In order to clarify the impacts of thermal difference in atmospheric boundary layer due to the different sophistication of building information in Busan metropolitan areas, several numerical simulations were carried out. ACM (Albedo Calculation Model) and WRF (Weather Research and Forecasting) was applied for estimating albedo and meteorological elements in urban area, respectively. In comparison with coarse aggregated and small buildings, diurnal variation of albedo is highly frequent and its total value tend to be smaller in densely aggregated and tall buildings. Estimated TKE and sensible heat flux with sophisticatedly urban building parameterization is more resonable and valid values are mainly induced by urban building sophistication. The simulation results suggest that decreased albedo and increased roughness due to skyscraper plays an important role in the result of thermal change in atmospheric boundary layer.
The purpose of this study is to build and evaluate a high-resolution (50 m) KMAPP (Korea Meteorological Administration Post Processing) reflecting building data. KMAPP uses LDAPS (Local Data Assimilation and Prediction System) data to detail ground wind speed through surface roughness and elevation corrections. During the detailing process, we improved the vegetation roughness data to reflect the impact of city buildings. AWS (Automatic Weather Station) data from a total of 48 locations in the metropolitan area including Seoul in 2019 were used as the observation data used for verification. Sensitivity analysis was conducted by dividing the experiment according to the method of improving the vegetation roughness length. KMAPP has been shown to improve the tendency of LDAPS to over simulate surface wind speeds. Compared to LDAPS, Root Mean Square Error (RMSE) is improved by approximately 23% and Mean Bias Error (MBE) by about 47%. However, there is an error in the roughness length around the Han River or the coastline. Accordingly, the surface roughness length was improved in KMAPP and the building information was reflected. In the sensitivity experiment of improved KMAPP, RMSE was further improved to 6% and MBE to 3%. This study shows that high-resolution KMAPP reflecting building information can improve wind speed accuracy in urban areas.
급격한 도시팽창 및 각종 산업시설의 밀집화는 도심지역의 지형지물 변화에 많은 영향을 주게된다. 건물의 고층화가 진행되더라도 기존에 그 지역에 존재하던 주택 및 공업단지와 같은 저층건물과 혼재하게 되며, 이는 건물의 설계풍속 산정 시 중요한 요소인 지표면조도를 산정함에 있어 설계자에게 혼란을 주고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구는 지리정보를 이용하여 지표면조도를 산정하였다. 각 나라 건축구조기준 규정을 참고하여 연구범위 내 건물의 높이에 따라 지표면조도의 구분 방안을 제시하였으며, 1:5,000 수치지형도 자료 및 GIS를 활용하여 지표면조도를 산정하였다. 이는 설계자의 주관에 따라 지표면조도가 산정되는 기존의 문제점을 해결하고 보다 합리적인 내풍설계에 기여할 것으로 기대된다.
The purpose of this study is for the fundamental understandings about building morphological parameters and aerodynamic roughness parameters of Seoul, Korea using the detailed urban geographic information datasets. Applied roughness parameter calculations are based on a digital map of buildings with lot area polygons. The quality of the developed roughness length ($z_0$) of Seoul was evaluated with densely installed 107 automatic weather stations. The correlation coefficient results between averaged wind speeds of AWS data and averaged $z_0$ is -0.303 in night and -0.398 in day (200 m radii circles case). Further $z_0$ enhancement should follow by considering other surface features such as high tree and orography of Seoul. However, this study would meet the needs to for local- or meso-scale meteorological modeling applications of Seoul. However, further studies would require for enhancing the $z_0$ applications of Seoul.
Large eddy simulations have been performed within and over different types of urban building arrays. This paper adopted three dimensionless parameters, building frontal area density (${\lambda}_f$) the variation degree of building height (${\sigma}_h$), and the staggered degree of building range ($r_s$), to study the systematic influence of building spacing, height and layout on wind and turbulent characteristics. The following results have been achieved: (1) As ${\lambda}_f$ decrease from 0.25 to 0.18, the mean flow patterns transfer from "skimming" flow to "wake interference" flow, and as ${\lambda}_f$ decrease from 0.06 to 0.04, the mean flow patterns transfer from "wake interference" flow to "isolated roughness" flow. With increasing ${\lambda}_f$, wind velocity within arrays increases, and the vortexes in front of low buildings would break, even disappear, whereas the vortexes in front of tall buildings would strengthen and expand. Tall buildings have greater disturbance on wind than low buildings do. (2) All the wind velocity profiles and the upstream profile converge at the height of 2.5H approximately. The decay of wind velocity within the building canopy was in positive correlation with ${\lambda}_f$ and $r_s$. If the height of building arrays is variable, Macdonald's wind velocity model should be modified through introducing ${\sigma}_h$, because wind velocity decreases at the upper layers of the canopy and increases at the lower layers of the canopy. (3) The maximum of turbulence kinetic energy (TKE) always locates at 1.2 times as high as the buildings. TKE within the canopy decreases with increasing ${\lambda}_f$ and $r_s$ but the maximum of TKE are very close though ${\sigma}_h$ varies. (4) Wind velocity profile follows the logarithmic law approximately above the building canopy. The Zero-plane displacement $z_d$ heighten with increasing ${\lambda}_f$, whereas the maximum of and Roughness length $z_0$ occurs when ${\lambda}_f$ is about 0.14. $z_d$ and $z_0$ heighten linearly with ${\sigma}_h$ and $r_s$, If ${\sigma}_h$ is large enough, $z_d$ may become higher than the average height of buildings.
Potential yield of micro wind turbine on the roof of urban high rise buildings is estimated. Urban wind profile is modeled as logarithmic profile above the mean building height with roughness length 0.8, displacement 7.5 m. Mean wind velocity from the meteorological agency data at the hight of 50m is used. Wind velocity changes are simulated on the rectangular roof of 26, 45, 53 degree pitch and the circular roof by computational fluid dynamics and RNG k-$\varepsilon$ turbulence models. Wind velocity increased approximately by a factor of the order of 270 % on the 26 degree pitched roof. In the 100 m and 200 m high buildings, wind enhancement is greater at the front side than at the center of the building. In the building arrangement model wind velocity changes abruptly and it becomes wind gusts. When commercial wind turbines are installed on the building roof, average power and annual power generation enhanced by 3~4 times than normal wind velocity at 50m and 6 kw wind turbine can generate 1053 kwh per month on the 26 degree pitched roof at 50m height and sufficiently supply electrical power with 15 household for common electrical use and food waste disposer. However, power output will vary significantly by the wind conditions in the order of $\pm$ 20 %.
Using a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model with the $k-{\varepsilon}$ turbulence closure scheme based on the renormalization group theory, flow regimes in urban street canyons are classified according to the building and street aspect ratios. The transition between skimming flow (SF) and wake interference flow (WIF) is determined with the size of double-eddy circulation generated behind the upwind building. The transition between WIF and isolated roughness flow (IRF) is determined with the flow reattachment distance from the upwind building. The critical aspect ratios at which the flow transition occurs are found and compared with those in previous studies. The results show that the flow-regime classification method used in this study is quite reasonable and that the values of the critical aspect ratios are generally consistent with those in fluid experiments or large-eddy simulation. The regression equation describing a relation between the building and street aspect ratios at the flow-regime transition is presented.
In this study, we analyzed the impact of orographic and thermal forcing on the atmospheric flow field over the urban metropolitan areas on urban artificial buildings and future development plan. Several numerical experiments have been undertaken in order to clarify the impacts of the future development plan on urban area by analyzing practical urban ground conditions, we revealed that there were large differences in the meteorological differences in each case. The prognostic meteorological fields over complex areas of Seoul, Korea are generated by the PSU/NCAR mesoscale model(MM5). we carried out a comparative examination on the meteorological fields of topography and land-use that had building information and future development plan. A higher wind speed at daytimes tends to be forecasted when using new topography and land use data that have a high resolution with an appropriate limitation to the mixing height and the nocturnal boundary layer(NCB). During nighttime periods, since radiation cooling development is stronger after development plan, the decreased wind speed is often generated.
We have established a wind map of Singapore, a city-state characterized its land cover by urban buildings to confirm a possibility of wind farm development. As a simple but useful approximation of urban canopy, a zero-plane displacement concept was employed. The territory is divided into 15 sectors having similar urban building layouts, and zero-plane displacement, equivalent roughness height at each sector was calculated to setup a terrain boundary condition. Annual mean wind speed and mean wind power density map were drawn by a CFD micrositing model, WindSim where Changi International Airport wind data was used as an in-situ measurement. Unfortunately, predicted wind power density does not exceed 80 $W/m^2$ at 50 m above ground level which would not sufficient for wind power generation. However, the established Singapore wind map is expected to be applied for wind environment assessment and urban planning purpose.
The objective of this work is the air quality modeling according to the practical roughness length using the building information as surface boundary conditions. As accurate wind and temperature field are required to produce realistic urban air quality modeling, comparative simulations by various roughness length are discussed. The prognostic meteorological fields and air quality field over complex areas of Seoul, Korea are generated by the PSU/NCAR mesoscale model (MM5) and the Third Generation Community Multi-scale Air Quality Modeling System (Models-3/CMAQ), respectively. The simulated $O_3$ concentration on complex terrain and their interactions with the weak synoptic flow had relatively strong effects by the roughness length. A comparison of the three meteorological fields of respective roughness length reveals substantial localized differences in surface temperature and wind folds. Under these conditions, the ascended mixing height and weakened wind speed at night which induced the stable boundary stronger, and the difference of simulated $O_3$ concentration is $2{\sim}6\;ppb$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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