. . .
第五章 街谷热力环境的数值模拟
5.1 城市冠层部的热力场特性
城市上空的大气层可以划分好几个部分，与人类生活关系最密切的就是城市冠层，即地表到建筑物顶层之间的高度，城市冠层是城市边界层中受人类活动影响最大的部分。城市冠层的局地气候与冠层建筑物的材料、密度、高度、几何形状、涂料颜色、街道宽度走向、路面铺砌材料、不透水面积、绿化面积、空气中污染物浓度以及人为热和人为水汽的排放量密切相关，因此，冠层部的大气环境也随着诸多因素的改变而发生相应的变化，显得非常复杂。
在过去的几十年，城市的居民数量大量增长，根据统计结果，到1990年左右，1/3的城镇居民都生活在百万人口以上的特大城市中。在城市化的进程中，随着城市区域的发展与扩充，城市生活的环境各方面都会影响，如空气污染、水污染等问题，加上人为热的排放所导致的热力环境的改变等。由于城市生活每天都要消耗大量的能源物资，因此，要想消除人为热以及各种污染物的排放是不可能的。在城市化区域，建筑物的数量多，增加了接收太阳辐射面积，同时也造成太阳辐射反射率和地面长波净辐射的减小；而下垫面又多是导热率和热容量较高的材料如水泥、砖石、金属板等，再加上植被覆盖面积小，不透水面积大，使得蓄热能力增大而储藏水分和蒸发蒸腾的能力大大下降，这就严重破坏了自然界所固有的平衡调节能力。
通常来说，由于建筑物的拖曳作用与动力阻碍效应，在城市的建筑群，风速较小，而且街谷天空视角因子的变化，会增加街谷部对地表与墙面的长波辐射的吸收，加上人为热的排放与多重散射，街谷的风场和热力条件会有很大的局地变化。而城市地表热力条件的改变，会有可能产生一些微尺度方面的气候问题
[8,17,141-143]
，这些问题体现在很多方面，城市热岛是其中一个。
城市热岛，一直都是城市气候学里面的重要研究对象之一。城市热岛，是由城市其特殊的热力和机械性质决定的，如粗糙度、热容量、反照率、蒸发、建筑物对太阳反射的多重反射还有大量能源消耗所产生的人为热等，而其中，人为热与粗糙度是两个最重要的因子。根据Bornstein的研究表明[144]，当风速低于4ms-1的时候，人为热所导致的加热起控制作用，此时，城乡之间的温差非常显著，城市的地面温度与气温都要高于周围的乡村和郊区。而当风速高于4ms-1的时候，
.. ..
. . .
粗糙度起主要作用。因此严格来说，城市热岛环流只能发生在弱风条件下。
观测资料表明[145]典型的热岛发生在弱风、有强逆温的晴朗的夜间，并且具有如下几个特征：1）暖中心出现在城市的下风部分，通常并不与城市加热中心重合；2）尽管郊区覆盖强逆温，城区上空是一个浅薄的中性或不稳定层；3）城市上空300－500米高度的温度要比周围郊区同一高度的温度低，这种温度交叉（Cross-over）效应经常出现在热岛环流中；4）城市近地层的水平风场是辐合的，风速比周围郊区强；5）气流在城市上风部分下沉，在下风部分抬升。这些现象也很好的被一些二维和三维的数值模式所验证[13,146-148]。
一般情况下，城市热岛的强度都以城郊测站点之间的温差作为一个衡量尺度。研究表明，城乡之间的温差所显示出来的空间分布与下垫面的地表状况紧密相关，大部分情况下，公园等绿化休闲场所，气温相对较低，比较凉快，而城市中心的商业区等一般都是温度最高的区域[8,149]。在夜晚，城郊的温差可以达到5－6K，在大城市可以达到6－8K[150]。另外，温差的变化与城市的人口规模有着在的相关[151]，在北美，小城镇大概2.5K，在百万人口的特大城市，最大值可以达12K左右[152]。而在南欧的大城市，如雅典，城市中心区域与郊区的温差大概为7-8K，在夏季的白昼，可以达到18K[153],会产生严重的热力不舒适。热力环境的恶化，空调等制冷设备就会广泛的被使用，会增加人为热的排放，从而导致城市街区部气温的增高。
与通常的热岛效应对照的是，同时有一种现象被称作为“Negative UHI”或“Urban Heat Sink”，即所谓的局地凉岛。有数据表明，在白昼的日照条件下，城市中央的深街谷部，温度相对较低，是一个相对的凉岛[52,154-155]。研究的结果表明，城市的街道地表的温度以及街谷的气温分布情况，受到街谷的几何形状的影响很大[2,156-158]。
街谷，是城市边界层中最常见的下垫面类型。城市大量的人口与相对狭窄的用地面积，会出现大量高层楼房或者密集型的建筑群布局。虽然城市在整体而言，相对于郊区来讲，是一个温度较高的地区，但是，在局部地方，如密集建筑群所形成的深街谷，会形成相对而言的“Heat Traps”。深街谷的布局在一方面可以有效的在建筑群造成阴影区，减少部的太阳辐射，另一方面，因为天空视角因子的变小，进入街谷的辐射减小[8,159]，形成相对而言的“凉岛” ：
.. ..
. . .
街谷在城市地表的能量平衡的过程中，起的作用大致如下：
1）遮蔽效应：所产生的阴影，可以减少短波辐射，另外一方面，行人的散射与反射效果都使得街谷的净辐射低于平坦暴露的地表，另外由于视角因子较小的缘故，行人受到的散射辐射以及地表反射均小于一般下垫面；
2）辐射加热：街谷的表面和墙壁，所接收到的净辐射能量要远远小于屋顶的太阳辐射值。虽然在大尺度的模式里面，街谷的地表的状况是用屋顶的辐射性质来标志的，但是在微尺度的围之，街谷的热力条件和屋顶存在较大差异； 3）通风条件：大部分的白昼条件下，通风条件不是影响热力环境的主要因素，但是在傍晚或者夜间，则起到重要的作用，同样，街谷的走向在这个时候也是重要的影响因子[160]；
4）由于屋顶以及地表下垫面的热容量较大，到了夜间，街道以及建筑物会向周边环境释放热量。
城市下垫面的改变，会对局地气候产生较大的影响。下垫面物理属性如反照
率、热容量等发生变化，首先会引起局地的热力差异，对生活造成影响。如何正确的看待微尺度方面的热力环境的变化，以及对人体舒适度产生的影响，对于城市气候学来说，有着广泛的应用前景，尤其在干旱地区，如以色列等。如何在城市规划中，尽量避免热力差异的加剧，对于当地政府来说，需要采取合理的方案和应对措施[161]。对于城市规划的后效进行研究，可以有效的提高政策的科学性，也可以更好的提高人们生活环境的舒适度，创造良好的局地微气候条件[162]。 5.2 城市冠层热力环境的数值模拟
热岛的数值模拟，早在上个世纪90年代就比较成熟了[163]，如CSU-MM（Colorado State University Meso-scale Model）[164-168]，以及根据k??模式发展起来的城市冠层模式等[64,169]。近期的研究表明，随着城市节能技术的发展与应用，城市化对局地热力条件的改变有着不同方面的影响
[170]
。 城市中的诸多活
动，诸如地表类型的改变以及人为热的排放等，对城市热力环境所造成的影响，需要在规划的初期就进行评价。一般来讲，城市的大量能源的消耗，是人为热的主要源头[171]，不过，在城市区域，不同空间、时间的热源的分布还不够仔细，主要原因就是对于这些能源消耗的调查（尤其在大城市）是一件非常难的事情。 目前，对城市区域热力学性质方面的数值模拟包括以下几种：
.. ..
. . .
1）能量平衡模式
顾名思义就是依据能量收支平衡的等式，建立模型求解温度变化。地面的能量平衡方程见(5-1)式，等式从左至右分别是净辐射通量密度、人为热通量密度（外部强迫）、显热通量密度、潜热通量密度、净贮热量和净热平流： Qn?QF?QH?QE??QS??QA
(5-1)
以这个等式为基础的模式有很多种。一个简单的处理方法就是将地气界面简化成一个平面，在这个平面上按照不同的特征（粗糙度，地表状况，热源等因素）进行单元划分，然后对每个单元进行参数化，再计算各个单元的能量收支和温度变化。这种方法没有考虑近地层湍流与上层边界层的反馈作用，也忽略了城市冠层不同街谷与建筑物的几何特性对近地层能量交换的影响，但是可以反映出城市下垫面能量与温度场的分布特征和它们随时间的变化规律。
另一方法是在此基础上把近地层与上层边界层的反馈考虑近来，把模式的垂直结构分为土壤层、地气界面、近地湍流层和上面的混合层。这类模式包含了来自地面的热通量输送和混合层上层的卷入作用，以及混合层高度随时间的变化。再考虑周全些的方法可以考虑冠层街区的几何特征和墙面外的能量传输，这对城市边界层模式中更确切的体现下边界条件的反馈作用是十分重要的。这种方法要求的尺度很小，它的描述具体到建筑物的实际尺寸和方位。考虑不同角度接收面接收的太阳辐射，散射辐射和长波辐射。
边界层能量平衡模式实际上是把以上模型的结果做为它的下边界条件，在这个基础上建立混合层模式。 2）混合层模式
该模式是将对流边界层分三部分：底部的近地层，中部的混合层和上部的夹卷层。假设混合层的湍流热通量随高度线形递减，在边界层上部变成负值，达到最小值的高度即混合层的高度。通过参数化混合层顶部和底部的湍流通量求解混合层高度的变化，进而描述混合层随时间的演变过程。 3）动力学模式
动力学模式是用差分方法求解描述大气运动的控制方程组，控制方程组的建立要遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒等约束条件。通过数值方法求解方程组首先要选取合适的参数化方案来闭合方程组，然后离散化进行求解。采用何种参
.. ..
. . .
数化方法是这项工作的重要环节。不同的闭合方案得出的结果可能会相差很大。本文计算街谷热力场的日变化，用到的就是用平衡模式与动力学模式联合的演变过程。
当考虑建筑物表面和街道的辐射收支时，就必须包括以下因素：到达接收面的太阳短波辐射、大气向下的长波辐射、气溶胶散射辐射、瑞利散射辐射、街道和其它建筑物发射的长波辐射、接收面自身向外放射的长波辐射、其它建筑物和街道反射到接收面的短波辐射，此外还需要考虑建筑物的阴影遮蔽，阴影格点的太阳直接辐射应该等于零。视因子是用来度量接收面接收到发射源辐射总量多少的一个因子，在计算各个面接收辐射能量的时候，视因子是个很重要的参数。 5.2.1 城市冠层的能量平衡
在城市冠层中，对于各个表面（地面，墙面以及屋顶等），其能量平衡表达
式如下：
Rn?Qa?H?LE?G?Q (5-2)
式中，Rn代表净辐射通量，Qa代表人为热通量，为外部强迫项，H为显热通量，
LE为潜热通量，G是向表面传导的热量，Q则用于对本身的加热，其参数化方案分别如下： （1） 净辐射通量
净辐射通量是由短波辐射和长波辐射构成的，其中短波辐射包括：太阳直接辐射、天空散射辐射、建筑物表面和地面的反射辐射等；长波辐射包括环境中的空气长波辐射和表面长波辐射还有接受的空间物体的长波辐射。在上述通量的计算中，需要考虑建筑物的朝向[62,172]和视角因子的因素[51]。
在某个计算表面的格点A处，净辐射Rn：
Rn??S?s?sky?A??1??A????Si?si?sky?i???ii?A
i ??a?Ta4?sky?A???i?Ti4?i?A??A?Ta4 （5-3）
i其中S,s分别为太阳直接辐射和散射辐射；?sky?A为A点对天空视因子；?A为A点短波反照率；Si，si分别为i点太阳的直接辐射和散射辐射；?i为i点短波反照率；?i?A为A点对i点的视因子；Ta，Ti，TA分别为环境空气、i点和A点的温
.. ..
第五章街谷热力环境的数值模拟
