湖泊-陆地风循环在昼夜循环中的建模

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Modelling of lake–land breeze circulation in a diurnal cycle

湖泊-陆地风循环对城市热岛效应的缓解机制及多尺度CFD模型研究，发现日间温度梯度驱动LLBC增强通风并降低4.3℃峰值冷却强度，城市热岛阻碍日间湖风渗透但促进夜间陆风，反照率影响热力学耦合效应。

　　

钟奇龙|宋继云|王晓雪|张金浩|张青峰|李玉国

中国香港特别行政区香港大学机械工程系

摘要

快速的城市化加剧了城市热岛效应并降低了城市风速，从而加剧了热不适感。湖泊通过湖陆风循环（LLBC）缓解了这些问题，但LLBC的日变化特性及其与城乡风循环（RUBC）的相互作用仍不为人所充分理解。在这项研究中，我们开发了一个日变化多尺度水-能量耦合计算流体动力学（CFD）模型，以研究24小时周期内的LLBC变化。该模型用于研究LLBC的日变化特性（强度、对流边界层、渗透距离和持续时间）以及湖泊对城市的降温效果（降温强度CI）。结果表明，LLBC的日变化受城湖温差控制，风速强度与城湖温差的关系呈线性。湖泊对湖岸地区的降温效果持续12小时，降温强度达到4.3°C，其中空气温度的正面贡献为5.3°C，湿度的负面贡献为-1°C。此外，由城市热岛效应引起的RUBC会阻碍白天的湖风渗透，但会增强夜间的陆风。此外，采用高反照率的浅色涂层（白色、绿色、蓝色）可以直接改善城市热环境。然而，较低的反照率（例如0.1）会增强热对比度，从而使最大降温强度增加到4.2°C，表明湖泊风在较热的城市中具有更显著的降温效果。这些发现表明，LLBC是调节城市热舒适度的关键自然因素，其效果受城市热梯度和地表特性的影响。

引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告称，全球城市居民比例从1950年的30%增加到2021年的57%，预计到2050年将达到68%。快速的城市化显著改变了土地利用/土地覆盖特性，导致地表温度升高和城市热岛（UHI）现象加剧。全球范围内也报告了更频繁、更强烈、持续时间更长的热浪，影响了数百万人。由于UHI和热浪的协同作用，极端温度威胁着人类的生活舒适度和健康。加剧的热应力通过提高发病率和死亡率对人类健康产生不利影响，在极端高温事件期间还会影响心理健康[11]。此外，城市建筑密度的增加和不透水表面的增多导致城市通风能力下降，进一步恶化了热环境。由于快速城市化，许多城市的风速减弱。例如，在荷兰，根据20个气象站的观测数据（Wever等人，2011年），从1981年到2009年，地表风速（SWS）以每十年0.13米/秒的速度下降。在西班牙和葡萄牙，从1961年到2011年的持续城市化过程中，SWS以每十年0.016米/秒的速度下降[1]。在中国武汉，由于城市化，从1961年到2012年，城市风速也以每十年-0.35米/秒的速度下降（Shi等人，2015年）。这迫切需要制定策略来改善城市热环境。

许多研究提出了基于自然的解决方案（蓝绿空间）来改善城市热环境和风环境。蓝绿空间通过蒸发冷却和通风走廊等机制显著缓解UHI效应[3]（Santamouris等人，2017年）。具体来说，具有高热容量和高热惯性的水体在白天减少向环境的热量释放[57]。此外，蓝绿空间与不透水表面之间的温差可以产生局部环流（如湖陆风），增强通风效果（Ng等人，2012年；Lin等人，2020年）。Sirangelo等人（2023年）发现，内陆地区在热浪期间感到更不适，因为沿海城市受益于海风的影响，尤其是在夏季。同样，内陆城市的湖泊可以通过湖陆风循环（LLBC）改善湖岸地区的热环境。此外，景观对日变化地表温度（LST）和降温效果有显著且非线性的影响，自然景观（尤其是水和树木）通常在白天和过渡期间提供更强的降温效果[15]（Han等人，2025年；[53]）。

LLBC作为一种由水陆温差驱动的局部环流系统，在风速较弱的条件下对改善城市通风和缓解热岛效应起着重要作用（Steeneveld等人，2014年）。然而，LLBC的强度、空间范围和热影响并非恒定，因为日变化显著影响其调节城市气候的效果（Chen等人，2020年）。湖区和城市区之间的温差是LLBC的驱动力（图1）。早晨，强烈的太阳辐射（主要是短波辐射）到达地表。由于湖泊具有较大的比热容，湖温上升缓慢，而陆地温度由于不透水表面（较低的比热容和热导率）上升较快。相比之下，夜间由于陆地较小的比热容，陆温通过长波辐射迅速下降，湖泊向大气释放热量，从而产生陆风。此外，城市化与湖陆风循环之间存在多方面的相互作用。一方面，它放大了城市和湖泊区域之间的热梯度，导致早晨的湖风更强[45]。另一方面，城市化通过增强表面阻力效应对湖风的渗透产生不利影响[2,7]，从而降低了循环对城市区域的降温效率。此外，城市化过程可以产生“乡村风”，这可能与湖风相反，并有助于形成湖风锋[41,56]。

通常，在晴朗的夏季，由于强烈的太阳辐射，湖风频繁出现，这加剧了湖泊和城市之间的温差[21]（Shen等人，2020年；[50]）。Yang等人[52]报告称，在中国横水湖，夏季湖风持续时间最长（5.3小时），而冬季陆风持续时间最长（4.3小时）。Liu等人报告称，在中国重庆的青年湖，夏季湖风持续时间最长（21小时）。Wang等人[45]显示，在中国太湖，夏季湖风持续时间最长（5.9小时），冬季最短（3.0小时）。在日变化过程中，湖风通常在日出时开始，并在中午达到最大强度，从而将凉爽的湿气输送到城市环境中，从而降低温度。相反，日落后，湖风消失，陆风出现。由于水温较高，湖泊在夜间对城市地区有升温作用[7]。Purifica??o等人[28]显示，在葡萄牙的阿尔克瓦水库，湖风在白天LST为0700至1600之间最为频繁。Wang等人[45]显示，在中国太湖，湖风在LST为0600至0700时开始，在LST为1900至2000时结束，此时陆风开始。Yang等人[52]报告称，在中国横水湖，湖风在LST为0900至1000时开始，在LST为1700至1800时结束。这一动态过程与边界层结构和温度梯度紧密耦合，形成了复杂的时空交互机制[9]。

以往与LLBC相关的计算流体动力学（CFD）研究大多集中在单个时间段，但由于计算成本较高，LLBC的时间和空间变化尚未得到充分探索（Cui等人，2023年；[40,51,54]）。例如，单个时间段的模拟无法反映湖风和陆风转换期间（如日出/日落）的环流突变，也未考虑陆风循环和边界层高度日变化对城市热环境的影响（Cheng等人，2020年）。这些限制阻碍了现有研究量化湖陆风对UHI的动态缓解效果或为城市规划提供全面指导的能力（Mirzaei和Haghighat，2012年）。

在这项研究中，我们从城市表面能量平衡（USEB）模型获取日变化地表温度，并将其作为边界条件应用于水-能量CFD模型[42,54]，以研究温度、湿度、风的日变化特性以及LLBC的转变。基于CFD模拟结果，我们评估了不同地表反照率条件下LLBC的特性以及温度、湿度和风对城市热舒适度的协同效应。

章节片段

大气边界层中的KRB坐标变换

我们的目标是在CFD框架内同时模拟多尺度的城市流动，包括可压缩的城市尺度动态和不可压缩的街道级城市冠层流动。此类模拟的主要挑战在于不同尺度上可压缩和不可压缩流动机制的共存[42]。Kristóf-Rácz-Balogh（KRB）变换通过提供统一的物理描述来解决这一问题，为更复杂的模型提供了一种计算效率更高的替代方案

模型评估

使用两个气象站（P1和P2，图2）记录的平均日变化气温和湿度来验证日变化水-能量耦合CFD模型的准确性（图6）。

该模型在气温预测方面的表现优于特定湿度预测。

影响LLBC的因素

湖泊和陆地之间的压力差是LLBC的直接驱动力；因此，LLBC的强度与压力/温度差密切相关。图13a和图13b显示了不同位置随时间变化的空气压力和空气温度趋势。从08:00到16:00 LST，湖岸地区的空气温度高于湖区，导致湖岸地区的空气压力低于湖区。压力差导致

结论

由于湖泊和城市区域之间的热对比度日变化，在晴朗无风的天气中会出现湖陆风循环。在这项研究中，我们开发了一个多尺度水-能量耦合CFD模型，对日变化周期内的LLBC动态进行了全面研究。该模型基于测量的日变化湖温、城市温和农村表面温度，并考虑了人为热源，以解析温度、湿度和

未引用的参考文献

[10,14,23,29,30,34,36,47,55]

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