華南理工大學(xué)土交學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第三十九期，我們邀請到來自美國康奈爾大學(xué)土木與環(huán)境工程系李锜助理教授。她為同學(xué)們介紹了她自己的課題組如何從微氣象學(xué)的角度利用大渦流模擬的數(shù)值工具與理論模型來表征城市誘發(fā)性擾動對天氣氣候模型中的大氣邊界層的影響。

【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第三十九期：利用中尺度模型表征城市地表粗糙度：微觀視角及深遠(yuǎn)意義

首先，李老師向我們介紹了城市大氣邊界層（Urbanatmospheric boundary layer,ABL）這一概念，指在流體介質(zhì)中，受邊界相對運(yùn)動以及熱量和物質(zhì)交換影響最明顯的那一層流體。隨著城市的建設(shè)和發(fā)展，城市面積不斷擴(kuò)大，地表的形態(tài)和功能也在發(fā)生改變，這使得城市邊界層影響日益重要，并且隨著城市向高空發(fā)展，城市邊界層更加復(fù)雜，建筑物阻力和尾流湍流，城市粗糙度的確定等，都是當(dāng)今的難點問題。圍繞建筑的分布和形態(tài)以及人的活動對氣流運(yùn)動的影響這一問題，許多研究者通常是根據(jù)足尺的大體積氣動力模型來進(jìn)行分析。講座中，李老師向我們介紹了她們課題組從微觀角度分析城市建筑的形狀和排布對大氣邊界層的影響。

李老師課題組首先定義了ABL受到城市地表形態(tài)的多尺度元素特征，例如建筑立面（1-10m）、建筑物（10-100m），街道峽管（5-50m）、小區(qū)（100-1000m）、建筑群（1-10km）以及城市規(guī)模（10-100km）。采取了使用一個代表值來表示地表粗糙度的方法。她們使用了MOS(Monin-Obukhov similarity)這樣一個尺度分析的方法來研究空氣在建筑物層和高層大氣間的渦流交換。她們采用了Micro-eddy和Macro-eddy的模型，將氣流分為大循環(huán)和小循環(huán)；小循環(huán)之間的碰撞決定了空氣交換的效率，是整個循環(huán)的決定性因素，大循環(huán)決定了小循環(huán)與外界的交換效率。

在進(jìn)行模擬和理論分析后，李老師課題組發(fā)現(xiàn)基于momentum和基于scalar的表面粗糙度代表度對氣流交互的影響有較大不同，而傳統(tǒng)的模型并沒有捕捉到這些差異從而會引起較大誤差。李老師認(rèn)為微觀的地表大氣邊界很重要，因為這與城市人口的居住幸福指數(shù)直接相關(guān)，并且會影響更大尺度的的天氣和氣候。因此，她們課題組從微觀模型開始研究，理解物理規(guī)律，拓展對宏觀模型的影響。

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圖1 影響ABL的城市粗糙度元素長度特征

其次，李老師還向我們介紹了因城市內(nèi)建筑物密集程度而產(chǎn)生的Downwindenhancement現(xiàn)象。比如美國圣路易斯內(nèi)與平坦的郊區(qū)隔河而望的高樓林立的市中心使城市升溫，或者是中國南京古建筑區(qū)與新城區(qū)毗鄰造成的降雨向市中心聚集等現(xiàn)象。她們采用了城市表面粗糙度是影響地區(qū)氣流動態(tài)過程的主要因素的假說，通過模擬和理論分析的方法去研究了UCP（urbancanopy parameters）和MEP(momentum exchange parameterization) 對氣流行為的影響。

對于如何確定氣動阻力參數(shù)化及其對城市降水的影響問題。李老師通過校正濕度、熱動力過程參數(shù)，例如改變表面能量平衡，初始化熱驅(qū)動循環(huán)；考慮城市表面粗糙度，校正動力學(xué)過程，增強(qiáng)氣流收斂；校正微物理過程，以考慮城市氣溶膠的攝入會改變城市上空顆粒大小分布。在區(qū)域水文氣象研究中采用中尺度的城市地表粗糙度表達(dá)，并通過改善城市大氣穹隆參數(shù)（UrbanCanopy Parameter, UCP）提高單層城市大氣穹隆模型（SingleLayer Urban Canopy Model,SLUCM）的精度。最后通過對比大渦流模擬與默認(rèn)的SLUCM模型對平均動量交換的結(jié)果，李老師提出的方法更加有效。

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圖2 LES結(jié)果與默認(rèn)的SLUCM模型的對比

最后，李老師還向我們簡單介紹了她的課題組最近在城市天氣和污染物散布預(yù)測、城市功能表征、城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施和空氣質(zhì)量、城市塑料微粒等方面研究中取得的成果。

本次講座中，與傳統(tǒng)土木工程更多關(guān)注的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和結(jié)構(gòu)安全問題不同，李老師向我們介紹了土木工程領(lǐng)域中對氣流、建筑和人的復(fù)雜交互方面的研究，這拓寬了我們的知識。土木工程人員有責(zé)任拓寬自身的知識邊界，研究多學(xué)科交叉的問題，致力于解決更多影響建筑與人的環(huán)境問題。此外，在不同領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究中，我們都經(jīng)常會遇到多尺度的問題。在宏觀尺度下，無論是理論計算還是仿真模擬都過于復(fù)雜。而在微觀尺度中，我們又難以理解問題的物理機(jī)制。李老師的研究向我們展示了從微觀角度解釋宏觀尺度問題的可能性，這也可能為其他領(lǐng)域的研究帶來新的研究思路。

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相關(guān)文章請見李老師主頁：

https://www.cee.cornell.edu/faculty-directory/qi-li-0

講座錄播鏈接：

https://url.cy/JPIGl1

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來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

撰寫：解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版：馬文千

審核：胡??楠