郊区街道峡谷的空气流动和湍流特征外文翻译资料

 2022-12-03 14:37:30

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郊区街道峡谷的空气流动和湍流特征

Petra M. Klein · Jose M. Galvez

摘要:我们对位于郊区地形上的街道峡谷进行了为期一年的实验并对收集的湍流流动数据进行了分析。仪器包括13个声波风速计分别安装在街道峡谷的两个桅杆上和屋顶的三个桅杆上。流动模式是被干扰的状态。峡谷内的空气流动和湍流结构对上升风方向有很强的依赖性。当沿着街道的通道控制着大多数风向时，再循环模式发展为狭窄的扇区，并且屋顶的风向垂直于街道。针对这些错流情况，对不同的扩展速度进行了测试，并对逆风的获取和稳定性的影响进行了较为详细的研究。与之前的研究相似，我们的研究结果证实，很难确定一个单一的速度尺度，它统一了峡谷内的平均流动和湍流特性。湍流特征在逆风顶处的摩擦速度最好，但在逆风顶处或在距研究区5公里处的运行气象站测量的盛行风的风速与平均流动参数相比较甚至有更好的统计数据。在顶层的剪切层区域，湍流动能随逆风的获取和稳定性而变化。当湍流从剪切层输送到峡谷区域时，峡谷内湍流特征也随这两个参数的作用而变化。

关键词：街道峡谷·城市林冠·湍流动能。

1.介绍

随着全球城市化的趋势，城市对天气和气候的影响已经成为一个重要的问题[1-3]。一些大型的城市观测活动(4-9)和改进的建模技术[10-12]促进了对城市气候的科学理解。然而，对于控制城市粗糙度(RSL)中的流动、湍流和色散特性的过程，仍然存在一些公开的问题，比如如何在运行模型中最好地对城市粗糙度进行参数化过程。

在被定义为从地表到平均屋顶高度的区域的城市冠层(UCL)中，，建筑物的尾迹和街道的通道效应扮演着重要的角色。Zajic等[15]给出了规范化的UCL流模式的概述，并证明了在更复杂的建筑物配置中，流模式可以用简单、理想化的设置的结果来解释。一个重要的建筑物配置是街道峡谷的配置，即街道两侧是一排排的长建筑物。在街道峡谷中，动量、热和污染气体的对流是有限的，如果在UCL之上的风向垂直于街道，则会产生旋转的街道峡谷涡旋。在这种交叉流动的情况下，在林冠层顶部的湍流交换过程成为控制街道峡谷通风、街道水平风、空气质量和散热的主导过程。对UCL过程的研究往往集中于城市街道峡谷中流动、湍流和色散模式的测量和数值模拟。

街道的纵横比(街道宽度W比建筑高度h)成为一个重要参数。Oke[16]根据纵横比划分了三种不同类型的流量场景:窄街谷的浮流，纵横比W/ h lt; 1.2，尾流干扰流为1.2 lt; W/ h lt; 3，孤立的粗糙度流为W/ h lt; 3。风和输水隧道研究与理想的街道-峡谷配置强调，流动和湍流模式进一步取决于城市获取的类型和范围[17,18]，屋顶形状[19,20]，以及在横向建筑边缘和交叉口发展的涡旋[21]。

如Fernando等[1]所讨论的，UCL流动特性对多种因素的依赖性参数可以表示为:

U可以指任何测量的速度，例如速度分量的平均值或均方根值;Ur是一个必须被确定的速度尺度;是建筑高度h测量位置的坐标;是峡谷纵横比;是按比例缩放和跨流的建筑尺寸;而WD指的是相对于峡谷轴的方法流的方向。形态学测量参数规划的面积分数(计划建筑面积之和除以总区域)和前区面积密度(前区面积之和除以总建筑面积)是用来描述逆风的折返;理查森数用于计算稳定性影响;雷诺数是动态相似性的重要判据;摩擦速度描述在街道峡谷之上的外部的湍流水平。

许多研究集中于在UCL中建立空间平均的平均速度剖面的参数化。MacDonald[22]扩展了由Cionco[23]提出的一种方法[1]，从植被冠层的动量平衡方程中预测出城市冠层的空间平均风廓线，从而得出UCL内的指数风廓线。阻力取决于计划面积分数的形态计量学参数和前区面积密度。Bentham and Britter [24]提出一个简单的参数化方案,假设空间平均UCL速度不随高度变化,摩擦速度尺度是的函数。Di Sabatino等[25]使用了类似于Cionco[23]的参数，但将其应用于城市冠层中的各个层，这就是树冠中湍流传输的混合长度闭合模型。前区面积指数的高度变化,它可以来源于数字高程模型,也考虑在内。Bentham和Britter的结果[24]和Di Sabatino的相同，[25]与不同值的立方阵列的风洞数据一致。Dallman等[26]在一个郊区和一个工业区发现了指数型风廓线与UCL风观测之间良好的关系。

城市街道峡谷的详细空气流动和湍流测量也已经在几个欧洲城市中进行了研究[6,27-30]，并作为2003年在俄克拉荷马城的市中心街道峡谷的联合城市实验[5]的一部分[15,31-34]。在所有这些全尺度的研究中，我们观察的是街道峡谷的涡旋，但仅限于垂直于街道的狭窄扇区。对于大多数的风向，沿着街道的方向流动，也受到当地地点特征的强烈影响，例如建筑物高度的变化[15]和屋顶的形状[30]。UCL上方大气边界层的静态稳定性间接地影响了UCL的流动和湍流特性，因为它改变了风廓线的倾斜度和迎风气流的强度[31]。表面层相似理论与经典的或修正的城市常数的关系在接近屋顶和城市冠层的区域失效[30]。有人提出，可选的建模方法应该考虑到在UCL顶部的剪切层区域的湍流动能的垂直运输，在城市峡谷的较低部分，动能的产生比剪切层要弱得多。

由于剪切层动力学对巷道通风的作用非常重要，在实验室研究中，通过提供高分辨率流和湍流数据集(35-38)的粒子图像测速仪技术，研究人员对它们进行了更详细的研究。由于强剪切，UCL速度剖面通常有一个拐点。Kelvin–Helmholtz类型的不稳定性发展导致了间歇性的街道通风过程，这个现象也在实地研究中观察到了[29,39]。在城市冠层与大气边界层之间的界面垂直混合，通常是通过估算垂直交换速度来模拟的，这取决于在UCL顶部的剪切层的动态变化。对于横流街道峡谷场景, Caton [35] and Soulhac得到了同样的结果。[40]提供了一个理论框架来评估考虑剪切层区域的湍流交换，(i)交换的极限情况是完全是由于Kelvin-Helmholtz在剪切层上的不稳定产生的湍流引起的，(ii) 剪切层的动态取决于位于UCL的气流的紊流水平。参数化的参数与风洞数据集一致。Caton[35]和Soulhac[40]的结论是，混合是由外部边界层湍流和局部产生的剪切层湍流决定的。Salizzoni等[38]证实了这些发现，并进一步得出结论:一个适用于UCL流和湍流性质的通用速度尺度不能被识别出来，因为它是外部的。而局部湍流的产生控制了剪切层区域内的UCL与外部流的耦合。

正如我们的讨论所强调的，许多重要的问题仍然涉及城市街道峡谷的流动和湍流的性质。在风-输水隧道研究中，主要研究了外部湍流水平对剪切层动力学的影响，以及UCL与外部流耦合的影响。在自然界中，在自然界中，外部湍流水平取决于大气的稳定性和表面粗糙度，这两种情况都随风向的变化而变化。应该进一步研究这些参数如何改变UCL属性。由于操作模型通常依赖于UCL流和湍流特性的尺度关系，因此，重要的是要继续研究当前相似理论关系在UCL[30]中失败的原因，而这意味着湍流的流特性不能由一个通用的速度尺度来衡量[38]。从屋顶到街道峡谷的湍流动能的传输似乎对这些发现起到了关键作用。

为了解决其中的一些问题，我们在郊区地形上进行了一次实验。该研究的目的是获得一个长期的数据集，为不同的季节和不同的逆风条件提供一个城市街道峡谷的流动和湍流特性的详细图片。在为期1年的观察运动中，使用13个声速风速计(SA)和一个小孔径闪烁计(SLS)进行测量。闪烁计可以提供空间上和时间上的平均热通量和动量通量，这在非均匀的环境中是有用的，在这种情况下，空间的代表性不容易通过点测量得到。SLS和SA测量的结合提供了一种方法来理解街道峡谷在湍流传输过程中所扮演的角色，以及它们各自的组件(屋顶和街道)的贡献。不幸的是，我们的闪烁计技术存在的困难限制了它的运行时间。收集的数据集还需要进行大量的后期处理。因此，本文着重分析了声速风速计的数据。在对研究区和仪器进行详细的描述后，第3节给出了结果。结论和保留的开放性问题在第4节讨论。

2. ILREUM城市活动

2.1研究区域

为了解决引言中提出的问题，在2009-2010年期间，俄克拉荷马大学(OU)在俄克拉荷马大学的校园内进行了一项测量活动，作为NSF职业项目“城市气象学研究和教育创新实验室(ILREUM)”的一部分。图1显示了研究区域的卫星图像，建筑高度的地图，以及场地特征和仪器放置的说明。除了OU校园外，俄克拉荷马城的两个城市峡谷也开始被考虑。重要的选址标准(i)找到一个地方相对统一的高度的建筑形成街道峡谷, (ii)一个地方使研究的城市可以获取不同的风的方向,( iii)数据高质量的可用性,定期监测天气数据,允许描述大规模天气模式和大气的稳定性,(iv)容易获得建筑屋顶和有限的设备盗窃或破坏的风险,并且(v)允许仪器在较长时期内部署。最后两个标准无法在俄克拉荷马城这个观测点上完成，所以这项研究是在OU校园内进行的。测量是在OU(CC)构建复杂交叉中心,由四个面向东西方建筑测量sim;80米长。建筑高度hsim;12米,宽度bsim;14 m和峡谷宽度Wsim;45米~3.5 h，峡谷非常宽，并且处于在从尾流到孤立的粗糙度流的转变过程中。CC站点位于Norman的南部郊区边缘(位于11 55 N, 26 34 W and at 353 mASL)。CC站点位于从农村过渡到郊区的地形(南风)或顺风，汉诺威长郊区获取(北风)，所以有两个主导风的方向。因此，在此位置可以研究城市采风的影响以及边界层湍流水平对峡谷流和湍流特性的影响。在长达一年的观测中收集到的数据，使我们能够捕捉到各种各样的大尺度天气模式和大气稳定性。关于仪器类型、位置和操作周期的详细信息见表1。

图1 ILREUM城市运动概况;a图是诺曼卫星图像;b图说明了CC测量站点的障碍高度(见图中给出的颜色代码，黑点表示SA的位置，箭头表示闪烁计路径);c图鸟瞰CC站点，展示仪器摆放位置，并说明现场植被;d图是截面图，在b的蓝色虚线上的CC地点，以每一个声速风速计的仪器ID。

大多数仪器都安装在一个南北横断面上，在屋顶的高度上，研究在顶棚层顶部的平均湍流过程。安装的基础设施包括两座15米高的高塔和一个1.5米高的峡谷内的桅杆。另外，在周围的屋顶上放置了三个屋顶桅杆。SLS闪烁仪在两座建筑物之间进行操作，以获得在峡谷上的空间平均湍流通量，其高度类似于屋顶和SA峡谷顶部(图1c，d)。考虑到东西方取在CC站点上的建筑,风从南方或北方吹来的情况下流量垂直于峡谷。在本文的其余部分，这些条件将被称为交叉流条件。在中央峡谷，地表覆盖着青草和几棵小树，这与其他的城市峡谷研究不同，这些研究主要集中在铺有路面的峡谷上[6,27-29,39]。

图1b提供了关于CC站点周围的近场环境的进一步信息。它突出了路面(灰色)的位置，并根据它们的高度对物体进行分类。位于地图西北角的大高塔是三所大学宿舍楼之一(另外两座建筑就在地图的外面)。对于西北风，该地点是在这些建筑物的尾流区域，这影响了当地的空气流动和CC站点的湍流条件。

2.2仪器

在ILREUM 的CC站点运动中，测量主要是用9个RMYoung-81000 SA, 4个CSAT3 Campbell Scientific SA，以及SCINTEC SLS20位移光束[41]。CSAT3 SA使风速在30以下和在0.02的顺序上有偏移误差，对于水平速度，有0.04 的垂直速度和0.025的温度。它们的优势在于能够合理地接触垂直速度。桅杆干扰可能是在一个角度在plusmn;狭窄的范围的重要影响因素。RMYoung-81000超音速运作下的风速40。风速低于30时风速误差在plusmn;1%;高于这个风速时误差增加plusmn;3%。两个声波模型在整个运动中都是可靠的。

SCINTEC SLS20位移光束小孔径闪烁计的运行可靠性较差。在2009年8月的CC站点部署后的一天，SLS发射机停止工作(可能是由于雷击而没有影响CC站点上的任何其他设备)。该仪器被送回德国的供应商那里进行维修，直到2010年春季。因此，SLS的数据只能从4月1日晚到2010年7月05日。SLS数据还需要大量的后处理来解释积分长度范围内的低估，这将导致从SLS测量中计算出的湍流动量通量中的较大误差。SLS的热通量的准确性也受到影响，但程度较小。我们在比较声学风速仪和SLS数据时发现了这些问题，之前我们在平坦的同质地形中收集了这些数据[42]。Andreas[43]和van Kesteren等[44]最近也报道了类似的问题，他们评估了SLS通量测量与超声风速仪数据的关系。因此，SLS数据没有包含在当前的分析中。

2.3诺曼中尺度观测站点

俄克拉荷马州的中尺度观测站点是一个分布在俄克拉荷马州的环境监测站，旨在监测中尺度天气事件的空间和时间变化。它由120个自动化站组成，每台安装在10米高的塔上[45]。测量结果每隔五分钟提供给公众。诺曼中尺度观测站点 (NRMN)位于鲁宾逊街以北300米处的一片草地上，标志着从诺曼的核心建筑区域向更开阔地带的过渡(图1a)。天气雷达是在NRMN站点周围300米范围内唯一的建筑物，在这个圈内没有大型树木。在它周围300米的圆内, NRMN被西北的机场包围着，一些办公楼和娱乐设施都位于北部和东部，以及南部有住宅区和社区(更详细的信息的网站特征NRMN网站包括全景照片、航拍照片,和地形地图可以在http://www.mesonet.org/index.php/sites/site_description/nrmn上找到)。测量9m和1.5m处的空气温度，10m处的风向，2m和10m处的风速、大气压力和太阳辐射，1.5m处的相对湿度，以这些为基础，根据风向和大气稳定性对CC站点的数据进行筛选和分类。对于稳定性分类，使用[46]估计的梯度理查森数Ri:

g是重力加速度,干绝热递减率,然后和分别是地面上9米处和1.5米处的空气温度。风速和是在2米和10米的水平上，分别计算

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