热岛现象的大涡模拟.doc

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1、热岛现象的大涡模拟尹明艳1，崔桂香1*，许春晓1，张兆顺1*，王志石21北京清华大学工程力学系，100084，中国2澳门大学城市与环境工程系，中国澳门摘要：本文利用大涡模拟计算了澳门地区的风速、温度、污染物在大气中扩散，数值计算的目标是为了研究城市热岛现象。当地的风场和温度分布是由ARPS（AtmosphericResearchPredictionSystem)预测，而污染物扩散则是通过求解浓度传输方程得到。关键词：大涡模拟，热岛，湍流扩散，污染，ARPS引言热岛现象是一个最近被研究的很多但不太知名

2、的环境问题。热岛是一个复杂热力学的流体流动问题，涉及到比如当地不稳定空气流，辐射，城市复杂地形和下垫面等问题。对于这个复杂的问题，大涡模拟是一个合适的数值研究方法。本文的风场由ARPS（AtmosphericResearchPredictionSystem)来模拟，这是一个非静力学的大气和模拟工具(Xueetal.,2000,2001)。而对于污染物扩散的数值模拟的代码是由本文作者在ARPS基础上添加。笔者用这个方法来研究澳门的热岛效应并得到了令人满意的结果。数值方法ARPS风场和温度场的控制方程建

3、立在地形追随坐标系,,下。流场中流动的参数定义为基本量和扰动量之和，其中基本量满足流体静力学条件。动量控制方程为：(1)(2)(3)在以上的方程中u,v,w是笛卡尔坐标系中的速度分量，，是速度w*在地形追随坐标系下的速度分量，而，其中是密度的基本量而为从坐标到坐标变换的雅克比矩阵的行列式。上述方程式右边各项依次为速度对流项，压力梯度项，科氏力项和亚格子项。在垂直方向上的动量方程里包含浮力的影响，浮力为：(4)能量方程为：(5)上式中q表示位温，表示基本量而为扰动量。湍流传输项Di由亚格子模式来封闭。

4、在ARPS中有三种不同的亚格子封闭模式，即Smagorisky模式，1.5阶湍动能模式和Germano动力涡粘模式，这些模式的控制方程在ARPS的用户指导中有详细的描述。图1表示的是计算域，计算域包含了澳门地区以及周边部分区域。图2是竖直方向网格示意图。而下垫面的分类示意图如图3所示，分为绿地、裸地、建筑物和水等等。计算的算例中风速有0.2m/s,1.0m/s和3.0m/s三种不同的风速，而风向均为西北风。初始状态中近地面空气温度是2930K而海洋温度是2920K。计算从澳门当地时间10点开始。风场

5、侧面和顶面的边界条件取为无反射条件，而底面的边界条件是和粗糙度有关的无滑移条件，粗糙度大小和下垫面类型有关。图1计算域图2竖直方向网格图3下垫面分类白色：海洋浅灰：建筑物灰：绿地深灰：裸地黑色：较干的裸地结果讨论1不同下垫面的地温图4是白天和晚上的地表温度示意图。这个算例初始基本态的风场风速是0.2m/s，风向为西北风。由图可以看出，白天裸地的温度是最高的，建筑物的温度居中、绿地的温度最低而海洋的温度几乎不改变。而到了晚上裸地的温度最低而海洋温度仍然没有改变。（a）白天（b）晚上图4不同下垫面的地面

6、温度2风速对比图5显示的是初始基本态风速对空气速度（箭头）、近地面气温（灰度）和浓度扩散（等值线）的影响。在低风速也就是0.2m/s时，风速为海洋刮过来的海风且污染物扩散区域很大。当初始风速增大，从海洋刮过来的风减小且污染物扩散区域变小。污染物扩散受风速影响较大。(a)0.2m/s(b)1.0m/s(c)3.0m/s(a)0.2m/s(b)1m/s(c)3m/s图5空气速度（箭头）、近地面气温（灰度）和浓度扩散（等值线）3辐射模型对地温的影响辐射对于白天或晚上地温的增加或减少来说是一个非常重要的量。

7、ARPS中有两种不同的辐射模型。较为简单的模型只是计算了水汽对太阳辐射的吸收而复杂模型考虑了气溶胶等对不同波段即红外线和可见光的辐射的吸收。图6显示的计算结果可以看出复杂辐射模型中不同下垫面的温度增量差别更加明显所以复杂辐射模型是更合理的。(a)简单模型(b)复杂模型图6不同辐射模型下的地温图4比湿比湿是指每千克中干空气中水汽的重量。比湿会影响地面上水汽的蒸发从而调控地表温度的升高或降低。图7显示的是空气比湿分别为0和0.01时中午12点的地温比较，由图可见在空气比湿低的情况下地温升高很快。而在这两

8、种情况下，裸地都是温度最高的区域，而绿地的温度都是比较低的。(a)比湿为0.0(b)比湿为0.1图7不同比湿时的地温图5热岛强度热岛强度被定义成城区和郊区的温度差别。图7显示了不同基本态风速下的热岛强度，可见裸地的热岛强度最大。(a)0.2m/s(b)1.0m/s(c)3.0m/s图8热岛强度结论通过对澳门的模拟，可知用ARPS和在这基础上的被动标量的大涡模拟以预测大城市的大气环境和污染物扩散是可行的。在进一步的研究中，我们会将模拟结果和实际测量结果进行对比。致谢Th