城市中心风环境的基本概念及特征

1)基本概念

城市风环境简单来说，就是指城市区域内的风速风向分布，而城市环境的风压差及热压差则是形成通风的动力源^[45]。城市的发展建设极大地改变了原始的自然地貌条件，产生了有别于自然气候的城市微气候(Microclimate)。城市风环境作为城市微气候的重要因子，其内部风速与风向分布已完全不同于大气系统。

城市风环境分布是复杂的，受到多层次、多方面环境条件的影响。从城市风环境形成的角度来看：首先，城市风环境与大气系统的风场分布密切相关，是在地区性风向和风速影响下形成的；其次，由于城市所处地理环境的影响会产生局部地区性环流，诸如山谷风、海陆风、过山风、下坡风等；再次，受城市空间形态和下垫面类型差异的影响，各地所获得的太阳辐射能存在明显差异，这种热环境的局地差异在背景风速较弱的情况下，就会导致局地热力环流，从而影响整个城市风场；最后，当气流遇到参差不齐的建筑、树木或者地形差异时，因阻碍摩擦效应会产生不规则的机械湍流运动，使风的局地变化更为复杂^[46]。

2)基本特征之一——城市大气分层与纵向梯度风速变化

在气候与环境学科的研究中，城市风环境的讨论主要涉及2个主要层次：城市边界层(Urban Boundary Layer)和城市覆盖层(Urban Canopy Layer)(图1-2)。从地球表面到500～1 000m高的这一层空气一般叫做大气边界层，在城市区域上空则叫做“城市边界层”。其厚度只是一个定性的分层高度，并没有一个严格的界限，主要取决于地表粗糙度，农村地区、平原地区薄，城市地区、山区较厚。从地面到50～100m的这一层空气叫近地面层，在城市区域就叫做“城市覆盖层”，也可叫做“城市冠层”，解释为从地面延伸到建筑屋顶高度的部分，所指范围基本一致。城市覆盖层是人们赖以生存的城市空间，与人的关系最为密切，是城市微气候研究的主体空间。

图1-2　城市大气分层示意图

*资料来源：Edward Ng，Chao Yuan，Liang Chen，et.al.Improving the wind environment in highdensity cities by understanding urbanmorphology and surface roughness：A study in Hong Kong［J］.Landscape and urban Planning，101(2011)：59-74

在城市风环境的研究当中，也有学者从城市空间形态出发，进一步将城市覆盖层进行划分。如图1-3所示，香港中文大学教授吴恩融在研究中对香港的建筑高度进行取样统计分析，进一步划分出了裙房层(Podium layer)0～15m、建筑层(Building layer)15～60 m、城市覆盖层(Urban canopy layer)0～60 m的相应纵向范围，并通过研究得出结论：由于香港高密度和高层建筑的城市形态特征，城市覆盖层以上的气流很难进入街道峡谷的底层来改善行人高度处的风环境，因此行人高度处的风速主要取决于裙房层的风渗透性。

图1-3　香港城市的裙房层、建筑层、城市覆盖层划分示意

*资料来源：Edward Ng，Chao Yuan，Liang Chen，et.al.Improving thewind environment in high-density cities by understanding urbanmorphology and surface roughness：A study in Hong Kong［J］.Landscape and urban Planning，101(2011)：59-74

在大气边界层内，风速沿纵向一般会随高度的增加而增大，呈现梯度变化规律。在城市下垫面对气流摩擦力的作用下，紧贴地面处的风速为零，越往高处摩擦力影响越小，风速逐渐增大。风速随高度增加而变化所形成的函数曲线就叫做“风廓线”，如图1-2中曲线所示。下垫面粗糙度越大，风廓线从地面随高度变化就越显著。因此，城市中心、近郊和开旷农村地区的风廓线也大不相同(图1-4)。

图1-4　不同地面粗糙度下的风廓线

*资料来源：刘加平，等.城市物理环境［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010

风廓线的上部曲线是一个对数曲线，该对数曲线的起点高度为城市粗糙度Z0和零位移高度Z d之和(图1-2)。对于梯度风速变化的规律还有一种指数风剖面的表达方式(图1-5)，是根据实测结果推导得出的，该计算方法较为简单，因此得到了广泛的应用，其公式如下：

式中：Vi——流场中某点i点的平均风速，m/s；(www.xing528.com)

V0——参考高度处的风速，m/s；

Zi——流场中某点i点的高度，m；

Z0——参考高度，m，我国气象台数据参考高度为10m；

α——指数定律中的系数，幂指数α取决于地面条件。

我国《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)中不同类型地表面下的α值与梯度风高度(即大气边界层厚度)的关系如表1-3所示。

图1-5　风速梯度指数分布示意图

资料来源：《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)

表1-3　不同类型地表面下的α值与梯度风高度

*资料来源：《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)

3)基本特征之二——建筑物影响下的周边风场分布特征

当风吹向单体建筑物时，遇到建筑物阻挡，在迎风面上一部分气流会上升越过屋顶，一部分气流会下沉至地面，另一部分则绕过建筑物两侧向建筑后方流去。其中上升气流经过屋顶后在建筑背风面下沉会形成“背风涡旋气流”；下行气流沿建筑墙面下沉到地面，部分形成回流与水平方向的风叠加会在建筑迎风面形成湍流风，部分沿建筑的底缘顺屋角向后流，进一步加强沿建筑两侧流动的气流，形成“角流”。从行人高度(1.5 m)处风环境来看，单体建筑两侧会形成风速加倍增大的“角流区”，建筑背风面则会形成较大范围的风速急剧减弱的“风影区”，同时建筑迎风面也会形成小范围的风速减弱区域^[47]。单体建筑的高度、形态、迎风面面积的大小，以及与来风方向的角度等都会对建筑周边风场产生不同的影响(图1-6)。

图1-6　气流受到建筑物阻挡后的分布情况

*资料来源：作者绘制

在两个建筑平行布局，且建筑间距相对较小的情况下，当来风方向与建筑平行时，两建筑之间气流会由于“狭管效应”使风速急剧增大，而当来风方向与平行建筑垂直时，建筑之间则会出现涡旋和升降气流，两建筑之间风速会出现不同程度的减弱。城市街道就类似于这种情况，但扩大到实际城市当中，建筑物分布、组合的多样化与复杂性，就会使其风场分布产生更多的变化，更为复杂。