讲座回顾：利用中尺度模型表征城市地表粗糙度：微观视角及深远意义

华南理工大学土交学院海外学者前沿讲座第三十九期，我们邀请到来自美国康奈尔大学土木与环境工程系李锜助理教授。她为同学们介绍了她自己的课题组如何从微气象学的角度利用大涡流模拟的数值工具与理论模型来表征城市诱发性扰动对天气气候模型中的大气边界层的影响。

【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座第三十九期：利用中尺度模型表征城市地表粗糙度：微观视角及深远意义

首先，李老师向我们介绍了城市大气边界层（Urbanatmospheric boundary layer,ABL）这一概念，指在流体介质中，受边界相对运动以及热量和物质交换影响最明显的那一层流体。随着城市的建设和发展，城市面积不断扩大，地表的形态和功能也在发生改变，这使得城市边界层影响日益重要，并且随着城市向高空发展，城市边界层更加复杂，建筑物阻力和尾流湍流，城市粗糙度的确定等，都是当今的难点问题。围绕建筑的分布和形态以及人的活动对气流运动的影响这一问题，许多研究者通常是根据足尺的大体积气动力模型来进行分析。讲座中，李老师向我们介绍了她们课题组从微观角度分析城市建筑的形状和排布对大气边界层的影响。

李老师课题组首先定义了ABL受到城市地表形态的多尺度元素特征，例如建筑立面（1-10m）、建筑物（10-100m），街道峡管（5-50m）、小区（100-1000m）、建筑群（1-10km）以及城市规模（10-100km）。采取了使用一个代表值来表示地表粗糙度的方法。她们使用了MOS(Monin-Obukhov similarity)这样一个尺度分析的方法来研究空气在建筑物层和高层大气间的涡流交换。她们采用了Micro-eddy和Macro-eddy的模型，将气流分为大循环和小循环；小循环之间的碰撞决定了空气交换的效率，是整个循环的决定性因素，大循环决定了小循环与外界的交换效率。

在进行模拟和理论分析后，李老师课题组发现基于momentum和基于scalar的表面粗糙度代表度对气流交互的影响有较大不同，而传统的模型并没有捕捉到这些差异从而会引起较大误差。李老师认为微观的地表大气边界很重要，因为这与城市人口的居住幸福指数直接相关，并且会影响更大尺度的的天气和气候。因此，她们课题组从微观模型开始研究，理解物理规律，拓展对宏观模型的影响。

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图1 影响ABL的城市粗糙度元素长度特征

其次，李老师还向我们介绍了因城市内建筑物密集程度而产生的Downwindenhancement现象。比如美国圣路易斯内与平坦的郊区隔河而望的高楼林立的市中心使城市升温，或者是中国南京古建筑区与新城区毗邻造成的降雨向市中心聚集等现象。她们采用了城市表面粗糙度是影响地区气流动态过程的主要因素的假说，通过模拟和理论分析的方法去研究了UCP（urbancanopy parameters）和MEP(momentum exchange parameterization) 对气流行为的影响。

对于如何确定气动阻力参数化及其对城市降水的影响问题。李老师通过校正湿度、热动力过程参数，例如改变表面能量平衡，初始化热驱动循环；考虑城市表面粗糙度，校正动力学过程，增强气流收敛；校正微物理过程，以考虑城市气溶胶的摄入会改变城市上空颗粒大小分布。在区域水文气象研究中采用中尺度的城市地表粗糙度表达，并通过改善城市大气穹隆参数（UrbanCanopy Parameter, UCP）提高单层城市大气穹隆模型（SingleLayer Urban Canopy Model,SLUCM）的精度。最后通过对比大涡流模拟与默认的SLUCM模型对平均动量交换的结果，李老师提出的方法更加有效。

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图2 LES结果与默认的SLUCM模型的对比

最后，李老师还向我们简单介绍了她的课题组最近在城市天气和污染物散布预测、城市功能表征、城市绿色基础设施和空气质量、城市塑料微粒等方面研究中取得的成果。

本次讲座中，与传统土木工程更多关注的基础设施建设和结构安全问题不同，李老师向我们介绍了土木工程领域中对气流、建筑和人的复杂交互方面的研究，这拓宽了我们的知识。土木工程人员有责任拓宽自身的知识边界，研究多学科交叉的问题，致力于解决更多影响建筑与人的环境问题。此外，在不同领域的学术研究中，我们都经常会遇到多尺度的问题。在宏观尺度下，无论是理论计算还是仿真模拟都过于复杂。而在微观尺度中，我们又难以理解问题的物理机制。李老师的研究向我们展示了从微观角度解释宏观尺度问题的可能性，这也可能为其他领域的研究带来新的研究思路。

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相关文章请见李老师主页：

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

讲座录播链接：

https://url.cy/JPIGl1

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来源于多样化结构实验室VSL

撰写：解兵林 姚显花 毛炜宁

排版：马文千

审核：胡  楠