Городской каньон (также известный как уличный каньон или каньон небоскребов ) — это место, где улица окружена зданиями с обеих сторон, создавая каньоноподобную среду, этимологически развившуюся из Каньона героев на Манхэттене . Такие рукотворные каньоны образуются, когда улицы разделяют плотные кварталы построек, особенно небоскребов . Другие примеры включают Великолепную милю в Чикаго, коридор бульвара Уилшир в Лос-Анджелесе , Финансовый район Торонто , а также Коулун и Центральный районы Гонконга .
Городские каньоны влияют на различные местные условия, включая температуру, ветер, освещенность, качество воздуха и радиоприем, включая сигналы спутниковой навигации .
В идеале городской каньон представляет собой относительно узкую улицу с высокими сплошными зданиями по обеим сторонам дороги. Но теперь термин «городской каньон» используется более широко, и для их классификации используются геометрические детали уличного каньона. Наиболее важной геометрической деталью уличного каньона является соотношение 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]
Подклассификация каждого из вышеперечисленных может быть сделана в зависимости от расстояния между двумя основными перекрестками вдоль улицы, определяемого как длина (L) уличного каньона:
Другая классификация основана на симметрии каньона:
Другой конкретный тип:
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. Объем воздуха уличного каньона — это воздух, содержащийся внутри зданий по обе стороны, которые действуют как стены, улица является нижней границей и воображаемая верхняя граница на уровне крыши, называемая «крышкой» каньона.
Коэффициент обзора неба (SVF) обозначает соотношение между излучением, полученным плоской поверхностью, и излучением от всей излучающей среды полушария [2] и рассчитывается как часть неба, видимая с земли вверх. SVF — это безразмерная величина, которая находится в диапазоне от 0 до 1. SVF, равная 1, означает, что небо полностью видно, например, на ровной местности. Если в локации есть здания и деревья, SVF пропорционально уменьшится. [3]
Изменение характеристик пограничного слоя атмосферы из-за присутствия уличного каньона называется эффектом уличного каньона. Как упоминалось ранее, уличные каньоны влияют на температуру , скорость и направление ветра и, следовательно, на качество воздуха в каньоне.
Городские каньоны способствуют возникновению эффекта городского острова тепла . Температура внутри каньона может повышаться на 2–4 °C. Исследования температурных явлений учитывают освещенность , угол падения, альбедо поверхности, излучательную способность, температуру и SVF. При высоком SVF городские каньоны быстро охлаждаются, поскольку имеется больше неба, поглощающего тепло, удерживаемое зданиями. При низком SVF каньон может сохранять больше тепла в течение дня, создавая более высокое тепловыделение ночью. Исследование, проведенное Нуньесом и Оке, изучало энергетический обмен в городском каньоне в средних широтах в хорошую летнюю погоду. [3] Исследование показало, что количество поверхностной энергии в разное время внутри каньона зависит от геометрии и ориентации каньона. Было обнаружено, что в каньонах с ориентацией с севера на юг дно является наиболее активным энергетическим участком. В таком каньоне 30% избытка полуденного излучения хранится в материалах каньона (зданиях). Ночью чистый дефицит излучения (то есть недостаток солнечной радиации) компенсируется высвобождением энергии, которая хранилась в материалах каньона. Это явление в значительной степени способствует возникновению эффекта городского острова тепла.
Уличные каньоны могут изменять как скорость, так и направление ветра. Вертикальная скорость ветра приближается к нулю на уровне свода каньона. Производство и рассеивание сдвига высоки на уровне крыши, а на высоте здания создается прочный тонкий слой сдвига. [4] Кинетическая энергия турбулентности выше возле здания с наветренной стороны, чем возле здания с наветренной стороны, из-за более сильных сдвигов ветра. Результирующая структура потока внутри каньона зависит от направления ветра по отношению к направлению ориентации улицы.
Когда уровень крыши/направление фонового ветра параллельно улице, наблюдается эффект канализации, когда ветер имеет тенденцию направляться и ускоряться через каньон. Там, где ширина улицы неравномерна, наблюдается эффект Вентури , когда ветер дует через небольшие отверстия, что еще больше усиливает ускорение ветра. [5] Оба эти эффекта объясняются принципом Бернулли . Вдоль улицы ветер и перенос могут существенно различаться для коротких и длинных каньонов, поскольку угловые вихри оказывают более сильное влияние в коротких каньонах. [6]
Когда уровень крыши/направление фонового ветра перпендикулярно улице, создается вертикально вращающийся поток ветра с центрированным первичным вихрем внутри уличных каньонов. В зависимости от соотношения сторон в уличных каньонах определяются различные режимы течения. В порядке увеличения соотношения сторон эти режимы течения следующие: поток с изолированной шероховатостью, поток с помехами в следе и скимминговый поток. [7] Общее количество образующихся вихрей и их интенсивность зависят от многих факторов. Исследования численной модели, проведенные для изолированных уличных каньонов, показали, что количество образующихся вихрей увеличивается с увеличением удлинения каньона. Но существует критическое значение скорости окружающего ветра, выше которого количество и характер вихрей становятся независимыми от соотношения сторон. [8]
Численные исследования и исследования в аэродинамической трубе показали, что для симметричных каньонов с удлинением = 0,5 вблизи стены здания с подветренной стороны можно увидеть вторичный вихрь на уровне земли. Для симметричных каньонов с соотношением сторон ≥ 1,4 более слабый вторичный вихрь на уровне земли можно увидеть возле стены здания с наветренной стороны, а для соотношения сторон ≥ 2 вторичные вихри видны прямо под основным вихрем. [8] [9] В асимметричных и ступенчатых каньонах образование вторичных вихрей может быть более распространенным. Исследования в аэродинамической трубе показали, что в каньоне с наветренной стороны, где здание с наветренной стороны короче, точку застоя можно определить на наветренной стороне более высокого здания. Область ниже этой точки застоя 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 каньона. При соотношении высоты здания H d с наветренной стороны к высоте здания H u с наветренной стороны , равном 3, наблюдался одиночный первичный вихрь. Но при H d /H u =1,67 встречные вихри могут занимать всю глубину каньона. [10]
Другими факторами, влияющими на силу этого рециркуляционного потока, являются турбулентность, вызванная движением транспорта, и форма крыш зданий. Исследования физической модели показали, что двустороннее движение увеличивает турбулентность в нижней половине каньона, а скатная крыша по обе стороны каньона смещает основную зону турбулентного производства вниз по течению и снижает интенсивность рециркуляционного потока внутри каньона. . [11]
В условиях перпендикулярного ветра, главным образом на уровне улицы, на каждом конце каньона образуются горизонтально вращающиеся угловые/концевые вихри. Горизонтальная протяженность этих угловых вихрей различна на каждом конце каньона, что приводит к сложной схеме 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 прилегающей территории уличного каньона; например, серия уличных каньонов усложняет поле потока.
Все вышеупомянутые результаты относятся к ситуациям без нагревательных эффектов. Исследование численной модели показало, что нагревание поверхности уличных каньонов приводит к изменению характеристик вихревого потока. И подогрев разных поверхностей; наветренная стена, подветренная стена, дно каньона изменяет вихревой поток по-разному. [8]
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 канализации и Вентури увеличивают рассеивание загрязняющих веществ внутри уличного каньона. Часто это делается для «вымывания» загрязнителей воздуха [5] и улучшения качества воздуха внутри уличного каньона. Но в тех случаях, когда источники загрязнения воздуха расположены с подветренной стороны, направляющие ветры могут переносить загрязняющие вещества в места с подветренной стороны, вдали от источника, и способствовать ухудшению качества воздуха в местах с подветренной стороны.
Когда среднее направление ветра перпендикулярно улице, вихревой поток, образующийся внутри каньона, ограничивает поток воздуха, уменьшает рассеивание загрязняющих веществ и увеличивает концентрацию загрязнений внутри уличного каньона. Загрязнения из местного источника внутри каньона, а также загрязнения, попадающие в каньон от среднего ветрового потока, переносятся вихревым потоком и рециркулируются внутри каньона. В городских условиях выбросы выхлопных газов транспортных средств являются основным источником многих загрязнителей воздуха, таких как ультрамелкие частицы , мелкодисперсные частицы, диоксид углерода , NOx . Эти шлейфы загрязнения, создаваемые на улице, на уровне поверхности, под действием вихревого потока выталкиваются к подветренной стороне каньона, в результате чего концентрация загрязнения на уровне поверхности на подветренной стороне улицы намного выше, чем на наветренной стороне. Вторичные вихри в нижней части каньона могут дополнительно задерживать загрязняющие вещества на тротуарах; особенно с подветренной стороны. Одно полевое исследование показало, что концентрация ультрамелких частиц на тротуаре с подветренной стороны в четыре раза выше, чем на наветренной . [13]
При использовании приемников GPS в уличных каньонах с высокими зданиями эффекты затенения и многолучевого распространения могут способствовать ухудшению приема сигнала GPS. [14]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )