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真实城市地表粗糙子层的湍流特征及风速廓线参数化研究

湍流,风速廓线,粗糙子层,参数化,风洞实验

城市大气近地层包括惯性子层和粗糙子层，其动力特征非常不同。莫宁-奥布霍夫相似性理论能够描述惯性子层的通量-梯度关系，但其在粗糙子层的适用性存在较大争议。本研究通过三维打印技术制作了香港真实街区的缩尺城市模型，并在风洞实验中模拟了真实城市地表近地层的风速和湍流特征。选取了三个平行的垂直平面，利用热线风速仪测量风速和湍流廓线，每个平面45条廓线。结果表明，惯性子层和粗糙子层的平均风速、水平和垂直风速脉动、动量通量存在明显的差异。在拖拽系数较大的垂直平面（大于其他两个平面的25%），受到各建筑高度变化的影响，粗糙子层厚度增加10%。本研究还通过嵌入粗糙子层函数，提出了能反映粗糙子层平均风速廓线变化的新解析公式，并利用风洞测试数据进行验证。与传统对数律相比，该参数化公式能够降低粗糙子层预测风速与实测风速均方差误差的10倍。其中参数化方案中的关键变量，粗糙子层常数，随着拖拽系数的增加而减少，并趋向于1.7。利用象限分析比较湍流结构的差异，发现上抛(Q2)和下扫事件(Q4)是影响湍流动量传输的主导事件。在粗糙子层中上抛的出现频率大于下抛，然而下抛事件对动量通量的贡献更大，说明新鲜空气由高速下沉流体带动，而街区尺度的老化空气则由大量的慢速上升气流带走。本研究能为提高中尺度模型近地表风速预测提供方法依据，并为城市街区通风的湍流传输机制提供新认识。