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面向空间异质性城市与复杂地形的近地面通风快速模拟数值方法

风场精细数值模拟；,空气动力学阻抗；,陆面空间异质性；,城市通风走廊

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.3 大气边界层和低空环境

精细尺度城市低空风场的准确模拟对大气污染扩散、城市气候调节及低空 飞行安全至关重要。然而，传统中尺度数值模式因分辨率不足而无法解析受城市 建筑和地形地物高度空间异质性影响而导致的低空大气流动的高频非均一性特征，而计算流体动力学方法则因计算成本过高而难以应用于业务化预报。为此， 本研究开发了一种基于电路网络模型的高效的物理模型 , Nearground Heterogeneity Ventilation Flow Simulator, 创新性地将非均匀下垫面参数化为空气动力学阻抗分布，通过求解通风量方程组，实现了城市低空风场的空间分辨率百米级，时间分辨率分钟级的高效的数值模拟：首先将多源地理信息数据（建筑、 地形、植被、土地利用）参数化为百米级分辨率的空气动力学阻抗，其次所求解的通风量方程主要基于质量守恒、静态风场为有势场和水平流动远远强于垂直对 流这三个主要的物理假设。采用NHV-Flow模拟了南京市近地面水平分辨率100米， 200米和500米的风场，并与WRF的模拟结果（500米分辨率）进行了对比，结果表明，NHV-Flow的模拟结果与区域内40个气象站观测数据的相关性高达0.90，显著优于WRF模式低于0.20的表现；在风速、风向等关键指标上，相关系数系统 性地提升了0.25以上，均方根误差降低了15%–30%，更精确再现了城市低空风场的空间非均一性特征；同时，NHV-Flow在不同水平分辨率下的模拟风场结构稳定，满足网格独立性要求；尤为重要的是，NHV-Flow在保持高精度的同时， 其计算效率完全满足实时预报需求。该研究不仅为城市风场研究提供了新的技术路径，也为精细化环境气象服务和低空经济安全保障提供了可靠工具。