城市风道研究的学科基础-城市风道量化模拟分析与规划设计

1.城市气候学

气候是指地球上某一地区多年的天气和大气活动的综合状态，它不仅包括各种气候要素的多年平均值，而且包括其极值、变差和频率等^[25]，它是某一特定地域的大气物理特性在一段时间内的统计平均表现。气候是一个地区自然环境和风土人文的塑造者，也决定了城市的气候环境^[26]。城市气候是在区域背景下，经过城市化作用后，在城市这样一种特殊下垫面和人类活动的影响下而形成的局地气候^[27]。城市气候学则是研究这种改变以及改变原因的学科。早期的气候研究主要是对建筑基地气候环境的研究，如《建筑十书》就对建筑设计中的气候问题进行了详细的阐述。建筑师Le Corbusier在其著作《“光辉城市”规划方案》中关注了城市建筑底层的通透采光、光线设计，而建筑师Wright则专门针对住宅的采光和光线进行设计。最近10年来，建筑气候学的设计理论与方法逐渐被应用到城市规划与设计领域。学者Assisz在对巴西城市贝洛奥里藏特（Belo Horizonte）的城市气候问题进行研究时首次提出了“城市气候设计”的概念，包括适应当地城市气候条件的城市土地利用方式以及建筑布局模式^[28]。气候学家Barry和Yoshino将气候尺度分成大尺度、中尺度、小尺度、微小尺度四类^[29]，不同尺度对应着不同的规划精细程度。

城市气候是在大气候或者区域气候的背景下，由于城市化建设导致城市下垫面变化以及城市人类活动的影响而形成的局地气候或小气候。根据气候学家Barry的研究，气候系统在尺度上可分为四个级别（见表1-2）。城市气候主要涵盖了其中的“局地气候”和“微气候”范围。“局地气候”所对应的城市空气层是“城市边界层”，指建筑物顶层向上到积云层中部的高度，是受物质和热量交换影响最明显的大气层；“微气候”所对应的是“城市覆盖层”，指地面到建筑物屋顶的高度，是受人类活动影响最明显的大气层（见图1-7）^[30]。

表1-2　Barry的四级气候尺度

图1-7　城市气候分层示意图

城市气候的表征特征包括风、温度、湿度、降水、雾、太阳辐射等，其中最主要的是风和气温。风是由于温度差和气压差的影响而形成的空气流动现象，主要包括大气环流和地方性风。前者主要受纬度变化、太阳辐射等大环境的影响。后者是在大气候环境的基础上受区域内地形、地貌、植被的影响。温度是表征空气冷热的物理量，常用指标包括平均气温、极端最高气温、极端最低气温等。

有研究表明，当室外风速达到3～5m/s时，可保证室内产生速度为1m/s的流动空气；当室外风速大于1.5m/s时，即可有效降低室内温度^[31]。学术界普遍将行人高度处的风速作为风环境友好性评价的指标，通常将距地面1.5m高度处风速不低于1.5m/s作为良好风环境的评价指标，并且不应高于5m/s^[32]。

2.大气流体力学

根据流体力学的研究，影响大气运动的主要作用力包括气压梯度力、地心引力、惯性离心力、重力、地转偏向力以及摩擦力等，而城市规划建设的影响主要涉及其中的气压梯度力和地面摩擦力。气压梯度力通常由气压高处流向气压低处，主要包括垂直气压梯度力和水平气压梯度力。在垂直方向上，向上的气压梯度力与向下的重力达到准静力平衡状态。垂直方向上的气压梯度力虽然大，但运动不明显，而水平方向上的气压梯度力虽然小但运动明显，城市大气运动主要是准水平运动。城市核心区受热岛效应的影响，大气受热膨胀向上抬升形成近地面低气压区，周边气温较低地带的（高气压区）冷空气流过来补充，形成大气的水平运动，如此不断循环的过程即城市热力环流（见图1-8）。通常情况下，高温区为低压，而低温区为高压，这就为低温补偿空间的大气流向高温的作用空间提供了理论依据。在城市层面，大气运动过程中受到的地面摩擦力主要来自于地面覆盖的建筑物，建筑物的密集程度、建筑物的高度、建筑物的体积等都会影响城市大气的流动。

图1-8　城市热力环流示意图

3.生物气候学

图1-9　人体热平衡状态

生物气候学是气候学和生态学的边缘交叉学科，主要研究大气环境对生物的生存和发展的影响。在城市环境中，气候环境对人体健康的影响主要通过人体舒适度来表达。人体会通过各种产热和散热方式来维持自身的热平衡状态（见图1-9）。当处于受太阳直射的空间环境中时，人体因吸热过多而导致身体不适，若有清风拂过，则可带走人体过剩的热能，缓解身体的不适感。一般而言，对人体舒适度影响最大的三个因素分别为气温、风速以及相对湿度。有研究表明，人体舒适度指数公式为^[33]

式中：SSD为人体舒适度指数；t为平均气温；v为风速；f为相对湿度。

可见，城市风环境和热环境都会对人体的舒适度指数产生影响，良好的城市通风环境为人类的生存和健康提供了有力保障。

4.城市规划学

城市规划是为了实现一定时期内城市经济和社会发展目标，根据城市地形地貌条件、经济基础、人文历史等客观条件确定城市的发展规模、发展性质以及发展方向，并对城市的空间布局、土地利用以及各项基础设施建设进行战略性的综合部署和安排。城市规划为城市的开发建设提供蓝图，影响了城市下垫面状态的改变，从而进一步影响城市的气候情况。

城市的规模、用地构成、空间结构、建设密度、路网结构以及空间肌理等要素都与城市气候的形成密不可分。具体而言：

（1）城市平面形态通常决定城市建成区与周边自然环境的契合程度，合理的契合有助于规避不利的城市气候。

（2）城市纵向形态通常形成城市建筑的高度变化特征和空间封闭程度，合理的纵向形态便于近郊冷空气的输入和引导，提高城市的通风效率。

（3）城市粗糙度通常以单位面积上的建筑体积表示，城市粗糙度与城市的风速呈对数相关关系，粗糙度越高则城市风速越低。

（4）城市用地性质可通过实体的建筑形态表征，从而影响城市散热和通风。例如核心商业区的高密度大体量建筑的通风率肯定远远比不上绿地率高的开敞低密度区。

城市风道的规划与城市总体规划密切相关，应该在城市总体规划阶段就考虑整个城市的通风状况，通过研究分析寻找出最有利的迎风口，选择自然河道、湖泊、绿地等自然要素，以及红线宽度大且绿化效果好的道路，配以合理的开发强度和空间形态，形成利于引风入城的城市风道。

5.地理空间数据同化技术

数据同化是指将不同来源、分辨率、采集方式的数据集成为具有时空一致性和物理一致性的数据的过程。多源、多分辨率空间数据的融合、集成和尺度变换是当前数值模拟领域的研究热点问题，但相对来说缺乏系统的方法论的支撑。该研究领域主要关注以下问题：如何集成来自于不同观测系统的数据；如何集成直接观测和间接观测的数据；如何集成观测数据和模型模拟结果；如何在融合多源数据的同时，解决数据分辨率不一致的问题^[34]。目前，欧美国家和中国都建立了自己的陆面数据同化系统，其中，中国西部陆面数据同化系统主要包括六个组成部分（见图1-10）。(www.xing528.com)

图1-10　中国西部陆面数据同化系统框架

数据同化技术主要解决了时空分辨率不一致、数据采集方式不一致的多源空间数据的集成问题。不同类型的城市风道的形成条件不同，因此，获取不同类型风道的三维模拟边界条件的判定规则也不同。例如，城市道路型风道的风场影响要素主要有路幅宽度、路面材料、墙面材料、两侧建筑高度、道路绿化面积及高度等，城市绿地型风道的风场影响要素主要是绿地宽度、植物高度、植物种类等。对不同类型城市风道数据进行同化后可以获取统一的空间和时间属性，同时还可以兼容自然地物、三维城市空间建筑材料等表征风道通风能力的热物理属性。因此，数据同化技术可以为后续的量化模拟与指标参数化提供有力的技术支撑，简化数值模拟的过程，提高三维模拟与指标参数化的工作效果。

多源空间数据同化的本质是将各种数学模型和数据源有效地结合起来，最终使新的数据能够更加准确地表达客观实体^[35]。空间数据的多源性主要体现在数据的采集方式及数据管理系统方面，这也决定了空间数据格式的多元化。地理空间数据同化技术涉及知识与规则的获取、表达和管理，这就决定了对参与同化的各种数据源质量的评价、取舍、分析和应用；它还需要基于相似度量模型的实体变量信息进行提取，以实现同名实体之间的匹配与差异性识别；它还涉及几何信息同化，包括不同空间基准和数学基础的转化与统一、多源数据之间的比较和分析，也包括地理空间数据属性信息的同化，涉及属性信息的分类与统一、比较与分析，以及属性信息的补充、修改和赋值；最后是对空间关系进行一致性处理^[36]。多元空间数据同化技术为三维空间建模提供支撑，且更多的是运用在宏观尺度空间的数据集成方面。在模型构建的过程中，我们首先要解决不同来源的空间数据在尺寸、比例尺、坐标系以及数据格式方面的差异。

遥感技术是研究如何利用航空航天、雷达等手段获取地理空间信息的技术系统。而地理信息系统（GIS）是对地理信息的采集、分析、储存等综合性的学科与技术系统。遥感、GIS为地理空间数据同化提供了空间量化计算的技术基础。

6.CFD数值仿真模拟技术

计算流体动力学（CFD）数值仿真模拟技术的理论基础包括湍流模型、质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及有限容积法的控制方程。

（1）湍流模型

CFD技术在流场分析方面应用广泛，而现实环境中的绝大多数流动均属于湍流，如大气与海洋的流动、飞机与轮船的绕流、高速管流、叶轮机械以及反应器中的流体运动等。湍流运动的核心特征是其在物理上近乎无穷多的尺度以及数学上的强烈非线性，这使得人们无论是通过理论分析、实验研究，还是计算机模拟来彻底认识湍流都非常困难^[37]。CFD数值仿真技术对于流场分析的关键在于选择合适的湍流模型以及参数，常见的湍流模型有单方程S-A模型、双方程k-ε模型、五方程雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟模型（LES）等，每种模型均有其特点及适用性（见表1-3）。

表1-3　常见湍流模型及其适用性

（2）质量守恒方程

质量守恒方程也称为连续性方程，用来表征流体在流场中运动时遵循质量守恒的规律。当流量不变时，流速和控制体截面积成反比，单位时间内流出控制体的流体静质量总和应等于同时间间隔控制体内因密度变化而减少的质量。流体流动连续性方程的微分表达为

式中：ux、uy、uz分别为速度矢量u在x、y、z三个方向的速度分量，单位为m/s；t为时间，单位为s；ρ为密度，单位为kg/m3。

（3）动量守恒方程

动量方程的本质是满足牛顿第二定律，即对于一特定的流动微元体，其动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。依据这一规律，可导出x、y、z三个方向的动量方程为

式中：ρ为密度，单位为kg/m2；u为速度矢量；ux、uy、uz分别为速度矢量u在x、y、z三个方向的分量，m/s；p为流体微元体上的压强，单位为Pa；τxx、τyy、τzz等是因分子黏性作用而产生的作用在微元表面上的黏性应力τ的分量，单位为Pa；fx、fy、fz为三个方向的单位质量力，单位为m/s2。

（4）能量守恒方程

能量守恒方程是能量守恒定律的表达。能量守恒定律是指在一个独立系统内，总能量维持不变，只能进行转化或转移，无法凭空产生或消失。在流体问题中，能量守恒定律可以表述为：微元体内热力学能的增加率是体积力与表面力对微元体所做的功与进入微元体净热流量的和。

根据能量守恒定律可以得到能量守恒方程

式中：ρ为密度，单位为kg/m3；t为时间，单位为s；u为速度矢量，单位为m/s；τ为黏性应力矢量。

（5）有限容积法的控制方程

有限容积法的基本思路是将计算域划分成一系列不重复的控制体，每一个控制体都对应一个节点，进而对控制体在时间间隔内对空间与时间积分，来导出离散方程。有限容积法的优点是物理含义清晰，离散方程具有守恒性，因此被广泛应用。其控制方程为

式中：φ为通用变量，可以代表u、v、w、T等变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

目前国外常用的商用CFD软件包有PHOENICS、ANASY CFX、ANASY FLUENT等。