基于混合雙參數Weibull分布的冬夏兩季香港某地的行人風環境舒適度分析

城市的密集建筑會影響周邊區域風環境，甚至產生行人風環境問題。研究了香港氣象條件，對比了雙參數Weibull分布和混合雙參數Weibull分布，結果表明混合雙參數Weibull分布更加適合香港的氣象數據；根據夏季以及冬季不同的情況，分析了夏季與冬季的行人風環境。在夏季，一號和二號建筑之間的空地有不舒適的區域，在冬季，行人風環境舒適度整體較好。

混合雙參數Weibull分布，CFD數值模擬，行人風環境

TU111.19+1A

建筑論壇與建筑設計建筑論壇與建筑設計

［定稿日期］2023-03-02

［作者簡介］趙健（1997—），男，碩士，研究方向為行人風環境。

0" 引言

隨著城市建筑功能復雜化，建筑密集化會產生不良的城市風環境，這樣的風環境會造成行人舒適度下降甚至造成危險的情況。

采用雙參數Weibull分布擬合風速分布進行行人風環境評估是科學界的常用做法。但是進行風速數據的擬合方法多種多樣的。GIRMA［1］采用Rayleigh分布和雙參數Weibull分布擬合了Dire DAWA 和 HAWASA地區的風速數據，證明了后者的分布擬合效果更佳。AKDAG ［2］研究了愛琴海地區風速分布特性，發現了愛琴海地區更適合混合雙參數Weibull分布（ww），雙參數Weibull分布擬合效果相對較差。實際上對于風速分布的建模，實際的客觀情況猶未可知，正確選用風速分布模型對于評估行人風舒適度有重要的意義。

CFD數值模擬具有低成本，低周期以及多參數分析的優點。因此國內外許多學者都采用風洞試驗以及CFD數值模擬的方法對行人風環境進行研究。陳伏彬［3］采用風洞試驗，基于某城市綜合體，對比了四種行人風環境評估標準。李朝［4］通過數值風洞技術，結合某半敞開式的大跨空間建筑給出復雜建筑的行人不舒適度的評價結果，也說明了采用 CFD 數值風洞模擬可有效地分析建筑的復雜內部流場。金海［5］采用風洞試驗的方法對北京某商業中心進行行人風舒適度進行的評估，并給予了相關的改進建議。

本文擬采用風洞試驗與數值模擬的方法，結合雙參數Weibull分布以及混合雙參數Weibull分布，對行人風環境做流場評估以及舒適度評估。

1" 風洞試驗概況

本試驗在西南交通大學XNJD-3風洞完成（圖1）。試驗所在的試驗段尺寸22.5 m（寬）×4.5 m（高）×36 m（長）。試驗來流依據規范所規定的B類地貌。來流方向垂直于建筑物表面。B類風場由尖劈和粗糙元調試。試驗采用的模型由PVC材料制成，具有比較好的剛度。模型的集合縮尺比為1∶200，阻塞率小于5%。采用的高層建筑由四個組成，這四個建筑是香港海濱廣場的四棟主要建筑。為了研究建筑之間的行人風環境特性，結合實際情況，在建筑之間的高度風環境的敏感地區設置28個測點，并且利用這些測點的數據作為數值模擬的驗證的試驗數據。這些測點距地面2 m，縮尺后距地面1 cm。風向角間隔為20°共18個工況。

2" 行人風舒適度評估以及評估標準

本文考慮在一些弱風環境適當的風速能夠提升行人在戶外的舒適度。對于諸如香港等熱帶亞熱帶的弱風環境城市，夏季炎熱潮濕又極為漫長。城市熱島效應和弱風條件會讓室外環境更為炎熱與不舒適。在這種城市的夏季中低風速閾值以及低超越概率并不會帶來舒適的行人風環境。相反在冬季香港平均氣溫在17 ℃左右，相同的風環境在冬季會有很舒適的體驗。因此采用Y. Du等［6］提出了基于夏季和冬季的兩種評價標準，兩種標準列于表1、表2。

2.1" 周邊風環境資料的統計與分析

本文收集香港紅磡海濱廣場周邊13個氣象測試站逐日的平均風速風向數據。氣象觀測站的風速儀設置在10 m高度處，氣象觀測站設置在B類地區。去除無效數據本文共收集了13個氣象站共77 248條數據。本文采用兩種方法擬合，目前普遍受認可的常態風分布概率模型是雙參數Weibull模型。概率模型如式（1）所示。

危險OMVRgt;15Ur0.05危險大風f（x|k，c）=kcxck-1exp-xck（1）

式中：k是Weibull分布的形狀參數，c是尺度參數。本文采用的第二種方法是采用雙參數Weibull分布的組合的形式，即式（2）。

f（x|k1，c1，k2，c2，π）=πk1c1xc1k1-1exp-xc1k1+

（1-π）k2c2xc2k2-1exp-xc2k2（2）

采用極大似然估計法進行參數估計，得到兩種模型的概率密度函數。為比較兩者的適用性，考慮到篇幅原因，本文選取0°、280°和100°三個風向角的風速分布直方圖與兩種模型的概率密度函數曲線（圖2）。

2.2" 確定兩種分布的擬合情況

為確定兩種分布函數的擬合情況，本文采取RMSE方法進行定量分析。RMSE的值越小，表示被檢驗的概率密度函數擬合效果越好。RMSE的計算公式如式（3）所示。

RMSE=1n∑ni=1（Fic-Fi）21/2（3）

式中：Fic是i點的目標累計概率分布值，Fi是被檢驗累計概率分布值。

表3中給出了代表性風向角的兩種風速概率分布模型的誤差評價。由表3可見，對于三種代表性風向角的兩種風速概率分布模型，其中單個的雙參數Weibull模型的RMSE評價均大于雙參數Weibull組合的概率分布模型。因此，雙參數Weibull模型的組合模型最為符合。

建筑論壇與建筑設計趙健： 基于混合雙參數Weibull分布的冬夏兩季香港某地的行人風環境舒適度分析

考慮到香港的弱風環境以及試驗和數值模擬數據與當地氣象數據相結合，采用平均風速作為風速閾值的參考材料。

3" 風速閾值以及超越概率

采用平均風速作為風速閾值的評價數據，平均風速比（MVR）來聯系風洞實驗以及數值模擬與當地氣象的聯系。平均風速比MVR定義為式（4）、式（5）。

MVRi，SM=Upi，SMUri，SM（4）

MVRi，IS=Upi，ISUri，IS（5）

式中：MVRi，SM表示在風洞試驗或者數值模擬中i風向的平均風速比，Upi，SM表示在風洞試驗或者數值模擬中行人高度的平均風速；Uri，SM表示在風洞試驗或者數值模擬中參考高度處的平均風速。MVRi，IS表示在建筑現場i風向的平均風速比，Upi，IS表示在建筑現場的行人高度的平均風速；Uri，IS表示在建筑現場的參考高度處的平均風速。

如果風洞試驗或數值模擬能夠完成建筑場地風環境的模擬，則有式（6）。

MVRi，SM=MVRi，IS（6）

綜合考慮各個風向風發生的概率以及各個風向的平均風速比，采用綜合平均風速比OMVR作為風速閾值，其定義為式（7）。

OMVR=∑ni=1Ai×MVRi，SM（7）

式中：Ai表示i風向的發生概率，該數據可從香港天文臺獲取。

若風速閾值UTHR等于i方向的參考風速Uri，則有式（8）。

p（Ugt;Up）=∑ni=1Ai1π*exp－UpMVRi1×λi1Ki1+

（1-π）exp-UpMVRi2×λi2Ki2（8）

4" CFD數值模擬方法及模擬驗證

本文采用CFD數值模擬方法研究研究海濱廣場的行人風環境。采用CFD方法擬解決兩個問題：①通過對比香港紅磡海濱廣場試驗數據來驗證CFD數值模擬方法的可行性；②運用CFD數值模擬的方法研究香港紅磡海濱廣場的風場特性以及全風向下的行人高度處的舒適度。

4.1" 邊界條件和求解參數設置

計算域風速入口以及湍流強度采用香港風荷載規范中的設置公式。通過UDF文件規定入口邊界的風剖面、湍流動能于耗散率。邊界條件設置與風洞試驗中的條件基本保持一致，以方便后續CFD數值模擬結果與風洞試驗結果的對比。計算域出口處采用壓力型出口邊界條件，并截取在無回流處；計算域地上表面以及計算域的左、右表面采用對稱邊界條件；地面以及建筑壁面采用無滑移邊界條件。

計算域大小是3.5 h×9 h×8 h，阻塞率為1.2%，低于計算域3%的阻塞率限值。

在數值求解中，認為空氣為不可壓縮的流體，壓力與速度耦合采用coupled算法，動能方程、湍動能及比耗散率輸送方程均采用二階離散格式，為了使計算收斂速度更快，先以層流模型計算，將層流計算的結果作為初始流場，后采用Realizable k- epsilon模型進行穩態計算。

4.2" 數值模擬驗證

在進行行人風環境評估的時候，常采用風速比Ri分析，其定義如式（9）。

Ri=viv0（9）

式中：Ri表示i測點的風速比，vi表示i測點的風速，v0表示在無建筑時參考高度處的參考風速。

為了驗證數值模擬的有效性。將數值模擬中的測點處的風速比與風洞試驗各個測點的數據的風速比進行對比。選取0°，80°和280°工況下的風速比的對比列于圖3。

圖3中3個工況對比可知，風洞試驗數據與數值模擬中的風速比大小以及分布規律基本相同，因此該CFD數值模擬能夠較為準確的分析模型的流場特性與行人舒適度分析。

5" 舒適度分析

5.1" 夏季（6～8月）舒適度評估

圖4按照上文所描述的行人風舒適度標準，給出了夏季（6～8月）的行人風舒適度評估結果。夏季中風舒適度有五個不舒適、常坐、短坐、散步和快走。在四棟建筑底部以及四棟建筑的通風相對較好，只有2號和4號建筑中間的部分區域以及2號建筑的V型構造部分舒適度屬于不舒適的情況。四棟建筑的底部舒適度相對較好，適合于短坐與散步。3號和4號建筑中間狹口舒適度較差，只是適合快走。1號和2號之間的通道情況與3號和4號建筑中間狹口舒適度相似，適合快走。考慮到香港夏季氣溫潮濕悶熱，四棟建筑之間適合常坐的區域面積非常小，夏季幾乎沒有適合室外活動的場所。

5.2" 冬季（12～2月）舒適度

冬季的行人風環境評估結果列于圖5，可以看出建筑底部以及建筑之間的大部分地區的接受程度屬于可接受的程度，大部分地區適合常坐、短坐和散步，舒適度較高。只有在3號和4號建筑之間的狹口以及1號和2號建筑之間的通道僅適合快走。冬季的香港由于氣溫相對溫和舒適，考慮到2號和4號建筑之間的空地有大片的區域適合常坐，因此很適合室外活動。但是3號和4號建筑之間的狹口以及1號和2號建筑之間的通道舒適度很差，會滋擾行人的室外活動。

6" 結論

本文通過風洞試驗與CFD數值模擬，研究了香港紅磡廣場四棟建筑的風場特性以及風舒適度評估，主要結論：

（1）采用雙參數Weibull組合分布與香港天文臺提供的風速數據擬合較好，能夠較好的模擬建筑現場的風速分布情況。確保了風環境超越概率計算的準確性。

（2）夏季大部分地區舒適度較好，屬于可接受的程度。2號和4號建筑中間的部分區域以及2號建筑的V型構造部分舒適度屬于不舒適的情況，由于香港夏季氣溫溫熱潮濕，這一片區域不適合室外活動。3號和4號建筑中間狹口和1號和2號建筑之間的通道舒適度較差，只是適合快走。

（3）冬季大部分區域風舒適度較好大部分地區適合常坐、短坐和散步，舒適度較高。只有在3號和4號建筑之間的狹口以及1號和2號建筑之間的通道僅適合快走。

參考文獻

［1］" Girma. Analysis of Wind Speed Distribution： Comparative Study of Weibull to Rayleigh Probability Density Function; A Case of Two Sites in Ethiopia［J］， American Journal of Modern Energy. 2016，2（3）：10-16.

［2］" S.A. Akdag. Use of two-component Weibull mixtures in the analysis of wind speed in the Eastern Mediterranean［J］， Applied Energy. 2010， 87 （8）：2566-2573.

［3］" 陳伏彬. 基于超越閾值概率的城市綜合體行人高度風環境試驗研究［J］， 工程力學. 2015， 32 （10）：8.

［4］" 李朝. 基于超越閾值概率的行人風環境數值評估［J］， 工程力學. 2012， 29 （12）：15-21.

［5］" 金海. 北京某商業中心行人風環境的風洞試驗研究［J］， 北京大學學報（自然科學版）. 2015（4）：613-619.

［6］" Y. Du. New criteria for assessing low wind environment at pedestrian level in Hong Kong［J］， Building and Environment. 2017， 123：23-36.