城市建筑布局的密集化与高大化的发展态势造就了独特的城市气候环境，气象与环境要素呈现三维分异特征。将城市气候环境的高分辨率模拟从“局部水平同质化的二维（Two-Dimension，2D）视角”转向“三维（Three-Dimension，3D）动态精细视角”，有助于理解城市冠层内复杂环境问题来源的物理机制，为相关决策提供科学依据。传统中尺度气象模式受限于分辨率，缺乏城市冠层内精细的气象特征，常规计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法则因实体壁面建模的网格数量大，局限于局域尺度的情景模拟。本文聚焦城市大气环境高精度模拟中物理过程刻画不充分与高分辨率计算代价较高两大核心挑战，提出城市冠层多孔介质模型（Porous Media Model，PMM），构建了城市尺度大涡模拟方法，并进一步建立了其与中尺度气象模式双向耦合的模拟新范式。 首先，本文从城市冠层动量、能量以及水汽质量控制方程出发，融合城市局地气候分区（Local climate zone, LCZ）分类体系与数字孪生（Digital Twin，DT）技术厘清控制方程的阻力源等参数化方案，提出城市尺度的大气环境大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）方法，实现复杂地形与城市形态耦合下的城市尺度大气环境高保真解析。 1）城市冠层多孔介质阻力源模型及其大气运动动量与能量控制方程的耦合方法。本文基于体积平均理论，重构了包含阻力等附加源项的大气动量控制方程及其OpenFOAM高效求解器；通过敏感性分析明确多孔介质阻力源模型的特征尺度（dp）的取值方案，其值为建筑等效宽度的0.3~1.0倍；通过理想冠层数值模型的大涡模拟，从物理机制上明确了建筑迎风面宽度对气流阻滞的主导作用以及建筑群密度与高度对风速及湍流结构的独立调制规律。另外，联合能量控制方程及其理想冠层数值模型的大涡模拟，阐明城市冠层热力过程对单纯动量场的影响，城市冠层的热力效应显著改变纯动量场的流场空间分布格局。 2）LCZ-PMM阻力源参数化方法及其动量控制方程耦合的城市尺度风环境大涡模拟方法。本文将多孔介质阻力源模型与局地气候分区融合，建立了LCZ-PMM阻力源参数化方法，利用动量控制方程及其参数化方案实现120米水平网格分辨率下西安市非均匀冠层风环境的大涡模拟。研究结果揭示了不同LCZ类型下的风速衰减规律，发现西安市大气边界层粗糙子层高度约为冠层高度的5~6倍，建筑平均高度的突变是主导冠层内部湍流演化与动量输运的关键几何参数。另外，本文局域尺度的大涡模拟结果与PALM（Parallelized Large-Eddy Simulation Model）模型的模拟结果对比，表明LCZ-PMM阻力源参数化及动量控制方程耦合的大涡模拟方法，可以实现城市尺度大涡模拟的模拟精度与计算资源的平衡。 3）DT-PMM阻力源参数方法及其风-热-湿控制方程耦合的城市尺度风环境大涡模拟方法。本文将多孔介质模型与数字孪生技术结合，整合西安市高精度地形与建筑数据，提出了DT-PMM阻力源参数方法，耦合能量与水汽方程，实现城市尺度大气环境的风-热-湿耦合大涡模拟。数值模拟结果表明，西安市大地形强迫下沉气流与建筑实体机械湍流相互作用重构了局地环流；城市三维形态直接驱动了热力垂直分异，特别是高层区上空出现逆温层特征；下垫面性质则决定了水汽的空间格局，如蓝绿基础设施的湿岛与密集建成区的干岛效应。 其次，利用中尺度气象模式WRF（Weather Research and Forecasting Model），构建“WRF-LES双向耦合”框架，提出了城市大气环境的气象模拟新方法。本文基于DT-PMM模型及其风-热-湿控制方程耦合大涡模拟方法，将LES解析出的精细化流场信息，构建城市空间“数字气象探空站”，通过数据同化技术实时逆向修正至WRF系统，得到更新的WRF数据再次作为LES数值模拟边界的下一时刻驱动条件，从而实现城市尺度大气环境的LES模拟与中尺度WRF模式的双向反馈，提高中尺度WRF模式的模拟精度。WRF-LES双向耦合模拟在保持计算效率的同时，显著提升了中尺度模式对城市大气环境过程的表征能力与物理一致性。 综上所述，本文通过城市冠层多孔介质阻力源模型的构建，改变了城市风环境的流动描述方法，即城市风环境不再是大气沿着建筑实体壁面的表面流动，而是大气穿过城市空间多孔介质的流动；提出了城市风环境多孔介质阻力源参数化方法及其风-热-湿控制方程耦合的大涡模拟方法，实现城市尺度大气环境的大涡模拟；将LES高分辨网格流场信息，构建城市空间“数字气象探空站”，通过数据同化技术实时逆向修正WRF模拟，实现城市尺度大气环境的LES模拟与中尺度WRF模式的双向反馈，提高中尺度WRF模式的模拟精度，构建了新的WRF-LES双向耦合模拟平台。本文方法可在百米级空间分辨率下解析城市冠层内的风速分布、热环境演变、水汽传输及污染物扩散过程，为城市热岛效应缓解、通风廊道构建、空气污染防控等气象环境问题提供高精度模拟支撑，进而为城市空间结构优化、绿地系统规划、建筑群布局调整及气候适应型城市设计提供科学依据。 |
学校主站