Городские каньоны: влияние высотной застройки на микроклимат

Введение

Улица, по обе стороны которой расположены очень высокие здания, обычно в крупных городах.

Городской каньон (также известный как уличный каньон или каньон небоскребов) – это место, где улица окружена зданиями с обеих сторон, создавая обстановку, напоминающую каньон, название которого происходит от Каньона героев на Манхэттене. Такие искусственные каньоны формируются, когда улицы разделяют плотную застройку, особенно небоскребы. Другие примеры включают Великолепную Милю в Чикаго, участок бульвара Уилшир в Лос-Анджелесе, финансовый район Торонто, а также районы Коулун и Центральный в Гонконге. Городские каньоны оказывают влияние на различные местные условия, такие как температура, ветер, освещенность, качество воздуха и прием радиосигналов, включая сигналы спутниковой навигации.

Эффекты

Изменение характеристик приземного слоя атмосферы под воздействием уличного каньона называется эффектом уличного каньона. Как упоминалось ранее, уличные каньоны влияют на температуру, скорость и направление ветра, а следовательно, и на качество воздуха внутри каньона.

Температура

Городские каньоны способствуют возникновению эффекта городского теплового острова. Температура внутри каньона может повышаться на 2–4 °C. Исследования температурных явлений учитывают облучение, угол падения, поверхностное альбедо, излучательную способность, температуру и SVF. При высоком значении SVF городские каньоны быстро охлаждаются, поскольку большее количество неба доступно для поглощения тепла, удерживаемого зданиями. При низком значении SVF каньон может удерживать больше тепла в течение дня, что приводит к более интенсивному выделению тепла ночью. Исследование, проведенное Нунесом и Оке, изучало энергетические обмены в городском каньоне в умеренных широтах в ясную летнюю погоду. Кинетическая энергия турбулентности выше вблизи здания, расположенного с подветренной стороны, чем вблизи здания, расположенного с наветренной стороны, из-за более сильного сдвига ветра. Формирующиеся потоки внутри каньона зависят от направления ветра относительно направления ориентации улицы.

Ветер параллельный каньону

Когда направление ветра на уровне крыш или фонового ветра параллельно улице, наблюдается эффект волновода, при котором ветер направляется и ускоряется в уличных каньонах. При неравномерной ширине улицы возникает эффект Вентури, когда ветер сужается в узких местах, что дополнительно усиливает его ускорение. Оба этих эффекта объясняются принципом Бернулли. Ветровой поток и перенос вдоль улицы могут существенно различаться для коротких и длинных каньонов, поскольку краевые вихри оказывают большее влияние в коротких каньонах.

Ветер перпендикулярный к каньону

Когда направление ветра на уровне крыши/фонового ветра перпендикулярно улице, создается вертикально вращающийся поток с центральным первичным вихрем внутри уличных каньонов. В зависимости от соотношения сторон, в уличных каньонах определяются различные режимы течения. В порядке возрастания соотношения сторон эти режимы течения следующие: течение изолированной шероховатости, течение интерференции следа и течение обтекания. Общее количество образующихся вихрей и их интенсивность зависят от множества факторов. Результаты численного моделирования изолированных уличных каньонов показали, что число вихрей увеличивается с ростом соотношения сторон каньона. Однако существует критическое значение скорости набегающего ветра, выше которого количество и структура вихрей перестают зависеть от соотношения сторон. Численные и экспериментальные исследования в аэродинамической трубе показали, что для симметричных каньонов с соотношением сторон = 0,5 вторичный вихрь можно наблюдать на уровне земли вблизи подветренной стены здания. Для симметричных каньонов с соотношением сторон ≥ 1,4 можно увидеть более слабый вторичный вихрь на уровне земли вблизи наветренной стены здания, а при соотношении сторон ≥ 2 вторичные вихри располагаются непосредственно под первичным вихрем. В асимметричных и каньонах с перепадом высот образование вторичных вихрей может быть более распространенным. Исследования в аэродинамической трубе показали, что в каньоне с перепадом высот, где здание выше по ветру короче, на наветренной стороне более высокого здания можно определить точку застоя. Область ниже этой точки застоя называется областью взаимодействия, поскольку все линии тока в этой области отклоняются вниз в уличный каньон. Характеристики вихревых потоков внутри каньона сильно зависят от соотношения высот зданий по обе стороны каньона. При отношении высоты здания вниз по ветру (Hd) к высоте здания вверх по ветру (Hu) равном 3 наблюдается один первичный вихрь. Однако при Hd/Hu = 1,67 противонаправленные вихри могут занимать всю глубину каньона. Другими факторами, влияющими на интенсивность этого циркулирующего потока, являются турбулентность, вызванная движением транспорта, и форма крыш зданий. Исследования физических моделей показали, что двустороннее движение транспорта увеличивает турбулентность в нижней половине каньона, а скатная крыша по обе стороны каньона смещает основную область турбулентного производства вниз по течению и уменьшает интенсивность циркулирующего потока внутри каньона. При таких перпендикулярных ветровых условиях, преимущественно на уровне улицы, на каждом конце каньона образуются горизонтально вращающиеся угловые/концевые вихри. Горизонтальное протяжение этих угловых вихрей различно на каждом конце каньона, что приводит к сложным моделям ветра на уровне поверхности на перекрестках. Полевые эксперименты также показали, что угловые вихри могут простираться на всю глубину каньона, но с изменением горизонтального протяжения по высоте. Структура прилегающей территории уличного каньона, например, серия уличных каньонов, добавляет сложности в картину течения. Все вышеупомянутые результаты относятся к ситуациям без учета тепловых эффектов. Численное моделирование показало, что при нагреве поверхности в уличных каньонах изменяются характеристики вихревого потока. При этом нагрев различных поверхностей – наветренной стены, подветренной стены, дна каньона – по-разному влияет на вихревой поток.

When the roof level/background wind direction is perpendicular to the street, a vertically rotating wind flow is created with a centered primary vortex inside street canyons. Based on the aspect ratio, different flow regimes are defined in street canyons. In the increasing order of aspect ratio these flow regimes are: isolated roughness flow, wake interference flow and skimming flow. The total number of vortices made and their intensities depends on many factors. Numerical model studies done for isolated street canyons have shown that the number of vortexes made increases with increasing aspect ratio of the canyon. But there is a critical value of the ambient wind speed, above which the number and pattern of vortexes become independent of the aspect ratio. Numerical and wind tunnel studies have shown that for symmetric canyons with an aspect ratio = 0.5, a ground level secondary vortex can be seen near the leeward side building wall. For symmetric canyons with aspect ratio ≥ 1.4, a weaker ground level secondary vortex can be seen near the windward side building wall and for aspect ratio ≥ 2 secondary vortexes are seen right below the primary vortex. In asymmetric and step up canyons the formation of secondary vortexes can be more common. Wind tunnel studies have shown that, in a step up canyon where the upwind building is shorter, a stagnation point can be identified on the windward face of the taller building. The region below this stagnation point is called the interaction region, since all streamlines in this region are deflected downward into the street canyon. The characteristics of the vortex flow patterns inside the canyon strongly depend the height ratio of buildings on either side of the canyon. For a downwind building height Hd to upwind building height Hu ratio of 3, a single primary vortex has been observed. But for Hd/Hu=1.67, counter rotating vortexes can occupy the whole depth of the canyon. Other factors that have an effect on the strength of this re circulation flow are traffic induced turbulence and roof shapes of the buildings. Physical model studies have shown that two way traffics increases the turbulence in the lower half of the canyon and that pitched roof on either side of the canyon shifts the main area of turbulent production downstream and reduced the intensity of the re circulation flow inside the canyon. Under these perpendicular wind conditions, mainly at the street level, at each end of the canyon, horizontally rotating corner/end vortexes are made. The horizontal extent of these corner vortexes are different at each end of a canyon and this leads complex surface level wind patterns at intersections. Field experiments have further shown that corner vortexes can extend in the whole depth of canyon but with changing horizontal extent with height. The structure of the neighboring area of a street canyon; for instance a series of street canyons, add more complexity to flow field. All the above mentioned results are for situations with no heating effects. A numerical model study have shown that, when a surface in a street canyons heats up, it changes the characteristics of the vortex flow. And heating of different surfaces; upwind wall, downwind wall, canyon floor, changes the vortex flow in different manners.

Прием GPS-сигнала

При использовании GPS-приемников в городских каньонах с высокими зданиями эффекты экранирования и многолучевого распространения могут ухудшить прием GPS-сигнала.