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1、城市人居环境及多尺度气候环境分析西安交通大学人居环境与建筑工程学院 顾兆林2012-09-22,陕西省环境科学学会年会,目录,城市人居环境及城市气候环境城市人居环境科学与国家需求城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图城市冠层气候环境的小（微）尺度分析,陕西省环境科学学会年会,城市人居环境及城市气候环境,城镇化是我国经济社会发展的必然趋势，也是工业化、现代化的重要标志。中国城市发展报告:2007年末我国城镇化水平达到45%，2011年已经超过50%。建筑能耗已经与工业能耗、交通能耗成为我国能源消耗的三大行业领域。建筑用能总量已超过全国能源消费总量的1/4，随着人民生活水平的提高，将增加到1/3
2、以上。,城镇化-我国现代化的标志,城市人居环境,根据2011年度国家最高科学技术奖获得者吴良镛院士提出的人居环境科学理论体系、住建部人居环境评价指标以及我们的相关研究：人居环境是指人类聚居生活的场所，是以人为中心，由人-建筑-环境构成的地表空间，是建筑学尺度和地理学社会空间尺度的综合概念。人居环境自然生态环境,城市气候环境,城市水环境,人居环境,城市气候环境,太阳辐射,热湿环境,建筑风环境,城市气候环境变化是人类经济社会活动及生态环境对城市人居环境影响的集中表现和综合表征。,气候环境是城市人居环境的核心要素,城市气候环境包括热湿环境、城市与建筑风环境、城市水环境、太阳辐射等。城市气候环境以城市
3、所处地理背景和气候区域为基础，影响着城市人居环境的热舒适性、城市空气品质等要素。,城市环境问题,城市水环境,人居环境,消费活动,生产活动,原因,原因,城市环境问题,近地层逆温,热岛,污染物超标,极端天气,城市气候环境,太阳辐射,热湿环境,建筑风环境,城市气候环境质量问题,“热岛”效应,近地层的逆温层,大气污染物浓度长期超标,气象灾害以及极端气候事件,城市气候环境所造成的问题，它不仅严重影响到人们居住环境的舒适性和身心健康，还会造成城市对能源和资源消耗的增加。我国是一个应对气候变化能力相对较弱的发展中国家，随着城市化进程的不断加快以及居民用能水平的不断提高，城市人居环境会面临更加严峻的挑战。,城
4、市气候环境质量问题,城市气候环境问题的原因,城市环境问题,近地层逆温,热岛,污染物超标,极端天气,主要致使原因,城市气候未融入城市规划,城市规划现状缺乏对气候环境的结合,城市的盲目扩张和无序发展造成目前城市人居环境质量问题，与城市规划中存在的问题密切相关。传统城市规划主要考虑风向、风频的影响。缺乏城市真实环境下中观、微观层面上的风环境控制。缺乏与城市用地布局、空间结构以及建筑设计建立直接的联系。缺乏从城市规划的角度将城市气候融入空间规划，达到改善人居环境的目的。,城市人居环境科学与国家需求,城市人居环境科学,城市环境问题,近地层逆温,热岛,污染物超标,极端天气,人居环境科学研究,解决方案,主要
5、致使原因,城市气候未融入城市规划,城市人居环境科学研究的迫切性,吴良镛院士所倡导的人居环境科学，是城乡规划学、建筑学、地理学、环境学等学科的综合性、交叉性学科群。,它以人类聚居环境为研究对象，从各分支学科方向探讨人与环境之间相互关系以及相互作用的机理。,城市气候环境规划,城市环境问题,近地层逆温,热岛,污染物超标,极端天气,城市气候未融入城市规划,城市规划气候环境耦合,人居环境科学研究,解决方案,解决方案,主要致使原因,城市规划是改善城市气候环境的重要手段,城市空间规划必须与城市气候环境规划相结合，才能保证城市人居环境的健康发展。城市规划和建筑布局不仅影响到城市建筑的风环境和污染物的扩散，同时
6、对城市人居环境的热舒适性产生重要影响。通过合理的空间规划、建筑设计、交通布局和生态环境改善等手段，可以减缓和适应城市气候变化，营造健康的人居环境。,城市气候环境图,城市气候环境图是科学指导城市规划的重要手段,城市气候环境图从城市气候学的角度，分析城市区域气候特点并将其结果用于城市规划、环境保护及生态环境建设，是目前国外城市规划对环境影响评估的先进手段。城市气候环境图与规划建议图是城市规划的重要依据和人居环境质量的基础图集。,城市人居环境科学研究现状,近年来，虽然环境学科、气候学科、城市规划学科和建筑学科开展了城市人居环境质量、特别是气候环境的相关研究工作，但由于:现有分析城市人居环境质量的环境
7、、气象和城市基础建设相关数据不足；现有监测数据尺度较大，数据格式多样，数据质量不高；各数据间缺乏相应的关联标准。造成研究工作难以取得突破性进展和应用性推广。,综合调查是城市人居环境科学研究的重要基础,在城市社区建筑多尺度上，迫切需要开展城市人居环境质量的综合调查：获取城市人居环境自然本底情况和基础科学数据；综合分析城市人居环境质量与自然、地理因素、城市规划与建筑布局及人为活动等因素的影响。为广泛开展和提升城市人居环境质量的综合研究提供基础依据。,“十二五”规划城镇化与城市发展重点工作,国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）重点领域“城镇化与城市发展”（52）优先主题“城镇区域规
8、划与动态监测”：重点研究开发各类区域城镇空间布局规划和系统设计技术；(56)优先主题“城市信息平台”：重点研究开发城市基础数据获取与更新技术，城市多元数据整合与挖掘技术，城市动态监测与应用关键技术，城市网络信息共享标准规范。,城市气候环境的中尺度分析与城市气候环境图,城市人居环境的研究方法,整体论思想指导大尺度 在宏观上把握城镇人居环境生态系统的结构、功能和调节机理，为城镇的发展提供宏观的战略指导和规划设计 还原论思想指导中、小尺度 利用人居环境支撑科学的研究，阐述城镇与自然、资源、环境之间关系，为城镇化提供具体的指导,人居环境的多尺度层次图洋葱模型及支撑学科,城市气候环境分析图主要针对城市“
9、热岛”问题提出，不一定适合我国部分城市可能以污染控制为主的城市人居环境建设的需要需要发展以减低城市污染、改善空气质量为主要目标的城市污染控制图技术,城市气候环境的多尺度分析,西安市-自然背景,西安市的城区演变,西安市-主导风向,西安市主城北部布局,西安市-自然风阻,西安市-城市风道,西安市-城市绿地管控,城市冠层气候环境的小（微）尺度分析,城市风环境城市规划,城市风环境是影响城市热岛和污染物扩散的重要因素。,城市规划对城市风环境的影响,建筑物密度的影响,建筑物高度及均匀性的影响,保留城市冠层内风场通道（AVA）,建筑结构与布局,城市规划,城市街谷,城市街谷指两侧都有连续的高大建筑物的相对狭长的
10、街道，是组成城市冠层结构的基本单元(Nicholson,1975)。城市街谷内空气和污染物在街谷顶部与自由流动气流完成交换，形成特殊的微尺度气候环境(Oke,1988)。城市街谷微尺度气候环境的最主要特征是受城市主导风（边界层流动）引起的街谷内流动，如街谷漩涡、峡谷效应等。,城市街谷的大气环境质量体现了源排放的强度与扩散能力，也体现城市规划与设计的水平。,Oke(1988)根据现场观测和数值模拟结果，将背景风向与街谷垂直时街谷内空气流动的型态分为3种。孤立粗略流(isolated roughness flow,AR0.7)街谷掠流导致街谷内产生独立回流，限制了机动车尾气污染物向外传输，起地面附
11、近污染物浓度很高，大气环境很差，成为人们研究的重点。,3种街谷流动型式(Oke,1988),理想街谷的流动型式,街谷内空气流动的型态跟街谷的形状因子(高度与宽度的比值）密切相关。,非理想街谷的大气流动非对称街谷,对于非对称街谷，当迎风向建筑高于下风向建筑时，称为下台阶流动；反之称为上台阶流动。风洞实验表明：上台阶流动时，街谷内环流强度比均匀情形时要高，有利于污染物传输(Hoydysh and Dabberdt 1988)。下台阶流动时，不同文献对街谷内流场的描述不同。可能产生上下两个反向旋转的漩涡，不利于污染物传输(Baik,Park et al.2000;Nazridoust and Ahm
12、adi 2006)；也有可能产生一个漩涡(Nazridoust and Ahmadi 2006)。,现场观测表明，即使在顶部来流垂直于街谷轴向时，非均匀街谷内有明显的沿街谷流动，经典的街谷内环流漩涡变得不明显。在真实街谷内有明显的垂直速度，其平均值大小与街谷顶部来流平均速度相当，可见并非由街谷内环流漩涡的不稳定变化引起;街谷内水平方向上流场源与汇的存在，并能引起污染物在沿街道方向形成非均匀分布(Nielson,2000)。Schatzman et al(2000)则在非均匀街谷内观测到了污染物在沿街谷方向上的非均匀分布。,非均匀街谷的流动示意图,非理想街谷的大气流动非均匀街谷,非均匀街谷内的典
13、型流线(高层建筑物分离),空气从进入计算区域，经由街谷内回旋然后流出计算区域的整个过程，清晰展示了街谷内的流场结构，包括气流在迎风面、背风面及地面附近的偏斜。非均匀街谷内回旋涡并不是完全被限制在街谷内部，而是联通着街谷外部大气。也就是说，街谷内部大气与街谷外部大气之间存在宏观的质量交换。这种宏观的质量交换基于可解速度流场，相比与湍流交换而言，可以称之为大尺度宏观对流运动。,非理想街谷的大气流动非均匀街谷,Gu&Zhang et al.2011,Building and Environment,DOI:10.1016/j.buildenv.2011.06.028,太阳辐射引起城市街谷内壁面温度分
14、布不均，导致街谷内大气不稳定。受太阳直照的墙壁或地面温度明显比街谷内大气温度高(Nakamura Idczak et al.2007)。,受热壁面附近空气温度变化(Idczak,2007),街谷内物理因素及边界来流的影响大气稳定度,街谷建筑物壁面受热引起街谷内大气不稳定，增加街谷内空气环流强度，引起街谷内空气流动主漩涡中心向迎风面偏移;背风面受热使得背风面附近上升气流增强，增加街谷内空气环流强度;迎风面受热时会引起街谷内空气环流的减弱，随街谷内大气不稳定度的增加甚至会引起迎风面下角处空气流动停滞或形成二次漩涡流动。,热浮力,街谷内的大气环流,街谷内物理因素及边界来流的影响建筑物壁面受热,背景来
15、流是驱动街谷内空气流动的主要动力源，来流风速风向对街谷内空气流动特征有很大影响。以前的研究大都用来流的平均速度和主导风向定义模拟边界条件，忽略了来流自身的湍流特征。Zhang and Gu et al.(Atmospheric Environment,2011,45(20):3352-3359)提出了一种在大涡模拟中实现序列变化的边界条件的方法，并模拟了真实变化风环境下理想街谷内大气流动与污染物扩散过程的演化。,街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向,Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.201
16、1.03.055,实验测量风速风向随时间的变化(星号表示风向，圆点表示风速),边界条件由实地测量风速风向确定。,街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向,Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055,TSM30 TSM35 TSM40,TSM45 TSM50 TSM60Reference vector,3ms-1,真实来流条件街谷展向中截面上流线及速度矢量的演化过程.,街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向,Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Env
17、ironment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055,(a)真实来流的模拟(b)稳态来流的模拟,街谷展向中截面上平均流线及速度矢量分布,平均流场,街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向,Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055,(a)真实来流的模拟(b)稳定来流的模拟,街谷展向中截面上污染物浓度(mgm-3)统计平均值分布,平均污染物浓度分布,平均来流,街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向,Zhang&Gu et al.2011,Atm
18、ospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055,(a)真实来流的模拟(b)稳态来流的模拟,街谷展向中截面上污染物垂直湍流通量(wc/mgm-2s-1),污染物湍流扩散：真实来流条件下，污染物湍流扩散强度比稳定来流时高一个量级。,平均来流,Zhang&Gu et al.2011,Atmospheric Environment,DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.03.055,街谷内物理因素及边界来流的影响背景风速风向,绿化树木会降低街谷环流风速，增加街谷内污染物浓度尤其是在地面和背风面附近，而迎风面附近污染物浓度
19、可能会降低。街谷内绿化树木能改变街谷内大气温度分布，在不同太阳辐射条件下引起街谷内大气稳定度的复杂变化。这使得对绿化树木对街谷内空气流动和污染物扩散影响的研究更加复杂。总的来看，城市街谷内绿化树木不利于污染物向外传输。有树木绿化的街谷内污染物浓度能比裸露情形时(没有树木绿化时)高8(Ries,2001)。,街谷内物理因素及边界来流的影响树木绿化,Gu&Zhang et al.2010,Science in China Series,E-Technological Sciences,DOI:10.1007/s11431-010-3243-x,街谷内物理因素及边界来流的影响树木绿化,行驶车辆对街谷
20、内大气流动及湍流都有明显影响，尤其在街谷底部及微风条件下；对背风面的影响比迎风面要大；Mazzeo et al.(2009)根据现场观测结果分析车辆诱导湍流对街谷内CO浓度的影响，当顶部自由风速大于临界速度时CO浓度比不考虑车辆诱导湍流时低29%。,街谷内物理因素及边界来流的影响车辆诱导湍流,所有现场观测、风洞试验都有一个共同的目标，即为模拟、预报街谷内空气流动与污染物扩散的数值模式开发提供依据。现有的模拟与预报数值模式主要有两类。根据实验数据参数化而得出的经验(半经验)模式，包括OSPM、AEOLIUS Full、ADMS-Urban等。经验/半经验模式对街谷内流场的描述不够详细，往往限制其模拟精度；基于计算流体力学(CFD)方法的数值模式。现有CFD模式通常对街谷物理模型的考虑过于简单，应此通常用于研究个别影响因素对街谷内流动及污染物扩散的影响。为实现对街谷内污染物浓度分布与日变化的模拟和预报，有必要开发基于CFD的综合模式。,街谷流动及污染扩散的模拟方法模式,以污染为研究目标的技术路线,以UHI研究为目标的技术路线,城市人居环境的关键科学问题,Thanks for your attention!,
