Городской каньон - Urban canyon

Городской каньон в 42-я улица, Мидтаун Манхэттен, Нью-Йорк
Такой же Манхэттен улица видна изнутри, многие здания намного выше ширины дороги

An городской каньон (также известный как уличный каньон) - это место, где улица обрамлена зданиями с обеих сторон, создающими каньон -подобная среда, этимологически возникшая из Каньон Героев в Манхэттен. Такие каньоны, построенные людьми, образуются, когда улицы разделяют плотные блоки строений, особенно небоскребы. Другие примеры включают Великолепная миля в Чикаго, Лос-Анджелес ' Wilshire Boulevard коридор, Торонто Финансовый район, и Гонконг Коулун и Центральная районы.

Городские каньоны влияют на различные местные условия, включая температуру, ветер, свет, качество воздуха и радиоприем, в том числе спутниковая навигация сигналы.

Геометрия и классификация

В идеале городской каньон - это относительно узкая улица с высокими сплошными зданиями по обеим сторонам дороги. Но теперь термин городской каньон используется более широко, и геометрические детали уличного каньона используются для их категоризации. Самая важная геометрическая деталь уличного каньона - это отношение высоты каньона (H) к ширине каньона (W), H / W, которое определяется как соотношение сторон. Значение соотношения сторон можно использовать для классификации уличных каньонов следующим образом:[1]

  • Обычный каньон - соотношение сторон ≈ 1 и никаких крупных отверстий в стенах каньона.
  • Каньон авеню - соотношение сторон <0,5
  • Глубокий каньон - соотношение сторон ≈ 2

Подклассификация каждого из вышеперечисленных может быть сделана в зависимости от расстояния между двумя основными перекрестками вдоль улицы, определяемого как длина (L) уличного каньона:

  • Короткий каньон - Д / В ≈ 3
  • Средний каньон - Д / В ≈ 5
  • Длинный каньон - Д / В ≈ 7

Другая классификация основана на симметрии каньона:

  • Симметричный (или даже) каньон - постройки, составляющие каньон, имеют примерно одинаковую высоту;
  • Асимметричный каньон - постройки, составляющие каньон, имеют значительные перепады высот.

Другой специфический тип:

  • Подъемный каньон - уличный каньон, где высота здания с подветренной стороны меньше высоты здания с подветренной стороны.

Влияние уличного каньона на местный ветер и качество воздуха может сильно различаться в зависимости от геометрии каньона, и это будет подробно обсуждаться в разделах ниже.

Другими важными факторами, принимаемыми во внимание при изучении городских каньонов, являются объем воздуха, ориентация каньона (север-юг, восток-запад и т.д.) и фактор обзора неба. Воздух объем Улицы каньона - это воздух, содержащийся внутри зданий по обе стороны, которые действуют как стены, улица, которая является нижней границей, и воображаемая верхняя граница на уровне крыши, называемая «крышкой» каньона.

Коэффициент обзора неба (SVF) обозначает соотношение между излучением, принимаемым плоской поверхностью, и излучением всей излучающей среды полушария.[2] и рассчитывается как часть неба, видимого с земли. SVF - это безразмерное значение, которое находится в диапазоне от 0 до 1. Значение SVF, равное 1, означает, что небо полностью видно, например, на ровной местности. Когда в локации есть здания и деревья, SVF пропорционально уменьшается.[3]

Последствия

Модификация характеристик пограничный слой атмосферы по наличию уличного каньона называется эффектом уличного каньона. Как упоминалось ранее, уличные каньоны влияют на температура, скорость ветра и направление ветра и, следовательно, качество воздуха в каньоне.

Температура

Городские каньоны способствуют городской остров тепла эффект. Температура внутри каньона может повышаться на 2–4 ° C. Исследования температурных явлений рассматривают сияние, угол падения, альбедо поверхности, коэффициент излучения, температура и SVF. При высоком SVF городские каньоны остывают быстро, потому что доступно больше неба для поглощения тепла, удерживаемого зданиями. При низком SVF каньон может сохранять больше тепла в течение дня, создавая более высокое тепловыделение ночью. В исследовании, проведенном Нуньесом и Оке, изучался обмен энергией в городском каньоне в средних широтах в хорошую летнюю погоду.[3] Исследование показало, что количество поверхностной энергии в каньоне в разное время зависит от геометрии и ориентации каньона. Было обнаружено, что дно каньонов с ориентацией север-юг является наиболее активным участком энергии. В таком каньоне 30% излишка полуденного излучения хранится в материалах каньона (зданиях). Ночью чистому дефициту излучения (то есть отсутствию солнечного излучения) противодействует высвобождение энергии, которая хранилась в материалах каньона. Это явление в значительной степени способствует возникновению эффекта городского острова тепла.

Ветер

Уличные каньоны могут изменять как скорость, так и направление ветра. Вертикальная скорость ветра приближается к нулю на уровне кровли каньона. Производство и рассеяние сдвига высоки на уровне крыши, а прочный тонкий слой сдвига создается на высоте здания.[4] Кинетическая энергия турбулентности выше у здания с подветренной стороны, чем возле здания с подветренной стороны из-за более сильных сдвигов ветра. Результирующая структура потока внутри каньона зависит от направления ветра по отношению к направлению ориентации улицы.

Ветер параллельный каньону

Когда уровень крыши / направление фонового ветра параллельны улице, наблюдается эффект канализации, когда ветер имеет тенденцию направляться и ускоряться через каньон. Если ширина улицы неоднородна, Эффект Вентури наблюдается, когда ветер проходит через небольшие отверстия, что еще больше увеличивает ускорение ветра.[5] Оба эти эффекта объясняются Принцип Бернулли. Попутный ветер и транспорт могут значительно отличаться для коротких и длинных каньонов, так как угловые вихри имеют более сильное влияние в коротких каньонах.[6]

Ветер перпендикулярный каньону

Когда уровень крыши / направление фонового ветра перпендикулярно улице, создается вертикально вращающийся ветровой поток с центрированным первичным вихрем внутри уличных каньонов. В зависимости от соотношения сторон в уличных каньонах определяются разные режимы потока. В порядке возрастания коэффициента пропорциональности этими режимами потока являются: поток с изолированной шероховатостью, поток с помехами в спутной струе и поток с отложениями.[7] Общее количество создаваемых вихрей и их интенсивность зависят от многих факторов. Исследования с использованием численных моделей, проведенные для изолированных уличных каньонов, показали, что количество создаваемых вихрей увеличивается с увеличением соотношения сторон каньона. Но есть критическое значение скорости окружающего ветра, выше которого количество и характер вихрей становятся независимыми от соотношения сторон.[8]

Сравнение режимов потока изолированной неровности (а) и скимминга (б) в уличном каньоне (по Оке, 1988 г.)

Численные исследования и исследования в аэродинамической трубе показали, что для симметричных каньонов с аспектным отношением = 0,5 вторичный вихрь на уровне земли можно увидеть возле подветренной стены здания. Для симметричных каньонов с аспектным отношением ≥ 1,4 более слабый вторичный вихрь на уровне земли можно увидеть около наветренной боковой стены здания, а для коэффициента удлинения ≥ 2 вторичные вихри видны прямо под первичным вихрем.[8][9] В асимметричных и ступенчатых каньонах образование вторичных вихрей может быть более обычным. Исследования в аэродинамической трубе показали, что в каньоне с повышенным подъемом, где здание с наветренной стороны короче, точка застоя можно увидеть на наветренной стороне более высокого здания. Область ниже этой точки торможения 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 от каньона. Для здания с подветренной стороны высотой Hd до наветренной высоты здания Hты отношение 3, наблюдается единственный первичный вихрь. Но для Hd/ЧАСты= 1.67, вихри встречного вращения могут занимать всю глубину каньона.[10]

Другими факторами, влияющими на силу этого рециркуляционного потока, являются турбулентность, вызванная движением транспорта, и форма крыш зданий. Исследования на физических моделях показали, что двустороннее движение увеличивает турбулентность в нижней половине каньона, а скатная крыша по обе стороны от каньона смещает основную зону турбулентной продуктивности вниз по течению и снижает интенсивность рециркуляционного потока внутри каньона. .[11]

В режиме скиммингового потока вихрь ветра создается внутри уличного каньона, когда среднее направление ветра перпендикулярно улице (по Оке, 1988).

В этих условиях перпендикулярного ветра, в основном на уровне улицы, на каждом конце каньона образуются горизонтально вращающиеся угловые / конечные вихри. Горизонтальная протяженность этих угловых вихрей различна на каждом конце каньона, и это приводит к сложным схемам ветра на уровне поверхности на пересечениях. Полевые эксперименты также показали, что угловые вихри могут распространяться на всю глубину каньона, но с изменением горизонтальной протяженности с высотой.[12]

Строение соседнего участка уличного каньона; например, серия уличных каньонов, усложняющая поле течения.

Все вышеперечисленные результаты относятся к ситуациям, когда нет нагревательных эффектов. Исследование на численной модели показало, что нагрев поверхности уличных каньонов приводит к изменению характеристик вихревого течения. И обогрев разных поверхностей; Противоточная стена, подветренная стена, дно каньона, изменяет вихревой поток по-разному.[8]

Качество воздуха

Изменение температуры и ветра из-за наличия уличного каньона, следовательно, влияет на качество воздуха внутри уличного каньона. Когда направление среднего ветра параллельно улице, описанные выше эффекты образования каналов и Вентури увеличивают рассеивание загрязняющих веществ внутри уличного каньона. Это часто помогает `` вымыть '' загрязнители воздуха.[5] и улучшить качество воздуха внутри уличного каньона. Но в случаях, когда источники загрязнения воздуха присутствуют с подветренной стороны, направленный ветер может переносить загрязняющие вещества в места с подветренной стороны, далеко от источника, и способствовать плохому качеству в местах с подветренной стороны.

Когда среднее направление ветра перпендикулярно улице, вихревой поток, образующийся внутри каньона, ограничивает воздушный поток, снижает рассеивание загрязняющих веществ и увеличивает концентрацию загрязняющих веществ внутри каньона улицы. Загрязнение от местного источника внутри каньона, а также загрязнение, уносимое в каньон средним ветровым потоком, переносится вихревым потоком и повторно циркулирует в каньоне. В городских условиях выбросы выхлопных газов автомобилей являются основным источником многих загрязнителей воздуха, таких как сверхмелкие частицы, тонкие частицы, углекислый газ, NOx. Эти шлейфы загрязнения, образующиеся на улице, на уровне поверхности, выталкиваются вихревым потоком к подветренной стороне каньона, в результате чего концентрация загрязнения на уровне поверхности намного выше на подветренный улицы по сравнению с наветренный сторона. Вторичные водовороты в нижней части каньона могут дополнительно задерживать загрязняющие вещества на тротуарах; особенно с подветренной стороны. Одно полевое исследование показало, что концентрация ультрамелких частиц в четыре раза выше на подветренный тротуар по сравнению с наветренный сторона.[13]

Прием сигнала GPS

При использовании GPS-приемников в уличных каньонах с высокими зданиями затенение и многолучевость эффекты могут способствовать плохому приему сигнала GPS.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вардулакис, Сотирис; Бернард Э.А. Фишер; Кулис Периклоус; Норберт Гонсалес-Флеска (2003). «Моделирование качества воздуха в уличных каньонах: обзор» (PDF). Атмосферная среда. 37 (2): 155–182. Bibcode:2003AtmEn..37..155V. Дои:10.1016 / с 1352-2310 (02) 00857-9.
  2. ^ Уотсон, И. Д; Дж. Т. Джонсон (март – апрель 1987 г.). «Графическая оценка факторов обзора неба в городской среде». Журнал климатологии. 7 (2): 193–197. Bibcode:1987IJCli ... 7..193Вт. Дои:10.1002 / joc.3370070210.
  3. ^ а б Нуньес, М; Т. Р. Оке (1977). «Энергетический баланс городского каньона». Журнал прикладной метеорологии. 16 (1): 11–19. Bibcode:1977ЯпМе..16 ... 11Н. Дои:10.1175 / 1520-0450 (1977) 016 <0011: teboau> 2.0.co; 2. HDL:2429/35946.
  4. ^ Lien, F.S .; Э. Йи; Ю. Ченг (2004). «Моделирование среднего потока и турбулентности над двумерным массивом зданий с использованием CFD высокого разрешения и подхода с распределенной силой сопротивления». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики. 92 (2): 117–158. Дои:10.1016 / j.jweia.2003.10.005.
  5. ^ а б Спирн, Энн Уистон (июнь 1986). «КАЧЕСТВО ВОЗДУХА НА УЛИЦЕ: СТРАТЕГИИ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ДИЗАЙНА». Подготовлено для: Управление реконструкции Бостона.
  6. ^ Kastner-Klein, P; Е. Федорович; М. В. Ротач (2001). «Исследование в аэродинамической трубе организованных и турбулентных движений воздуха в каньонах городских улиц». Журнал ветроэнергетики и промышленной аэродинамики. 89 (9): 849–861. CiteSeerX  10.1.1.542.6044. Дои:10.1016 / s0167-6105 (01) 00074-5.
  7. ^ Ок, T.R (1988). «Уличный дизайн и климат городского навеса». Энергия и здания. 11 (1–3): 103–113. Дои:10.1016/0378-7788(88)90026-6.
  8. ^ а б c Kim, J.J .; Дж. Дж. Байк (1999). «Численное исследование теплового воздействия на потоки и рассеивание загрязняющих веществ в каньонах городских улиц». Журнал прикладной метеорологии. 38 (9): 1249–1261. Bibcode:1999JApMe..38.1249K. Дои:10.1175 / 1520-0450 (1999) 038 <1249: ansote> 2.0.co; 2.
  9. ^ Ковар-Панскус, А (2002). «Влияние геометрии на средний поток в каньонах городских улиц - Сравнение экспериментов в аэродинамической трубе и численного моделирования». Качество воздуха в городах - последние достижения, слушания: 365–380.
  10. ^ Аддепалли, Бхагиратх; Эрик Р. Пардыжак (2013). «Исследование структуры потока в каньонах Step-Up Street - статистика среднего потока и турбулентности». Метеорология пограничного слоя. 148 (1): 133–155. Bibcode:2013BoLMe.148..133A. Дои:10.1007 / s10546-013-9810-5.
  11. ^ Kastner-Klein, P; Р. Беркович; Р. Бриттер (2004). «Влияние уличной архитектуры на поток и рассеивание в уличных каньонах». Метеорология и физика атмосферы. 87 (1–3): 121–131. Bibcode:2004Карта .... 87..121K. Дои:10.1007 / s00703-003-0065-4.
  12. ^ Pol, S.U .; М. Браун (май 2008 г.). "Модели потока на концах уличного каньона: измерения по результатам совместного полевого эксперимента Urban 2003". Журнал прикладной метеорологии и климатологии. 47 (5): 1413. Bibcode:2008JApMC..47.1413P. Дои:10.1175 / 2007JAMC1562.1.
  13. ^ Pirjola, L .; Lähde, T .; Niemi, J.V .; Kousa, A .; Rönkkö, T .; Karjalainen, P .; Keskinen, J .; Frey, A .; Хилламо, Р. (2012). «Пространственно-временная характеристика выбросов от транспортных средств в городской микросреде с помощью мобильной лаборатории». Атмосферная среда. 63: 156. Bibcode:2012AtmEn..63..156P. Дои:10.1016 / j.atmosenv.2012.09.022.
  14. ^ MISRA, P., P. ENGE (2006). Глобальная система позиционирования: сигналы, измерения и производительность, второе издание. Линкольн (Массачусетс), США: Ganga-Jamuna Press.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)