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基于后向轨迹模拟的北京市区域通风廊道识别

区域通风廊道,FLEXPART-WRF模型,后向轨迹模拟,城市冠层通风,边界层通风

城市的快速发展和不断扩张带来了城市热岛、城市通风能力下降、城市大气污染等一系列问题。为了改善城市微气候，研究人员提出通过规划通风廊道来提高城市通风能力。通风廊道是指利用自然或人工规划的低粗糙度区域连接城市与凉爽区域的通道。从尺度上划分，通风廊道可分为区域、城市和局地三个层次。本研究侧重于区域通风廊道（RVCs），通常指连接市区和郊区的尺度约为 100公里长的通风路径。研究区域通风廊道的传统方法通常基于地理信息系统 (GIS) 或计算流体动力学 (CFD)。但是，这些方法存在一些不足：（1）基于GIS的方法只考虑下垫面最小的通风阻力，不能分析受真实气象条件控制下的气流运动；（2） 另外，基于GIS的方法很少能显示不同高度下区域通风廊道的变化；（3） 由于计算资源和能力的限制，基于 CFD 的方法主要局限于城市地区的街道或街区尺度的研究；（4） 这两种方法都很少关注与天气相关的影响，主要包括天气或气候变化对大气环流引起的地表通风性能的影响。因此，本研究提出了一种基于后向轨迹模拟的新方法，以克服基于 GIS 和 CFD 方法的局限性，该方法在区域通风廊道识别中很少采用。本研究以北京为研究区域，基于气象研究与预报（WRF）模型模拟​​的风统计、地表粗糙度和风场，对区域通风潜力进行评估。此外，将FLEXible PARTicle dispersion model（FLEXPART）耦合Weather Research and Forecasting model（WRF）的后向轨迹模型FLEXPART-WRF应用于识别流经城市的区域通风廊道。有效识别了不同季节中尺度大气环流下区域通风廊道的边界层通风（BLV）和城市冠层通风（UCLV）在天气和季节尺度上的时空差异。揭示了以往研究中未发现的一些北京区域通风廊道特征：（1）不同季节区域通风廊道的空间分布存在显著变化。在冬季盛行西北风的影响下，北京市的西北、东北和西南侧出现风道。在夏季盛行偏南风的作用下，风道主要分布在西南和东南两侧；（2）无论是冬季还是夏季，连接北京与华北平原的东北-西南走向的风道始终为市区的通风做出贡献；（3）边界层通风和城市冠层通风情况的比较刻画出了不同高度上风道的变化情况。冬季时对地表城市影响较大的风道是西南和东北侧风道，在夏季则是西南侧与东南侧风道。