基于WRF/UCM的沿海高密度城市通风规划策略研究-以大连为例

Heat island effect and air pollution are now more than ever frequenting modern cities characterized by high-density residence demanded by the needs of economic developments and intensive use of land, which becomes inevitable even in such coastal cities as Dalian. It has attracted increasing attention both at home and abroad to alleviate these contradictions through reasonable urban planning to promote high-density cities' ventilation ability. Due to the disadvantage of conventional CFD method in simulating complicated physical phenomena in an urban scale, this study introduces a mesoscale numeric simulating technology-WRF/UCM-from meteorology to simulate the sea-land breeze environment in Dalian. The results are overlaid with the GIS high resolution data to make an urban wind environment analysis map, which can be used to study the influence of high-density city morphology and urban planning index on sea-land breeze, and to evaluate the thermal comfort of the urban environments. This research can put up with urban planning strategies to ameliorate natural ventilation in high-density urban environments, to explore ventilation paths allowing sea breeze to permeate the urban area, to analyze the reasonable threshold of urban planning index, and to propose concise and scientific ventilation ability index. The planning technology research conducted on the special geographic and climatic conditions in Dalian to promote its urban ventilation ability and alleviate UHI effect not only can improve the local thermal environments and living quality, but also is of great significance to other coastal cities in North China.

由于经济发展和土地集约利用等要求，现代城市以高密度为主要特征，由此带来热岛效应、空气污染等问题，即使像大连这样的沿海城市也无法避免。通过合理规划提升高密度城市自然通风能力、缓解这些矛盾，成为当前国内外研究的热点。由于常规的CFD技术难以模拟城市尺度的复杂物理现象，本项目引入了气象学领域的中尺度数值模拟技术（WRF/UCM），对大连海陆风特征的城市风环境进行模拟，并将模拟结果与GIS高精度数据库相叠加制作风环境分析图，研究高密度城市的形态、规划指标对海陆风的影响规律，评估城市的热舒适度。本项目可提出改善高密度城市通风能力的规划策略；发掘海陆风渗透进入城市的通风道；分析城市规划指标合理阈值；提出简便科学的通风能力评估指标。通过对大连特殊地理气候条件展开的促进城市通风、缓解热岛效应的规划保障技术研究，不仅可改善本地区的热环境和城市生活品质，对北方其他沿海城市也具有重要参考意义。

城市化带来城市的规模扩张、下垫面显著改变、建筑高度和密度增大，带来城市热岛、空气污染、暴雨和洪灾等气候问题，影响居民的生存和健康。促进通风对改善这些气候问题具有重要的作用。利用气象学工具WRF对城市气候进行详尽的评估，据此提出适应性规划和设计策略已成为城乡规划的重要方向。但是WRF的城市高精度气候评估需要解决一些关键问题：一是准确的边界条件和物理方案设置。本研究获取了高精度规划、地形、建筑形态和气象数据，并研究了如何将这些数据转换为WRF高精度的边界条件和参数设置。并研究了适用于WRF城市气候的物理方案设置。二是城市气候数据与城市规划数据的综合评价，即城市气候分析图。本研究通过GIS平台将气候和城市规划数据统一转换为不同的图层，进行叠加和评分。获得城市热岛和通风潜力图，为城市规划提供了重要的基础数据和分析依据。三是城市形态与城市气候之间的关联机理。通过将形态参数与气候数据进行回归分析，得到了两者之间的关联度，为制定城市规划指标提供了阈值和参考。本研究完成了多个高精度的城市气候实验，并与现场调查和气象数据对比，实验结果与气象观测数据吻合较好，验证了WRF实验数据的准确度和可靠性。实验也清晰地再现了城市热岛效应的时空变化、海洋和山体的复杂地形对城市气候的强烈影响；发现了城市热岛对海风的阻碍、逆温、海风幅合带等特殊现象。大连城市热岛呈现多核状分布，热岛中心位于城区西北部甘井子区一带。城市强度谷值出现在6：00-9：00之间，峰值出现在19：00-22：00之间；热岛强度最大值1.3℃，最低值0.03℃，平均值0.62℃。风速存在明显的昼夜变化，日间平均风速大于夜间，郊区和海洋风速大于城市。利用1993年土地利用数据进行的对比实验表明，城市化对气候产生了显著影响。甘井子区、金普新区的城市平均气温升高0.56℃，平均风速下降了0.48 m∙s-1，边界层高度增加48.5m。中山、西港和沙河口等主城区平均气温升高0.48℃，平均风速下降0.33 m∙s-1，边界层高度增加39.2m。基于本课题取得代表性的成果有：论文20篇，其中第一作者17篇，核心期刊4篇，SCI期刊3篇；完成专著1部。获得大连市高层次人才创新项目资助1项，课题组超额完成了研究任务，研究取得的成果对于城市气候评估技术应用与城市规划将产生积极影响，对WRF在国内的推广也具有较大作用。