（环境科学专业论文）基于遥感和cfd技术的城市热环境分析与模拟——以兰州市为例.pdf

兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文大，而对低温区和高温区的影响最小；而水域地对低温区的贡献最大。利用c f d 软件对住宅小区热环境模拟的结果表明：以粘土为下垫面的温度场中低温区的分布面积明显多于以水泥为下垫面的温度场中低温区的分布面积，而以粘土为下垫面的温度场中的高温区较以水泥为下垫面的温度场高温区不仅面积上小，而且温度值也相对较低。由此可见，绿地、水域地、粘土因其有较高的比热容和较低的热传导系数，以其作为下垫面，可以降低城市温度，改善城市热环境。关键词：城市热环境c f d 技术温度场湍流n兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文a b s t r a c ti n1818 ，l a k eh o w a r dc a m eu p 丽t ht h ec o n c e p to f ”u r b a nh e a ti s l a n d ”，a f t e rc o m p a r i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h ec i t ya n dt h es u b u r b so fl o n d o n , a n df i n d i n gt h a tt e m p e r a t u r ei nt h eu r b a ni sh i g h e rt h a nt h es u b u r b s s i n c et h a t ，t h ep r o b l e mo fu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n th a sb e e nc o n c e r n e da l lt h et i m e e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，u n d e rt h eb a c k g r o u n do fg | o b a lw a r m i n ga n dh i g h - s p e e du r b a n i z a t i o n , t h eu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n ti sc o n s i d e r e da so n eo ft h el e a d i n ge l e m e n t so fi n f l u e n c i n ga l lt h eu r b a ne n v i r o n m e n t , a n dh a saf a r - r e a c h i n ge f f e c to nu r b a np u b l i ch e a l t h , a i rq u a l i t y ，e n e r g yc o n s u m p t i o n , a n ds oo n u r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n ti st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h et h e r m a lf o r c ef i e l de x i s t i n gi nt h eu r b a ns p a c ee n v i r o n m e n t t h ec o n s t r u c t i o no ft h eu r b a ns p a c e ，t h ed e v e l o p m e n t sa n dc h a n g e si nt h es i z eo ft h ec i t i e sc a nb er e v e a l e db yt h er e s e a r c ho fu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n t i na d d i t i o n , 、i mt h ef u r t h e ri m p r o v i n gf o r t h er e q u i r e m e n t so ft h ep e o p l e sl i v i n gc o m f o r t , b o d yh e a l t h , s a f e t y ，u r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n th a sb e c o m eab a s i cs u p p o r t i v ec o n d i t i o nf o rt h es o c i a la n de c o n o m i cs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec i t i e s ；a9 0 0 du r b a ne n v i r o n m e n ti sa l s oa l li m p o r t a n te c o l o g i c a ls i g nf o ru r b a nl i v i n ge n v i r o n m e n t i ti sa ni m p o r t a n tl i n kf o rt h er e a l i z a t i o no ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt or a i s et h ec i t yt h e r m a le n v i r o n m e n ta w a r e n e s so ft h ec i t i z e n s ，t om a s t e rt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ec h a r a c t e r i z e da n di m p a c tf a c t o r so fu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n t ，a n dt or e s e a r c hq u a n t i t a t i v e l yt h ee f f e c t so fa l lt h ei m p a c tf a c t o r so nu r b a nh e a te n v i r o n m e n t u r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o ni sm a i n l yd u et ob o 也t h et y p e sc h a n g eo fl a n du s e l a n do o v e ra n du r b a na n t h r o p o g e n i ch e a tr e l e a s e ，t h ef o r m e ro f w h i c h( m a i r l l yf o rt h ee x p a n s i o no fu r b a nc o n s t r u c t i o nl a n d sa n dt h er e d u c t i o no fg r e e ns p a c e ) i st h em o s tp r i m ef a c t o r t h e r e f o r e ，i nt h em a c r o - l e v e l ，f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n ta n dd i f f e r e n tl a n du s ei i i兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文l a n dc o v e rt y p e s ( c o n s t r u c t i o nl a n d , g r e e nl a n da n dw a t e rl a n d ) ，嘶t l lt h es u p p o r tf r o mr e m o t es e n s i n gd a t a , b a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c ht e c h n o l o g y t h e n ，u s i n gt h ec e m e n ta n dc l a y 鹤t h eu n d e r l a y i n gs u r f a c er e s p e c t i v e l y ，i ts i m u l a t e st h eh o tf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h er e s i d e n t i a ls i t e s ，a n df u r t h e re x p l a i n st h ee f f e c t so fd i f f e r e n tt y p e so fu n d e r l a y i n gs u r f a c eo nt h et h e r m a le n v i r o n m e n t , a c c o r d i n gt ot h ec f dt e c h n o l o g yi nm i c r o l e v e l d o m e s t i c a l l y ，i ti st h ea u t h o rw h of i r s t l ya t t e m p t e dt oa p p l yt h ec f dt e c h n o l o g yt o t h et h e r m a le n v i r o n m e n ts i m u l a t i o no fu r b a nr e s i d e n t i a la r e a , a n dp r o v i d e dan e ww a yo ft h i n k i n gt os i m u l a t et h ec i t yt h e r m a le n v i r o n m e n ti nm i c r o s c a l e t h ea n a l y t i cr e s u l t so ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tl a n du s ell a n dc o v e rt y p e sa n du r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n ts h o w e dt h a t ：w i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r el e v e l s ，t h ep r o p o r t i o no fc o n s t r u c t i o nl a n da r e ai n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ；t h a to fw a t e r sg r a d u a i l yd e c l i n e ；d i f f e r e n t i a lf r o mt h o s et w ok i n d s ，g r e e nl a n ds h o w e dac h a n g i n gt r e n do f d e c r e a s ea f t e rt h ef i r s ti n c r e a s ei nr a t e s t h i ss h o w st h a tt h ec o n s t r u c t i o nl a n dc o n t r i b u t e st h eg r e a t e s tt ot h eu r b a nt h e r m a le f f e c t ；g r e e nl a n di n f l u e n c e st h em o s to nt h el o w e ra n dt h em i d d l et e m p e r a t u r ea r e a , a n dm i n i m a l l yi m p a c t su p o nt h el o wa n dl l i g ht e m p e r a t u r ea r e a , w h i l et h ew a t e r sm a k e st h el a r g e s tc o n t r i b u t i o nt ot h el o wa r e a 1 1 圮s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et h e r m a le n v i r o n m e n tr e s i d e n t i a lq u a r t e r su s i n gc f ds o f t w a r es h o w e dt h a t ：t h ed i s t r i b u t i o n 锄嘭ao fl o w - t e m p e r a t u r ef i e l d si nt h ec l a yu n d e r l a y i n gs u r f a c ei so b v i o u s l ym o 他t h a nt h ec e m e n t , a n dn o to n l yt h ea r e ao ft h eh i g ht e m p e r a t u r ea r e ai nc l a yu n d e r l a y i n gs u r f a c ei ss m a l l e rt h a nt h ec e m e n t , b u tt e m p e r a t u r ev a l u ei sa l s or e l a t i v e l yl o w e r t h u s ，b e c a u s et h eg r e e nl a n d ，w a t e r s ，t h ec l a yh a v eah i g h e rh e a tc a p a c i t ya n dal o w e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，t h eu n d e r l a y i n gs u r f a c em a d eo ft h e mc 趾r e d u c et h eu r b a nt e m p e r a t u r e ，a n di m p r o v et h eu r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n t k e y w o r d ：u r b a nt h e r m a le n v i r o n m e n tc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c st e c h n o l o g yt e m p e r a t u r ef i e l dt u r b u l e n tf l o wi v兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文图目录图1 1 技术路线图4图1 2 研究区相对位置图5图2 1 城市熟岛温度剖面示意图9图2 2 “三维”流体力学示意图19图3 1 双线性内插法2 7图3 2 图像几何精校正流程图2 8图3 。3 图像线性拉伸示意图2 9图3 0 变换前后直方图对比2 9图3 - 51 9 8 6 年研究区5 、4 、3 波段组合图3 4图3 - 62 0 0 2 年研究区5 、4 、3 波段组合图一3 4图3 72 0 0 7 年研究区5 、4 、3 波段组合图3 5图3 819 8 6 年土地利用覆盖类型图4 2图3 - 92 0 0 2 年土地利用覆盖类型图4 2图3 1 02 0 0 7 年土地利用覆盖类型图4 2图4 1 热红外遥感的波段选择4 3图4 2 大气上界和地面上的太阳光谱。b bd b d o4 7图4 3 不同自然条件下垫面的分光反射率_ 4 8图4 - 4 沙土和黑壤土的波谱反射率4 9图4 5 三种不同岩石的波谱反应特性曲线5 0图4 - 6 不同混浊度水体的波谱反射率5 0图4 7 空间图形模型的基本类型5 8图4 8 地表亮温转换图形模型5 9图4 1 91 9 8 6 年地表亮温分布范围及其对应的像元数6 0图4 1 02 0 0 2 年地表亮温分布范围及其对应的像元数6 1图4 1 12 0 0 7 年地表亮温分布范围及其对应的像元数6 1图4 1 21 9 8 6 年地表亮温等级分布图。6 2图4 1 32 0 0 2 年地表亮温等级分布图。6 2图4 1 42 0 0 7 年地表亮温等级分布图6 3图4 1 51 9 8 6 年不同亮温等级中各用地类型面积变化6 5兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文图4 1 62 0 0 2 年不同亮温等级中各用地类型面积变化6 6图4 1 72 0 0 7 年不同亮温等级中各用地类型面积变化6 6图5 1 瞬时风速的组成部分。6 9图5 2 对数风剖面和指数风剖面的比较图7 1图5 3 风对单一矩形建筑物绕流示意图7 4图5 - 4 三维湍流数值模拟方法及相应的湍流模型。7 7图5 5 壁面区3 个子层的划分与相应的速度8 6图5 - 6 求解壁面区流动的两种途径所对应的计算网格8 8图5 7 三维问题的控制体积9 2图6 1 住宅小区平面图1 0 0图6 - 2 住宅小区模型图。1 0 0图6 3 住宅小区计算流域图1 0 1图6 4 生成边界层后的住宅小区计算流域图1 0 2图6 5 划分网格后的住宅小区计算流域图1 0 3图6 6 住宅小区底部压力场分布图1 0 7图6 7 住宅小区中部压力场分布图1 0 8图6 8 住宅小区顶部压力场分布图1 0 8图6 - 9 住宅小区底部温度场分布图10 9图6 1 0 住宅小区中部温度场分布图。1 1 0图6 1 1 住宅小区顶部温度场分布图11 0图6 1 2 住宅小区底部速度场分布图1 1 1图6 1 3 住宅小区中部速度场分布图1 1 2图6 1 4 住宅小区顶部速度场分布图1 1 2图6 1 5 以水泥为下垫面的住宅小区底部温度场分布图1 1 3图6 1 6 以粘土为下垫面的住宅小区底部温度场分布图1 1 4兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文表目录表3 1 遥感影像数据源信息2 4表3 21 9 8 6 年和2 0 0 2 年兰州市影像各波段相关矩阵3 2表3 32 0 0 7 年兰州市影像各波段相关矩阵3 2表3 - 41 9 8 6 、2 0 0 2 、2 0 0 7 年兰州市遥感影像各波段数据统计特征3 3表3 5 美国地质调查局1 9 7 6 年适用于遥感资料的土地利用，覆盖分类系统3 6表3 - 6 兰州市土地利用覆盖分类类型3 8表4 1 日地距离4 8表4 2 干洁空气的主要成分5 2表4 3 干洁空气的次要成分5 3表4 - 4 地表亮温中各等级所占比例6 3表4 5 各地类亮温的平均值和标准差6 4表4 - 61 9 8 6 年各亮温等级中各用地类型所占百分比6 5表4 72 0 0 2 年各亮温等级中各用地类型所占百分比6 6表4 82 0 0 7 年各亮温等级中各用地类型所占百分比。6 7表5 1 地面粗糙度指数口和梯度风高度z g 7 0表5 2 湍流强度。：7 2表5 3 式( 5 31 ) 所对应的k - e 模型的控制方程8 3表5 - 4 偏斜度与网格质量的关系9 1表6 1 所用材料的基本参数1 0 6原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：王霪苔e l期：2 避么关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文储躲珥l 导师签名纽日如：础兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文第一章绪论1 1 选题背景自1 8 1 8 年l a k eh o w a r d 对伦敦城区和郊区的气温进行对比观测，发现城区气温比其郊区气温高，从而提出“城市热岛”的概念以来，城市热环境问题一直备受关注。研究表明：城市空间热环境在全球增温过程中扮演着重要角色，被认为是主导整个城市环境的要素之一( o a k ，1 9 9 5 ) ，它对城市微气候、空气质量、能源消费结构以及公共健康等方面产生深远影响，可以说城市空间热环境正在以其特有的方式影响和改变人们的生产、生活方式。国际社会也正在积极研究应对城市热环境问题的有效方法和措施，如1 9 9 7 年美国发起的 u r b a nh e a ti s l a n dp i l o tp r o j e c t 计划，目的是利用地面观测和遥感技术开展针对夏季城市热岛的研究和治理工作。加拿大也启动了旨在缓解多伦多城市热岛效应的“c o o lt o r o n t op r o j e c t 计划。日本、西欧也在积极开展类似的研究工作，可见城市热环境及其热效应已成为当前城市气候与环境研究中最为重要的内容之一。随着城市大气污染、城市热岛、城市灾害日趋严重，如何引导城市建设走向可持续发展之路已引起广泛重视。城市环境问题中，城市的热环境( 热污染) 是一个重要的方面。二战以来，“城市气候与环境”引起广泛关注，其中城市热环境是当前城市气候、环境研究的热点问题。如世界气象组织 m e t r o m e x ”专门设立研究“热岛”机构，“国际气象与大气物理协会”设立了“人类活动对城市和区域气候影响组，对城市热环境的特点及动态规律的研究对城市灾害、城市规划、环境保护、大气污染、防暑降温、市政建设具有重要意义。但是长期以来，相对发达国家，我国城市规划、管理、环保技术和意识水平的相对较低，城市热环境的日益恶化在各个层面并没有得到普遍的重视，而且由于热环境影响因素复杂，且技术要求高等原因，导致定量研究城市热环境这一领域也较为落后。热污染已成为影响城市居民生活质量和身体健康的一个重要因素。例如：2 0 0 4 年7 月，上海和兰州因高温病人急增，病人的增加导致临床用兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文血量居高不下，出现了用血紧缺的局面1 。2 0 0 5 年7 月，广州持续高温病人挤爆医院2 。同时，城市热环境的变化使夏季降温的需求量增大，能源消耗强度高，常常造成短时的能源供应困难，也造成自然资源的大量浪费。因此城市热环境及其改善途径已成为研究热点。1 2 研究目的及意义城市热环境是城市空间环境中存在的热力场的综合表现，温度是它的表征因子，但城市热环境绝非单纯一种温度指标，它与大气污染、生产生活能源的释放、高的建设容积率、水体、植被的分布状况等多种因素相关，因而它是以上多种因子的内涵。城市的热信息也是城市环境的综合反映，所以通过对城市热环境的研究可以揭示城市空间结构、城市规模的发展变化。此外，随着人们对生活舒适度、身体健康、安全程度要求的进一步提高，城市热环境已成为城市社会经济可持续发展的基础支撑条件，良好的城市热环境也是城市人居环境生态化的重要标志。提高人们对城市热环境的认识，掌握城市热环境表征因子和影响因子的空间分布以及定量研究各影响因子对城市热环境影响是实现可持续发展的重要环节。城市土地利用类型的变化和城市人为热释放是造成热环境恶化的重要原因，其中城市土地利用类型的变化( 主要表现为城市建设用地的扩展和绿地的减少)是最为首要的因子。而且在目前遥感技术和计算流体力学的发展使城市热环境分析与模拟成为可能，通过分析和模拟，可以直观的看到城市热场的演变，以及不同的土地利用方式所造成的下垫面的改变对城市热环境的影响。兰州市作为我国西北地区最大的新兴综合性工业城市和社会经济文化中心，市区坐落在一个相对高差5 0 0 - - - 6 0 0 m 的河谷盆地中，是一个东西长3 5 k i n ，南北宽2 8 k m 的沿河带状城市。城市主体建设在黄河二、三级阶地上，总体布局呈典型的组团特征。解放前兰州市区面积仅为1 6 9 5 7 平方公里，总人口1 9 5 万，2 0 0 6年末市区面积扩大至1 j 1 6 3 1 6 平方公里，较解放前扩大了近1 0 倍，总人口猛增到3 2 7 0 1 万，增加了1 5 倍之多3 。在城市大规模发展的同时，兰州的城市热环境已经不容乐观。因此，探索定量研究城市热环境表征因子( 温度) 和影响因子( 土地1h t t p ：w w w 3 9 n e t h e a l t h c a l e n t u r e n e w s 5 4 3 9 2 h t m l2h t t p ：n e w s q q 。c o m a 2 0 0 5 0 7 1 0 0 0 0 8 9 6 。h t m中国城市经济社会年鉴( 1 9 8 5 年) ，甘肃年鉴( 2 0 0 7 年)2兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文利用类型) 关系的新技术、新方法，可以为城市热环境进行较全面的空间定量研究奠定基础，为缓解城市热环境恶化提供新思路。因此，进行城市热环境分析与模拟的意义是十分明显而深远的，概括起来主要体现在以下四点：( 1 ) 可以定量揭示各种影响因子对城市热环境变化的影响程度及贡献率：( 2 ) 将c f d 技术引入城市住宅小区热环境的研究，为定量研究不同下垫面类型对城市热环境的影响探索新的方法，为更进一步全面定量研究其它城市热环境影响因子及其对城市热环境的影响程度奠定基础；( 3 ) 可以为城市规划管理和环境保护、能源合理使用、土地利用规划、城市生态建设、制定缓解城市热环境的策略措施等方面提供理论基础和应用依据；( 4 ) 可以提高全社会对城市热环境的保护意识。1 3 研究方法及技术路线基于目前研究技术与条件，本研究在遥感数据的支持下，以1 9 8 6 年、2 0 0 2年和2 0 0 7 年的l a n d s a tt m e t m + 遥感影像为研究数据源，首先利用非监督分类技术对三个时相遥感数据进行分类，得到兰州市土地利用覆盖图，接着利用亮温反演模型求得三年的亮温值，在对亮温值进行正规化处理后，划分为5 个等级，得到三年的亮温等级分布图，分析了城市热场格局及其演变特征后，将土地利用覆盖图和亮温等级分布图进行叠加，从宏观上分析不同土地利用覆盖类型( 建设用地、绿地和水域地) 与城市热环境( 亮温等级) 之间的互动关系。然后，利用c f d 技术从微观层面，分别以水泥和粘土作为下垫面，模拟住宅小区热场的分布状况，进一步说明下垫面改变对热环境的影响。在国内，作者首次尝试性的将c f d 技术应用到城市住宅小区热环境的模拟，为城市热环境微尺度的模拟提供了新的思路。具体技术路线如下图：3兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文图1 - 1 技术路线图f i g u r e1 - 1t h et 匡g u r eo f r e s e a r c hm e t h o d1 4 研究区域概况1 4 1 研究区域的选择本研究主要是借助r s 和c f d 技术定量分析、模拟城市化过程中下垫面结构的变化对城市热环境的影响，此变化集中表现在城市建成区，所以本研究区域的选择为兰州市建成区，对于建成区的范围，到目前为止并没有严格的范围界定，4兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文1 9 9 2 年 绿地) 建设用地，分别为5 4 5 5 、3 7 9 5 和7 5 ；2 0 0 7 年三种地类所占比重的排序与2 0 0 2 年相同，所不同的是水域地的所占比重为7 1 2 6 ，明显高于2 0 0 2 的5 4 5 5 。较低温区，三年均是绿地所占比重最高，分别为6 5 8 3 、5 9 1 2 和4 9 6 5 ，建设用地和水域地比重有所变化，1 9 8 6 年居第二位的是建设用地2 1 9 7 ，最少的是水域地1 2 2 1 ；2 0 0 2 年和2 0 0 7 年居第二位的都是水域地，分别为2 5 5 0 和2 8 3 9 ，建设用地所占比重最小，分别为1 5 3 7 和2 1 9 6 。中温区，三年均是水域地所占比重最小，分别为8 5 9 、4 0 6 和7 4 1 ；1 9 8 6年和2 0 0 2 年建设用地所占比重和绿地相当，1 9 8 6 年绿地比重大于建设用地比重，分别为4 7 4 2 和4 3 9 9 ，2 0 0 2 年建设用地比重稍大于绿地比重，分别为4 8 2 5 和4 7 6 9 ；2 0 0 7 年建设用地比重明显高于绿地，分别为5 3 6 4 和3 8 9 5 。较高温区和高温区，三种用地类型的排序均为建设用地) 绿地 水域地，且建设用地的比重远高于绿地和水域地所占比重，水域地所占比重显著下降，在这两个温度区内，水域地所占比重最高仅有3 8 l ( 1 9 8 6 年较高温区) ，最低的为o ( 2 0 0 2年高温区内) 。4 3 3 1 建设用地与热环境效应的关系城市热环境强度大小取决于很多因素，包括城市化率( 建成区面积，人口数量，工业发展和交通建设) 、城市构造、自然环境和人类活动等( y a n ge ta 1 ，1 9 8 4 ) 。6 7兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文而城市下垫面土地利用覆盖结构和模式，如城市用地的扩展往往会进一步强化热场强度( w e n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) 。从表4 7 、4 8 和4 - 9 可以看出随着温度等级的升高，建设用地所占百分比也在迅速上升。1 9 8 6 年，较高温和高温等级中建设用的所占比重均超过7 0 ，分别为7 0 2 7 和7 1 5 8 ；2 0 0 2 年，高温等级中建设用地所占比重最大为6 8 2 5 ，低温等级中其比例最低，仅为7 5 ；同样，2 0 0 7 年也是高温等级中建设用地所占比重最大为7 4 6 2 ，其次是较高温区为6 3 7 0 ，最低的是在低温区，仅为5 8 3 。这表明建设用地在城市热环境效应中的贡献率是最大的。4 3 3 2 绿地与热环境效应的关系城市绿地，在西方一般被称为绿色空间或开敞空间。w h i t f o r d ( 2 0 0 1 ) 等认为，城市绿地空间可以降低地表温度，是一个减缓城市热场强度的重要的生态因子指标。从表4 7 、4 8 和4 9 可以看出随着温度等级的升高，绿地所占百分比呈现出先增大后减小的变化趋势，且三年中，最大值均出现在较低温区内，分别为6 5 8 3 、5 9 1 2 和4 9 6 5 ，其次是中温区，分别为4 7 4 2 、4 7 6 9 和3 8 9 5 ，而最小值多出现在低温区和高温区，这说明绿地对较低温区和中温区的贡献最大，而对低温区和高温区的影响最小。4 3 3 3 水域地与热环境效应的关系城市水域是城市自然环境的重要构成要素之一，其数量和质量的变化是自然环境和人类活动长期相互作用的结果，对城市的形成和发展具有重要作用。但在城市发展过程中，尤其是近半个世纪来，随着城市建成区不断向外扩展，许多河流被填没、淤堵，河流数量大为减少，同时也影响了河流的水质状况，使城市生态环境日益恶化。城市水域对维持城市生态系统的正常运转具有重要作用，特别是对缓解城市热场强度，改善城市局部小气候具有重要作用。从表4 7 、4 8 和4 - 9 可以看出随着温度等级的升高，水域地所占百分比急剧减小的，三年中，水域地所占比重的最高值均出现在低温区内，分别为3 8 2 2 、5 4 5 5 和7 1 2 6 ，其次是较低温区，分别为1 2 2 1 、2 5 5 0 和2 8 3 9 ，而最小值均出现在高温区内，这说明水域地对低温区的贡献最大。兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文第五章湍流理论及流场数值计算方法5 1 风的特征及其流体特性5 1 1 风的特性瞬时风包括两个部分，一是长周期部分，其周期通常在1 0 分钟以上；二是短周期部分，周期通常只有几秒至几十秒。因而把风分为平均风( 即稳定风) 和脉动风( 也称阵风脉动) 两部分( 张相庭，1 9 9 8 ) 。平均风的周期比建筑物的自振周期大得多，因而平均风的作用效果通常作为静力处理。脉动风也称阵风脉动，脉动风的周期与结构的自振周期较为接近，其作用性质是动力的。v图孓l 瞬时风速的组成部分( 引自：张相庭，1 9 9 8 年)f i g u r e5 - 1t h ec o m p o n e n tp a r t so f i n s t a n t a n e o u sw i n ds p e e d5 1 1 1 平均风剖面风吹过地面时，受到地面上的各种粗糙元( 森林、山峰、建筑物等等) 产生的摩擦阻力作用而使得风的能量减少，导致风速减小，风速减小的程度随离地面的高度的增加而降低，这一层受地球表面摩擦阻力影响的大气层称为大气边界层。大气边界层的厚度依风力、地形粗糙度及纬度而定。大气边界层内的风速随高度而增大，边界层顶的风速称为梯度风速。土木工程中建筑物通常建在大气边界层内，所以大气边界层内气体的流动问题是土木工程结构设计人员最为关心的问题。不同的地面条件产生的大气边界层具有不同的特征，大气边界层特征主要包括平均风速剖面、湍流结构等方面。平均风速沿高度变化的规律称为平均风速梯度或风剖面。平均风沿高度变化规律有两种表达形式( 黄本才，2 0 0 1 ) ，即按实测结果推得的指数风剖面和按边界层理论得到的对数风剖面。兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文1 指数风剖面g h e u m a n 在1 9 1 6 年提出指数规律，后来由a g d a v e n p o r t 根据多次实测结果分析并提出平均风沿高度变化的规律可用指数函数来描述，即：警= 口限)式中，、为标准参考高度和标准参考高度处的平均风速，我国标准参考高度取为1 0 m ；z 、1 ，( z ) 为任一高度和任一高度处的平均风速；口为地面粗糙度指数，地形越粗糙，地表对气流的阻滞作用越强，口也越大。我国建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 将地貌按地面粗糙度分为a 、b 、c 、d 四类。a 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；b 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；c 类指有密集建筑群的城市市区；d 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。这四类地貌的地面粗糙度指数a 和梯度风高度z g ，如表5 1 所示：表孓l 地面粗糙度指数口和梯度风高度z g ( 引自：g b 5 0 0 0 9 - 2 0 0 1 )t a b l e5 - 1t h ee x p o n e n to fs u r f a c er o u g h n e s sa n dt h eh e i g h to fg r a d i e n tw i n d地貌类别abcd口0 1 20 1 60 2 20 3 0z g ( m )3 0 03 5 04 0 04 5 02 对数风剖面对数风剖面是平均风剖面的另一种重要形式。由a c 冈津提出近地面的下部摩擦层比较符合对数规律，其一般表达式如下：配) - 丁吲( 5 - 2 )式中，z l 为地面粗糙长度( i n ) ，是地面上湍流旋涡尺寸的量度，大小由经验确定，一般略大于地面有效障碍物高度的1 1 0 ；z t 是有效高度；是摩擦速度或流动剪切速度；v ( z ) 是大气边界层内z 高度处的平均风速；兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文k 是卡曼( k a n n a n ) 常数，可取o 4 ：离地高度( m )水平速度( m g )图5 - 2 对数风剖面和指数风剖面的比较图( m ) ( 引自：黄滢，2 0 0 5 年)f i g u r e5 - 2t h ec o m p a r a t i v ec h a r to fl o g a r i t h mw i n ds e c t i o np l a n ea n de x p o n e n tw i n ds e c t i o np l a n e ( m )一些资料认为近地面的下部摩擦层对数律更符合风速实测资料，对数律与指数律计算结果差别不大( 图5 2 ) ，但指数律计算更简便，因而本研究中采用指数风剖面。5 1 1 2 基本风压 ：建筑结构荷载规范( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 中规定的基本风压是由贝努利( b e m 。l l l l i ) 方程( w = 三矶2 ) 确定的，其中基本风速v o 以当地比较空旷平坦地面上离地l o r e 高度处l o m i n 平均的风速观测数据，经概率统计得出5 0 年一遇最大值确定的风速。但基本风压值并未考虑建筑物体型的影响。5 1 1 3 脉动风的主要属性1 、湍流强度湍流强度是描述大气湍流最简单的参数，用于衡量脉动风能量的大小，湍流强度越大，则表明气流中的脉动风成分越多。某一高度z 的顺风向湍流强度i ( z )定义为脉动风速均方根值与平均风速之比。m ) = 等( 5 3 )兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文式中，矾( z ) 是与平均风速方向平行的脉动风速的均方根值。湍流强度与地面粗糙度类别和离地面高度有关，并随高度的增加而降低，靠近地面一般可达1o 2 0 。目前对于大气边界层湍流强度的测定，我国的荷载规范中并没有给出这方面的内容，没有统一的标准，因而采用日本规范给出的湍流强度推荐值如表5 2 ：表5 - 2 湍流强度( 引自：i s b n 4 - 8 1 8 9 0 4 5 9 - 7 c 3 0 5 2p 4 4 5 0 e 1 9 9 6 )粗糙度类别离地面高度zivz b ( m )5551 02 0梯度风高度z c , ( m )2 5 03 5 04 5 05 5 06 5 0z 甄0 1 8o 2 30 3 lo 3 60 4 0i z b 鲺o 1 ( z z o ) 一口o 0 52 、湍流积分尺度通过某一点的气流中的速度脉动，是由平均风所输运的一些理想的涡旋叠加引起的，而湍流积分尺度l 是气流中湍流涡旋平均尺寸的量度。脉动风包括顺风向、横风向和垂直向的湍流，对应于与纵向、横向和垂直方向脉动速度风量有关的涡旋三个方向，一共由9 个湍流积分尺度。因为横风向和垂直向的湍流较小，仅讨论顺风向湍流。由日本规范给出的湍流积分尺度的经验公式为：t = 1 0 0 ( z 3 0 ) n 5 ( 5 - 4 )5 1 2 风绕建筑物流动的特性风对建筑物的作用受到风的自然特性、建筑物结构的动力特性以及风和建筑物的相互作用的制约。由于大多数土木工程建筑物为非流线型，不具有良好的空气动力学性质( 苏铭德，1 9 9 7 ) 。建筑物的拐角处一般具有尖锐的棱角边，对于风流动表现为钝体形状，成为风流动过程中的障碍物，造成局部扰动，引起速度场和压力场的变化而发生空气动力学畸变，因而建筑物对上游气流的阻塞作用改变了其周围的流场分布，使其周围流场变得非常复杂。建筑物周围流场可分为位兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文移区、分离区、空腔区和尾流区。来流与建筑物相遇在建筑物前方形成位移区，在前下方向流动产生回旋；经过建筑物两侧面和项面的拐角处产生气流的分离现象，形成分离区；在建筑物背面形成空腔区，空腔区气流速度较低，发生回流现象。随后由于气流动能损失形成尾流区，一般延伸到几倍于建筑物高度的距离，根据雷诺数的大小，尾流将是不同程度的湍流。分离现象产生的原因是由于空气具有粘性，在建筑物表面形成边界层，边界层内支配气流运动的力主要有三种，即粘性力、惯性力和由压强所引起的压强差。粘性力作用与气流运动相反的方向，阻滞气流的运动使其减速，气流速度减小导致惯性力减小，并且在钝体拐角处绕流产生了很大的逆压梯度，此时惯性力不仅要克服粘性力而且还要克服由逆压梯度所产生的逆压强，因而建筑物表面的气流质点会出现停滞不前，甚至向上游移动的情况，于是便产生了分离现象。风对建筑物绕流在其背面、侧面和屋面角部会产生一定的旋涡，下面以简单的矩形建筑物为例，具体地阐述大气边界层内风绕建筑物的三维流动状况，以表明钝体建筑物周围流场的复杂性。当来流逐渐接近建筑物时，气流发生分离，部分气流( 1 ) 偏离越过建筑物，部分气流( 2 ) 绕过建筑物。在建筑物正面迎风面，大约为建筑物高度的7 0 处有一个停滞点，此处压力最大。由此点建筑物前方气流被分离为三个不同方向、压力较低的气流：上面( 3 ) 、侧面( 4 ) 和下面( 5 ) 有相当一部分气流在建筑物前方地面处产生一旋涡，称之为垂直旋涡，或马蹄形旋涡。在建筑物前方地面处垂直旋涡的主流方向与来流方向不同，两流相遇产生低风速气流( 7 ) 垂直旋涡延伸至建筑物侧面，掠过建筑物的转角并在转角处发生分离，产生高风速转角气流( 8 ) 。( 2 ) 气流绕过建筑物侧向转角形成气流( 9 ) 。建筑物背风面有一抽空区域充满着反向流( 1 0 ) 和环向流( 1 3 ) 在环向流区域末端顺风向和逆风向形成分离区域( 11 ) 。分离区域之后气流与来流方向相同，但其后有很长一段距离内风速度很低，为远尾流区域( 1 2 ) 。逆风向流在建筑物后产生了低速旋转旋涡，旋涡与气流( 9 ) 之间存在一个高速度梯度的区域( 剪切层) ，充满着小的、高速旋转旋涡( 黄滢，2 0 0 5 年) 。兰州大学2 0 0 8 届博士学位论文图5 - 3 风对单一矩形建筑物绕流示意图( 引自：黄滢，2 0 0 5 年)f i g u r e5 - 3 t h es k e t c hm a po f w i n df l o wa r o u n ds i n g l er e c t a n g u l a rb u i l d i n g5 1 3 湍流及其数学描述5 1 3 1 湍流流动的特征自然界中的流体流动状态主要有两种形式，即层流和湍流。层流是指流体在流动过程中两层之间没有相互混掺，而湍流是指流体不是处于分