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057726619/2008/66(4)20489299Acta Meteorologica Sinica 气象学报 应用城市冠层模式研究建筑物形态对城市边界层的影响Ξ周荣卫1,2 蒋维楣1 何晓凤1,2 刘 罡1ZHOU Rongwei1,2 J IAN G Weimei1 HE Xiaofeng1,2 L IU G ang11.南京大学大气科学系,南京,2100932.中国气象局国家气候中心,北京,1000811.Depart ment of A t mospheric Science,N anjing U niversity,N anjing210093,China2.N ational Clim atic Center,China Meteorological A dminist ration,Beijing100081,China2007205211收稿,2007207202改回.Zhou R ongw ei,Jiang Weimei,H e Xiaofeng,Liu G ang.2008.Study on effects of buildings morphology on urb an bound ary layer using an urb an canopy model.Acta Meteorologica Sinica,66(4):489-499Abstract An urban canopy model is incorporated into the Nanjing University Regional Boundary Layer Model.The simulation re2 sults of urban temperature with the urban canopy model are better than those with the traditional slab model,and are in more reason2 able agreement with the observations,especially in the night time.The incorporated model is used to study the effect of buildings morphology on urban boundary layer and meteorological environment by changing urban area,building height and building density. By analyzing the results of sensitive experiments,the results are as followings:(1)When the urban area is expanded,the urban boundary layer heat flux increases,the thermal turbulence strengthens,the turbulent momentum flux and kinetic energy increases, and the surface air temperature also increases.The stability of urban atmospheric stratification is affected to different extents at differ2 ent times in a day.(2)When the building height increases,the aerodynamic roughness height and zero plane displacement height of urban area increase,and the ratio of building height to street width also increases.Therefore,the increase in building height results in decreases in the surface heat flux,and decreases in urban surface temperature,mean wind speed and turbulent kinetic energy in the day time.While at night,as the more heat storage released by higher buildings,the thermal turbulence is more active and the surface heat flux increases,so urban temperature is higher.(3)As the increase in building density,the aerodynamic roughness height of ur2 ban area decreases,and the effect of urban canopy on radiation strengthens.The increase in buildings density results in decreases in urban surface heat flux,momentum flux,and air temperature,the increase in mean wind speed,and the weakening of turbulences in the daytime.While at night,urban temperature increases due to the release of more heat storage.K ey w ords Urban canopy model,Urban boundary layer,Building morphology,Numerical simulation摘 要 文中将城市冠层模式耦合到南京大学城市尺度边界层模式中,通过模拟对比发现,耦合模式对城市地区气温模拟结果更接近于观测值,尤其是对城市地区夜间气温模拟的改进。
1Transport Phenomena, Xu Jian, 2009第五章边界层理论边界层概念 边界层方程 边界层分离2Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.1 边界层概念在上述层流动量传递的若干实例的分析中，(1)形状简单；(2)引入了假设：管道无限长、忽略进口段影响。
实际问题要复杂得多。
边界层理论，粘滞力对动量传递影响的一般理论，是粘性流体力学的基础，也与热量传递过程和质量传递过程有着密切的关系。
3Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.1 边界层概念Prandtl(1904)提出边界层概念，把统一的流场，划分成两个区域，边界层和外流区；其流体流动（沿流动方向和沿与流动方向垂直的方向）有不同的特点。
边界层：流体速度分布明显受到固体壁面影响的区域。
边界层的形成：¾壁面处流体的“不滑脱”no-slip ¾流体的“内摩擦”作用 边界层厚度δ¾U ＝0Æ0.99 U 04Transport Phenomena, Xu Jian, 20095Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.1 边界层概念流过一物体壁面的流体分成两部分¾边界层，粘性流体，不能忽略粘滞力¾外流区，理想流体，可以忽略粘滞力6Transport Phenomena, Xu Jian, 2009边界层理论的要点边界层厚度δ的变化¾前缘处，δ＝0¾x ↑, δ↑；沿壁面的法向将有更多的流体被阻滞¾δ<<x边界层内，δ<<x （距离很小）；0Æ0.99 U 0（速度变化大）¾速度梯度很大，剪切力很大¾流体速度减慢Æ惯性力<<层外，惯性力与粘性力数量级相当7Transport Phenomena, Xu Jian, 2009边界层流动的转变x<x c (临界距离)层流边界层 过渡区 湍流边界层转变判据：¾临界值：5×105；¾特征长度：距前缘的距离；¾特征速度：来流速度0Re xU ρμ=8Transport Phenomena, Xu Jian, 2009圆管进口段效应靠近管壁部分：边界层，速度减慢；厚度不断增大，进口段长度之后，汇交在管中心处；充分发展段的流动状态取决于交汇处边界层的流动状态；进口段的中心部分：无粘性流动区，速度均匀，区域不断缩小，在边界层汇交时消失；沿程速度不断增大Î压降增大（附加压降）；9Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.2 边界层方程普兰德边界层方程：量级比较 边界层积分动量方程：动量衡算沿平壁层流边界层的计算：动量积分方程的应用10Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.2.1 普兰德边界层方程2222222211x x x x xy y y y y x y u u u u P u u x y x x y u u u u P u u x y y x y μρρμρρ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠⎛⎞∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠讨论不可压缩流体在平板壁面上的稳态二维层流2222221x x x x Du u u u PDt x x y z υρ⎛⎞∂∂∂∂=−+++⎜⎟∂∂∂∂⎝⎠2222221y y y yDu u u uPDtyx y z υρ⎛⎞∂∂∂∂=−+++⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂⎝⎠不可压缩流体的Navier-Stocks 方程不可压缩流体在边界层中作稳态二维流动，方程简化为：y0x u u x y∂∂+=∂∂连续性方程：11Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.2.1 普兰德边界层方程普兰德首先发现可以通过比较数量级简化方程：¾Re 较大时，边界层的厚度δ<<x¾边界层内的惯性力和粘性力数量级相当 标准数量级：¾x 为距离的标准数量级，记为x=O(1)¾u 0为速度的标准数量级，记为u 0=O(1)¾边界层厚度δ的数量级记为δ= O(δ)，远远小于O(1) 其他物理量的数量级：¾u x 与u 0是一个数量级，记为u x =O(1)¾y 与u 0是一个数量级，记为u x =O(1)12Transport Phenomena, Xu Jian, 2009其他物理量的数量级(1)(1)(1)x x u u O O x x O ∂Δ≈==∂Δ()222(1)(1)(1)(1)x x u u O O x O O x ∂Δ≈==∂Δyx u u x y ∂∂+=∂∂(1)x u O x∂=∂+(1)y u O y∂=∂()y u O δ=(1)1()()x x u u O O y y O δδ∂Δ≈==∂Δ()22222(1)1()()x x u u O O y O y δδ∂Δ≈==∂Δ22221x x x x xy u u u u P u u x y x x y μρρ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠数量级(1)(1)×1()()δδ×(1)21()δ13Transport Phenomena, Xu Jian, 2009其他物理量的数量级22221x x x x xy u u u u P u u x y x x y μρρ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠(1)(1)×1()()δδ×(1)21()δInertial Force=Viscous Force:2()O μδρ=1(1)PO xρ∂≤∂22221y yy yx y u u u u P u u x y y xy μρρ⎛⎞∂∂∂∂∂+=−++⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠(1)()δ×()(1)δ×()δ1()δ2()δ()δ≤()δ(1)14Transport Phenomena, Xu Jian, 2009普兰德边界层方程2210x x xxy yx u u u dP u u x ydx y u u x yμρρ∂∂∂+=−+∂∂∂∂∂+=∂∂000x y x y u u y u u ====∞=时，时，普兰德边界层方程B.C.通过数量级比较得到的简化方程：应用条件：不可压缩流体在边界层中作稳态二维流动，而且Re 比较大15Transport Phenomena, Xu Jian, 20095.2.2 边界层积分动量方程卡门避开使用N-S 方程，直接对边界层进行衡算x 方向质量衡算：¾左侧进入：¾右侧流出：¾上部外流区进入yxz dxdy 1个单位距离δlyu 0, ρμlx u dy ρ∫()00ll x xu dy u dy dxxρρ∂+∂∫∫()lx u dy dxxρ∂∂∫()()2220000000u (-u )ll l l x x x xlx x u dy u dy dx u dy u dy dxx xdx u u dyx ρρρρρ∂∂+−−∂∂∂=∂∫∫∫∫∫x 向净动量变化率：不可压缩流体沿平板壁面的稳态二维流动16Transport Phenomena, Xu Jian, 2009边界层积分动量方程作用于控制体的x 向外力¾壁面剪切力：¾作用在左右侧面的压力差：1s dx τ−⋅⋅1Pdx l x∂−⋅⋅∂00(u )l x x s Pu u dy l x xρτ∂∂−=+∂∂∫0[,]x y l u u δ∈=00(u )x x sP u u dy x xδρδτ∂∂−=+∂∂∫只考虑x 方向的流动00(u )x x s d dPu u dy dx dxδρδτ−=+∫边界层内外压力近似相等00(u )x x sd u u dy dx δρτ−=∫卡门边界层积分动量方程17Transport Phenomena, Xu Jian, 2009边界层积分动量方程可以求出边界层厚度、流体阻力、曳力系数等；方程有u x ，τw ，δ三个变量，需要补充u x =f 1(y)，τw =f 2(δ)的关系；需要预先假定一个速度分布方程才能求解，故只能算是一种近似的方法。
大气层中的边界层与城市气候效应大气是地球上最外层的气体环境，也是维持生命存在的重要条件之一。
大气层分为几个不同的层次，其中最接近地球表面的一层称为边界层。
边界层是大气与地球表面的相互作用区域，对于城市气候效应产生着重要影响。
本文将探讨大气层中的边界层与城市气候效应之间的关系。
一、大气边界层的定义与特征大气边界层是大气与地面之间的交界层，其厚度通常为1000米到3000米之间。
边界层内的气流运动受到地面摩擦力的影响，表现出较为复杂的现象。
边界层内的风速逐渐减小，温度逐渐上升，湿度逐渐下降。
此外，边界层还存在着较为强烈的湍流运动，这种湍流运动具有扩散、混合以及垂直上升和下沉的特点。
二、城市气候效应对边界层的影响城市作为人类活动集聚的地方，其特殊的建筑、道路和人造物体对边界层的运动产生了直接影响。
城市气候效应指的是城市与其周围地区相比，气象要素发生的差异和变化。
下面将分别以温度、风速和湿度等因素来探讨城市气候效应对边界层的影响。
1. 温度影响城市地表由于建筑、道路、水泥等人为结构的影响，使得城市表面的辐射热吸收和释放增加。
因此，城市边界层内的温度比周围地区要高。
高楼大厦和狭窄的街道使得日间的辐射热被束缚在城市内部，形成了热岛效应。
夏季热岛效应尤为显著，使得城市内部比边界层外的地区温度高出数度。
2. 风速影响城市中的高层建筑和大量的人造结构会阻挡风流，使得城市边界层内的风速较边界层外低。
高层建筑产生了阻风效应，导致城市中的空气湍流减弱，风速减小。
这种风速差异导致城市边界层内的污染物扩散速度减慢，容易造成空气污染。
3. 湿度影响城市中广泛使用的人工制造物体如水泥、沥青等不具备自然的水汽蒸发能力，使得城市边界层内的湿度明显低于边界层外的地区。
城市内的水分蒸发能力降低，导致湿度相对较低。
另外，城市中大规模的混凝土建筑会使得蒸发率减小，降水量减少。
三、城市规划与边界层调控针对城市气候效应对边界层的影响，城市规划和设计应该充分考虑边界层特性以及环境保护的原则，实施合理的调控措施。
1 第一章 绪论 人类活动对气候的影响在城市中表现最为突出，已成为全球环境变化研究的焦点。在城市中由于人口密集，居民生活、交通运输和生产活动消耗大量的能源，并产生大量的人为热、温室气体和气溶胶排入大气，另外，还由于道路、建筑物形成的特殊下垫面的动力、热力特征，形成了城市下垫面的特殊区域边界层气候。城市边界层气候的研究不仅在论证人类活动与气候变化的关系这个理论问题上有重要意义，并且在城市化对气候变化的研究、城市天气气候预报、城市环境规划、城市建设、城市建筑设计、城市环境保护、能源利用、居民保健、城市灾害防御和环境生态平衡的改善上，都有实际应用价值。
一、城市边界层气候和数值模拟研究的对象和任务 1. 城市边界层气候和数值模拟研究的对象 人类活动对气候的影响有两种：一是无意识的影响，即在人类活动中对气候产生的副作用；一种是有目的的人为对局地气候的改变。在现阶段，以第一种占绝对优势，而这种影响在城市中表现的最为突出。当前的城市边界层气候就是在区域气候的背景下，经过城市化后，在城市特殊下垫面的热力、动力趋动和城市人类活动的影响下，而形成的一种局地边界层气候。它直接影响着城市居民的生活质量和城市经济规模的发展。已引起世界组织、各国政府及经济、环境和学术界的广泛关注。 城市化的地区具有以下几个特点： （1）非农业人口高密度聚居的区域 据统计，世界人口密度平均为每平方公里28人，而城市人口每平方公里却有数百人乃至数万人。城市的划分，在世界上虽没有统一的标准，但大都以人口数量为依据。据1971年40个主要国家的普查资料，其中决大多数国家以1000—10000人作为城市的最少人口限额[1] 。联合国则以2万人作为城市人口规模的下限。我国国务院曾于1955年和1963年先后作出规定：凡聚居人口10万以上的城镇，方可设市；聚居人口在3000以上，其中非农业人口占70%以上，可以设镇的建制。截止1987年为止，我国共有城市381个，按其城市人口规模可分四级，见表1.1。
表1.1 我国城市按人口分级标准及各级城市个数[1] 2
____________________________________________________________________ 级别 特大城市 大城市 中等城市 小城市 人口规模分级 100万 50—100万 20—50万 20万 城市个数 25 30 103 223 _____________________________________________________________________ 其他国家城市按人口分级标准不一致，例如，前苏联以人口超过50万为特大城市，人口在10—50万为大城市，人口在2—10万为中等城市，人口在1—2万，其中非农业人口占67%以上为小城市。日本提出人口在3万以上，人口密度大于4000人/平方公里，才算为城市区域[2]。 1985年世界联合国发布的年鉴列有49个人口超过250万的特大城市。其中位于中纬度而具有湿润气候的城市有33个，位于低纬度具有热带气候的城市有11个，具有沙漠或半干旱气候的城市有5个[3] 纬度最低的特大城市是新加坡（1.22N，103.45E）。纬度最高的城市是美国的北阿拉斯加（Alaska)的巴罗（Barrow)，它位于北极圈以北（71.20N，156.00W），城内居民只有2000人[4]。 据联合国人口研究计划指出，目前全世界人口达到近63亿，其中有近50%的将聚居在城市之中。在发达国家总人口将有14亿，其中有近80%将聚集在城市中[5]。 （2）政治、文化、经济活动中心 城市的发展与地理位置、交通输纽、经济有关。为满足某种专门需要，在集聚经济、规模经济的作用下，往往形成以某种专门优势为主的城市。其中以专门工业城市为最重要（如上海以轻工业为主；沈阳以重工业为主；兰州以化学工业为主等）。此外，还有矿业城市、风景旅游城市、科学文化城市，等等。但是，不同类型的城市，形成的边界层气候和环境是不同的。 目前决大多数的城市在一定范围内承担着几种或兼有多种多样的职能。城市的级别则视其所承担的职能数量的多寡、服务范围的大小及与之有密切联系的人口规模而定。世界上人口最多的城市如日本的东京（人口2400万）、美国的纽约（2390万）、巴西的圣保罗（人口1700万）、韩国的汉城（人口1530万）、美国的洛杉矶（人口1300万）、我国的上海（据1990年统计，全市1334万，城区821.4万）[6] 等都是兼有多种职能才会跃居世界特大城市之列的。 总之，城市交通发达，工业生产、商品流通和消费水平很高，使得生产资料、生活资料和能源使用都高度集中，高速运转，产生的废弃物排入环境中，使环境发生了巨大的变化。 （3）特殊性质的下垫面 由于城市的发展，城市下垫面原有的自然环境，如农田、牧场、绿地等发生了根本的变化。道路、建筑物高度集中，以水泥、沥青、砖石、陶瓦、玻璃和金属等坚硬密实、干燥而不透水的建筑材料，代替了原来疏松和植被覆盖的土壤或 3
空旷的荒地。在城市化的地区，人类活动对气候环境的影响，首先是通过对下垫面性质的改变来体现的。因为下垫面是气候环境形成的重要因素，它与大气存在着复杂的物质交换和能量的交换，又是下层空气运动的边界面。它直接影响着局地环境气候。城市人为的立体下垫面，对太阳辐射的反射率和地面长波净辐射都比郊区小。其导热率、热容量和热导系数都比郊区大，所以，其蓄热能力比郊区高。但因植被面积小，不透水面积大，储藏水的能力却比郊区低。蒸发、蒸腾量比郊区小，下垫面的粗糙度比郊区大。在能量平衡和水分平衡上，城市与郊区有明显的差异。它对城市的边界层结构、温度、湿度、风速和风向等的垂直分布都有很大的影响，这是导致城市边界层气候与郊区不同的重要原因之一。 其次，在城市高强度的经济活动中，要消耗大量的能源。在煤碳、石油、天燃气和其它燃料的燃烧过程中，排放出大量的二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳等有害气体和气溶胶物质。当其排放量超过空气的自净能力时，就会造成城市大气污染，改变大气的组成成分，影响城市空气的透明度，减弱能见度，为云、雾及降水提供了丰富的凝结核。另外，在各种燃料燃烧时所排放出的二氧化碳所产生的温室气体效应显然也比郊区大的多，这些又从多方面影响城市的边界层气候。 另外，在工业生产、机动车行驶和居民生活等消耗能源的同时，还有一定量的废热排放，加上空调热量和人体新陈代谢等所排出的人为热，使城市大气中比郊区增加了许多额外的热量。这种人为热在高纬度的城市特别是冬季可以胜过太阳的热量收入。在化石燃料燃烧过程中还有人为水汽的排放，这些又使城市的能量平衡和水分平衡与郊区不同。 所以，城市气候除了当地纬度、太阳辐射、大气环流、海陆位置和地形地貌等区域气候因素的作用外，还受人类活动的无意识的影响，通过下垫面和近地面层大气的辐射、热力、水分、空气质量和空气动力学性质的改变，形成有别于附近郊区的城市区域局地边界层气候。噢克（Oke，1978）给出这种局地气候所涉及的范围如图1.1所示[7]。 4
图1.1 城市边界层的分层示意图 在城市建筑物顶以下至地面这一层称为—城市覆盖层（Urban canopy layer,简称UCL）。它受人类活动的影响最大。它与建筑物的密度、高度、几何形状、外表面涂料、颜色、街道宽度和朝向、路面铺砌材料、不透水面积、绿化面积、建筑材料、空气中污染物浓度以及人为热和人为水汽的排放量等关系甚大，属于小尺度气候。其中还可分为：建筑气候、街道峡谷（urban canyon, 由一条街道和两旁建筑物墙壁所组成）气侯、住宅区气候、商业区气侯，工业区气候，等等。由建筑物顶向上到积云中部高度，这一层可称为城市边界层（urban boundary layer,简称 UBL），它受城市周围区域地理环境、城市大气质量（污染为性质及其浓度）、城市建筑高度、下垫面热力、和动力影响，在这一层中湍流混合作用显著，与城市覆盖层间存在着物质、能量的交换，并受城市四周区域地理环境（区域气候因子）的影响，属中尺度气候。在城市的下风方向还有一个“城市尾羽层”，也可称为“城市尾烟气层”（urban plume)。这一层中的气流、污染物、云、雾、降水和气温等都受城市下垫面及边界层的影响。在“城市尾羽层”之下为“乡村边界层”（rural boundary layer,简称 RBL）。Oke(1980)曾根据大量资料[8]综合分析指出：在不同风速下，城市对下风方向的影响可达30 km，最大时可达到100 km以上。但在区域静风条件下，城市又有显著的热岛环流时，城区出现穹隆形尘盖（urban dome)。这时，城市尾羽层就不存在了，见图1.2所示。 5
图1.2 静风时城市大气尘盖示意图 城市大气边界层的上限高度因天气条件而异，白天与夜晚不同。在中纬度大城市，晴天常见的情况是白天可达到1000—1500 m，而夜晚只有200—250 m左右；静风时夜晚城市尘盖顶高度有时只有100—200 m之间。
2. 城市边界层气候的研究任务 城市边界层气候研究兼具理论和应用两种性质。涉及到地球科学、环境科学、建筑科学、及化学、物理等学科。它的研究任务主要有以下几个方面： （1）城市边界层气候观测 城市边界层气候观测是进行城市边界层气候研究的基础和依据，也是从事城市边界层气候研究的首要任务，观测的内容包括： 城市覆盖近地面层小气候的观测： 观测点宜分别选不同性质的下垫面（如停车场、公园、草地等），不同功能区（如商业区、工业区、住宅区等）和不同走向、不同高宽比的“城市街道峡谷”内。 城市、近郊和远郊乡村近地面层对比观测： 要选择有典型意义的天气（如无云无风或微风）时，对城市中心区、边缘区、近郊区和远郊区有代表意义的测点进行同步观测。 城市和附近郊区较大范围的三度空间观测： 应用地面观测、低空探空系统、平移气球、飞机航测、声雷达、超声风速温度仪等同时在城市和附近郊区选择适当的东—西和南—北轴向进行同步三度空间的观测。 城市和附近郊区下垫面环境生态特征的观测： 可设点直接进行观测，也可利用航空遥感、气象卫星遥感图图像进行分析，了解城、乡下垫面的温度、反射率、植被指数和水分蒸发等特征。
