典型高密度街区通风性能的多尺度模拟与实测研究

Urban ventilation, which helps air exchange, pollutant dispersion，alleviates the heat island effect and energy saving, is becoming an increasingly important issue. The method for urban ventilation performance evaluation is far from perfect including numerical simulation precision and field test technology in present. Based on previous study, the mesoscale meteorological model (WRF-Chem) and small scale computational wind engineering model (CFD) were coupled and multi-points/layers field measurement also conducted to evaluate the ventilation performance of two typical dense blocks in Shanghai. (1) Statistical analysis on meteorological data and air pollution monitoring data to quantify the effect of atmospheric stability on urban ventilation efficiencies. （2）The result of WRF-Chem simulation was treated as the inlet boundary and initial condition for CFD simulation. WRF-Chem and CFD are coupled to evaluate the ventilation performance at Lujiazui and Hongqiao areas under various atmospheric stabilities. (3) Multi-points field measurements are carried out to find out the horizontal and vertical pollutant distribution in these two areas under various atmospheric stabilities. Moreover, the previous simulation can be validated by the measurement data.The study aims to improve urban ventilation performance evaluation system through coupled simulation method and field measurement. The results of this study can support the natural ventilation strategy in built area and provide advice for land planning and building arrangement in new-built area.

改善城市通风性能对于驱散大气污染、缓解热岛效应、降低排放意义重大，是当今的研究热点。但目前无论是数值模拟精度，还是现场实测手段远不完善。在前期学位论文基础上，通过中尺度气象模式（WRF-Chem）与小尺度计算风工程模型（CFD）耦合的模拟方法和多点多层同步实测方法，对上海两处典型高密度街区的通风性能展开研究和评价：（1）利用气象与环境监测站的同步数据，定量分析大气稳定度对城市通风性能指标的影响；（2）选取不同大气稳定度工况，以中尺度模拟结果作为边界条件和初始场，对上海陆家嘴核心区和虹桥商务区两处街区进行CFD的通风性能数值模拟；（3）在两处街区开展多点多层通风性能指标现场实测，并验证数值模拟结果。本研究旨在建立中尺度气象模式与小尺度模式融合的数值模拟方法，注重数值模拟与现场实测对比验证，完善城市通风性能评价体系，不仅可指导已建街区的自然通风策略，还可为未来街区用地规划布局设计提供建议。

改善城市通风性能对于驱散大气污染、缓解热岛效应、降低排放意义重大，是当今的研究热点，但目前无论是数值模拟精度，还是现场实测手段远不完善。本研究通过中尺度气象模式与小尺度计算风工程模型耦合的模拟方法和多点多层同步实测方法探索和实施，对上海两处典型高密度街区和其它不同功能代表街区的通风性能展开研究和评价。空气颗粒物浓度被选做是评估城市街区通风性能的核心因子。本研究主要工作和结论是：.1. 利用气象与环境监测站2013年同步发布的小时监测数据为研究对象，统计分析了上海市空气污染物的时空变化特征及影响因子。结果表明：NO2、SO2、CO、PM2.5和PM10质量浓度从高到低依次是：冬季、春季、秋季和夏季。O3浓度从高到低依次是：夏季、春季、秋季和冬季。CO、NO2和PM10呈现双峰日变化规律。SO2与O3呈现单峰的日变化特征。降雨和风向对空气污染物浓度影响显著。PM2.5与 PM10、SO2、NO2、CO 均呈较高的正相关，与温度、露点、雨量、风速和瞬间可见度呈负相关。.2.自主研发了基于便携式颗粒物质量浓度传感器的移动监测技术，并将此技术应用于上海市五种不同功能的代表街区（包含两处典型高密度街区）和五条隧道空气颗粒物（PM2.5和PM10）分布特征研究。测试结果表明：颗粒物背景浓度较低时，各街区呈现不同的空气颗粒物分布特征。颗粒物背景浓度较高和降雨后，各街区的空气颗粒物浓度水平趋于一致接近背景浓度。在扩散条件充分和降雨的天气下：空气颗粒物浓度大多随高度的升高而降低。隧道内颗粒物浓度分布主要与隧道的通风方式、结构特点、通过的车辆及其形成的活塞风有关。.3.基于中尺度气象模式（WRF-CHEM）对上海城区冬季某日的风场、温度场和浓度场进行了模拟，进而探索了中尺度气象模式（WRF-CHEM）和小尺度CFD模式融合的空气污染物分布数值模拟方法。该方法从WRF-CHEM计算结果中提取出小尺度模式（CFD）计算域边界对应位置上计算结果作为陆家嘴核心区空气污染物CFD计算的入流边界条件，使空气污染物分布的数值计算结果更趋合理。.本研究的结果不仅可指导已建街区的自然通风策略，还可为未来街区用地规划布局设计提供建议。