街谷热力环境的数值模拟

1、第五章 街谷热力环境的数值模拟5.1 城市冠层内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内建筑物的材料、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，冠层内部的大气 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。在过去的几十年内，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

2、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

3、作用与动力阻碍效应，在城市的建筑群内，风 速较小，而且街谷内天空视角因子的变化， 会增加街谷内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， 街谷内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 Born

4、stein 的研究表明 144 ，当风速低于4ms -14ms-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 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3）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； 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-ov

5、er ）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 8K150。另外，温差的变化与城市的人口规模有着 内在的相关151，在

6、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，从而导致城市街区内部气温的增高。与通常的热岛效应对照的是，同时有一种现象被称作为“ NegativeUHI”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，城市中央的深街谷内部，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

7、表的温度以及街谷内的气温分布情况， 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内造成阴影区， 减少内部的太阳辐射， 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

8、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内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：街谷内的表面和墙壁，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，但是在微尺度的范围之内，街谷内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

9、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 城市冠层内热力环境的数值模拟热

10、岛的数值模拟，早在上个世纪 90 年代就比较成熟了 163 ，如 CSU-MMColorado 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

11、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(5-1)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：QnQFQHQEQSQA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

12、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 层内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内街区的几何特征和墙面内外的能量传输， 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

13、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。假设混合层内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

14、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。本文计算街谷内热力场的日变化， 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， 阴影内格点 的太阳直接辐射应该等于零。 视因子是用来度量接收面

15、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 城市冠层内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：(5-2)Rn Qa H LE G Q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是向内表面传导的热量，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

16、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 ：RnSs sky A 1 ASisisky i i i AiaTasky AiTii A A Tai5-3)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点的温度，a， i， A对应的分别为环境空气、i 点和 A 点的长波放射率;Stefan-Boltzman 常数。在本文的实际三维

17、的街谷模拟中，SiiSi sky i i i A 和 i iTi4A由于过于复杂，用简化的二维视角因子的算法方法代替。在太阳的直接辐射中，需要考虑到臭氧吸收Toz、分子散射吸收TR、水汽吸收Tw、气溶胶的衰减作用Tae16： a 臭氧透射系数 Toz 由经验公式给出：(5-4)Toz 0.985 0.0024uozMUoz是臭氧深度，代表垂直气柱中臭氧含量，取为 4mm。M是大气光学质量,由经验公式给出:(5-5)M 1/cos 0.15 (903.885) 1'253其中 cos 1(s in sin coscoscos ），为太阳天顶角,分别为纬度、太阳赤纬和太阳时角。b瑞利透射系

18、数近似表示为:Tr 0.96 0.007M0.004M 2Tr1.1157M 0.281(5-6)c水汽透射系数:Tw1 0.0946V0.303(5-7)其中v 0.25M ea，ea是百叶箱高度的水汽压，这里我们简单地取v 2.0。d气溶胶透射系数采用Meyers的经验公式:Tae0.935m(5-8)于是，太阳辐射项可以表达为:S 10 Toz Tr Tw Tae COS(5-9)其中，10是太阳常数，大小一年365随着太阳位置而改变，对于精度不太高的模拟而言，可以取值1350W M 2是太阳光线与接收面法线间的夹角。(5-10)(5-11)散射项S的计算 考虑瑞利散射SR和气溶胶散射S

19、ae两项:sSRsae瑞利散射辐射的表达式可以写为:SR 。COSToz (1 Tr) Twd式中的0.5表示指向地面那部分的散射辐射。透射系数Twd相当于各向同性散射入射辐射的水汽吸收，可利用Tw求出:TwdTw1.66(5-12)气溶胶散射辐射:Sae10 COS Tr Tw Toz (1 Tae) f(5-13)其中f 0.592是气溶胶导致的前向散射与总散射之比。(2)感热通量墙面或者地面与环境空间之间的感热通量可以表示为:Hhc(Ts Ta)(5-14)其中hc 0.5 (1.466u)0.8是水平对流系数，Ta是相邻格点的空气温度,u为界面附近的水平风速。(3)潜热通量本文的目的，

20、是对一个微小尺度街谷内部的温度场进行模拟，考虑了一个理想化的街谷形态，没有植被，故没有考虑潜热通量的计算。(4)固壁面向内表面传导的热量墙壁或屋顶内外热传导通量可以近似表示为:G W仃sTin)(5-15)其中 是热传导系数，由建筑物的材料和孔隙度决定，对于混凝土材料可采用经验值4.6W m 1K 1，W为墙体厚度，Tin是接收面内部的温度(通常情况为室内温度)，可以取为293K。这样，我们可以得到某个表面接收到的总能量:Q Rn H LE G Qa(5-16)人为热Qa是人类生产和生活所释放的各种能量的总和， 在城市区域，人为热 一般包括夏季的空调释放、机动车尾气排放热、工厂释放热等，由于影

21、响因素太 多，而且本文的重点是引入一种新的计算固壁面温度的方法，因而忽略。522固壁面温度变化的计算 522.1强迫恢复法（方法一）在城市大气边界层的数值模拟中，计算固壁面或者地面的温度是一个很重要 的内容。通过能量平衡的方法，可以用不同的方法可以计算出墙面温度， 最常用 的就是选择适当的差分方法求解热传导方程，通过迭代法求解出地面、固壁面的温度173;另外一个比较普遍的方法就是强迫恢复法174，这类方法的出发点在 于：首先是地面温度呈周期性变化，其次就是由土壤热传导方程的解析解求出地面热通量公式。强迫恢复法计算地表温度Ts及其平均温度T2的预报方程为174,175:T2Cg 十尺 H LE

22、Qa Ts T2-Ts T2t(5-17)T2(5-18)其中，Cg为固壁面单位面积热容量（单位厚度）为温度变化周期，在本模式计算中，为一天，即24h。5.2.2.2热流密度分布假设（方法二）实际上，固壁面、地表的温度的日变化只能是一个准周期的变化，其振幅, 极大值的出现和局地的天气条件有密切关系，平均温度的选择也有很大不确定 性，所以强迫恢复法也有一定的局限性。 本文尝试用一种新的方法，对能量平衡 条件下的地面、固壁面温度进行模拟求解。首先引入半无限大固体的概念，所谓半无限大，是指以 y-z平面（即x=0平面）为唯一界面，在x方向（或正或负）上无限延伸的物体。虽然现实问题中并不存在，但在一定

23、条件下，可以满足这个假设。其次，介绍一下热流密度的概念。所谓热流密度，在传热学里面，也称为热流量，是指单位时间内通过单位面积垂直方向的热量，热流量的单位为W/m 20在本文的模拟计算当中，单位时间内，固壁面所接收的热量即热流密度为（5-16）式中的Q。根据热传导方面的相关研究，半无限大的固体，在表面有均匀热流输入的时候，任意深度x处的热流密度和表面热流满足176:Qx/Q efc(x/27"t)(5-19)其中Qx,Q分别是x深度处和表面的热流密度，是热扩散系数:k/( c)，k是热传导系数，,c分别是密度和热容量，和固体的属性有关，t是热流持续输入的时间。从这个公式可以看出，当 X

24、/2厂 1.5的时候，x深度的热流密度就仅仅是表面热流的0.03，已经在普通数值计算误差允许范围之列，可以忽略不计。普通墙面的建筑材料如砖，水泥等，热传导系数、密度、热容量分别为0.84J/（m.s.oC） ,1800kg/m 3.,840J/（kg. oC），以日照时间12小时来算（正常情况下，单个墙面不可能日照时间12小时，只有屋顶和地面才有可能全天候的日照时间），在x = 0.46米的深度处，热流密度已经接近于 0，因此，大部分墙面都可以满足半无限大固体的假设条件。在距离固壁面表面垂直距离为x的深度，我们考虑一个薄层，x x dx，利用（5-19 ）式对这个薄层进行积分计算，那么在一个计

25、算时间步长t内，该层温度增长:Tg咅.expx24t半丄.exp “4 tc V tV ck t(5-20 )当x的取值趋近于零时，就可以得到墙壁面的近似解。在本文进行的计算中，我们首先用到一个假设，即大部分情况下，我们所研究的墙壁或者地表近似满足半无限大固体。 在实际大气物理环境中，对于任何一 个裸露在阳光和空气下的固壁面，不存在真正的均匀热流密度，但是由于太阳辐 射的变化非常缓慢，在积分的时间步长内，可以看成均匀不变，而且在相邻的两 个积分步长时间间隔内，变化幅度很小，故可以近似看作均匀热流，这样，我们 可以近似的利用（5-20 ）式子计算固壁面的温度变化。523固壁面附近气温的计算在用有

26、限网格进行模拟的时候，一个很重要的问题就是边条件以及固壁面附 近气温的取值，在大多数情况下，墙面、地面附近的气温取值都和固壁面温度一 致，但实际上，格点的值代表附近网格一个立体空间内的平均值，所以，固壁面 附近的取值，在某种程度上影响了模式最终的计算结果。 在模拟小尺度的街谷热 环境的时候，由于网格距很小，所以更有必要对固壁面附近的气温取值进行一些 改进。在通常情况下，固体表面（地面，墙面）附近的对流换热问题，往往都可以 简化为二维的情况进行研究。在一般情况下，固壁面附近的热交换集中在很小的个薄层内，称为热边界层，其能量守恒方程为:2 2T T T , T T :UV() t x y Cp X

27、 y(5-21)其中，x代表沿着固壁面的坐标轴，而 y则对应垂直固壁面的坐标方向，即 法线方向。对这个方程，结合动量方程，质量守恒方程，可以得到热力边界层内的一个无量纲的温度分布结果177:(5-22)Tw T1)3Tw T 2 t 2' t其中Tw是固壁面的表面温度，而T是固壁面附近，气流趋近于层流状态的区域的温度，在模式计算中，用固壁面附近空气格点的温度来代替，t为热边界层厚度，其表达式为:t 4.52Pr 13便，其中，U ,x分别代表运动学粘度系数，固壁面附近平Vu流的速度，x则是固壁面的特征尺度，Pr是普通大气的普郎特数。如果对热边界层厚度内的气体进行温度的积分计算，再对整个

28、热力边界层进 行平均计算，就可以得到热力边界层内的气体平均温度:(5-23)5TTw-(Tw T )8接下来，本章将通过式（5 23）的算法，利用方法一，即强迫恢复法对一 个简单的街谷内的热力场的变化进行数值模拟， 然后，利用方法二进行数值计算, 并将其结果与方法一进行对比。5.3结果对比分析 5.3.1模拟区域描述Nakamura 和Okel178】等在1983年夏季对日本京都（350OO'n,135045'E ）邻近京都大学的一个城市街谷做了比较细致的小气候观测试验。这个街道长轴呈东 西向，街谷南侧建筑物高度（H） 16.9m,北侧17.1m，街宽（W） 16.1m，高 宽

29、比（H/W ）近似等于1。本次模拟就以这次试验作为背景，模拟了一段长30m， 宽16m，高16m的街谷，计算模拟区域格点为51 41 16，水平和垂直格距均 为2m 。计算时间为12小时，从6:00时模拟到18:00时，时间步长为4.5s，总共积分9600步，每一个小时输出一次模拟结果，并与 果进行比较。由于计算流体方面的复杂和计算时间冗长,Nakamura 的观测结因此模式当中每两个小dmi*1?卜Vf=昵.1 E-llfii斗 2FS7X时，根据温度场的变化对风场进行适当的调整。图5-1 Nakamura试验中，街谷内测点的分布情况图5-1显示的是Nakamra的观测试验中，街谷内的测点分

30、布情况。街谷剖 面共设有7 9=63个测气温点谷底街面和南、北墙面各有 2个测地面（墙面）温 度点，同时在街谷顶部还有几个测风、测气温的点。在 Nakamura的观测结果里 面,白天以西南风居多，因此模拟中外界风场为西南风， 风速大小和观测中的大 致相当，取值2m/s 。C一 一莹乏罚傷移浮BF A 鳥囂 .L-ACM 一三去7rf.7图5-2模拟中的行人高度（z=2m）水平流场情况（西南风，风速2m/s ）图5-2则是数值模拟中的风场情况,为西南风来流情况下，行人高度（2m）的流场示意图。初始温度场选择298K（250C）,所有的温度（墙面，地表，空气温度）在模式开始阶段都被设置为相同的数值

31、。图5-3则是对应的行人高度风速V的分布情况，其中V u2 V2 %。8060-50 -M 40-30 =20-10-17 ；说 nji I；7 / /. I2.82.62.42.221.81.61.41.210.80.60.40.20.010-"-IIIIIIIP 11IIIIIIIIIQ0102030405060708090100X(M)图5-3 数值模拟的行人高度（z=2m）的速度分布（西南风，来流风速2m/s ）,图右为速度标尺（m/s ）5.3.2强迫恢复法的模拟结果（方法一）在数值模拟当中，某个格点的物理量的值，往往要代表该格点周围空气团的物理性质，在实际情况中，固壁面附

32、近的温度梯度变化非常大，因此，用固壁面 的表面温度Tw来代替计算中固壁面上的格点温度T,存在一定的偏差。大部分情 况下，由于固体表面的热容量比空气大的多，因此，我们可以假设，在整个计算 过程中，固壁面上的格点与附近空气的热量交换中， 整体的热量输出可以始终保 持热边界层厚度内的气体平均温度T 023 ILJiJ0612 L3 20/ 迫. J Hz ANakamura 的观测结果数值模拟的结果（x=50m 的剖面）图5-4模拟温度和观测结果对比示意图图5-4显示的是模式计算和观测结果的比较情况。左边图中的实线是图5-1 中靠近街谷北侧（离墙面4m ）的地表温度的日变化情况，虚线是南侧（离南墙

33、面4m ）地表温度变化，点线是街谷中央离地面 0.5m高的气温变化，右边图中 的数据则由x= 50m的南北剖面上相应的点获得。从图上来看，北侧街道的地 表温度在白昼都比南侧的高，最直接的原因就是北侧地面在白昼受到的太阳直接 辐射的时间比较长，而南侧地面只能接受很短一段时间的直射辐射以及少量的太阳散射辐射。北侧地表温度在午后最大值的时候比气温高大概8oC度，而街谷 中央的气温比南侧地面又要高。数值模拟的结果也很明显的体现了这一点。 而从 两者结果来看，变化趋势以及极大值出现的时间都比较一致， 但是模拟的结果稍 微偏低，跟模拟中没有考虑人为热的排放有一定关系。图5-5是模拟结果，显示了 11: 0

34、0时街谷内部以及附近区域行人高度温度场的分布情况。从图上可以看出，街谷北侧的气温明显高于南侧，造成这种差 异最大的因素是太阳的直接辐射，因为街谷南侧的墙壁（北墙）很少可以接收到 太阳的短波直接辐射。北侧的气温分布也随着不同的位置而不同，靠近东端的气 温也要稍微高于西端，图5-3中可以看出，靠近东端的风速较小，因此感热项很 小，相对来说，接受到的净辐射就较大，因此温度较高。整个区域温度分布来看, 高温区对应于低的速度场，从能量平衡来解释，低的局地风速意味着感热散失的70-60-50-30 =20-10-m 40 -IIIIDIIIII102030405060708090100x (m)数值要小，

35、局地的净辐射值的偏大则直接导致地表温度以及地面附近气温偏高。80 JIIL _ U - .JJI - -LL33.53332.53231.53130.53029.52928.52827.52726.52625.52524.5图5-5 ，11 : 00时，行人高度（z=2m ）温度场模拟的结果图5-6是街谷（x=50m ）南北剖面的实际气温分布情况（Nakamura的测量结果），图5-7则是模拟的结果。从两者对比来看，模拟的结果也有一条类似于观测结果里面的暖舌，只是数值要偏小一点，主要原因应该是因为人为热的释放没有包含在模拟计算里面。Br)mz3 (1 一5图5-7 , 11 : 00时，街谷内

36、的气温分布（数值模拟）80703660 =50-2T4- "m 40 =30-20 =10-3027i忙2&_ _ft10203040图5-8，14:00，MCe-0小。3534333231302928272625245060708090100x (m)行人高度温度场的模拟结果鼻0M I7b妙 3号®图5-9，14 : 00时，街谷内气温的分布情况（Nakamura的观测结果）图5-8则是数值模拟的14 : 00时，街谷周围行人高度温度场的分布情况,图中可以看着，街谷北侧有一段高温区，最高达34度左。图5-9，5-10贝規 此时街谷内的温度分布情况（实测与模拟）。模

37、拟的温度场以及街谷内气温的分 布规律和11:00时大致相当。首先，局地高温对应了相对低速区域，其次，街谷 内暖舌的情况和模拟的结果有一定的一致性，只是数值偏小，结果还是可信的。181412_10 =4=2-028=1B*=303234T0 严 I36384042y (m)44二33.53332.53231.53130.53029.52928.52827.52726.52625.52524.5Z H /图5-10，14 : 00时，数值模拟的街谷内的气温分布情况从整体来看，街谷内部，由于受到太阳直接辐射的时间不一以及部位不同, 局地气温分布有着明显的差异。由于街谷内缺乏植被，因此潜热蒸发的热量就

38、少, 建筑材料有助于吸收储存能量，加上街谷内风速较小，因此向阳面的一侧，地面 温度以及局地的气温全天都会高于南侧。从结果对比来看，固壁面附近的气温用式（5-23 ）计算，是比较合理的一个 方法，在微小尺度的模拟中，该方法有较高的可信度。5.3.3热力密度分布假设的模拟结果（方法二）接下来，运用方法二求解固壁面的表面温度变化，并对街谷热力场白天变化情况与原来的方法一做了对比。站 伸 测23J0612 L3 20Nakamura 的观测结果数值模拟的结果（x=50m 的剖面）An£iist 29图5-11,街谷北边、南边地面温度以及气温的变化情况（方法二）图5-11显示的是与图5-4对应

39、的几个参考点的温度变化情况，从图上的对比 可以看出，模拟出的北边街谷地表温度的最大值与气温的极值均与测量值接近, 但是极值出现的时间与之相比有差异。测量的结果显示，北边地表温度极值出现 的时间在中午12点左右，气温极值在稍后出现，在方法一中，地表温度极值出 现时间大概为12 - 13点，而气温极值在下午2点左右出现。方法二的结果显示,在下午2点一4点之间，街谷内的热力场的变化不是很大，极值出现在下午4点左 右，由于街谷特殊的几何形状与热力特征， 街谷内部的长波辐射被各个墙面以及 地表吸收比较多，而且街谷内的湍流交换作用比较强，因此这个模拟结果还是有定的可信度。80 4DD70 _60 =50

40、_30-2010-m40=09IDIQIDIDIH0102030405060708090100x (m)3433323130292827262524图5-12 , 11 : 00时，街谷行人高度气温分布（方法二）图5-12 , 5-13则是11 : 00时，街谷周围行人高度和街谷内的气温分布情况, 将其结果与图5-5，5-7进行对比可以看出，其分布规律以及极值均相差不多, 说明这种方法模拟的气温分布与强迫恢复法的结果近似。20 441814.12.10_4-2_28303232-?>31.53130.53029.52928.52827.52726.52625.52524.53436384

41、04244（方法二）5-10的对比可以看出,y (m)图5-13 , 11 : 00时，街谷内气温分布情况图5-14 , 5-15是14 : 00时的模拟结果，与图5-8 ,此时模拟的结果数值稍微要比原来的强迫恢复法高一点，但与测量的结果相比,差别并不大。两个时刻的模拟结果对比可以看出，用这种方法进行模拟的气温分布结果，其可信度与强迫恢复法大致相当。80 400DD70 _60 =50 _m 40 =30-2010-204060103050709080100383736353433323130292827262524x (m)图5-14 , 14 : 00时，街谷行人高度气温分布情况的模拟情况

42、（方法二）20 418.1412t10-8-0-=28=T3032342S-373635343332313029282736384042442625图 5-15y (m)，14 : 00时，街谷内气温分布情况模拟结果（方法二）534墙面温度的模拟结果图5-16是用两种方法模拟的东、西、南墙面的温度变化情况(取点为墙壁中 段，离地面高度4m的墙面格点)。从对比来看，三个墙面的温度变化趋势比较一 致，但是最大值相差4度左右。结果表明这两种方法虽然在整体的温度变化趋势,可以达到一致的效果，但是，最大的温度差异却相差45度左右，而且南墙的变化有所不一致。在强迫恢复法的模拟当中，南墙的极值出现时间为12

43、点，而 方法二模拟的结果，极值出现在 14点。出现这种差距的原因，首先可以在式(5-20 )找到答案，当t很小的时候，分母很小，而且在数值计算的时候，容易导致溢出，因此在实际计算的时候，需要设定一个阈值，这个也是热力密度假设的缺陷之一。图5-16，数值模拟的东、西、南墙面温度变化情况380_C15.)10_ m z5_1020304050607080y (m)二-r-L _ - rf!'，!存-i?ri111,产.t1II1113736353433323130292827图5-17 ,11 : 00时，东墙面的温度分布情况（方法一）15=10-20304050607080y (m)45

44、4443424140393837363534333231302928图5-18 ,11 : 00时，东墙面的温度分布情况（方法二）图5-17 , 5-18是11点，东墙面的温度分布情况，从图中可以看出，两种方 法模拟的墙面温度分布规律比较吻合， 但极大值有一定差距。从两种方法的出发点来分析，强迫恢复法在初始时刻的热力强迫比较明显，但由于强迫项，即平均 温度的限制作用，温度的振幅比较慢，而且呈现一定的正弦变化，而热流密度假 设，随着加热时间的持续，温度对热量的相应比较敏感，因此振幅比强迫法要大。4102080450-m-3020-10-EC丿一-昭 R .二 - 订一 1304050607080

45、90x (m)图5-19 , 11 : 00时，地表的温度分布情况（方法一）二三三壬三一二三蒂計壬三三T-2、-二10203040506070809010037363534333231302928272625242322x (m)图5-20 , 11 : 00时，地表的温度分布情况（方法二）21图5-19，5-20则是11 : 00时地表温度的分布情况，对比可以看出，两种方法模拟的极大值大致相同，但是极值的出现的区域有所不同，强迫恢复法模拟的 结果在街谷北侧靠近东端的地表有一个极值，方法二的极值出现在街谷北边建筑1510物的东墙地面附近，温度普遍比方法一稍高。35 34 33 3231305-

46、32292827303540455055262525x (m)图5-21 , 11 : 00时，街谷北边南墙的温度分布情况（方法一）15105-303540455055、丿60x (m)434241403938373635343332313029282726图5-22 , 11 : 00时，街谷北边南墙的温度分布情况（方法二）图5-21，5-22是11 : 00时，街谷北边南墙（即图5-2中的C墙面）的温度分布情况的对比。两者对比可以看出，虽然大部分的主体墙面温度，两者差距不大, 但是方法一模拟的结果中，墙面的东部靠近地表有一个高温区，其位置与图5-25 中的地表温度极大值对应。图5-23，5-24则是此时南墙（即图5-2中A墙面）的温度分布情况，两种方法计算的差异不大，与图5-21，5-22的对比可以看出,由于街谷内部视角因子的缘故，街谷北边的墙面（C墙面），吸收较多的长波辐射以及多重的太阳辐射、散射，因此温度较南墙（图5-2中的A墙面）高一点。图5-23 , 11 : 00时，南墙的温度分布（图5-2中的A墙面）（万法一）1510-5-JI3035403T.3245505560x (m)403938373635343332313029282726图5-24 , 11 : 00时，南墙的温度分布（图5-2中的A墙面）（方法二）图5-25，5-26是14 : 00时，地表