粤港澳大湾区典型城市形态与不同大气稳定度条件下风环境的大涡模拟

As a national plan of long-term development, the establishment of the Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area (GBA) is of great chances for economic and sustainable developments. But at the meantime, big challenges in environmental and social aspects will be encountered. Under the background of changing climate and increasing frequency of extreme events, rapid urbanization brings lots of problems such as urban heat island and air pollution. Urban ventilation is found to be one possibility of mitigating these matters. As in the tropical coastal region, good ventilation and urban wind environment are also benefit to the inhabitants’ thermal comfort and public health in the megacities of the Guangdong-Hong Kong-Macau GBA. This study will first utilize the meteorological observation network in the Pearl River Delta (PRD) to analyze the typical weather types and their probability of occurrence during different seasons in the area. At the meantime, typical urban geometries will be selected and extracted among the urban and suburban regions in the GBA. Using the selected typical urban areas, urban morphological parameters will be statistical computed. Idealized urban scenarios will be constructed based on the statistics of these parameters. Then, large-eddy simulation (LES) will be devoted to reproducing the observed representative stabilities of the atmospheric boundary layer, by initiating various schemes of heat fluxes and vertical potential temperature profiles. Comprehensive sensitivity tests will be performed. Dynamical relationships between street canyon air flows and urban forms under different schemes of stability will be investigated based on the verified LES model. LES tests over both actual and parametric urban forms will be achieved to provide advice and guidelines for urban planning and building design towards a better living environment.

作为国家层面的发展计划，粤港澳大湾区的启动和深化建设，发展机遇与挑战并存。良好的城市通风有利于缓解高速城市化进程中城市热岛和街道污染物扩散等环境问题，对副热带高密度城市群中居民的热感舒适和健康也尤为重要。本项目将首先利用粤港澳大湾区的气象观测网络，分析区内不同季节典型天气类型及发生概率，结合探空气球等垂向观测，描述大湾区城市群的大气边界层特征。项目同时提取大湾区内典型城市三维结构，并基于建筑群实际数据的规划和设计参数之统计特征，构建理想化城市情景。然后分别对实际城市模态和理想化城市情景开展高分辨率大涡模拟（LES）的城市风环境研究，通过多重敏感性试验，初始化LES中的热通量和垂向温度剖面，从而再现气象统计所获取的典型大气边界层层结稳定度，探讨不同城市和建筑构造在不同的边界条件下是如何影响城市通风的。研究结果有望在更真实的大气环境下对相关区域在城市化进程中改善人居环境提出参考意见。

探讨城市大气边界层热动力过程与城市形态的相互作用，从而通过城市规划改善城市通风，有利于缓解高速城市化进程中城市热岛（UHI）加剧和街道大气污染累积等问题，对副热带高密度城市中居民的热感舒适和健康也十分重要。本项目立足于粤港澳大湾区的气候背景和城市形态特征，根据立项时的研究目标和内容，主要完成了三个方面的工作。第一，进行了城市大气边界层层结稳定度统计特征与街谷热力环境方面的研究。鉴于UHI缓解的一个障碍是缺乏对UHI不同影响因素的定量归因，项目利用气象观测数据，分析了大湾区UHI的时间动态，根据边界层的不同动力稳定条件（中性、弱稳定和强稳定）对夜间UHI进行了归类，给出了大气稳定度的统计特征及其对UHI的贡献。项目又通过缩尺模型实验，量化了不同街谷形态中垂直绿化对街谷降温的贡献。第二，开展了大湾区城市形态特征提取、模型参数化改进及气象模拟研究。综合利用多种数据来源获取了大湾区重点城市的精细化城市形态数据，包括项目研究提出的一种基于Google Earth高分辨率遥感数据，利用相同建筑在不同影像产生的相位差来获取建筑轮廓和高度的方法，并开发了一套基于地理信息系统技术计算城市冠层参数的软件。第三，完成了不同热力条件下的多尺度城市通风与扩散模型研究。基于多尺度、精细化数值模拟及物理模型实验，获得了机械湍流与热湍流耦合控制下的城市冠层、边界层通风扩散的新认识。在弱背景风下，建筑物/地面加热引起的额外对流运动增加了城市冠层内外的垂直混合，使得不稳定条件相比中性条件具有更高的人行道风速比。然而，当初始热条件固定不变时，更高的输入风速意味着更强的水平对流，这将削弱热湍流引起的垂直混合，最终导致人行道通风能力的相对减弱。