宿州市室外風(fēng)場年分布特征與變化趨勢研究

程海峰，張國兵，張舉

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230022；2.智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230022)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，新建建筑數(shù)量也在逐年增加，每年新建建筑面積約20 億m2[1]。自2008 年以來，人們接受著來自世界范圍內(nèi)的綠色建筑環(huán)保理念，促使新建建筑朝著綠色建筑理念設(shè)計，從而保證綠色建筑項目的節(jié)能、環(huán)保與自然和諧共處。同時也得到了政府的大力推崇，逐漸展開新建建筑朝著綠色建筑理念去設(shè)計[2]。

運用綠色建筑理念設(shè)計時，不可或缺的是進行室外風(fēng)環(huán)境模擬，模擬的邊界條件是以當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽瓴煌竟?jié)的主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速為基礎(chǔ)。楊易、金新陽等[3]對中國建筑科學(xué)研究院(CABR)新建科研大樓與原科研樓組成的高層建筑群的室外風(fēng)環(huán)境進行數(shù)值模擬和方案優(yōu)化設(shè)計，得出在新建大樓增設(shè)擋風(fēng)屏等輔助措施可緩解不利風(fēng)環(huán)境。He W，Yuan W[4]等通過對兩個相鄰高層建筑風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬，得出高層建筑迎風(fēng)面上的壓力在建筑2/3 高度處達(dá)到最大值，而在頂部和底部具有較低的值。Dhunny A.Z[5]等對毛里求斯兩個位置處的風(fēng)速進行統(tǒng)計，最后利用數(shù)學(xué)方法建立風(fēng)速的概率分布函數(shù)。Kubota[6]等用試驗的方法研究了建筑物密度對人行高度處平均風(fēng)速的影響。Tsang[7]等對高樓林立的建筑群，從建筑尺寸，建筑分離以及裙樓對建筑行人高度處風(fēng)環(huán)境進行了風(fēng)洞實驗?zāi)M。楊麗[8]以同濟新村部分建筑和同濟設(shè)計中心A樓為例，結(jié)合CFD 軟件對風(fēng)繞過居住區(qū)建筑時的流場進行了模擬分析。謝宗標(biāo)[9]等對合肥市風(fēng)頻風(fēng)速的分布特征進行研究，得出了合肥市是一個無主導(dǎo)風(fēng)向的城市以及各季的風(fēng)環(huán)境特點。

良好的室外風(fēng)環(huán)境可以提高建筑區(qū)域內(nèi)舒適度，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，促進當(dāng)?shù)鼐G色建筑的發(fā)展，然而以上研究對不同地區(qū)室外風(fēng)環(huán)境以及典型氣象年的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)研究較少。本文通過對宿州市近30 年風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，確定典型氣象年、各季及全年的主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速，為宿州市綠色建筑設(shè)計室外風(fēng)環(huán)境模擬提供邊界條件，同時為宿州市建筑朝向與布局提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)處理與計算

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中宿州氣象數(shù)據(jù)資料。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括時間、站臺編號、風(fēng)速、風(fēng)向等。本文所用數(shù)據(jù)是從1973 年至2018 年的風(fēng)向、風(fēng)速。該數(shù)據(jù)資料中風(fēng)向按照16 方位，分別用數(shù)字1-16 表示，對應(yīng)方位圖如圖1[2]。

圖1 對應(yīng)方位圖

1.2 典型氣象年選取

根據(jù)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[10](JGJ286-2013)，典型氣象年(TMY)，是以近30 年月平均值為依據(jù)，從近10 年的數(shù)據(jù)中選取一年各月接近30年的月平均值為典型氣象年。本文選取數(shù)據(jù)是自1989 年至2018 年，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得近三十年典型氣象年為2010 年。以下數(shù)據(jù)分析都是以典型氣象年為基礎(chǔ)。

1.3 季節(jié)劃分與風(fēng)頻風(fēng)速計算

1.3.1 季節(jié)劃分

根據(jù)宿州市室外氣溫、供冷及供暖期，劃分不同季節(jié)，夏季：6 月-9 月；冬季：12 月-2 月；過渡季節(jié)：3 月-5 月、10 月、11 月。

1.3.2 風(fēng)頻風(fēng)速計算

通過對宿州市典型氣象年風(fēng)向及風(fēng)速統(tǒng)計分析，得到不同季節(jié)及全年風(fēng)頻、風(fēng)速玫瑰圖。 各朝向風(fēng)頻計算公式如下[9]：

各朝向平均風(fēng)速計算公式如下[9]：

式(1)、(2)中：Am為m 方向上的風(fēng)頻；Km為m方向上該方向出現(xiàn)的次數(shù)；C 為靜風(fēng)次數(shù)；υim為m方向上第i 次觀測的風(fēng)速；υˉm為m 方向上的平均風(fēng)速；m = 1～16。

1.4 主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)頻及風(fēng)速計算

1.4.1 主導(dǎo)風(fēng)向定義

《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—大氣環(huán)境》(HJ2.2-2008)中主導(dǎo)風(fēng)向是指風(fēng)頻最大風(fēng)向角范圍。風(fēng)向角范圍一般在22.5 °～45 °之間，對于以16 方位角表示的風(fēng)向，主導(dǎo)風(fēng)向一般是指連續(xù)2～3 個風(fēng)向角的范圍。某區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向應(yīng)有明顯的優(yōu)勢，其主導(dǎo)風(fēng)向角風(fēng)頻之和應(yīng)≥30%，否則可稱該區(qū)域沒有主導(dǎo)風(fēng)向或主導(dǎo)風(fēng)向不明顯[11]。

1.4.2 主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速確定及計算公式

主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速的確定是以典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過統(tǒng)計計算，依據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向定義確定主導(dǎo)風(fēng)向，再將主導(dǎo)風(fēng)向角范圍內(nèi)各風(fēng)向風(fēng)速取平均，最終得到主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速。

主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速公式如下[12]：

式(3)中：υi為主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速，m/s；υi+1為鄰近風(fēng)向風(fēng)速，m/s；υi-1為鄰近風(fēng)向風(fēng)速，m/s；υ 為主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速，m/s，其中i=1～16。

注：1～16 分別代表16 個不同朝向，當(dāng)i 取1時，i-1=0 對應(yīng)16(NNW)方向風(fēng)向風(fēng)速；當(dāng)i 取16時，i+1=17 對應(yīng)1(N)方向風(fēng)向風(fēng)速。

2 典型氣象年主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速統(tǒng)計分析

2.1 夏季主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速確定

根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向定義及表1、表2 可得：宿州市夏季無靜風(fēng)風(fēng)頻；東風(fēng)向(E)風(fēng)頻和最大且≥30%，為36.1%，因此宿州市夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東，主導(dǎo)風(fēng)向較為明顯，風(fēng)速為2.18 m/s。從圖2 中可以看出，夏季東東南(ESE)風(fēng)向風(fēng)頻最大為13.1%，風(fēng)速為2.2 m/s；次之為東東北(ENE)風(fēng)向風(fēng)頻為12.3%，風(fēng)速為2.1 m/s；北西北(NNW)風(fēng)向為最小風(fēng)頻風(fēng)向，風(fēng)頻為0.8%，風(fēng)速為2.9 m/s。

表1 夏季風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)頻統(tǒng)計表

表2 夏季主導(dǎo)風(fēng)向計算表

圖2 夏季風(fēng)玫瑰圖

2.2 冬季主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速確定

根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向定義及表3、表4 可得：宿州市冬季無靜風(fēng)風(fēng)頻；東東北(ENE)風(fēng)向風(fēng)頻和最大且≥30%，為34.4%，因此宿州市冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東北東，主導(dǎo)風(fēng)向較為明顯，風(fēng)速為2.11 m/s。從圖3中可以看出，冬季東東北(ENE)風(fēng)向風(fēng)頻最大為18.9%，風(fēng)速為2.2 m/s；次之為西(W)風(fēng)向風(fēng)頻為17.8%，風(fēng)速為1.7 m/s；南西南(SSW)風(fēng)向風(fēng)頻最小為0。

2.3 過渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速確定

根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向定義及表5、表6 可得：宿州市過渡季無靜風(fēng)風(fēng)頻；東(E)風(fēng)向風(fēng)頻和最大且≦30%，為29.4%，因此宿州市過渡季主導(dǎo)風(fēng)向為東，主導(dǎo)風(fēng)向不明顯，風(fēng)速為2.46 m/s。從圖4 中可以看出，西(W)風(fēng)向風(fēng)頻最大為15%，風(fēng)速為1.6 m/s；次之為東南(SE)風(fēng)向風(fēng)頻為10.5%，風(fēng)速為1.9 m/s；北東北(NNE)、西西南(WSW)及北西北(NNW)風(fēng)向風(fēng)頻最小都為2%。

2.4 全年主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速確定

根據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向定義及表7、表8 可得：宿州市全年無靜風(fēng)風(fēng)頻；東(E)風(fēng)向風(fēng)頻和最大且≧30%，為32.3%，因此宿州市全年主導(dǎo)風(fēng)向為東，主導(dǎo)風(fēng)向較為明顯，風(fēng)速為2.27 m/s。從圖5 中可以看出，東東北(ENE)風(fēng)向風(fēng)頻最大為13.7%，風(fēng)速為2.19 m/s；次之為西(W)風(fēng)向風(fēng)頻為13.4%，風(fēng)速為1.73 m/s；SSW(南西南)及NNW(北西北)風(fēng)向風(fēng)頻最小都為1.9%。

表3 冬季風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)頻統(tǒng)計表

表4 冬季主導(dǎo)風(fēng)向計算表

表5 過渡季風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)頻統(tǒng)計表

表6 過渡季主導(dǎo)風(fēng)向計算表

表7 全年風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)頻統(tǒng)計表

圖5 全年風(fēng)玫瑰圖

2.5 數(shù)據(jù)匯總分析

從表9 中可以看出，夏季、過渡季及全年主導(dǎo)風(fēng)向都為東且冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東東北也在東方向附近。各季節(jié)及全年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速都滿足規(guī)范《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB/T50378-2014)中建筑物周圍人行區(qū)域風(fēng)速小于5m/s 的要求。夏季主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)頻最大為36.1%，風(fēng)速為2.18 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向最為明顯；過渡季主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速最大為2.46 m/s。

3 對比分析

將宿州市1973 年至1982 年的風(fēng)向及風(fēng)速數(shù)據(jù)進行整理分析得到典型氣象年為1974 年。對典型氣象年(1974 年)的各季節(jié)、全年風(fēng)向及風(fēng)速數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到各季、全年的主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速。并將1973 年至1982 年的典型氣象年(1974 年)主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速數(shù)據(jù)與1989 年至2018 年的典型氣象年(2010)的主導(dǎo)風(fēng)向及風(fēng)速數(shù)據(jù)進行對比分析。

從表10 可以看出，以宿州市(1973-1982)典型氣象年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，夏季、過渡季及全年的主導(dǎo)風(fēng)向發(fā)生變化，其中夏季主導(dǎo)風(fēng)向角度變化最大為90 °，從南(S)變化為E(東)；冬季主導(dǎo)風(fēng)向無變化，仍為東東北(ENE)風(fēng)向；過渡季及全年主導(dǎo)風(fēng)向都由東東北(ENE)變化為東(E)，主導(dǎo)風(fēng)向角變化都為22.5 °。此外，各季節(jié)及全年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速都相應(yīng)的減小，其中冬季風(fēng)速減小率最大為24.6%，由2.8 m/s 減小到2.11 m/s；夏季風(fēng)速減小率最小為5.22%，從2.3 m/s 減小到2.18 m/s。

4 近30 年(1989-2018)各季節(jié)及全年最大風(fēng)頻、風(fēng)速變化趨勢分析

4.1 夏季逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢分析

從圖6 可以看出，夏季風(fēng)速極大值同時出現(xiàn)在1990 年與1997 年，風(fēng)速極大值為2.51 m/s；風(fēng)速極小值同時出現(xiàn)在1989 年與2014 年，風(fēng)速極小值為1.74 m/s。與前20 年對比，近10 年風(fēng)速呈下降趨勢。同時夏季最大風(fēng)頻極大值、極小值分別出現(xiàn)在2000 年、2005 年，最大風(fēng)頻值分別為29.5%、13.1%。與前20 年對比，近10 年最大風(fēng)頻呈下降趨勢。近30 年夏季風(fēng)向變化波動性較大。從圖7可以看出，近30 年出現(xiàn)頻率最大、最小風(fēng)向為東北(NE)、北東北(NNE)，占比分別為37%、3%。

4.2 冬季逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢分析

從圖8 可以看出，冬季風(fēng)速極大出現(xiàn)在1994年，風(fēng)速極大值為2.5 m/s；風(fēng)速極小值同時出現(xiàn)在2007 年與2008 年，風(fēng)速極小值為1.61 m/s。與前20 年對比，近10 年風(fēng)速呈下降趨勢。同時冬季最大風(fēng)頻極大值、極小值分別出現(xiàn)在1998 年、1993年，最大風(fēng)頻值分別為28.9%、13.3%。與前20 年對比，近10 年最大風(fēng)頻變化趨勢不明顯。近30 年冬季風(fēng)向變化波動性較大。從圖9 可以看出，近30 年出現(xiàn)頻率最大、最小風(fēng)向為東北(NE)、東(E)，占比分別為53%、3%。

圖7 近30年夏季各風(fēng)向占比圖

4.3 過渡季逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢分析

從圖10 可以看出，過渡季風(fēng)速極大、極小值分別出現(xiàn)在1998 年、2008 年，風(fēng)速分別為2.5 m/s、1.75 m/s。與前20 年對比，近10 年風(fēng)速呈下降趨勢。同時過渡季最大風(fēng)頻極大值、極小值分別出現(xiàn)在1999 年、2007 年，最大風(fēng)頻值分別為26.1%、12.4%。與前20 年對比，近10 年最大風(fēng)頻變化趨勢不明顯。近30 年過渡季風(fēng)向變化波動性較大。從圖11 可以看出，近30 年出現(xiàn)頻率最大、最小風(fēng)向為東東北(ENE)、西北(NW)，占比分別為40%、3%。

表10 宿州市典型氣象年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速對比分析表

圖8 冬季逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢圖

圖9 近30年冬季各風(fēng)向占比圖

4.4 全年逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢分析

從圖12 可以看出，全年風(fēng)速極大、極小值分別出現(xiàn)在1996 年、2008 年，風(fēng)速分別為2.45 m/s、1.76 m/s。與前20 年對比，近10 年風(fēng)速呈下降趨勢。同時全年最大風(fēng)頻極大值、極小值分別出現(xiàn)在1999 年、2018 年，最大風(fēng)頻值分別為27.1%、11.2%。與前20 年對比，近10 年最大風(fēng)頻呈下降趨勢。近30 年全年風(fēng)向變化較為穩(wěn)定。從圖13可以看出，近30 年出現(xiàn)頻率最大、最小風(fēng)向為東北(NE)、西(W)，占比分別為53%、3%。

圖10 過渡季逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢圖

圖11 近30年過渡季各風(fēng)向占比圖

5 結(jié)論

(1)典型氣象年宿州市年主導(dǎo)風(fēng)向明顯，全年無靜風(fēng)。夏季、過渡季及全年主導(dǎo)風(fēng)向都為東(E)，風(fēng)頻分別為10.7%、9.8%、8.8%，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為東東北(ENE)，風(fēng)頻為18.9%；夏季、冬季、過渡季及全年主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速分別為2.18 m/s、2.11 m/s、2.46 m/s、2.27 m/s。

(2)自然氣象年近10 年各季節(jié)、全年平均風(fēng)速較前20 年呈下降趨勢，夏季、全年最大風(fēng)頻較前20 年呈下降趨勢，冬季、過渡季變化趨勢不明顯，存在異常變化年份；夏季、冬季、過渡季及全年平均風(fēng)速區(qū)間分別為1.74 m/s、2.51 m/s、1.61 m/s、2.50 m/s、1.75 m/s、2.50 m/s、1.76 m/s、2.45 m/s；風(fēng)頻區(qū)間分別為13.1%-27%、13.3%-28.9%、12.4%-26.1%、11.2%-27.1%。

圖12 全年逐年風(fēng)速及最大風(fēng)頻變化趨勢圖

圖13 近30年全年各風(fēng)向占比圖

(3)自然氣象年近30 年夏季、冬季及過渡季逐年風(fēng)向變化波動性較大，全年逐年風(fēng)向變化較為穩(wěn)定。

(4)自然氣象年近30 年夏季、冬季及全年占比最大風(fēng)向都為東北(NE)風(fēng)向，過渡季最大占比風(fēng)向為東東北(ENE)。

(5)近30 年(1989-2018)典型年(2010 年)與1973-1982 年的典型年(1974)對比，夏季主導(dǎo)風(fēng)向逆時針發(fā)生了90 °偏移；過渡季及全年主導(dǎo)風(fēng)向均順時針發(fā)生了22.5 °偏移；冬季主導(dǎo)風(fēng)向無變化；各季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速呈現(xiàn)下降趨勢。