城市主城區(qū)立體模型的構(gòu)建與風(fēng)環(huán)境模擬
——以廣州主城區(qū)為例

孫 武,沈子桐,喬志強(qiáng),孫 靚,張佳濱,張 坤,許 偉

1 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣州 510631

2 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣州 510500

合理的城市通風(fēng)廊道規(guī)劃有助于緩解城市熱島效應(yīng)及霧霾天氣等環(huán)境問(wèn)題。不同空間尺度風(fēng)道的辨識(shí)與城市不同級(jí)別立體模型的概括密切相關(guān)[1-3]。因而,探討在城市立體模型概括構(gòu)建的基礎(chǔ)上,基于計(jì)算流體力學(xué)軟件(CFD)模擬中性流條件下的風(fēng)環(huán)境,并辨識(shí)不同空間尺度風(fēng)道,將有助于豐富風(fēng)道規(guī)劃的方法與理論。

在風(fēng)道的辨識(shí)研究中,主要有 GIS+RS、迎風(fēng)面密度(λf)與動(dòng)力粗糙度(z0),以及CFD和中尺度氣象模式(MM5)等多種方法,最近也出現(xiàn)了最小成本路徑(LCP)法[4-5]。通過(guò)土地利用、建筑、地形以及遙感影像等多種數(shù)據(jù)疊加,運(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種研究方法,由相互驗(yàn)證來(lái)辨識(shí)風(fēng)道,已成為目前研究的主流[6-11]。Ng[12]在確定香港風(fēng)道時(shí),分析了不同高度的λf,利用MM5進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬,選取小區(qū)域在CFD平臺(tái)下進(jìn)行建筑物拆建前后風(fēng)場(chǎng)的對(duì)比分析。香港風(fēng)道規(guī)劃所采用的技術(shù)路線(xiàn)深刻地影響了后來(lái)武漢、重慶、深圳和福州等城市的風(fēng)道規(guī)劃。2012年武漢市用100 m格網(wǎng)計(jì)算λf,將武漢市風(fēng)道分為宏觀(guān)、中觀(guān)和微觀(guān)3個(gè)等級(jí),并確定了重要風(fēng)道口的數(shù)量及位置[13]。此外,配合雷達(dá)對(duì)城市風(fēng)屬性的監(jiān)測(cè),也成為風(fēng)道規(guī)劃中新的支撐手段[14]。Su[7]全面評(píng)價(jià)了風(fēng)道在中國(guó)城市的應(yīng)用,總結(jié)了城市風(fēng)道辨識(shí)、評(píng)價(jià)和規(guī)劃的技術(shù)路線(xiàn)。上述方法共同的特點(diǎn)是基于格網(wǎng)內(nèi)z0或λf來(lái)確定風(fēng)道。

同z0相比,由于λf指標(biāo)相對(duì)統(tǒng)一,目前應(yīng)用更加廣泛。盡管如此,兩個(gè)指標(biāo)也有同樣的不足。在確定風(fēng)道時(shí),格網(wǎng)尺度在100—200 m之間,是否存在最合適的風(fēng)道格網(wǎng)尺度？?jī)蓚€(gè)指標(biāo)計(jì)算時(shí),一般采用建筑的相對(duì)高度,而對(duì)于地形復(fù)雜的城市,顯然適用性差?？紤]到建筑物之間得相互遮擋,計(jì)算時(shí)要選擇相對(duì)獨(dú)立的風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)。而高大建筑物產(chǎn)生的回流與擾流往往會(huì)影響其他格網(wǎng)。受宏觀(guān)地形的影響,城市內(nèi)各格網(wǎng)的實(shí)際風(fēng)向并不完全同盛行風(fēng)一致,有些甚至?xí)霈F(xiàn)同盛行風(fēng)相反的情況。最后,基于格網(wǎng)所確定的風(fēng)道,要落實(shí)于規(guī)劃實(shí)際并具有可操作性,從分辨率的角度,還有一定的距離。

因此,有必要尋找一種新的風(fēng)道辨識(shí)的方法,使其具有具體的風(fēng)道屬性,并能進(jìn)行風(fēng)況的模擬驗(yàn)證,以指導(dǎo)風(fēng)道的規(guī)劃與應(yīng)用。城市風(fēng)道辨識(shí)與城市立體形態(tài)的概括密切相關(guān)。城市尺度立體形態(tài)建模城市研究的基礎(chǔ),也是城市尺度的風(fēng)道模擬辨識(shí)與驗(yàn)證的重要途徑。城市單體建筑物高度的概括目前還沒(méi)有像地形那樣相對(duì)統(tǒng)一成熟的方法。加上計(jì)算機(jī)性能的限制,城市尺度三維模型的表達(dá)概括及其模擬應(yīng)用較少[15-20]。

圍繞城市尺度風(fēng)道研究的目標(biāo),為了突出主要矛盾,也沒(méi)有必要考慮所有尺度的風(fēng)道。風(fēng)道有尺度等級(jí),城市立體形態(tài)的概括也有尺度。城市尺度的立體形態(tài)對(duì)應(yīng)城市尺度的風(fēng)道,兩者具有密切地聯(lián)系。因此,如何將城市立體形態(tài)的概括構(gòu)建與城市尺度風(fēng)道的辨識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)是目前城市通風(fēng)廊道的研究中亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

綜上所述,以特大型城市廣州為例,本文將城市立體形態(tài)的概括構(gòu)建與風(fēng)道的辨識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),以工作站作為平臺(tái),探索面向CFD構(gòu)建城市尺度的立體模型的方法。在此基礎(chǔ)上,模擬中性流條件下的風(fēng)場(chǎng),辨識(shí)不同空間尺度的風(fēng)道,為城市規(guī)劃以及城市宜居環(huán)境的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究區(qū)概況

廣州主城區(qū)單點(diǎn)建筑物高度與面屬性數(shù)據(jù)源于對(duì)2015年地形圖的矢量化與解譯。根據(jù)谷歌影像上建筑物的陰影高度,將新增建筑物數(shù)據(jù)更新至2017年。研究區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)為5 m的等高距?；贏(yíng)rcGIS平臺(tái),對(duì)上述多源數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)校正,并解譯相應(yīng)時(shí)期的遙感影像統(tǒng)一建庫(kù)。

本文所劃定的廣州市主城區(qū)是以珠江新城為中心半徑約為12 km的范圍,包括了整個(gè)海珠區(qū)、天河區(qū)以及白云區(qū)的大部分。主城區(qū)建筑用地密度高、車(chē)流量大、建筑高度高。外圍區(qū)域建筑密度和高度低,水域、綠地和丘陵面積大,包括了北部的白云山、龍洞、火爐山等丘地,南部的珠江前后航道、海珠濕地、萬(wàn)畝果園等。建模范圍南北22 km,東西21 km,面積約462 km2,包括了中部城市建筑密集區(qū)、北部白云山低丘以及平坦的東南部濕地三大地理單元,所建模型能反映城市建筑密集區(qū)與周邊地形間風(fēng)場(chǎng)的相互作用(圖1、圖2)。

圖1 以40 m間距合并的立體模型的平面單元

圖2 建筑和地形綜合的城市模型

2 城市尺度立體模型的概括與構(gòu)建

本文以40 m建筑間距作為風(fēng)道寬度低限、用容積高度對(duì)建筑高度賦值和垂向拔高為建模特色,簡(jiǎn)化概括構(gòu)建城市尺度的立體模型。

2.1 以40 m建筑間距作為風(fēng)道寬度低限

對(duì)于平原型城市,建筑物之間的間距決定了風(fēng)道的基本寬度。在進(jìn)行風(fēng)道識(shí)別時(shí),注重建筑物之間的間距而不是道路的寬度,比道路路網(wǎng)在確定風(fēng)道時(shí)更為科學(xué)準(zhǔn)確。利用ArcGIS按一定單體建筑物間距要求,可聚合產(chǎn)生新的建筑單元,新聚合面形狀接近自然邊界,彌補(bǔ)了格網(wǎng)法建模邊界過(guò)于機(jī)械的不足。

我國(guó)將城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路,其中大城市快速路紅線(xiàn)寬度在50—60 m之間,主干路40—55 m,次干路和支路則為30—50 m和15—30 m。由于40 m風(fēng)道的下限寬度幾乎包括了次干路以上的道路以及非建筑低地,覆蓋面廣。對(duì)于城市尺度風(fēng)道的辨識(shí),該風(fēng)道寬度下限標(biāo)準(zhǔn)能突出主要矛盾,綜合反映城市尺度風(fēng)道的相互作用及其風(fēng)道體系。

根據(jù)40 m的間距合并原則,相應(yīng)地對(duì)整個(gè)模型面積低于1600 m2或長(zhǎng)短軸低于40 m的圖斑、空洞進(jìn)行剔除。按容差40 m簡(jiǎn)化邊界面,移除多余的彎曲(圖1)。

2.2 以容積高度為建筑聚合單元高度賦值

在確定了平面概括單元后,高度的表達(dá)有多種方法。若將單元總面積作為總用地面積,得到的城市高度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際建筑物高度。但若用建筑基地總面積,高度表達(dá)相對(duì)正常,這種方法已得到廣泛地應(yīng)用[21-25]。

本文先根據(jù)單體建筑提取所在地形的高程,高程累加建筑高度得到建筑的絕對(duì)高度,再通過(guò)40 m聚合面上各自然單元建筑基地面積的容積高度來(lái)表達(dá)高度。

(2)

式中,H、hi、Si、S′分別是區(qū)域內(nèi)建筑物容積高度、第i棟建筑的高度、第i棟建筑的基地面積、建筑基底總面積。

2.3 垂向高度的提高

用40 m間距聚合后,經(jīng)過(guò)刪除與融合,共有 2145塊建筑斑塊。小比例尺模型建筑高度的概括必然產(chǎn)生模型的扁平化。格網(wǎng)或自然單元面積越大,扁平化越明顯。在風(fēng)洞模擬中,如要增大雷諾數(shù),就得增強(qiáng)表面的粗糙度或?qū)Υ瓜虮壤M(jìn)行放大。長(zhǎng)期以來(lái),適當(dāng)?shù)丶痈叽瓜虮壤催x擇變形比例尺是通常的做法[26-36]?；谏鲜鲈?本文不是簡(jiǎn)單地同比例拔高所有合并單元,而是利用格網(wǎng)法的特點(diǎn),通過(guò)面積大小不同聚合單元的賦值,實(shí)現(xiàn)差異性拔高。具體方法是：在前面40 m的聚合面進(jìn)行容高表達(dá)的基礎(chǔ)上,再對(duì)≥7層的建筑按40 m間距進(jìn)行合并并賦容積高度。由于高于7層(21 m)建筑的聚合面面積遠(yuǎn)小于所有建筑的合并,容高高度會(huì)有所提高。最后,為了突出高層建筑、標(biāo)志性建筑對(duì)城市風(fēng)場(chǎng)的影響,疊加突出顯示超過(guò)100 m的單點(diǎn)建筑。

基于綜合DEM數(shù)據(jù),概括后的城市模型高度由基底為DEM形成的非建筑面和3個(gè)建筑高度面組成。利用40 m建筑間距,對(duì)所有單點(diǎn)建筑物聚合構(gòu)成底層;對(duì)≥7層單點(diǎn)建筑物聚合構(gòu)成中層;最后疊加超過(guò)100 m的高層建筑為高層。突出顯示高層建筑、標(biāo)志性建筑的方法在上海的模型概括中也得到了應(yīng)用[37]。

2.4 構(gòu)建建筑和地形綜合的城市模型

使用ArcGIS平臺(tái)中高級(jí)編輯(Advanced Editing)下的平滑和概括功能,大幅度減少不必要的節(jié)點(diǎn),規(guī)則其平面形狀、輔助進(jìn)行拓?fù)溴e(cuò)誤檢查。主建成區(qū)北部為300 m的白云山(最高海拔為382 m)、火爐山丘陵,中部以及西南部、西北部地形以平原為主,高差基本在30 m以?xún)?nèi),東南部地形由海拔稍高的零散區(qū)域組成。宏觀(guān)地形對(duì)城市風(fēng)場(chǎng)的影響是城市尺度模型模擬中的重要方面,但鑒于計(jì)算機(jī)性能與CFD的限制,難以反映具有坡面的白云山復(fù)雜地形。本文通過(guò)5、20、40 m和20—320 m四個(gè)絕對(duì)高度以臺(tái)階形式對(duì)白云山進(jìn)行簡(jiǎn)化。研究區(qū)域內(nèi),海拔高度在5 m以上的區(qū)域仍占主體,白云山部分只占約1/3。此外,利用3D Analyst Tools將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等高線(xiàn),對(duì)山體的簡(jiǎn)化只采用80 m的等高距,其他地形的簡(jiǎn)化則采用10 m的等高距。轉(zhuǎn)換后的等高線(xiàn)若有不閉合,需要進(jìn)行閉合操作。

模型簡(jiǎn)化與高度賦值均在A(yíng)rcGIS平臺(tái)中完成,該平臺(tái)自帶三維建模組塊ArcScene可以較好顯示廣州市主建成區(qū)的立體形態(tài),但輸出格式有限且不能接入到網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD中,因此需要將模型導(dǎo)出為CAD格式在Rhino軟件中進(jìn)行三維建模。Rhino軟件中無(wú)法識(shí)別高度屬性,需要手動(dòng)根據(jù)簡(jiǎn)化的城市平面形態(tài)進(jìn)行拉伸。對(duì)計(jì)算后的容積率高度取整,并按不同的高度分別導(dǎo)出為CAD格式,構(gòu)建完成建筑和地形綜合的城市模型(圖2)。

3 網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置

3.1 計(jì)算域的構(gòu)建

對(duì)于城市風(fēng)環(huán)境計(jì)算域構(gòu)建尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。COSTAction732(2007)建議計(jì)算域的厚度為6H(H為模型的最高高度),寬度應(yīng)以模型兩側(cè)邊界向外各延伸5H距離,入口一側(cè)距離模型為5H,出口一側(cè)距離模型為10H[38]。日本建筑設(shè)計(jì)科學(xué)院(AIJ)關(guān)于建筑風(fēng)環(huán)境的指南中建議計(jì)算域的入口為3—5H,厚度為4H,兩側(cè)寬度為3—5H,出口5—7H[25]。本文在日本建筑設(shè)計(jì)科學(xué)院(AIJ)建議的基礎(chǔ)上出口側(cè)最終確定為10H,計(jì)算域兩側(cè)寬度均為5H,厚度采用4H,入口側(cè)也為5H。

計(jì)算域的實(shí)體構(gòu)建主要在Rhino軟件中通過(guò)布爾差集運(yùn)算得到,然后導(dǎo)出到可以接入ICEM CFD中的IGES格式。

3.2 ICEM中的網(wǎng)格劃分

由于山體簡(jiǎn)化后為形狀極不規(guī)則的曲面,本文在劃分網(wǎng)格時(shí)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。參數(shù)設(shè)置適用受計(jì)算機(jī)性能約束的城市尺度的風(fēng)環(huán)境模擬(表1)。

3.3 邊界條件及其設(shè)定

入口的風(fēng)速剖面為：

(3)

式中,U(z)為某一高度的平均風(fēng)速；Ug、Hg分別代表參考高度的平均風(fēng)速和梯度風(fēng)高度；z為參考高度；α指地表面粗糙度。東南風(fēng)(夏季風(fēng))風(fēng)向下的來(lái)風(fēng)主要經(jīng)過(guò)番禺農(nóng)地、濕地與城鎮(zhèn),選取B類(lèi)邊界層α為0.16。而在北風(fēng)或西北風(fēng)(冬季風(fēng))風(fēng)向下的來(lái)風(fēng)主要經(jīng)過(guò)北部的丘陵山區(qū),選取C類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),α為0.22。兩風(fēng)向下參考高度均為10 m。據(jù)五山氣象站統(tǒng)計(jì),從1991年至2000年,廣州市年平均風(fēng)速最高為1.8 m/s,最低為1.3 m/s,月平均風(fēng)速介于1.5—1.8 m/s之間。日平均風(fēng)速小于1.5 m/s的天氣狀況約占70.7%,每月大概有21天為靜風(fēng),弱風(fēng)或靜風(fēng)頻率較高[39]。Bornstein等認(rèn)為當(dāng)風(fēng)速超過(guò)4 m/s時(shí),可以有效緩解城市內(nèi)部的熱島效應(yīng)[40]。本文選擇東南風(fēng)和西北風(fēng)兩個(gè)風(fēng)向,入流為5 m/s和2 m/s分別代表強(qiáng)風(fēng)和弱風(fēng)條件(表2)。計(jì)算步數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為1000步。對(duì)速度、動(dòng)量項(xiàng)和湍動(dòng)能的收斂殘差設(shè)置均低于10-4,連續(xù)項(xiàng)收斂效果較差,故將標(biāo)準(zhǔn)放寬到10-3。

4 模擬結(jié)果分析

用近地面相對(duì)統(tǒng)一的高度面表達(dá)研究區(qū)域的風(fēng)環(huán)境,有利于風(fēng)道的辨識(shí)與風(fēng)場(chǎng)的對(duì)比。由于主城區(qū)林木和多層建筑形成了除地面以外的9—21m波狀起伏第二個(gè)風(fēng)道高度面,本文嘗試重點(diǎn)反映相對(duì)于地面10、25、50 m三個(gè)高度面的風(fēng)環(huán)境。模型北部的白云山由4個(gè)高度臺(tái)階組成,CFD同一絕對(duì)高度的云圖截面無(wú)法反映相對(duì)同一高度整個(gè)研究區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。鑒于此,分別裁取四塊地形臺(tái)階絕對(duì)高度截面為15、20、30、50 m的風(fēng)速云圖,拼合得到整個(gè)研究區(qū)域近地面近似10、25、50 m三個(gè)相對(duì)高度處的風(fēng)速云圖。圖3、圖 4分別表示了來(lái)流弱風(fēng)(2 m/s)和強(qiáng)風(fēng)(5 m/s)時(shí),東南和西北兩風(fēng)向下的風(fēng)道與風(fēng)場(chǎng)環(huán)境。圖中白色表示兩個(gè)高度的建筑截面,北部淡綠色的四塊為白云山兩個(gè)高度的丘陵截面。根據(jù)風(fēng)速云圖,廣州市主城區(qū)風(fēng)道與風(fēng)場(chǎng)有如下幾個(gè)特征：

圖3 2 m/s來(lái)流下近地面10、25、50 m高度的風(fēng)速

圖4 5 m/s來(lái)流下10、25、50 m近地高度的風(fēng)速

4.1 弱風(fēng)環(huán)境下風(fēng)道作用不明顯

弱風(fēng)條件下(2 m/s),在近地面10 m高度整個(gè)廣州市主建成區(qū)的風(fēng)速基本在0.8 m/s以下,由道路組成的風(fēng)道風(fēng)速低于0.35 m/s,且風(fēng)道之間風(fēng)速差異小,風(fēng)道作用不明顯。珠江作為城市尺度最寬的風(fēng)道風(fēng)速也只在1 m/s左右。西北風(fēng)下,白云山西側(cè)與南部的公園風(fēng)速在1 m/s左右,是城區(qū)內(nèi)部通風(fēng)較好的區(qū)域。在25 m高度,風(fēng)速并沒(méi)有明顯加強(qiáng),主城區(qū)大部分風(fēng)速仍在1 m/s左右。50 m高度除了四塊白云山丘陵和零星分布的超過(guò)50 m聚合體的建筑外,主城區(qū)風(fēng)速差異不大,多在3 m/s左右。兩風(fēng)向下城市整體通風(fēng)狀況不良(圖3)。若考慮2 m的行人高度,風(fēng)況會(huì)更差。主城區(qū)靜風(fēng)頻率達(dá)12%,秋季各類(lèi)風(fēng)向的平均風(fēng)速總體略高于冬季。出現(xiàn)頻率較多的風(fēng)向往往風(fēng)速也較大,秋冬兩季的北風(fēng)平均風(fēng)速分別為1.98 m/s和2.05 m/s,是全年風(fēng)速的最大值,春夏兩季則在東南風(fēng)向下平均風(fēng)速最大,分別為1.93 m/s、1.84 m/s。因此,對(duì)于全年以弱風(fēng)和靜風(fēng)狀態(tài)為優(yōu)勢(shì)頻率的主城區(qū),弱風(fēng)環(huán)境下風(fēng)道風(fēng)速低、差異小,風(fēng)道作用的降低具有極大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 5 m/s來(lái)流下風(fēng)道類(lèi)型多種多樣

在5 m/s來(lái)流不同盛行風(fēng)下,不同平面形態(tài)、不同風(fēng)速等級(jí)以及不同高度面的風(fēng)道共存(圖 4)。風(fēng)道平面形態(tài)類(lèi)型多樣,除了線(xiàn)性特征突出的道路和河道類(lèi)(珠江)風(fēng)道外,還有公園、濕地以及建筑稀疏區(qū)域組成的面積不等、走向各異的不同尺度風(fēng)道。如白云山南側(cè)的公園、白云山西側(cè)的建筑稀疏區(qū)域等。來(lái)流風(fēng)速增加到5 m/s,外圍風(fēng)速基本保持在5 m/s以上,城市內(nèi)部的風(fēng)道風(fēng)速在2—3 m/s左右。迎風(fēng)區(qū)域內(nèi)狹長(zhǎng)風(fēng)道的通風(fēng)效果優(yōu)于越秀區(qū)、天河區(qū)、海珠區(qū)中部等城市內(nèi)部的風(fēng)道；長(zhǎng)度較長(zhǎng)、寬度較寬的風(fēng)道通風(fēng)效果往往優(yōu)于長(zhǎng)度較短的狹窄風(fēng)道。在不同風(fēng)向下,珠江航道的風(fēng)速在6 m/s左右。珠江和廣園快速路為城市尺度通風(fēng)最好的風(fēng)道。

除了以地面作為高度面的風(fēng)道外,還存在以9 m(三層)到25 m(七層)樓頂面作為高度面的風(fēng)道。在25 m高度面上,風(fēng)道的寬度與走向明顯同10 m高度面具有差異。如白云區(qū)西部的低矮工業(yè)區(qū)、荔灣區(qū)、海珠區(qū)沿珠江周?chē)睦铣菂^(qū)等,這些建筑物的屋頂與兩側(cè)建筑物相比,高度相對(duì)低矮,成為10 m高度截面上連續(xù)和寬闊的通風(fēng)廊道。在50 m高度,北部盆地與谷底的多層建筑25 m(七層)同周邊的地形相結(jié)合,構(gòu)成了通風(fēng)底面,形成了風(fēng)道或風(fēng)口,在兩類(lèi)背景風(fēng)下通風(fēng)廊道顯得特別突出。

盡管所建模型能很好地辨識(shí)出不同的風(fēng)道,但不同風(fēng)道由于空間尺度、走向、高度以及在主城區(qū)所處的位置不同,所發(fā)揮的功能及其對(duì)城市的通風(fēng)作用仍需要進(jìn)一步研究。

4.3 背風(fēng)區(qū)影響明顯

無(wú)論是弱風(fēng)還是強(qiáng)風(fēng),白云山、珠江新城等巨大的地形或建筑單元形成的背風(fēng)區(qū)條帶在3個(gè)高度面上表現(xiàn)明顯,反映了城市尺度宏觀(guān)地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響,以及地形與建筑物之間的相互作用。東南風(fēng)向下近地面10 m高度風(fēng)速拼接云圖,白云山西側(cè)形成西南東北走向,約10×3 km的背風(fēng)條帶,在25 m高度表現(xiàn)得較為明顯,表現(xiàn)了300 m高度的白云山在東南與西北風(fēng)風(fēng)向下對(duì)主城區(qū)的影響。正是由于東南風(fēng)時(shí)白云山背風(fēng)區(qū)的影響,總體上使得東南風(fēng)下白云山西側(cè)風(fēng)環(huán)境弱于西北風(fēng)。相反,西北風(fēng)下,緊鄰白云山東南的主城區(qū)建筑密集區(qū)就處于風(fēng)影之中。同樣,作為整個(gè)城市屋脊的珠江新城(94—205 m)背風(fēng)區(qū),也隨著風(fēng)向發(fā)生變化,影響來(lái)流下方的風(fēng)環(huán)境。東南風(fēng)下,背風(fēng)區(qū)影響越秀區(qū)域,西北風(fēng)下風(fēng)影處在珠江上空。類(lèi)似地,面積小、高度中等的地形或建筑單元也可形成面積較小的背風(fēng)區(qū)。在50 m高度,北部白云山丘陵形成的背風(fēng)低速條帶與高速通風(fēng)廊道均與來(lái)流平行綿延數(shù)公里,交錯(cuò)平行分布,形成了城市尺度風(fēng)場(chǎng)空間格局的顯著特點(diǎn)(圖4)。

4.4 主城區(qū)風(fēng)速周邊與內(nèi)部差異大

在迎風(fēng)區(qū)或者背風(fēng)區(qū)的氣流恢復(fù)區(qū)是整個(gè)城市通風(fēng)環(huán)境最好的地區(qū),弱風(fēng)條件下外圍在0.5 m/s以上,盛行風(fēng)下外圍在5 m/s以上。相反城市內(nèi)部,除了面積較大的白云山南側(cè)的公園綠地以及與盛行風(fēng)走向平行的珠江段,其他區(qū)域與風(fēng)道風(fēng)速均低于來(lái)流。該特點(diǎn)在3個(gè)高度面上均有體現(xiàn)。核心區(qū)珠江新城為城市屋脊;老城區(qū)及其珠江新城周邊,高度次之;邊緣區(qū)的白云山西側(cè)、海珠濕地及其周邊,建筑密度小,高度低。因此,城市高度與密度由中心向四周遞減的特征,造成了主城區(qū)內(nèi)外的風(fēng)速差異(圖3、圖4)。

4.5 風(fēng)道風(fēng)速?gòu)?qiáng)烈依賴(lài)風(fēng)道走向

為進(jìn)一步量化風(fēng)道走向與風(fēng)速兩者之間的關(guān)系,選取近地面10 m高度69條具有代表意義的城市通風(fēng)廊道,通過(guò)ArcGIS平臺(tái)識(shí)別走向與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角。在風(fēng)道中線(xiàn)上,除首尾兩個(gè)采樣點(diǎn)外,每隔500 m取一個(gè)采樣點(diǎn)。風(fēng)道長(zhǎng)度小于500 m的首尾兩端和中點(diǎn)選取3個(gè)采樣點(diǎn),取采樣點(diǎn)的平均風(fēng)速作為該條風(fēng)道的風(fēng)速。結(jié)果表明,西北風(fēng)和北風(fēng)風(fēng)向下風(fēng)道風(fēng)速與走向呈三次函數(shù)遞減,擬合優(yōu)度R2為0.512。風(fēng)道走向同風(fēng)向一致時(shí),發(fā)揮的通風(fēng)效果最好,夾角在30°以上,通風(fēng)效果明顯減弱并保持相對(duì)穩(wěn)定(圖5)。上述發(fā)現(xiàn)與前人研究一致[41-42]。而東南風(fēng)R2只有0.144,原因有待深入研究。

圖5 風(fēng)道走向與風(fēng)速間的關(guān)系

5 結(jié)論與討論

(1)以40 m建筑間距、容積高度和垂向拔高為建模特色概括構(gòu)建城市模型。模擬結(jié)果很好地呈現(xiàn)了城市尺度宏觀(guān)地形和建筑單元相互間的作用特征,反映了城市尺度模型構(gòu)建與模擬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)城市三維建模、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置,所探索的基于工作站面向CFD進(jìn)行城市尺度中性流條件下風(fēng)道辨識(shí)與風(fēng)環(huán)境模擬的技術(shù)路線(xiàn),將有助于豐富風(fēng)道規(guī)劃的方法與理論。

(2)可以辨識(shí)出不同平面形態(tài)、不同風(fēng)速等級(jí)以及不同高度面的風(fēng)道。除了以地面作為高度面的風(fēng)道外,還存在以9 m(三層)到25 m(七層)樓頂面作為高度面的風(fēng)道。50 m高度由白云山丘陵形成的風(fēng)道明顯。白云山、珠江新城等地形或建筑單元形成高地,無(wú)論是弱風(fēng)還是盛行風(fēng),在不同高度上形成了明顯的背風(fēng)區(qū)條帶,影響下游的風(fēng)環(huán)境。北部丘陵形成的背風(fēng)低速帶與通風(fēng)走廊高速帶與盛行風(fēng)平行長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里,交錯(cuò)平行分布,成為城市尺度風(fēng)場(chǎng)空間格局的顯著特點(diǎn)。在不同高度上,廣州市風(fēng)速由周邊向中心降低。

(3)西北風(fēng)和北風(fēng)風(fēng)向下風(fēng)道風(fēng)速與走向呈三次函數(shù)遞減,擬合優(yōu)度R2為0.512,這對(duì)于城市風(fēng)道規(guī)劃,具有重要的參考價(jià)值。

在弱風(fēng)條件下,在近地面10 m高度整個(gè)廣州市主建成區(qū)的風(fēng)速基本在0.8 m/s以下,風(fēng)道風(fēng)速基本低于0.35 m/s,且風(fēng)道之間差異小。這對(duì)于全年基本處于弱風(fēng)或靜風(fēng)狀態(tài)的廣州市,城市風(fēng)環(huán)境具有極大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)道規(guī)劃中,風(fēng)道多高度面的存在、風(fēng)速由邊緣向中心遞減,以及白云山與建筑單元所形成的背風(fēng)區(qū)的特點(diǎn)必須是風(fēng)道規(guī)劃中需要考慮的問(wèn)題。

本文的技術(shù)路線(xiàn),受制于目前計(jì)算機(jī)硬件水平,對(duì)白云山的地形采用了四級(jí)臺(tái)階的簡(jiǎn)化,沒(méi)有精確的反映坡面立體形態(tài),未來(lái)研究中可以更加精細(xì)地構(gòu)建城市立體形態(tài),以提高模擬精度。

區(qū)域風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果的驗(yàn)證,特別是大尺度空間范圍的驗(yàn)證一直是風(fēng)環(huán)境領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。目前城市尺度風(fēng)環(huán)境的探討主要通過(guò)數(shù)值模擬、物理風(fēng)洞模擬、ArcGIS平臺(tái)以及野外實(shí)地觀(guān)測(cè)等技術(shù)手段。本文所研究的范圍有462 km2,地面定點(diǎn)與自動(dòng)氣象站點(diǎn)的數(shù)量少,其風(fēng)向與風(fēng)速數(shù)據(jù)不足以表達(dá)區(qū)域內(nèi)部的差異。另外無(wú)論是物理還是數(shù)值模擬,所構(gòu)建的模型均進(jìn)行了概括簡(jiǎn)化,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互之間的對(duì)比還存在尺度的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。盡管如此,為了提高模擬結(jié)果的說(shuō)服力與應(yīng)用價(jià)值,不同研究方法結(jié)果間的相互對(duì)比,將始終是課題努力的方向。