探究不同结构特征的防护林带的风速流场及空气动力学特征,对合理配置防护林带、减轻风沙灾害具有重要意义.本研究将树冠假设为多孔介质,以总高度(H)为7 m、冠层高度为5.8 m、冠层底部宽度为2 m的日本"築地松"林带为例,考虑5种林带断面形状(矩形、迎风直角三角形、背风直角三角形、等腰三角形和抛物线形)和4种布置形式(单条林带、L型林网、U型林网和矩型林网),采用大涡模拟(LES)湍流模型进行计算流体力学(CFD)数值模拟,揭示不同结构特征的防护林带的平均风速流场及湍流结构,研究林带断面形状和布置形式对防护林带防护距离及防护面积等防风效应指标的影响.结果表明:数值模拟与野外实测得到的不同高度处的平均风速和湍动能的平均相对误差较小,分别为5.5％和12％,多孔介质冠层模型可成功再现林带背风区的平均风速和湍动能.矩形断面林带冠层体积最大,对气流的阻碍作用最显著,在靠近林带附近的背风区中上部(z≥0.5H,z表示高度)区域,平均风速和湍动能显著降低,防护范围最大;抛物线形断面林带的防护范围其次;断面形状呈迎风直角、背风直角和等腰三角形的林带再次.在林带下游水平距离(x)≥10H的区域,不同断面形状林带的平均风速和湍动能趋于相同.对比单条林带、L型、U型和矩型林网的流场结构特征发现,与来流风速垂直方向的林带越多,林带冠层后的风速衰减越明显,气流需要更长的距离方可恢复至来流风速,而与来流风速方向平行的防护林带的防风效应极为有限,因而,U型和矩型林网比单条林带和L型林网的防风效应更显著.研究结果可为防护林带的结构配置与优化布局提供参考.

城市道路绿化通常被作为应对机动车污染物排放和改善空气质量的主要措施.但近年来研究表明,城市街谷中行道树的种植易导致内部空气流动受阻并引发污染物堆积.为进一步揭示行道树冠形特征对街谷颗粒污染物分布的影响,采用城市微气候数值模拟软件ENVI-met,模拟分析了平行、斜交、垂直3种来流风向下4种典型行道树冠形对街谷内流场及PM10浓度分布的影响.结果表明,无论在何种来流风向下,4种行道树树冠对街谷空气流动均存在阻塞效应;树木冠层的叶面积密度分布是影响阻塞效应的重要因素,通常在叶面积密度最大的冠层高度风速降幅最为显著;行道树冠形在不同来流风向下对两侧行人高度PM10扩散的影响存在一定差异,其中平行、斜交风向下对PM10积聚程度的强弱顺序为:圆锥形树冠＞球形树冠＞卵形树冠＞倒卵形树冠,而垂直风向下为:倒卵形树冠＞球形树冠＞卵形树冠＞圆锥形树冠;未来在街谷行道树种植管理过程中,应当结合街谷来流风向选择适宜的行道树或对行道树树冠进行修剪整形,从而降低街谷两侧行人的污染暴露风险.研究结果可为行道树种植与管理提供参考依据.

合理设置道路绿化带能够改变街道空气流场进而改善空气质量.利用风洞试验结合数值模型的方法测试了树冠形状和绿化带位置对街道峡谷的风场影响.在数值模型中,采用针对植物模型不同高度赋予不同叶面积密度(leaf area density,LAD)值的新方法近似模拟不同树冠形状的植物,通过输入污染源数据,得到风场及污染物浓度数据结果;与风洞试验结果进行对比,验证了其有效性;进而,利用数值模型分析了不同绿化带设置下街道峡谷内行人的污染暴露特征,结果表明:绿化带位置及树冠形状影响街道峡谷中的涡流结构,形成复杂的细小湍流,从而影响街道峡谷中的风环境和污染物分布.阔叶树冠和位于街道峡谷中央的绿化带位置有利于降低行人污染暴露风险.未来研究中,通过增加风洞试验布点、考虑热力作用及气象因子的影响,或许可以提供更加详细的改善街道峡谷微环境的绿化带布局,为城市大气环境管理和绿地系统建设提供科学依据.

构建城市典型绿化树种树冠外部轮廓预估模型,可以为城市绿化树种的空间配置优化奠定基础.本研究以辽宁省沈阳市典型绿化树种人工油松为对象,基于Crown Window装置获取60株样木树冠形状,利用幂函数、分段抛物线方程和修正Kozak方程选取基础模型,通过再参数化引入树冠结构因子(最大树冠半径)和相邻木竞争变量(相邻木平均树高、平均胸径、平均冠幅、相邻木株数,以及样木与其相邻木平均树冠接触高),构建耦合相邻木竞争及树冠结构因子的油松树冠外部轮廓预估模型.结果表明:修正Kozak方程Ra2最大、均方根误差(RMSE)最小,模型稳定性良好,选取其为构建油松冠形模型的基础模型.通过再参数化在基础模型中引入最大树冠半径和相邻木平均胸径后,模型的Ra2提高0.0693,MSER为14.4％.分析最大树冠半径和相邻木竞争对油松树冠形状的影响发现,最大树冠半径对树冠形状影响较大,树冠半径随最大树冠半径增大而增大;相邻木平均胸径对树冠形状影响相比最大树冠半径较弱,树冠上半部分随相邻木竞争增强而增大,树冠下半部分随相邻木竞争增强而变小.本研究构建的耦合相邻木竞争及最大树冠半径的油松树冠外部轮廓边际回归模型具有良好的拟合优度,能够合理地模拟及预测沈阳市典型绿化树种人工油松的树冠形状.