沿海城市建成区热力作用对局地环流影响的CFD模拟研究

李磊

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2021.050

沿海城市建成区热力作用对局地环流影响的CFD模拟研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2021.050

李磊^{1, 2, 3, ,}

1.
中山大学大气科学学院，广东珠海 519082
2.
广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广东珠海 519082
3.
热带大气海洋系统科学教育部重点实验室，广东珠海 519082

基金项目:

国家自然科学基金项目 42075059

广东省科技计划项目(科技创新平台类) 2019B121201002

详细信息

通讯作者:
李磊, 男, 重庆市人, 教授, 主要从事大气边界层研究。E-mail: lilei68@mail.sysu.edu.cn

中图分类号: P435
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出版历程
- 收稿日期: 2020-08-29
- 修回日期: 2021-04-28
- 网络出版日期: 2021-12-15
- 刊出日期: 2021-08-20

CFD SIMULATION STUDY OF INFLUENCE OF THERMAL EFFECT OF COASTAL URBAN BUILT-UP AREAS ON LOCAL CIRCULATION

LI Lei^{1, 2, 3
, ,}

1.
School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, China
2.
Guangdong Provincial Observation and Research Station for Climate Environment and Air Quality Change in the Pearl River Estuary, Zhuhai 519082, China
3.
Key Laboratory of Tropical Atmosphere-Ocean System, Ministry of Education, Zhuhai 519082, China

摘要

摘要: 基于计算流体力学(CFD)模拟开展了一系列理想数值试验, 分析了城市建成区的热力作用对局地环流的影响, 模拟结果表明: 在没有背景风的情况下, 城市热岛效应可破坏海陆环流的固有转换模式, 使近地面风场总是在城市建成区上空辐合; 在有微弱背景风的情况下, 热岛效应也会导致近地层风场出现线型辐合。而城市上空总是容易出现辐合风场, 可部分解释城市局地高污染带形成的物理机制。
- 城市热岛 /
- 海陆环流 /
- 局地环流 /
- 局地污染 /
- CFD
Abstract: Based on computational fluid dynamics (CFD) simulation, a series of ideal numerical experiments are carried out to analyze the influence of thermal effect of urban built-up area on local circulation. The results show that in the case of no background wind, urban heat island effect can destroy the inherent conversion mode of land-sea circulation and make wind field converge over urban built-up area; while in the case of weak background wind, urban heat island effect will also lead to line-shaped convergence in the wind field of surface layer. The analysis shows that the existence of urban built-up area will always cause the convergence of wind field near ground, which can partly explain the physical mechanism of local-scale heavy pollution.
- urban heat island /
- land sea circulation /
- local-scale circulation /
- local-scale pollution /
- CFD

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图 1 2018年4月28日凌晨深圳西北部城市建成区的带状辐合实例

a.地面风场；b.空气污染指数分布，首要污染物为PM_2.5。

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图 2 模拟范围内的海-陆-城市分布(a)及网格(b)

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图 3 水槽实验的数值版本

a.复制于文献[16]; b.本研究重复验证试验，单位：m/s。

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图 4 模拟方案中的地温分布

单位：K。a.方案1;b.方案2;c.方案3;d.方案4。

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图 5 模拟得到的中轴垂直剖面上的气温分布

单位：K。a.方案1;b.方案2;c.方案3;d.方案4。

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图 6 用气温模拟得到垂直剖面上的气流轨迹线

单位：K。a.方案1;b.方案2;c.方案3;d.方案4。

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图 7 城市热力作用影响边界层风场结构的概念模型

a.无城市；b.有城市。

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图 8 弱风背景下城市影响边界层风场垂直结构(单位：m/s)

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图 9 弱风背景下城市影响边界层风场水平结构

单位：m/s。a.整体；b.局部。

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表 1 敏感性数值实验条件设置

序号	时段	背景风速/(m/s)	陆表温度/K	海表温度/K	空气温度/K	有无城市	城市地表温度/K
1	白天	0	318.15	298.15	300.00	有	320.00
2	夜晚	0	283.15	295.15	292.00	有	298.15
3	白天	0	318.15	298.15	300.00	无	-
4	夜晚	0	283.15	295.15	292.00	无	-
5	夜晚	1.0	283.15	295.15	292.00	有	298.15

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