城区非稳态通风特性和热环境时空特征的定量研究

This study first designs some low-cost idealized urban models which are flexible in controling their thermal properties,and can satisfy the dynamic and thermal inertia samilarity with respect to that of real urban area. Then long-term outdoor field measurements are carried out in suburb region of Guangzhou under various metorological conditions, to investigate the effect of urban size, building packing density, building thermal capacity and building surface color on urban energy balance and temporal/spatial characteristics of urban thermal environment in urban canopy layers.The physical correaltions are experimentally quantified in respect to urban parameters, including the diurnal and seasonal cycles of urban energy balance, surface energy imbalance, the diural cycle of urban canopy layer air temperature and its spatial distribution, thermal boundary layer near building surfaces etc. Moreover, on the basis of short-term outdoor experiments under neutural atmospheric conditions, computational fluid dynamic (CFD) microscopic simulations are performed to numerically study the influence of unsteady boundary conditions with real-time variations of wind speed and wind direction on turbulent flow patterns, ventilation rate and air change rate as well as pollutant dispersion in street-scale (~100m) and neighbourhood-scale (~1km) urban canopy layers. Meanwhile, macroscopic simulations with porous turbulence model are adopted to quantify how unsteady boundary conditions affect city-scale (~10km) urban canopy layer ventilation. The related investigations not only contribute to further understand the physical mechanisms of urban canopy layer ventilation and urban heat island, but also help further developing the design of urban thermal environment and parameterization scheme of urban canopy layers. Therefore they play an important role on establishing sustainable urban air environment.

本项目首先设计建筑热参数可控性好、能达到真实城区需要的热力学相似要求、成本较低的理想城区模型，在广州郊区进行长期外场观测，研究不同气象条件下城区规模、建筑密度、建筑热容和表面颜色对城区能量平衡和城区冠层热环境时空特征的影响，定量研究城区各能量通量的日变化和季节变化、城区能量不平衡现象、城区冠层气温日循环和空间分布、建筑壁面热边界层等与城区参数的物理相关性。此外，基于中性气象条件的短期外场实验，通过计算流体CFD微观模拟，数值研究风速、风向实时变化的非稳态边界对街道(~100m)和邻域尺度(~1km)的城区冠层湍流特征、通风量和换气次数、污染物扩散的影响；还采用多孔介质湍流模型宏观模拟定量研究城市尺度(~10km)冠层通风的非稳态边界效应。相关研究有利于深入认识城区冠层通风和城市热岛的影响机理，有助于推进城市热环境设计和城市冠层参数化方案的发展，对可持续性城市气候建设有重要意义。

目前中国城镇人口已超过总人口的54%，预计2050年将达到76%。城市化导致城市通风变差、城市热岛和空气污染加重，危害城市居民健康和室外热舒适性。建筑和街谷是城市的基本组成部分。风力与热力是城市湍流、通风和物质能量输运的两大驱动力。城市形态和气象参数是影响城市气候动力和热力过程的主要因子。合理的建筑布局和城区规划，可改善城区通风和下垫面热力属性，相关城区通风和热环境影响机理的研究对可持续性城市环境设计有重要意义。. .本项目首先设计建筑热参数可控性好、能达到真实城区需要的热力学相似要求、成本较低的理想城区模型，在广州郊区进行长期城市微气候缩尺尺度外场实验(SOMUCH)，研究不同气象条件下城区规模、建筑密度、建筑热容等对城区能量平衡和城区冠层热环境时空特征的影响(包括二维街谷与三维城区模型)，定量研究城区各能量通量的日变化和季节变化、城区能量不平衡现象、城区冠层气温日循环和空间分布等与城区参数的物理相关性。此外，通过计算流体CFD微观模拟，数值模拟研究街道(~100m)和邻域尺度(~1km)建筑形态与高架桥结构对城区冠层湍流特征、通风和污染物扩散的动力与热力影响过程(含稳态与非稳态)。还采用多孔介质湍流模型宏观模拟定量研究城市尺度(~10km)冠层通风的稳态与非稳态边界效应。相关研究有利于深入认识城区冠层通风和城市热岛的影响机理，有助于推进城市热环境设计和城市冠层参数化方案的发展。 ..已发表或接受标注本基金项目的SCI/EI论文23篇，其中项目负责人为第一或通讯作者的SCI/EI论文17篇，包括<<Environmental Pollution>> (IF=4.4)、<<Science of the Total Environment>> (IF=4.6)、<<Building and Environment>>(IF=4.5)等，另有5篇正准备投稿。参加2018年第10届国际城市气候会议ICUC10、Urban Transitions Global Summit 2016、中国气象学年会、全国通风学术年会等，获得10余次学术报告，介绍了城市湍流、通风与热环境的SOMUCH外场实验与数值模拟研究。此外，基于本项目研究，进一步获得国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目、国际交流合作项目各1项。

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