夠顯著影響城市內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境。城市形態(tài)的復(fù)雜化一方面體現(xiàn)在城市的整體規(guī)模、平均高度和城市密度的增加；另一方面體現(xiàn)在城市內(nèi)部街道形態(tài)特征和街道兩側(cè)建筑形態(tài)的多樣性[3]。復(fù)雜的城市形態(tài)形成了極不均勻的大氣下墊面，使城市內(nèi)部的風(fēng)環(huán)境已經(jīng)不再是自然風(fēng)的狀態(tài)，而是出現(xiàn)了局地環(huán)流、小尺度的空氣平流和復(fù)雜的湍流。在這種情況下，城市的近地面風(fēng)速降低，導(dǎo)致城市呼吸性能（City Breathability）下降[4]。

影響城市街道通風(fēng)的主要原因可以歸結(jié)于源、流、匯三個(gè)方面，引發(fā)空氣污染的源主要是工業(yè)生產(chǎn)和交通污染等，污染物的強(qiáng)度以及流經(jīng)街道的途徑和匯集方式?jīng)Q定了城市街道的通風(fēng)性能和空氣質(zhì)量[5]。城市的物質(zhì)形態(tài)直接與街道的通風(fēng)性能和污染物的流匯有著重要的關(guān)系，即使處在同一氣候區(qū)的城市，由于城市形態(tài)的差異產(chǎn)生了不同的街道風(fēng)環(huán)境。因此通過合理控制城市的物質(zhì)形態(tài)，可以有效改善街道的通風(fēng)性能，這就需要加深對(duì)城市形態(tài)影響下街道通風(fēng)性能的研究。

目前大多數(shù)三維模型屬于歐拉型，可根據(jù)規(guī)模進(jìn)一步分為兩類：區(qū)域尺度或中尺度（CMAQ、CAMx、CALPUFF 等）和建筑規(guī)模模型（使用 CFD，OpenFOAM、ENVI-Met、Urban-CFD 等）。對(duì)此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展了一系列數(shù)值模擬研究，在方法上基于中尺度氣象模式，通過修改模式下墊面條件來模擬城市化過程中人造下墊面的擴(kuò)張對(duì)氣候[6-9]及大氣化學(xué)環(huán)境[10-15]的影響。盡管研究區(qū)域、時(shí)間有所差異，但這些研究都表明了城市下墊面的變化，能夠顯著影響城市區(qū)域的微氣候特征。如增大城區(qū)近地層溫度、邊界層高度，減小城區(qū)10 m 風(fēng)速、水汽比等。表1列出了近年來研究區(qū)域尺度以及城市微尺度下墊面對(duì)微氣候及環(huán)境影響的部分工作。

表1 近些年主要區(qū)域尺度城市下墊面對(duì)微氣候和環(huán)境的影響研究

總體上對(duì)下墊面復(fù)雜性尤為突出的城市地區(qū)，通常采用地形追隨坐標(biāo)描述復(fù)雜地形，因此多數(shù)像WRF 這樣的中尺度模式對(duì)于復(fù)雜地形的解決能力有限。一般中尺度模式將建筑高度以下的城市冠層作為一個(gè)整體建立冠層模型進(jìn)行參數(shù)化描述，但事實(shí)上并不能描述建筑物對(duì)城市冠層內(nèi)流場(chǎng)的影響。到目前為止，發(fā)展較為成熟的冠層參數(shù)化方案包括單層冠層方案[21-22]、多層冠層方案[23-24]和考慮室內(nèi)外大氣能量交換的更加復(fù)雜的多層冠層方案[25-26]三大類。單層冠層方案對(duì)輻射、能量傳遞等過程的描述相對(duì)細(xì)致，但對(duì)城市建筑高度參差不齊、密度非均勻等的特征未能描述，對(duì)不同層次上城市湍流的影響未予區(qū)分。多層冠層方案對(duì)建筑高度以下冠層的過程可以更詳細(xì)的描述，如區(qū)分不同層次內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)阻力系數(shù)，但并沒有考慮到建筑物內(nèi)部熱量的產(chǎn)生以及與室外大氣的交換。三類冠層方案由于空間分辨率的限制，都不能明顯地分辨出街道和建筑物，所以需要更精確的模型給出建筑物的高度、密度等形態(tài)特征。為此本研究通過WRF 耦合CFD 模擬的方法來更精確地描述城市的微氣候特征，并針對(duì)以往CFD 的研究大多集中在城市尺度，文中主要針對(duì)不同形態(tài)街道小尺度的通風(fēng)性能進(jìn)行對(duì)比研究。特別是在靜穩(wěn)天氣下，城市的通風(fēng)性能顯得尤為重要，文中將通過分析南京城區(qū)主要城市形態(tài)街道通風(fēng)性能，為城市規(guī)劃與建設(shè)提供更科學(xué)合理的依據(jù)。

1 模式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 WRF

WRF（Weather Research Forecas）模式[27]是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）中小尺度氣象處（MMM）、國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的環(huán)境模擬中心（EMC）、預(yù)報(bào)系統(tǒng)試驗(yàn)室的預(yù)報(bào)研究處（FRD）和俄克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析預(yù)報(bào)中心（CAPS）聯(lián)合開發(fā)的新一代高分辨率中尺度天氣模式，主要針對(duì)分辨率為1～10 km、時(shí)效為60 h 以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預(yù)報(bào)和模擬問題。

文中選用WRF 的最新版本4.0.1，采用五層嵌套，水平分辨率分別為64、16、4、1、0.25 km，垂直分37 層，模式的中心位于南京（32°00′N，118°48′E，如圖1 所示）。WRF 驅(qū)動(dòng)的氣象數(shù)據(jù)是美國(guó)NCEP的再分析資料，時(shí)空分辨率為3 h、0.25°×0.25°，適用于高分辨率的城市氣候模擬。積分步長(zhǎng)為60 s，模式中物理過程參數(shù)化方案選擇見表2。根據(jù)一次典型高壓控制的天氣過程，模擬南京2018 年的1 月17 日00：00 至23 日00：00 靜穩(wěn)天氣下氣場(chǎng)要素（尤其是風(fēng)速）的變化。

圖1 WRF-Chem 中模擬區(qū)域（五層嵌套）

表2 模擬中選定的物理過程參數(shù)化方案

1.2 CFD

1.2.1 計(jì)算模型和區(qū)域

對(duì)于復(fù)雜城市形態(tài)特征的微尺度通風(fēng)性能數(shù)值模擬，其形態(tài)特征的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想城市形態(tài)，雖然有大量學(xué)者從復(fù)雜的城市特征中抽象并歸納了幾類主要的城市形態(tài)類型[24，36-37]，但并不能完全代表真實(shí)的城市肌理。南京作為向高密度發(fā)展的城市之一，既具備高密度的高層商業(yè)綜合體空間，又具備典型城市中住宅集中的情況。因此選取了具有典型代表性的三個(gè)切片：第一個(gè)切片位于新街口地區(qū)，該地區(qū)中主要覆蓋了大型的辦公、商業(yè)建筑，整個(gè)區(qū)域的建筑體量大，并以較大的單體建筑為主；第二個(gè)切片位于南京東部的老城區(qū)，該片區(qū)以多層、小高層板式住宅為主，具有相對(duì)均勻的肌理特征，在一定程度上能夠代表住宅區(qū)的形態(tài)特征類型；第三個(gè)切片位于南京老城區(qū)的西北區(qū)域，該區(qū)域既包含了勻質(zhì)的住宅肌理特征，又有部分辦公、商業(yè)綜合建筑，最主要的特殊性在于其道路多位斜向，是包含多種類型的典型城市形態(tài)切片。

1.2.2 邊界條件和求解設(shè)定

對(duì)于湍流模型的選擇，標(biāo)準(zhǔn)的雷諾平均Navier-Stokes（RANS）和大渦模擬（LES）最常在城市通風(fēng)模擬中進(jìn)行比較和討論。在很多研究中，已經(jīng)充分地確定了LES 的精度，特別是在預(yù)測(cè)低風(fēng)速區(qū)域的流動(dòng)和湍流特征[38-39]。與LES 相比，許多文獻(xiàn)研究報(bào)道了穩(wěn)定RANS 方法的局限性[40-41]。由于LES模型的計(jì)算成本比RANS 模型高幾倍，RANS 方法仍然是城市通風(fēng)評(píng)估的最常用方法，并且已經(jīng)顯示出通用城市配置的良好結(jié)果。與LES 方法相比，雖然模擬精度存在部分誤差，尤其是在復(fù)雜的城市區(qū)域內(nèi)高層建筑的尾流區(qū)域和狹窄的跨度街道中發(fā)生的復(fù)雜湍流無法用RANS 很好地捕獲，但LES 方法需要占用大量的計(jì)算資源和時(shí)間，所以文中仍采用RANS 方法中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型進(jìn)行數(shù)值模擬[42]。

圖2 數(shù)值模擬的切片肌理形態(tài)

對(duì)于流入邊界條件，大氣邊界層中U(z)、k(i)、ε(z)的入口剖面使用Richards 和Hoxey[43]的方案。速度曲線（U）為：

以南京為例，設(shè)置z0=0.4，這代表了城市內(nèi)部和周圍的林地[44]，湍流動(dòng)能分布（k）和湍流耗散率分布（ε）分別為：

式中：Cμ是常數(shù)，Cμ=0.09。

零靜壓條件定義為流出邊界條件，在計(jì)算域的頂部和橫向邊界處，應(yīng)用對(duì)稱邊界條件，在地面和所有建筑表面上設(shè)置為無滑移邊界條件。ANSYS Fluent 15.06 用于解決不可壓縮和等溫流動(dòng)的3D 穩(wěn)定RANS 方程。由于城市形態(tài)的復(fù)雜性，模擬采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在所有方向上，粗糙、精細(xì)與基礎(chǔ)網(wǎng)格以大約1.5 倍的增減系數(shù)來產(chǎn)生三種分辨率。粗糙、基本和精細(xì)的總網(wǎng)格數(shù)分別約為6400 萬、1.01億和1.48 億。最小的網(wǎng)格單元尺寸單元δx、δy、δz分別為：1.5、1.5、0.9 m（粗網(wǎng)格），1.0、1.0、0.5 m（基本網(wǎng)格），0.5、0.5、0.33 m（細(xì)網(wǎng)格）。由于研究的是人行高度的風(fēng)環(huán)境特征，在0～1.5 m 高度進(jìn)行3 層網(wǎng)格加密，建筑的表面保證至少覆蓋5 個(gè)網(wǎng)格，通過分析街道中選取點(diǎn)在三種網(wǎng)格分辨率下的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基本和精細(xì)兩種網(wǎng)格的計(jì)算偏差小于5%，因此采用基本網(wǎng)格分辨率方案。壓力插值是二階精度。對(duì)于控制方程的對(duì)流和黏性項(xiàng)，使用二階離散化方案。CFD 詳細(xì)建模設(shè)置見表3，計(jì)算區(qū)域和局部網(wǎng)格如圖3 所示。

表3 CFD 數(shù)值模擬邊界條件設(shè)定

圖3 數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域與局部網(wǎng)格

1.3 天氣形勢(shì)分析

2018 年1 月17—20 日期間，南京地區(qū)冷空氣活動(dòng)較弱，比多年平均位勢(shì)高度高出了20 hPa（氣候資料來自于NCEP 提供的1981—2010 年逐日大氣環(huán)流資料，如圖4 所示），高壓抑制了對(duì)流的發(fā)展。17日08 時(shí)500 hPa 上，極渦位于北緯60°以北，我國(guó)大部地區(qū)處于穩(wěn)定的西風(fēng)環(huán)流中，700 hPa 處于弱暖高壓前部的偏西北氣流中，南京500 hPa 始終處于穩(wěn)定的緯向西風(fēng)環(huán)流中。17 日20 時(shí)，高層500 hPa 環(huán)流無明顯變化，中低層700 hPa 以下，江蘇南部地區(qū)受暖平流影響，中低層增溫明顯，有利于逆溫層的形成。持續(xù)至20 日夜間，高空環(huán)流形勢(shì)變化不明顯，中低層風(fēng)場(chǎng)不時(shí)有切變影響，但強(qiáng)度較弱，擴(kuò)散條件不佳。18 日夜間，中低層有切變影響南京地區(qū)，但冷暖平流不明顯。21 日夜間08 時(shí)，極渦北部冷渦旋轉(zhuǎn)向東南移動(dòng)至黑龍江省以東地區(qū)，在黃土高原至川渝一帶形成高空槽。高空槽在東移過程中不斷加深，中低層風(fēng)切變明顯，系統(tǒng)趨于深厚。21 日夜間，高空槽在攜冷空氣過境過程中，甩下冷空氣，逐漸影響南京、江蘇南部地區(qū)。

圖4 2018 年1 月17—23 日500 hPa 位勢(shì)高度距平場(chǎng)

從海平面氣壓場(chǎng)來看，16 日夜間至17 日白天，江蘇中南部大范圍都處于地面高壓控制中心，氣壓梯度較小，不利于水平擴(kuò)散。17 日夜間，地面高壓中心不斷東移，后部弱冷空氣不斷向江蘇南部地區(qū)滲透，但強(qiáng)度較弱。18 日白天，在魯蘇一帶再次形成高壓中心，南京處于高壓中心南部的偏東氣流中。18日夜間，在內(nèi)蒙東北部形成的低壓中心隨高空系統(tǒng)向南移動(dòng)，對(duì)應(yīng)地面低壓區(qū)也不斷向南擴(kuò)展，冷鋒從低壓中心移動(dòng)至魯冀豫交界一帶。如圖5 所示，19 日20 時(shí)（北京時(shí)），在華東、華南一帶形成巨型弱高壓中心，與西北高壓構(gòu)成西北-東南向的不對(duì)稱鞍型場(chǎng)，江蘇南部地區(qū)處于高壓中心下沉氣流控制中。隨后，華東、華南高壓中心強(qiáng)度逐漸減弱，江浙一帶等壓線稀疏，表現(xiàn)為明顯的靜穩(wěn)形勢(shì)。

2 結(jié)果及分析

2.1 WRF 模擬驗(yàn)證

WRF 主要為CFD 模型提供垂直氣象廓線參數(shù)，通過觀測(cè)和模擬的斜溫圖（見圖6）對(duì)比，證明WRF的模擬結(jié)果能夠很好地再現(xiàn)此次靜穩(wěn)天氣（數(shù)據(jù)來源http：//weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html）。南京站探空資料顯示，16 日20 時(shí)，探空站上部濕層深厚，從近地面至高層500 hPa 左右處，溫度露點(diǎn)差小于4 ℃，接近飽和，為大氣氣溶膠凝結(jié)核的吸濕增長(zhǎng)提供了足夠的水汽條件。17 日08 時(shí)，隨著干空氣的卷入，850 hPa 左右濕度迅速減小，且在地面上空1～2 km 高度處出現(xiàn)了的逆溫層，逆溫程度達(dá)到6 ℃，上干下濕的“暖干蓋”結(jié)構(gòu)抑制了垂直湍流擴(kuò)散。17時(shí)20 時(shí)，逆溫層頂高度下降，逆溫強(qiáng)度明顯加強(qiáng)。18 日08 時(shí)，近地面不足百米高度內(nèi)出現(xiàn)了“貼地”逆溫，使得大氣近地層變得更加穩(wěn)定。同時(shí)其上空至700 hPa 高度范圍內(nèi)的不同高度處也出現(xiàn)了不同程度的逆溫，多層逆溫現(xiàn)象一直持續(xù)到19 日20 時(shí)（圖6以19 日08 時(shí)為例），多層逆溫的存在有效地阻隔了中低層向高處擴(kuò)散。

圖5 2018 年1 月19 日20 時(shí)地面天氣圖（韓國(guó)氣象廳KMA）

圖6 WRF 模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果Skew-T 斜溫圖對(duì)比（2018 年1 月19 日08 時(shí)）

由圖6 可知，整體上模式和觀測(cè)的結(jié)果基本吻合，上層主要為西風(fēng)，但邊界層以內(nèi)（1000 m 以下）的風(fēng)速較小，在2 m/s 左右。邊界層頂有明顯的風(fēng)切變和逆溫層的存在，將進(jìn)一步減弱城市下墊面的通風(fēng)性能[45]。

2.2 CFD 結(jié)果分析

不同形態(tài)的城市切片，在同樣靜穩(wěn)的大氣環(huán)流背景下，表現(xiàn)的通風(fēng)性能有明顯的差別。圖7 給出了三種不同肌理的復(fù)雜城市街道內(nèi)部的氣流情況，從圖7a 中可以看出，由于大量高層建筑的影響，會(huì)在建筑背風(fēng)面形成風(fēng)速較小的區(qū)域，Juan 等人[38-39]通過模擬也得到了相類似的結(jié)果。其余的主要街道都有較好的通風(fēng)性能，在靜穩(wěn)天氣下，風(fēng)速能接近背景2～3 m/s的風(fēng)速。從圖7b 中可以看出，覆蓋率較高的居民區(qū)域?qū)е铝送L(fēng)性能的明顯降低，雖然街道交叉口與來流風(fēng)方向相同的街道內(nèi)部通風(fēng)性能較好，但由于大量高密度建筑的聚集，導(dǎo)致切片整體人行高度的通風(fēng)性能較差[40-41]，風(fēng)速大部分都在0.3 m/s 以下。與圖7a、b 相比，圖7c 中存在了大量的通風(fēng)廊道，雖然切片內(nèi)建筑的密度與圖7b 相近，甚至局部區(qū)域的建筑密度高于圖7b，但從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，氣流經(jīng)過主要和次要的街道，基本保證了整個(gè)區(qū)域內(nèi)部良好的氣流峽谷效應(yīng)，從而表明適當(dāng)?shù)慕⑼L(fēng)廊道，有助于街區(qū)的通風(fēng)性能增加[36]，特別在靜穩(wěn)天氣下有助于空氣的流通，進(jìn)而可以減少污染物以及微生物病菌等的堆積[24，37]。

南京作為古都和現(xiàn)代化城市相結(jié)合的代表，其城市的形態(tài)復(fù)雜多變，不同形態(tài)切片的中心區(qū)域差異明顯，表現(xiàn)出不同的氣流分布特征。三個(gè)切片中心區(qū)域的氣流分布具體情況如圖8 所示，可以看出，三個(gè)切片的局部形態(tài)特征類似，既有體量較大的商業(yè)建筑，也混合了高層的板式住宅。從三個(gè)切片的模擬結(jié)果可以看出，綜合型切片中心區(qū)域的通風(fēng)性能顯然優(yōu)于中心區(qū)、住宅兩種切片。其中兩條與來流風(fēng)相同的街谷具有重要的通風(fēng)作用，在復(fù)雜的城市中形成了明顯的峽谷效應(yīng)，這樣能夠最大化地加強(qiáng)城市的呼吸作用。

圖7 三個(gè)切片1.5 m 高度的流場(chǎng)云圖

圖8 三個(gè)切片內(nèi)部局部的通風(fēng)氣流分布情況

3 結(jié)論

1） 采用WRF 與CFD 耦合的數(shù)值模擬方法能夠最大程度地接近真實(shí)復(fù)雜城市下墊面影響下的入口邊界條件，CFD 模型能夠給出不同形態(tài)街區(qū)風(fēng)速在靜穩(wěn)天氣背景下的分布，可以精細(xì)地看出迎風(fēng)和背風(fēng)面街區(qū)通風(fēng)性能存在很大的差異。

2）在復(fù)雜的城市界面特征中，局部區(qū)域的通風(fēng)性能主要受到街道的交叉口位置和街道與主導(dǎo)風(fēng)向的位置關(guān)系影響。如果該區(qū)域中的街道大多數(shù)與來流風(fēng)的方向一致，那么該區(qū)域中有更多的通風(fēng)廊道；如果街道的方向與來流風(fēng)的方向近似垂直，那么該區(qū)域的通風(fēng)性能會(huì)受到明顯的影響。

3）人們一般生活在住宅區(qū)，恰恰由于人口和住宅的密集分布，導(dǎo)致了街區(qū)的通風(fēng)性能明顯降低。復(fù)雜的高密度城市并非一定會(huì)導(dǎo)致街區(qū)通風(fēng)性能下降，合理的城市設(shè)計(jì)和建筑布局能夠有效地增加局部區(qū)域，尤其是高密度地區(qū)的通風(fēng)性能，有利于污染物的稀釋和擴(kuò)散。