מודלים של התפתחות עירונית על מיקרוקליידי המקומי ודפוסי הרוח

התפתחות עירונית מהדהדת את הסביבה הפיזית בדרכים המשפיעות עמוקות על תנאי האקלים המקומיים והתנהגות הרוח.כפי שערים מתרחבות ומדנגנות, הממשק המורכב בין מבנים, צמחייה, ותהליכי אטמוספריים יוצרות מיקרו-מונים נפרדים שיכולים להיות שונים באופן דרמטי מאזורי מזג אוויר כפריים הסובבים.הבנת השינויים האלה אינה רק פעילות אקדמית - חיוני לתכנון ערים בריאות, גמישות ויעילות יותר.

מאמר זה חוקר את המנגנונים שבאמצעותם האורבניזציה משנה את המיקרו-קלימיטיס המקומי ואת דפוסי הרוח, סוקר את הגישות הדוגמנות העיקריות המשמשות לסימולציה של השפעות אלה, ודן בהשלכות המעשיות של תכנון ערים בר-קיימא.מאפקט החום העירוני המוחזק היטב לעימות המורכב סביב בניינים גבוהים, נבחן כיצד מודלים מדעיים הם הקובעים את העובדה שערים של המחר.

מבוא ל- Urban Microclimates

מיקרוקליארד הוא האקלים של אזור קטן, ספציפי השונה מהאקלים האזורי הרחב יותר.בהגדרות עירוניות, מיקרו-קלמטים נוצרים על ידי שילוב ייחודי של מבנים, כבישים, חללים פתוחים, צמחייה ופעילויות אנושיות.ההיקף של מיקרו-קלי יכול לנוע בין קקניון רחוב יחיד לשכונה שלמה, ואת המאפיינים שלו מושפעים מחומרים על פני השטח, גיאומטריה, נוכחות של מקורות חום כגון יחידות אוויריות ומיזוג.

מיקרו-קלימיטיס עירוניים חשובים משום שהם משפיעים ישירות על הנוחות האנושית, הבריאות והצריכת האנרגיה.לדוגמה, קניון רחוב מנווט בצורה גרועה יכול למלכודת אבקות וחום, יצירת תנאים מסוכנים להולכי רגל. באופן הפוך, מסדרונות ירוקים מעוצבים היטב יכולים לתקשור מבשלים מגניבים ולצמצם את הטמפרטורות המקומיות.

המשתנים המרכזיים המגדירים מיקרו-קליליאל העירוני כוללים:

(FLT:0) AirטמפרטורותphFLT:1 - מושפע מקרינת השמש, פני השטח אלבדו ושחרור חום אנתרופוגני.
(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) איכות האוויר של LT:1 (FLT:0) מושפעת מתבניות פיזור מזוהות המונעות על ידי זרמי רוח מקומיים.

מודלים אלה משתנים דורש גישה רב תחומית המשלבת מטאוריולוגיה, דינמיקות נוזליות, עיצוב עירוני ומדעי המחשב.הסעיפים הבאים לחקור את הדרכים ספציפיות פיתוח עירוני משנה את הפרמטרים הללו ואת טכניקות הדוגמנות המשמשות כדי לכמת שינויים אלה.

כיצד התפתחות עירונית משפיעה על מיקרו-קלמטים

אפקט החום העירוני

התוצאה המוכרת ביותר של אורבניזציה היא האי החום של פלסבן (UHI)teauFLT:1 אפקט, שבו ערים הן הרבה יותר חם מאשר האזורים הכפריים הסובבים אותם.ההבדל בטמפרטורה יכול לנוע בין 1–2C ביום קיץ טיפוסי עד 10-12C בתנאי רגוע, לילה ברורים.

(FLT:0) החלפת הצמחייה עם משטחים בלתי מאוישים (FLT) 1:1 - קונקרט, אספלט, וגג חומרים סופגים ולאחסנים יותר קרינה סולארית מאשר משטחים טבעיים.הם גם להפחית evatranspiration, המהווה מנגנון קירור טבעי.
(ב) ,0) ,העברה אל-ד'רופלו (Ebedo) 1:1 – רוב החומרים העירוניים יש רפלקטיביות נמוכה יותר (albedo) מאשר צמחייה, מה שגורם להם לספוג יותר אור שמש ולחדש אותו מחדש כחום.
(FLT:0) שחרור חום אנתרופוגרפי 1FLT: חום מכלי רכב, מבנים, תהליכים תעשייתיים, וחילוף אנושי מוסיף לעומס תרמי.
(FLT:0) גליאומטריה של אורבן 1 - בניינים גבוהים ורחובות צרים יוצרים "קניונים" שלוכדים חום ולהפחית אובדן קרינה גלי ארוך לשמיים.

אפקט UHI יש השלכות חמורות על בריאות הציבור, במיוחד במהלך גלי חום.טמפרטורת הלילה אלבבנד מונעת מהגוף להתקרר, הגדלת הסיכון לשבץ חום ולחץ לב וכלי דם.זה גם מעלה את הביקוש לאנרגיה למיזוג אוויר, אשר בתורו משחרר יותר חום פסולת וגזי חממה, יצירת לולאה משוב. מחקרים הראו כי אירועי חום קיצוניים אחראים למוות בערים רבות יותר מאשר כל סכנה טבעית (ראו: תוכנית חום:0 LT:1).

שינוי דפוסי הרוח

התפתחות עירונית משנה באופן דרמטי את זרימת האוויר בקנה מידה המקומי.בניות לפעול כמכשולים שחוסמים, להסיט או להאיץ את הרוח, יצירת דפוסים מורכבים של זעזוע, התעוררות, וערוץ.אפקטים אלה תלויים בצפיפות, גובה, פריסת מבנים.

(FLT:0) אפקט מנהרה ווינד (Wond Tunnel EffectFLT:1) - כאשר בניינים גבוהים מסודרים במקביל לרוחות השוררות, האוויר יכול להיות מואץ דרך הפערים, יצירת גורי עזים ברמת רחוב שיכול להיות לא נוח או מסוכן להולכי רגל.
(ב) ,0) אזורים של נפתלי (FLT:1) - ירידה בבניין גבוה, אזור של לחץ נמוך ותיקון אוויר יכול ליצור, למלכוד את המזהמים ולהקטין את האוורור.
(FLT:0) קניון הקניון ventilationFLT:1) - בקניון רחוב אחיד, זרימת הרוח נקבעת בעיקר על ידי יחס הפן (height/width).
(ב) ,0) זרמי הגרם באופן מבורך 1 (FLT:1 ), הבדלים בטמפרטורות פני השטח בין אזורים קלים וצלצלים יכולים לייצר מבשלים מקומיים, במיוחד בתנאים מצופים.

שינויים בדפוסי הרוח יש השלכות ישירות על נוחות, בטיחות ואיכות אוויר. pedestrians ליד הבסיס של גורדי שחקים עשויים לחוות מהירויות רוח גבוהות ללא מאמץ, בעוד מרפסות גגות בעקבות בניין עשוי להיות רגוע אבל מרתיע יותר ביקורתי, ventilation גרוע בקניון רחוב יכול להוביל להצטברות של ממצה וממזהמים אחרים, הצבת סיכונים נשימתיים עבור השפעות חיוניות אלה של ביצועים חדשים.

Moisture and Humidity Modifications

אורבניזציה משפיעה גם על רמות לחות מקומיות.החלפת משטחים חד-משמעיים (גרנות, אדמה) עם חומרים לא-מעוריים מפחיתה את כמות המים שיכולה להתאדות, הורדת לחות בשעות היום בערים רבות.עם זאת, (FLT:0anthropogenic לחות מקורות לחות FLT:1 כגון מגדלי קירור, בעירה, ולהגדיל את הגדלה יכול להיות בעל השפעה מקומית, עם זיהום אווירי, תוך כדי לחץ אוויר עודף, עם עלייה.

שיטות דוגמנות למיקרוקליד העירוני ותבניות הרוח

חיזוי ההשפעות המיקרו-קלידיות של התפתחויות המוצעות דורשות כלי מודלים מתוחכמים.מודלים אלה מדמיעים תהליכים פיזיים בקנה מידה החל מבניין יחיד לעיר שלמה.בחירה של המודל תלויה במטרות הפרויקט, בנתונים הזמינים ובמשאבים חישוביים. להלן הם הגישות הראשוניות המשמשות חוקרים ומתרגלים כיום.

Fluid Dynamics (CFD)

CFD היא הגישה המפורטת והפיזיקה ביותר לסימול זרימת אוויר וחום סביב מבנים.זה פותר את המשוואות הבסיסיות של תנועה נוזלית (משוואות Navier-Stokes) בשלושה ממדים, לעתים קרובות בשילוב עם מודלים סוערים וקרנות.CD יכול ללכוד תופעות בקנה מידה טוב כגון לשפוך, שטיפת, וצנרת תרמית הוא משמש נרחב:

לימודי נוחות רוח פשטנית עבור התפתחויות חדשות.
הפיצו את הפיזור של אבקות מערימות או תנועה.
עיצוב אסטרטגיות של ventilation טבעי עבור בניינים.
הערכת יעילות הגגות הירוקים והחזיתות בקירור.

תוכנת CFD המודרנית (למשל, ANSYS Fluent, OpenFOAM, ENVI-met) מאפשרת לאדריכלים ולמהנדסים ליצור מודלים תלת-ממדיים מפורטים של צורות עירוניות המוצעות ולבחון את ההשפעה המיקרו-קלידית של אפשרויות עיצוב שונות.אבל, CFD דורש מומחיות משמעותית להגדיר תנאים גבול, לבחור מודלים של זעזועים מתאימים, ופרש תוצאות אימות נגד מדידות שדה חיוני כדי להבטיח מדריך מקיף, קיבולת של COFST: 1.101 פעולה: 1.

מודלים של אקלים עירוני (UCMs)

מודלים של אקלים עירוני פועלים בשכונה כדי לדרג את העיר ולשלב שימוש בקרקע, בנייה מורפולוגיה, וכריצים מטאורולוגיים.הם מפרמטרים את ההשפעות של מבנים, כבישים וצמחייה על מאזן אנרגיה על פני השטח, החלפת מומנטום, הידרולוגיה.דוגמאות כוללות את מחקר מזג האוויר וחיזוי (WRF) בשילוב עם מודול קנופי עירוני, או את יתרת האנרגיה הפשוטה יותר (TEB).

מודלים אלה שימושיים במיוחד עבור:

סיימת אפקט UHI בכל עיר תחת תנאי מזג אוויר שונים.
הערכת ההשפעה של מדיניות בקנה מידה גדול כגון גגות ירוקים עירוניים או רפלקטיביים.
מתן תנאי גבול לסימולציות CFD בקנה מידה גדול יותר.

מודלים של אקלים עירוני מסתמכים על נתוני קלט כגון גובה בנייה וצפיפות, סיווג כיסוי הקרקע, ועל פני השטח albedo.ההחלטה היא בדרך כלל עשרות עד מאות מטרים, בעוד שאין להם ייצוג זרימה מפורט של CFD, הם יעילים חישוביים ויכולים לרוץ סימולציות ארוכות טווח (למשל, מעל עונת קיץ) כדי ללכוד אפקטים מצטברים.

מדדים מרוחקים ושטח

טכניקות מבוססות תצפית חיוניות לאימות מודלים והבנה של מיקרו-קלימיטיס בעולם האמיתי.רגישות מרחוק מלוויינים, מטוסים, ורחפנים יכולים לספק מפות רזולוציה גבוהה של טמפרטורת פני הקרקע, כיסוי צמחייה, ואלרדדו.החיישנים אינפרא אדום על פלטפורמות כמו לנדסאט או ECOSTS לזהות טמפרטורות פני השטח שניתן להשתמש כדי לזהות את UHIspots חם.

בנוסף, מדידות בתוך-ההחלפה באמצעות תחנות מזג אוויר, מדממים ורשתות תרמוקופיל מספקים נתוני אמת קרקעיים. חיישנים סלולאריים שפורסים ב-transects ניידים יכולים למפות טמפרטורה ו ⁇ רוח באזורים עירוניים. תצפיות אלה קריטיות ל-Clibrating Model פרמטרים ובדיקת הדיוק של התחזיות.

גישה סטטיסטית ומכונה

עם הפצת נתונים עירוניים (מחיישנים עיר חכמה, מצלמות תנועה ותחנות מזג אוויר), שיטות למידה סטטיסטית ומכונה מתפתחות ככלי משלים.מודלים של רגרסיה, יערות אקראיים, ורשתות עצביות ניתן לאמן לחזות משתנים מיקרו-קליביים המבוססים על מאפיינים עירוניים (גובה בנייה, רוחב רחוב, צפיפות, וכו ') מודלים אלה מהירים יותר מאשר CFD, אבל דורשים נתונים באיכות גבוהה, ועלולים לאפסים לקשורים חדשים.

גישות היברידיות המשלבות מודלים פיזיים עם למידת מכונה מראות הבטחה.לדוגמה, רשת עצבית יכולה לחקות את התוצאות של מודל CFD עבור פריסה עירונית נתונה, המאפשרת השקיה מהירה בשלבים מוקדמים של עיצוב.

השלכות על תכנון עירוני

הצעות ל- Design Decisions

תוצאות מיקרו-קליאדי ומודל הרוח מספקים תובנות ניתנות לפעולה עבור מתכננים עירוניים ואדריכלים. על ידי זיהוי אזורים הפונים להצטברות חום או ventilation גרוע, עיצובים יכולים להיות מותאם לשיפור התנאים. אסטרטגיות מפתח המיודעות על ידי מודלים כוללים:

(הופנה מהדף LT:0) אורנטיה וספיגה של מבנים: 1 (אלינג רחובות עם רוחות דומיננטיות יכול לשפר את האוורור הטבעי.
(FLT:0) שילוב תשתיות ירוקות FLT:1 - גגות ירוקים, פארקים ורחובות ממונעים מעץ מספקים צל, לקדם evapotranspiration, וטמפרטורות פני השטח התחתון ואוויר.מודלים יכולים לכמת את היתרונות הקירור של תרחישים ירוקים ספציפיים.
(FLT:0S בחירה של חומרים מובנים 1) - סלולים גבוהים (מפרק) וגגות להפחית את ספיגה חום ויכולים להפחית את הטמפרטורות מ 1-2C. ריצוף קולי נבדקים כעת בערים כמו לוס אנג'לס ופניקס.
(FLT:0) יצירת מסדרונות רוח מסדרונות 1:1 - מסדרונות ירוקים או מים שנבנו תכליתיים יכולים לתקשור אוויר קריר מאזורים כפריים סביב הליבה העירונית, לעזור להפחית את עוצמת UHI.

מקרה מחקרים

כמה ערים כבר שילבו מיקרו-קלייד מודלים לתוך תהליכי התכנון שלהם.ב סינגפור, רשות הפיתוח האורבני משתמשת סימולציות CFD כדי להעריך את זרימת הרוח סביב התפתחויות חדשות, להבטיח כי סטנדרטים נוחות ברמת הולכי רגל מסתיימים.התוצאה היא עיר כי למרות צפיפותו, שומרת על אובססיה טבעית טובה בתחומים רבים.

בשטוטגרט, גרמניה, מתכננים עירוניים השתמשו במנהרת רוח ובמודלים מחקרים כדי לזהות "נתיבים של אוורור" המביאים אוויר טרי מגבעות הסובבות את העיר.דרכים אלה מוגנים מפני מכשולים על ידי מבנים, והתפתחויות חדשות חייבות להוכיח כי הם לא יפתרו את זרמי האוויר החיוניים האלה.

לאחרונה, העיר מלבורן, אוסטרליה, פיתחה "תוכנית המיגור של האי אורבן" המסתמך על מודלים מרוחקים ומיקרו-קליאליים תרמיים כדי להעדיף אזורים לנטיעת עצים ומשטחים מגניבים.התוכנית שואפת להפחית את הטמפרטורה הממוצעת של העיר עד 2C עד 2030.

מדיניות ותקנות

כדי לתרגם תובנות מודלים לתוצאות בנויות, תחומי שיפוט רבים מאמצים סטנדרטים מבוססי ביצועים.לדוגמה, מערכת הדירוג LEED (מנהיגות באנרגיה ועיצוב סביבתי) פרס זיכויים עבור הפחתת אי חום, לעתים קרובות דורש מודלים להוכיח כי העיצוב המוצע משיג ירידה בטמפרטורות פני השטח מטרה.

יש גם עניין גדל והולך ב אזורי אקלים עירוניים zoningsFLT:1 על ידי מיפוי אזורי מיקרו-קליד (למשל, אזורים עמידים חום לעומת אזורים מאומנים היטב), ערים יכולות להתאים תקנות - כגון הדורשות גגות ירוקות בנקודות חום או הגבלת גובה הבנייה במסדרונות הרוח.

אתגרים וכיוונים עתידיים

בעוד טכניקות דוגמנות התקדמו במהירות, כמה אתגרים נותרו.המורכבות של סביבות עירוניות פירושה שאף מודל יחיד לא יכול ללכוד את כל התהליכים בכל המישורים.CD הוא יקר מדי חישובי עבור סימולציות ברחבי העיר, בעוד מודלים עירוניים אקלים עשוי להגביר את פרטי זרימתם המקומיים.

זמינות נתונים היא עוד צוואר בקבוק.גיאומטריה מפורטת, כיסוי קרקע ונתונים מטאורולוגיים אינם זמינים לציבור, במיוחד בערים מתפתחות. Open Datasets (למשל, LiDARs, תצלום לווייני) ופלטפורמות שיתופיות כמו פרויקט Envelope Modeling וסימולציה (UEMS) מסייעות לסגור פער זה.

לבסוף, יש צורך שילוב טוב יותר של מודלים מיקרו-קלידיים לתוך תהליך התכנון הרחב יותר.לעתים קרובות מדי, ניתוח מיקרו-קלי הוא השתקפות, המבוצעת לאחר קבלת החלטות העיצוב הגדולות.כדי להשיג באמת ערים אחראיות אקלים, מודלים חייבים להיות מוטבע מן ההתחלה, המאפשר בדיקות החלטיות של תרחישים חלופיים.

מסקנה

התפתחות עירונית משנה ביסודה מיקרו-קלימיטיס מקומיים ודפוסי רוח, עם השלכות מרחיקות לכת על נוחות אנושית, בריאות ושימוש באנרגיה.אפקט האי החום העירוני וזרימת רוח משתנה הם בין ההשפעות המשמעותיות ביותר, אבל הם גם בין החזקים ביותר באמצעות עיצוב מושכל.התקדמות בדינמיקה נוזלי חישובי, מודלים אקלים עירוני, מתפתל מרחוק, ולמידה מספקת כעת כלים חזקים לחיזוי השפעות הבנייה לפני תחילתה.

באמצעות מודלים אלה כדי להנחות החלטות על טופס בנייה, בחירת חומרים, תשתיות ירוקות, פריסת רחוב, מתכננים יכולים ליצור ערים קרירות יותר, יותר מחוסמות, ועוד יותר עמידים לאקלים המשתנה.המספר ההולך וגדל של ערים המאמצות תקנות מבוססות מיקרו-קלידי ותוכניות מדגימות כי זה לא רק תרגיל תיאורטי - זה מעשי, מבוסס ראיות לכיוון התפתחות עירונית בר-קיימא.