[論文レビュー] The time-evolving impact of tree size on nighttime street canyon microclimate: Wind tunnel modeling of aerodynamic effects and heat removal

Yongling Zhao, Haiwei Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2023

Wind and Air Flow Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、風洞実験を用いて、樹木の成長—具体的には葉面積率の増加および相対的高さ（0.32–1.1×谷間高さ）—が、時間経過に伴う夜間のストリートカニオン微気候に与える影響を調査した。結果は、中型および大型の木が等温条件下でせん断層および渦を弱めるため、谷間の換気を低下させることを示した。一方、極端な高温条件下では、上昇流駆動の対流が抑制され、歩行者レベルに熱が閉じ込められ、実規模条件下で明確な1.5°Cの気温上昇が観測された。

ABSTRACT

Urban trees play a crucial role in urban climate in many aspects. However, existing research has not adequately explored the impact from a time-evolving perspective, that is, tree growth over time. To bridge this research gap, this study investigates in a wind tunnel the effects of tree-to-canyon foliage cover and relative height (0.32-1.1 times canyon height), mimicking growth of trees, on conditions in street canyons during moderate and extreme heat. The results reveal that trees may affect canyon-wide ventilation and heat removal in two different scenarios. First, when canyons are in isothermal conditions, medium and large trees, that fill half the canyon height or reach slightly above the canyon, decelerate the shear layer and weaken the vortical flow, as a result reducing the canyon-wide ventilation. Second, in extreme heat conditions, medium and large trees trap heat at the pedestrian level due to the blockage of air entrainment and the suppression of upward buoyancy-driven flow from the ground surface. An air temperature rise that corresponds to 1.5 degree Celsius in a full-scale urban setting is observed in measurements. These observations suggest that urban trees' foliage cover must be managed for a canyon's optimal ventilation and heat removal during nighttime.

研究の動機と目的

• 夜間における樹木成長の時間的変化がストリートカニオン微気候に与える影響を調査すること。
• 樹木の葉面積率および相対的高さの変化が、谷間全域の換気および熱除去に与える影響を検討すること。
• ストリートカニオンにおける都市冷却および大気質の向上を図るための最適な樹木管理戦略を特定すること。
• 既存研究における都市樹木成長の動的で長期的影響に関するギャップを埋めること。

提案手法

• 樹木の葉面積率および相対的高さ（0.32–1.1×谷間高さ）を変化させたストリートカニオンを模擬するための風洞実験を実施した。
• 実際の木の空気力学的特性を再現するために、多孔質な繊維状材料で作られた人工樹木を用い、孔体積率および圧力損失係数を制御した。
• 2つの熱的シナリオをテストした：等温条件および地表面付近の熱上昇力を持つ極端な高温条件。
• 谷間内の気流パターンおよび速度場を測定するために、粒子画像ビジメトリー（PIV）を用いた。
• 歩行者レベルでの温度測定を実施し、熱の蓄積および除去効率を評価した。
• 結果を実規模都市条件にスケーリングし、現実の都市微気候への影響を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 樹木の成長が時間経過に伴って、夜間のストリートカニオンにおける谷間全域の換気にどのように影響を与えるか？
• RQ2 樹木の葉面積率および相対的高さが、せん断層や渦などの気流構造に果たす役割は何か？
• RQ3 極端な熱的条件下で、樹木はストリートカニオン内の熱除去にどのように影響を与えるか？
• RQ4 上昇流駆動の対流が抑制されることで、歩行者レベルに熱がどれほど閉じ込められるか？
• RQ5 極端な高温条件下で、樹木に起因する流れの抑制が、歩行者レベルでどの程度の気温上昇を引き起こすか？

主な発見

• 中型および大型の木が谷間高さの半分を埋めたり、わずかにそれを超えて伸びていると、等温条件下でせん断層の遅れと渦の弱体化により、谷間全域の換気が顕著に低下する。
• 極端な高温条件下では、樹木が上昇流駆動の対流を抑制し、空気の混合を遮断することで、歩行者レベルに熱が蓄積される。
• 実規模の都市条件下で、樹木に起因する流れの抑制により、歩行者高さでの気温上昇が明確に1.5°C観測された。
• 葉面積率が高く、相対的高さが大きい（最大1.1×谷間高さ）樹木は、より強い空気力学的抵抗を示し、空気交換および熱放射の効率を低下させる。
• 樹木による乱流混合および垂直方向の空気移動の抑制により、熱除去効率が低下し、特に熱層化が強い夜間において顕著である。
• これらの結果は、管理されない樹木の成長が、特に熱波発生時において都市ヒートアイランド効果を悪化させる可能性があることを示している。