[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过风洞实验，探究树冠生长——特别是叶面积覆盖率和相对高度（0.32–1.1倍街谷高度）随时间的变化——对夜间街谷微气候的影响。结果表明，在等温条件下，中等和大型树木通过削弱剪切层和涡流，降低街谷通风能力；而在极端高温条件下，由于抑制了浮力驱动的气流，树木会将热量困在行人高度，导致全尺寸条件下空气温度显著上升1.5°C。

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.

研究动机与目标

• 探究树冠生长随时间对夜间街谷微气候的动态影响。
• 考察树冠叶面积覆盖率和相对高度变化对街谷整体通风与散热效率的影响。
• 识别优化街谷树木管理策略，以增强城市冷却效果与空气质量。
• 填补现有研究中关于城市树木生长对微气候产生动态、长期影响的空白。

提出的方法

• 通过风洞实验模拟不同树冠-街谷叶面积覆盖率和相对树高（0.32–1.1倍街谷高度）的街谷环境。
• 采用多孔纤维状人工树木模拟真实树木的空气动力学特性，控制孔隙体积分数与压降系数。
• 测试两种热力情景：等温条件与地表热浮力驱动的极端高温条件。
• 利用粒子图像测速技术（PIV）测量街谷内气流模式与速度场分布。
• 在行人高度进行温度测量，评估热量累积与消散效率。
• 将实验结果外推至全尺寸城市条件，估算真实环境下的微climatic影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 树冠随时间生长如何影响夜间街谷整体通风状况？
• RQ2 树冠叶面积覆盖率与相对高度在改变剪切层与涡流等气流结构中发挥何种作用？
• RQ3 在极端热力条件下，树木如何影响街谷的热量消散？
• RQ4 由于抑制了浮力驱动气流，树木在多大程度上导致行人高度热量滞留？
• RQ5 在极端高温下，树冠引起的气流抑制导致行人高度空气温度上升的幅度有多大？

主要发现

• 在等温条件下，中等和大型树木若占据街谷高度一半或略高于此高度，会通过减速剪切层并削弱涡流运动，显著降低街谷整体通风能力。
• 在极端高温条件下，树木抑制了向上的浮力驱动气流并阻碍空气夹带，导致热量在行人高度累积。
• 在全尺寸城市条件下，由于树冠引起的气流抑制，行人高度可观察到1.5°C的显著气温上升。
• 叶面积覆盖率更高、相对高度更大（最高达1.1倍街谷高度）的树木表现出更强的气动阻力，降低空气交换率与热量散失效率。
• 树木抑制湍流混合与垂直气流运动，导致热量消散效率下降，尤其在夜间热层结最强时更为显著。
• 这些发现表明，若缺乏有效管理，树冠的自然生长可能无意中加剧街谷区域的城市热岛效应，尤其是在热浪期间。