城市建筑“狹管效應(yīng)”風(fēng)速增速模擬分析

劉馨澤，鄭麗穎，夏冬，洪曉媛，文敏，朱鵬程，3

（1.珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海519000；2.珠海市氣象局，廣東珠海519000；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510275）

近20多年，伴隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人類活動(dòng)對(duì)氣候產(chǎn)生了明顯的影響，“狹管效應(yīng)”成為新型城市災(zāi)害之一。城市規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致城市中高樓數(shù)量越來(lái)越多，出現(xiàn)小尺度氣候“狹管效應(yīng)”的幾率也隨之增加。國(guó)內(nèi)外對(duì)其已有一些研究，美國(guó)學(xué)者Bonan［1］利用衛(wèi)星觀測(cè)圖片研究一個(gè)居民區(qū)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)對(duì)室外風(fēng)速的影響，研究指出建筑密度的高低對(duì)小區(qū)氣候有直接影響。風(fēng)環(huán)境研究的工作在我國(guó)也有很多，例如王輝等［2］對(duì)高層建筑群的風(fēng)環(huán)境有所研究；劉春艷等［3］指出沿海城市受海風(fēng)影響明顯，常年風(fēng)大。復(fù)雜的建筑群也會(huì)導(dǎo)致“狹管效應(yīng)”，風(fēng)速過(guò)大給行人造成不便，也易造成災(zāi)害。人們意識(shí)到氣象與人類生存的緊密聯(lián)系［4］，對(duì)氣象科技的依賴感越來(lái)越強(qiáng)。氣象部門努力實(shí)踐科學(xué)發(fā)展觀，探索新思路、新途徑、新舉措［5-6］。有調(diào)查顯示，公眾希望了解的氣象內(nèi)容：氣象防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)和天氣預(yù)報(bào)的制作排名并列第1［7］。因此了解氣候問(wèn)題的形成和危害十分有必要，并需大力發(fā)展氣候變化研究和業(yè)務(wù)、加強(qiáng)應(yīng)對(duì)氣候變化決策服務(wù)［8-10］，更好地服務(wù)城市公共安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展［11］。本研究將通過(guò)城市建筑“狹管效應(yīng)”增速模擬，分析“狹管效應(yīng)”發(fā)生原理并進(jìn)一步探討增速模擬創(chuàng)作在氣象防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用中發(fā)揮的新模式。

1 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

液體在管中流動(dòng)，經(jīng)過(guò)狹窄處時(shí)流速加快。空氣的流動(dòng)與伯努利方程原理一致，氣流在地面流經(jīng)狹窄地形時(shí)類似液體在管中的流動(dòng)，流速也會(huì)加快，并因?yàn)闅怏w具有可壓縮性，密度也會(huì)增大。具體來(lái)說(shuō)當(dāng)氣流由開(kāi)闊地帶流入地形構(gòu)成的狹長(zhǎng)峽谷時(shí)，空氣不能大量堆積，于是加速流過(guò)峽谷，導(dǎo)致風(fēng)速增大，流出峽谷時(shí)，空氣流速又會(huì)減緩。圖1為“狹管效應(yīng)”城市建筑群原理圖。

圖1 “狹管效應(yīng)”城市建筑群原理圖

如圖1所示，城市中的高樓就像地形復(fù)雜的山區(qū)，兩幢大樓之間的空間像狹谷中的狹長(zhǎng)縫隙，大風(fēng)刮來(lái)且風(fēng)向與街道走向相一致，高樓間的縫隙形成的峽谷會(huì)阻礙風(fēng)的通行，風(fēng)迎面吹來(lái)后無(wú)法順暢通過(guò)，同時(shí)后方空氣源源不斷擠壓，于是聚集在很小的空間內(nèi)的空氣加速穿過(guò)街道，在狹管的出口處形成局地大風(fēng)，這就是城市中建筑群的“狹管效應(yīng)”。

1.2 增速裝置組成及材料

“狹管效應(yīng)”增速模擬裝置包含多種模塊：高樓模型6幢、電風(fēng)扇、廣告牌、廣告牌底座增重裝置、風(fēng)速儀、三角尺等（見(jiàn)圖2）。

使用較重亞克力板材制作高樓模型，相比于塑料或木材等材料，亞克力材料具有更高的密度，可提高高樓模型的重量，保證高樓模型單元在受風(fēng)時(shí)的穩(wěn)定性。電風(fēng)扇為無(wú)風(fēng)向變化的家用電扇，廣告牌用紙盒制作，在紙盒內(nèi)放進(jìn)一支與底部接觸面較大的物品用于穩(wěn)定底座，三角尺用于精準(zhǔn)測(cè)量?jī)蓚?cè)高樓間的夾角，風(fēng)速儀用于測(cè)量初始風(fēng)速及風(fēng)扇吹向廣告牌的風(fēng)速。

圖2 “狹管效應(yīng)”仿真模擬實(shí)景

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬場(chǎng)景構(gòu)建

“狹管效應(yīng)”在生活中到處可見(jiàn)，因此尋找其成因規(guī)律就顯得十分重要，該次增速模擬中每個(gè)模塊具有獨(dú)立性，將模塊進(jìn)行組合，共設(shè)計(jì)7個(gè)不同的場(chǎng)景進(jìn)行模擬，部分構(gòu)建如圖3所示。

圖3 “狹管效應(yīng)”增速模擬布局平面圖

模擬參數(shù)：高樓長(zhǎng)0.2 m，寬0.12 m，高0.45 m，風(fēng)扇風(fēng)口直徑為0.21 m，高0.25 m，廣告牌（含增重底座）長(zhǎng)為0.13 m，寬0.4 m，高0.16 m，重42.6 g。風(fēng)扇與廣告牌之間的距離為1.10 m，高樓與廣告牌之間的距離為0.22 m。

模型擺放條件：

1）風(fēng)扇、高樓模型及廣告牌的位置及距離固定，風(fēng)扇與廣告牌之間的距離適宜且風(fēng)速與廣告牌重量達(dá)到相對(duì)均衡的狀態(tài)，確保在場(chǎng)地空曠時(shí)廣告牌不會(huì)被直接吹翻。

2）風(fēng)扇風(fēng)力強(qiáng)度設(shè)置在同一檔位，高樓模型擺放走向與風(fēng)扇吹出的氣流方向一致，廣告牌正對(duì)風(fēng)扇。

3）模擬測(cè)試空間空氣流動(dòng)穩(wěn)定，如環(huán)境內(nèi)出現(xiàn)其他小尺度的空氣流動(dòng)，會(huì)使數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，或直接導(dǎo)致模擬失敗。

在設(shè)計(jì)操作中，將模塊進(jìn)行排列組合，模擬不同的高樓建筑布局，擺放說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 增速場(chǎng)景和說(shuō)明

場(chǎng)景1中將測(cè)風(fēng)儀放置在廣告牌所處的位置，此時(shí)場(chǎng)地空曠，無(wú)高樓模型；場(chǎng)景2在空曠的場(chǎng)地中，將高樓單側(cè)成列擺放，測(cè)試在單側(cè)樓體的阻擋下是否會(huì)對(duì)風(fēng)速產(chǎn)生影響，示意圖如圖3a所示。

場(chǎng)景3、場(chǎng)景4和場(chǎng)景5見(jiàn)圖3a-c，本組場(chǎng)景擺放利用增加法，測(cè)試高樓狹管長(zhǎng)度變化對(duì)風(fēng)速的影響。正對(duì)廣告牌的兩側(cè)分別平行擺放高樓，并在沿線兩側(cè)增加高樓的數(shù)量，從兩側(cè)各1棟樓增加至兩側(cè)各3棟樓，兩側(cè)高樓始終處于平行狀態(tài)。

場(chǎng)景5、場(chǎng)景6和場(chǎng)景7見(jiàn)圖3d-f，本組場(chǎng)景擺放利用調(diào)整布局法，測(cè)試高樓狹管出風(fēng)口逐漸變窄時(shí)風(fēng)速的變化。在場(chǎng)景5的基礎(chǔ)上，調(diào)整兩側(cè)高樓之間夾角度數(shù)，場(chǎng)景5兩側(cè)高樓相互平行，兩側(cè)高樓之間無(wú)夾角，場(chǎng)景6將兩側(cè)高樓之間夾角調(diào)整為60°，場(chǎng)景7繼續(xù)減小兩側(cè)高樓間夾角度數(shù)，將夾角調(diào)整至30°。

在計(jì)算風(fēng)速的研究中，常用的方法有計(jì)算增速百分比及增長(zhǎng)系數(shù)的方法等。本研究采用了計(jì)算增長(zhǎng)系數(shù)的方法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，根據(jù)場(chǎng)景布置和各場(chǎng)景產(chǎn)生的風(fēng)速來(lái)推算風(fēng)速的變化。式（1）中E為增速系數(shù)，v1和v0分別為有建筑物狀態(tài)下的測(cè)量風(fēng)速和無(wú)建筑物狀態(tài)下的測(cè)量風(fēng)速（m/s）。

2.2 模擬場(chǎng)景

增速模擬前，首先選取十分鐘風(fēng)扇一檔風(fēng)速及二檔風(fēng)速并放置廣告牌進(jìn)行測(cè)試。在一檔風(fēng)速持續(xù)吹動(dòng)下，廣告牌輕微抖動(dòng)，二檔風(fēng)力過(guò)大，空曠場(chǎng)地持續(xù)吹動(dòng)下極易將廣告牌吹翻，故本次增速模擬選取了一檔風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)測(cè)風(fēng)儀測(cè)量，一檔風(fēng)10 min初始平均風(fēng)速為3.3 m/s。在廣告牌位置處所測(cè)得的十分鐘平均風(fēng)速為0.85 m/s，故該次增速模擬將0.85 m/s作為基準(zhǔn)風(fēng)速來(lái)計(jì)算增速系數(shù)，此時(shí)廣告牌的狀態(tài)為輕微抖動(dòng)。

風(fēng)的走向會(huì)影響“狹管效應(yīng)”的發(fā)生。當(dāng)風(fēng)向與街道走向相一致時(shí)，風(fēng)受到不同方向的擠壓加速穿過(guò)狹窄的街道，這樣街道形成的狹管所引發(fā)的“狹管效應(yīng)”就制造出強(qiáng)風(fēng)。街道走向與風(fēng)向相垂直，街道上的風(fēng)就會(huì)受到高樓的阻擋而消散。

在高度相同、間距相同、風(fēng)速風(fēng)向相同的情況下，建筑物整齊的排列，風(fēng)力輕微增大，廣告牌輕微晃動(dòng)，增速不明顯。

在高度相同、間距相同、風(fēng)速風(fēng)向相同的情況下，兩側(cè)建筑物的數(shù)量增加，狹管長(zhǎng)度增長(zhǎng)，廣告牌處的風(fēng)速不斷增大，廣告牌的狀態(tài)，也由晃動(dòng)變?yōu)槊黠@晃動(dòng)，增速系數(shù)由1.18增加至1.47，系數(shù)增加幅度見(jiàn)表2。

在高度相同、風(fēng)速風(fēng)向相同的情況下，高樓建筑物之間的間距（夾角）逐漸縮小，廣告牌處的風(fēng)速也隨之增加，夾角為30°時(shí)，兩側(cè)建筑物間距最小，聚風(fēng)效果明顯，此時(shí)風(fēng)速最大，增速系數(shù)也由無(wú)夾角時(shí)的1.47增加至2.18，系數(shù)增加幅度見(jiàn)表2。

高樓之間的狹窄縫隙形成了人造風(fēng)口，經(jīng)風(fēng)口吹出的風(fēng)，風(fēng)速增大不僅給行人造成不便，還有可能導(dǎo)致不安全事件或事故發(fā)生，一些單薄的廣告牌和不牢固戶外裝置很難抵御。

表2 7種場(chǎng)景下的測(cè)量風(fēng)速和增速系數(shù)的比較

3 結(jié)論

建筑群的規(guī)整排列會(huì)形成“狹管效應(yīng)”，說(shuō)明“狹管效應(yīng)”的出現(xiàn)與風(fēng)環(huán)境和建筑布局密切相關(guān)。建筑物間整齊有序排列使“狹管效應(yīng)”出現(xiàn)的可能性增大。

在高度相同、風(fēng)速、風(fēng)向相同的情況下，間距（夾角）在增速模擬范圍內(nèi)最小的情況下，增速系數(shù)從基礎(chǔ)風(fēng)速1攀升至2.18，增加了2.18倍，也就是說(shuō)，4級(jí)風(fēng)經(jīng)過(guò)“狹管效應(yīng)”的放大，至少可以增加至7～8級(jí)。說(shuō)明“狹管效應(yīng)”的威力大小，與一個(gè)城市高層建筑的數(shù)量、間距密切相關(guān)。高層建筑物越多、狹管越長(zhǎng)、間距越小“狹管效應(yīng)”越明顯，反之則越小。

試驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)變化與氣象科學(xué)理論相符合，這說(shuō)明“狹管效應(yīng)”的氣象原理可通搭建增速模擬的方式向公眾進(jìn)行體驗(yàn)性展示，公眾可以通過(guò)對(duì)模型的構(gòu)建擺放、角度調(diào)整探知風(fēng)速的變化規(guī)律，依托科普日及科普館等平臺(tái)讓公眾進(jìn)行親身體驗(yàn)，將單項(xiàng)輸出逐漸發(fā)展為雙向互動(dòng)。在傳播方式上，可以采用錄制氣象科普視頻的方式，將“狹管效應(yīng)”增速模擬分析錄制成一期科普視頻節(jié)目，通過(guò)融媒體等傳播渠道進(jìn)行展播，更富有影響力和傳播力。