我国城市化进程中，城市呈现立体化发展态势。建筑密集化、高大化，导致人口、资源和环境矛盾日益突出，严重影响人居环境的舒适性，也造成对能源和资源的消耗额外增加，形成恶性循环态势。因此，深入理解和解决城市大气环境问题对保障人类的生活质量、节能减碳和实现城市的可持续发展具有重大的意义。城市化对局域尺度城市风环境及其气候影响的数值模拟是当前大气科学领域中热点之一。对于城市大气湍流运动，本文首先研究混合动态亚格子模式（HDSM）和多尺度构架下的通用亚格子模式（UMSM），提高大涡模拟精度和计算效率。其次，基于我国城市的高密度特征，分析UMSM模式的模拟结果，提出新的阻力源参数化模型。再次，针对我国城市冠层的三维空间格局，依据集成法构建城市下垫面阻力源、热力-水汽源/汇的参数化方案，建立局域尺度的热动力耦合模型，采用UMSM大涡模拟方法，数值模拟局域尺度风-热-湿环境日变化，分析参数化方案和数值模拟结果的合理性。本文主要结论如下： 1）考虑可解和亚格子尺度运动影响，提出了混合动力亚格子HDSM模式。其中，决定动态亚格子特征长度的特征波数由亚格子湍动能和耗散波数计算所得。基于Pao能谱和局部平衡假设的基础，通过联立求解亚格子湍动能谱方程和总耗散率谱方程确定耗散波数。Smagorinsky系数则由Germano恒等式动态确定，以避免近壁区域的过度耗散。槽道湍流和圆柱绕流两个算例的模拟结果表明，与动态亚格子模式DSM模拟结果相比，HDSM模拟结果精度更高。特别是，网格尺度和耗散尺度通过能量加权得到的动态亚格子特征长度，更能反映出亚格子运动的时空特性，也更能独立于计算网格。 2）基于更符合湍流能量级串图像的亚格子模式SA-SM（Small-All Smagorinsky model），并结合动态求解特征长度的思想，提出了等效的动态多尺度亚格子模式，即UMSM模式。基于槽道湍流算例的模拟结果，从能量传递、网格鲁棒性和多尺度参数的通用性三个方面阐述了UMSM中通用的内涵。方柱绕流算例的模拟结果表明，DSM和UMSM的模拟精度相当，而UMSM的计算成本较低，效率提高约17%。非等温圆柱绕流算例的大涡模拟研究表明，UMSM可应用于可压缩湍流的数值模拟，且对网格的适应性也较强。 3）将UMSM应用到单体建筑和理想建筑群风环境的大涡数值模拟，模拟结果表明UMSM可用于局域尺度风环境的大涡模拟研究。基于UMSM模式的不同建筑密度的理想建筑群风环境的模拟结果，提出了新的阻力源参数化模型，更适用于我国建筑密度大的城市下垫面动力效应参数化。其特征在于，建筑密度小于0.58时，建筑群的平均阻力系数随建筑覆盖密度变化；建筑密度大于0.58时，平均阻力系数不再变化。与S&M阻力源参数化模型的大涡模拟效果对比，本文的阻力源参数化模型对垂向湍流动量通量的模拟结果更接近实体壁面模型。 4）针对立体化的城市冠层结构，本文提出城市冠层地表建筑-植被覆盖混合层（简称混合层）和平均树冠高度以上的中高层建筑效应层（简称建筑效应层）垂向分层方案。基于三维建筑分布假设，考虑混合层内植被冠层与建筑的热动力耦合关系，采用集成法构建城市下垫面阻力源、热力-水汽源/汇的参数化方案，建立局地尺度的热动力多场耦合模型。以西安交通大学兴庆校区和兴庆宫公园作为研究区域，首先实测研究区域的日变化风速、气温、湿度以及下垫面中各表面的净辐射通量和波恩比等数据，采用悬空气球携带低空探空仪测量近地层气象参数的垂直分布；其次，基于实测结果的比较，分析数值模拟的合理性。 只考虑下垫面动力效应，城市冠层风场的阻力源参数化的大涡模拟表明，与平板法模型模拟结果相比，集成法模型模拟所得的时空平均水平风速和垂向动量通量与实体壁面模型大涡模拟的结果都更为接近。 基于集成法建立的局地尺度的热动力多场耦合模型，实现了局域尺度风环境的日变化风-热-湿环境的大涡模拟，与实测数据的对比证明了本文集成法参数化方案大涡模拟的可行性。集成法参数化方案改善了近地层温度的模拟结果，所得的温度值与测量结果最为接近。本文集成法参数化方案所模拟的15:00时刻的温度误差为1.06℃，小于平板法参数化方案模拟的误差（3.11℃）。 |
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