开学一个月的感受500:狭管效应——街道风

　　风在空中悄然无声地穿行着，它翻越山岗，掠过森林，吹向人们居住的城市和村庄，受这些凹凸不平的地表阻挡，风的流向和流速也会发生变化。城市中那些高大的建筑物，犹如众多的机械搅拌棒，搅动着城市上空的风。
　实际上被搅动的风在城市上空并不是平稳的流动，它毫无规则：忽而跳跃、忽而旋转、忽而波浪式前行，忽而旋涡阵阵，起伏不定，科学家把这种气流的运动叫做湍流。这种湍流现象只有到达一定的高度，大约是在1000-2000米的上空，才能摆脱地形和建筑物的影响，还原成平稳状态的流动，融入到大气的洪流之中。
　　我们人类就生活在这段接近地表的湍流空间里，以建筑物屋顶为界限，由屋顶向上到积云中部叫城市边界层，属于气象科学中的“中尺度”气候，城市生活中散发的各种热力与风的相互影响，加速了湍流的混合，这样就使得上下层物质和能量交换频繁；建筑物屋顶以下到地面叫城市覆盖层，是气象科学中“小尺度”气候，它与建筑物密度、高度、几何形状、门窗朝向、街道宽度和走向、绿化面积、空气中污染物浓度等许多人为因素关系很大。“小尺度”气候中还可以细分为建筑物气候、城市街道峡谷气候、商业区气候、住宅气候和工业区气候等等。
　　风遇到高层建筑时会改变方向，下沉的风受楼与楼的阻挡，通道变窄，气流穿过时受到挤压，当降到行人的高度就会形成涡流风、穿堂风和角流风三个大风区。
　　道路两旁高低错落的建筑物构成了街道峡谷，这些风往往都汇合在街道峡谷里，出现乱流涡旋风和升降气流，这就是通常所说的街道风，对于这样的街道风只有保证一定的街道宽度，增加足够的绿化带作为防风隔断，才能减少街道乱流涡旋风和升降气流对人的侵害。
　　实际上街道风与街道的走向密切相关，当风向与街道走向相一致时，街道峡谷犹如变窄的通道，风受到不同方向的挤压，加速穿过街区，这样街区的“狭管效应”就制造出强风。如果街道的宽度比较窄的话，风大时，强大的乱流涡旋风再加上升降气流就形成了街道风暴，殃及行人。
　　美国报刊曾经有这样的报道：1982年1月的一天，在摩天大厦林立的纽约曼哈顿区。金融分析家罗斯小姐走出大厦，在一幢玻璃钢大厦下经过时，突然被身后冲来的一股猛烈的风刮到附近的水泥花坛中，双臂严重摔伤。遭受飞来横祸的罗斯真是很不幸，而这事故的罪魁祸首就是街道风，它是建筑商、设计师以及市政规划部门的一些疏忽，造成了街道风对人的伤害。
　　吹向街道的风大多数是从侧面刮来的，受街道两旁建筑物的部分阻挡，这种风表现为螺旋型的涡动。风大时，行使在道路上的人流和车辆会遭遇到较大的侧面推力，行人会在风中来回的晃动、严重的还会旋转并且向旁边滚动。
　　当风沿着低矮楼朝高楼吹来时，楼与楼之间的街道走向与风向相垂直，由于风受到楼的多层阻挡，街道上的风并不是很大，但是翻越高楼顶上的风力是相当大的。矗立在街区屋顶和高层建筑上的大型户外广告牌，正好处在风口浪尖上，潜在着被风吹落的隐患。20世纪90年代初，一个大型广告牌在北京火车站地铁出口上方被街道风吹了下来，幸好没有伤及无辜。当地政府有关部门警觉到事故的隐患，迅速制定出相关规则，规定户外巨型广告牌凡是架设在高度超过24米的建筑物和构筑物上，都必须到市政府有关部门进行相关的安全审查。
　　在城市街区和建筑群中的风是复杂多变，为了保护居民和行人的安全，防范街道风造成的风害，市政部门采取了许多措施，气象台在楼群密集的地区增设了许多自动气象站，随时监测风和其他气象要素的变化，增加30多种专业气象的服务，还在各种媒体上添加满足人体舒适程度的预报；环保部门也在要害地段竖立了电子警示牌，随时将主要污染物指标的变化及时地公布出来，指导市民的出行。  
　　街道走向、街道宽度和两旁建筑物的高度对街道风影响很大，而实际情况还与这个街区所在的地理位置以及这个地段常年的风、云、温湿度等气候条件有关，还与街道的绿化和规划设计密切相关，如果一座城市在规划中针对当地的气候条件，对建筑物之间和街道之间的距离设计得合理，将树木、灌木丛、排廊这些防风隔断进行科学布局，留出一个足够的风道，给风多一些“自由”空间，这样就可以削弱街道风的危害，减少街道风的发生。
　　东方广场是北京市10大新建筑群之一，它拥有8幢甲级现代化办公大楼，是亚洲最大的商业楼群，由于坐落在东长安街与王府井这条金街的交汇点上，地皮尤其的金贵，设计师在楼体的布局密度、高度上充分合理地挖掘潜力，使这里真正发挥“寸地寸金”的商业经济效益；这些构思灵巧的山水小景、花坛、喷水池虽然张显出设计者对中国山水意境的追求，但是实际上它们肩负着潜在的防风功能，它能化解角流风与涡流风冲击；在产生“狭管效应”的通风道上，加盖透明天蓬、或设置小树林等多层绿化带，这些小型的防风林巧妙地阻挡住通风道上的强风，消减了对行人的危害。
　　什么样的风是舒适的呢？科学家为我们划分出风环境舒适度的标准：行人坐着时风的速度要小于5.7米/秒；站着要小于9.3米/秒；行走时小于13.6米/秒。超过这些标准行人就会受到侵害。
　　东方广场的设计者不仅科学地考虑给“风”以出路，而且细致到方便每一个人的出行，封闭性的行人通道直接与各条大街相通，避免了人与风的直接接触；整个东方广场的环境满足了我国风环境舒适度的标准，不知如今在这里工作和生活的人是否能体察出设计师们这一番凉苦用心。
　　实际上街道风还有另外一个功能，它直接影响着城市大气污染物的扩散。街道风愈大，扩散稀释就愈快。这些纵横交错的街道也是城市网络般的通风渠道。怎样表现出风与污染物扩散的轨迹？北京市气象局的科学家们进行了一项研究，实现了城市规划与气象条件以及大气污染之间关系的数值模拟分析。科研人员对多种气象条件下的风进行了测定和大气采样，先进的高空飞艇探空技术犹如给大气做CT一样，对我们上空的气候条件做出诊断，科研人员采用非结构化网络技术，引入计算流体力学的CFD软件，提高了气象环境的模拟效果，最大限度的把复杂的地面建筑物形状接近真实地表现出来，经过风洞实验和实地观测的检验，基本反映了实际情况。
　　数值模拟建立了城市、小区、单体多层尺度的设计，实现了包括绿化、道路、风场、温湿度、人体舒适度、大气污染源等11个方面的环境气象指标以及主要污染物扩散的定量评估。准确、快捷地为城市整体规划和局部设计提供决策的依据。
　　一座城市中总有一些建筑存在一些不尽如人意的地方，那里容易聚集气体污染物。如何改进？数值模拟为设计规划部门提供了快捷的平台。方庄小区是北京城第一个大型高层建筑的社区，其中芳古园小区里拥有41.7%绿化面积，穿行在小区里的街道风能够在11分钟以内吹散污染物，完成自我净化。为了更详细地了解绿地对气象条件和大气状况的影响，气象专家对方庄小区在计算机上进行了敏感性试验，将芳古园小区中凡是低于30米高度的建筑物和裸露的土地变成草地，小区里的绿化面积增加到53.17%，经过风洞试验和数值模拟两种方法的计算比较，研究人员计算出穿行在小区里的街道风将近在12分钟里吹散污染物。敏感性试验的结果说明，增加绿地面积对整个芳古园小区自我净化能力的影响不是很大。
　　数值模拟系统不仅能对旧城改造的方案进行量化分析，也能对未来规划的城镇、小区进行直接的可视化的局地气象环境分析。2008年是中国的奥运年，为了保障奥运会在北京顺利进行，未来的气候条件是一个敏感问题，北京气象台的研究人员对规划部门提供的2套奥林匹克公园设计模型，运用数值模拟分析，描绘出奥运村的气候环境，其中一套方案中设计有人工湖，不管是冬季刮的西风和西北风，还是夏季吹的偏南风，南北向的人工湖都能形成从中轴线上贯穿南北的通风走廊，减少了局地气体污染物聚集的区域。正因为有了这个通风的渠道，整个区域里的通透性好，自身的净化污染物的能力比较强，冬季自净能力在23.9分钟完成，夏季需要22.04分钟，而另一套方案的气体扩散时间却是它的2倍。
　　如今不管是旧城的改造，还是新社区的建设，都要充分考虑到街道风以及其他气象环境能够满足人体舒适度的标准，数值模拟分析提供了技术平台，它的普及与应用对提高市民的生活质量，改善城市气候环境具有十分重要的意义。