建筑物对城市边界层动力结构影响的风洞实验研究

建筑物结构、分布特征是影响城市边界层动力结构的基本因素，无论是边界层平均风特性的计算，还是湍流特征参数的获取都与其密切相关。本项目以"结构决定表现形式"为研究思路，通过风洞实验方法，对多种建筑物结构、分布方案进行物理模拟。在粗糙度，零平面位移，动力拖曳系数等动力学特征参数的计算过程中，引入建筑物高度方差、建筑物有效影响面积、风道面积等，新的建筑物几何特征参数，改进原有的形态学参数化方案。此外，通过风洞实验资料，分析研究建筑物结构、分布特征对湍流通量、湍流能谱结构的影响机制，建立几何特征参数与湍流特征量之间的参数化关系。并结合已有的外场观测资料对上述研究结果进行检验。为边界层物理，城市气象学的研究提供新的科学依据和理论基础。

利用两次风洞试验资料、外场观测资料及数值模拟方法，就“建筑物对城市边界层动力结构的影响”展开研究。. （1）对“简单、均匀分布”建筑物模型进行风洞试验，在已有形态学参数化方案基础上，引入建筑物高度标准差、有效迎风面积等新参数。结果表明，新参数的引入对粗糙子层高度的确定更为合理、明确。此外，在前人的工作基础上，以局地建筑物拖曳力和切应力平衡为动力学框架，建立了一组能适用于城市冠层、粗糙子层及其上部风速廓线计算方案。将新方案计算结果与风洞试验结果对比，结果表明两者在趋势分布上吻合的较好，只是在建筑物密度较大条件下，粗糙子层高度以内计算值略大于风洞观测值。. （2）对“复杂、非均匀分布”建筑物模型进行风洞试验，分析讨论了不同粗糙度、不同风向条件下，高密度建筑群和超高建筑物对近地层风场的影响。结果表明，高密度建筑群对风场的影响主要表现为，地表粗糙度越小，大风区范围越大。此外，建筑群的分布、排列形式会明显改变来流走向。由于超高建筑物其形态上下不一致，在一定条件下，不同高度处的风矢量存在明显差异。. （3）利用南京城市边界层外场观测资料，分析对比了城、郊、居民区3种不同下垫面风、温垂直结构分布特征。结果表明，城市区域上空存在明显的急流大风区，这一高度较稳定地维持在400m左右，与夜间城市混合层发展高度较为一致。此外，两个不同高度上无量纲风速标准差随稳定度的变化关系表现为：低层差，高层好。主要原因为观测高度越低，风速扰动受建筑物的影响越明显。. （4）利用WRF/Noah/UCM系统对南京城、郊两地风场分布特征进行了比较。结果表明，主城区近地面风速明显小于郊区。由于城市区域复杂的地形和密集的建筑群，对流场的阻挡作用，近地面风场在城市区域存在明显绕流现象。在夜间，500m高度附近有明显的急流区，这一模拟结果与观测事实相符合的较好。