基于多孔介质理论的城市热岛数值模拟方法研究

It may be a new topic or research direction to apply the porous media theory developed in micro-scale fields to the numerical studies on urban heat island (UHI) problems in macro-scale fields, and the method was proposed in our previous studies. This study is a continuation of the previous research work, and the research content includes: (1) The steady-state urban porous media model, derived in the previous studies, for the turbulent flow and heat transfer in a city is modified to improve the calculation accuracy and expand the scope of application; (2) With the modified steady-state method of porous media simulation, the effects of urban ground building density and solar radiation intensity on the UHI are investigated, respectively, to illustrate the impact law of urban ground building density on the formation of the UHI effect and to reveal the interaction mechanism between solar radiation and urban underlying surface; (3) An unsteady-state urban porous media model is derived through coupling the dynamically changing impact factors to the steady-state model. With the unsteady-state model, the diurnal variation process of UHI is simulated to explore the effect law of coupling factors, such as solar radiation, anthropogenic heat, characteristics of urban underlying surface and wind speed, on the formation and development of the UHI effect. That UHI is numerically studied with the method of regarding a city as the porous media can effectively overcome the lower spatial resolution of the meso-scale model and the excessive computing capacity of the micro-scale model. Its research results could reveal the formation mechanism of UHI more deeply and have more theoretical guiding significance to the urban construction of sustainable development.

在前期的研究中提出了将在微观尺度领域发展起来的多孔介质理论应用于宏观尺度上的城市热岛问题数值研究的方法，这是一个全新的课题和研究方向。本项目是前期研究工作的延续，研究内容包括：（1）改进前期建立的稳态城市热岛多孔介质数值研究方法，提高计算精度，拓展适用范围；（2）利用改进方法研究建筑密度和太阳辐射对城市热岛的影响，阐明建筑密度在城市热岛形成过程中的作用规律，揭示太阳辐射与城市下垫面之间的相互作用机理；（3）将动态变化的影响因子耦合到稳态模型中，建立非稳态城市多孔介质数学模型，模拟城市热岛的日变化过程，明确太阳辐射、人为热、城市下垫面特性、风速等各个耦合因子在城市热岛形成与发展过程中的作用规律。本研究方法可以有效克服目前中尺度数值模式空间分辨率低和微尺度数值模式计算量过大的缺陷，研究结果可以更深入地揭示城市热岛的形成机制，对于建设可持续发展城市将更有理论指导意义。

根据城市空间结构与多孔介质的相似性，提出了将在微观尺度领域发展起来的多孔介质理论应用于宏观尺度上的城市热岛问题数值研究的方法，这是一个全新的课题和研究方向。本研究改进了前期建立的稳态城市热岛多孔介质数值研究方法，基于微尺度CFD计算结果的空间体积平均对该模型进行了验证，改进型数学模型的计算精度得到提高，适用范围得到拓展。该方法可以有效地克服中尺度数值模式空间分辨率低和微尺度数值模式计算量过大的缺陷，无论是对多孔介质理论的发展还是对城市热环境的改善都具有十分重要的意义。.利用改进方法研究了建筑密度对城市热岛的影响，城市区域热岛强度随着地面孔隙率的增大而减弱，地面孔隙率每增加0.1，就会引起2m高度处城市热岛强度减小0.36K。城市冠层底部的热岛强度要显著高于上部，热岛强度随高度的增加几乎呈线性减小。结合太阳辐射在城市冠层内的空间分布情况，研究了太阳辐射对城市热岛强度的影响，太阳净辐射强度每增加100W/m2，在2m、20m和80m高度处热岛强度分别增加0.26K、0.19K和0.14K。此外，建立了非稳态城市多孔介质数学模型，模拟城市热岛的日变化过程，研究了人为热和风速在城市热岛形成与发展过程中的作用规律。热岛强度随人为热释放强度的增加而增大，人为热释放强度每增加100W/m2，在2m和10m高度上热岛强度分别增长1.67K和1.44K。人为热对城市上空气流的影响可以延伸至5倍的城市冠层高度。在城市下风向的乡村，随着离开城市距离的增加热岛强度迅速减小，至距离城市5000m处热岛效应仍未完全消失。城市冠层内建筑物对风速的衰减作用非常显著，在2m高度上约为来流风速的17%，当气流进入乡村之后，风速开始逐渐回升，趋于恢复到来流风速大小。热岛强度随来流风速的增加而减小，当来流风速小于3m/s时，风速对城市热岛的缓解作用最为显著，风速每增加1m/s，2m和10m高度上的热岛强度分别降低1.303K和1.114K。本项目研究结果可以更深入地揭示城市热岛的形成机制，对于建设可持续发展城市具有重要的理论指导意义。