Urban Canyon - Urban canyon

Eine städtische Schlucht an der 42. Straße , Midtown Manhattan , New York City
Dieselbe Manhattan- Straße von innen gesehen, mit vielen Gebäuden, die viel höher sind als die Breite der Straße

Eine städtische Schlucht (auch als Straßenschlucht bekannt ) ist ein Ort, an dem die Straße auf beiden Seiten von Gebäuden flankiert wird, die eine schluchtähnliche Umgebung schaffen, die etymologisch aus dem Canyon of Heroes in Manhattan hervorgegangen ist . Solche von Menschen gebauten Schluchten entstehen, wenn Straßen dichte Strukturblöcke, insbesondere Wolkenkratzer, trennen . Weitere Beispiele sind die Magnificent Mile in Chicago, der Wilshire Boulevard- Korridor in Los Angeles , der Finanzbezirk von Toronto sowie die Bezirke Kowloon und Central in Hongkong .

Städtische Schluchten beeinflussen verschiedene lokale Bedingungen, einschließlich Temperatur, Wind, Licht, Luftqualität und Funkempfang, einschließlich Satellitennavigationssignalen .

Geometrie und Klassifizierung

Idealerweise ist eine städtische Schlucht eine relativ schmale Straße mit hohen, durchgehenden Gebäuden auf beiden Seiten der Straße. Aber jetzt wird der Begriff Urban Canyon weiter gefasst und die geometrischen Details des Street Canyon werden verwendet, um sie zu kategorisieren. Das wichtigste geometrische Detail einer Straßenschlucht ist das Verhältnis der Schluchthöhe (H) zur Schluchtbreite (W), H / W, das als Seitenverhältnis definiert ist . Der Wert des Seitenverhältnisses kann verwendet werden, um Straßenschluchten wie folgt zu klassifizieren:

  • Regelmäßiges Canyon - Seitenverhältnis ≈ 1 und keine größeren Öffnungen an den Canyonwänden
  • Avenue Canyon - Seitenverhältnis <0,5
  • Deep Canyon - Seitenverhältnis ≈ 2

Eine Unterklassifizierung von jedem der oben genannten Punkte kann in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen zwei Hauptkreuzungen entlang der Straße erfolgen, definiert als die Länge (L) der Straßenschlucht:

  • Kurzer Canyon - L / H ≈ 3
  • Mittlere Schlucht - L / H ≈ 5
  • Langer Canyon - L / H ≈ 7

Eine andere Klassifizierung basiert auf der Symmetrie des Canyons:

  • Symmetrischer (oder sogar) Canyon - die Gebäude, aus denen der Canyon besteht, haben ungefähr die gleiche Höhe.
  • Asymmetrische Schlucht - Die Gebäude, aus denen die Schlucht besteht, weisen erhebliche Höhenunterschiede auf.

Ein anderer spezifischer Typ ist:

  • die Step-up-Schlucht - eine Straßenschlucht, in der die Höhe des Aufwindgebäudes geringer ist als die Höhe des Abwindgebäudes.

Die Auswirkung einer Straßenschlucht auf die lokale Wind- und Luftqualität kann in verschiedenen Canyongeometrien sehr unterschiedlich sein, und dies wird in den folgenden Abschnitten ausführlich erörtert.

Weitere wichtige Faktoren, die bei Untersuchungen städtischer Canyons berücksichtigt wurden, sind das Luftvolumen, die Ausrichtung des Canyons (Nord-Süd, Ost-West usw.) und der Himmelssichtfaktor. Das Luftvolumen der Straßenschlucht ist die Luft, die in den Gebäuden auf beiden Seiten enthalten ist, die als Wände fungieren, die Straße, die die untere Grenze darstellt, und eine imaginäre obere Grenze auf Dachebene, die als "Deckel" der Schlucht bezeichnet wird.

Der Sky View Factor (SVF) bezeichnet das Verhältnis zwischen der von einer planaren Oberfläche empfangenen Strahlung und der von der gesamten halbkugelförmigen Strahlungsumgebung empfangenen Strahlung und wird als Anteil des vom Boden aus sichtbaren Himmels berechnet. SVF ist ein dimensionsloser Wert im Bereich von 0 bis 1. Eine SVF von 1 bedeutet, dass der Himmel beispielsweise in flachem Gelände vollständig sichtbar ist. Wenn ein Standort Gebäude und Bäume hat, wird der SVF proportional verringert.

Auswirkungen

Die Änderung der Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht durch das Vorhandensein einer Straßenschlucht wird als Straßenschlucht-Effekt bezeichnet. Wie bereits erwähnt, beeinflussen Straßenschluchten Temperatur , Windgeschwindigkeit und Windrichtung und folglich die Luftqualität innerhalb des Canyons.

Temperatur

Städtische Schluchten tragen zum städtischen Wärmeinseleffekt bei . Die Temperatur im Canyon kann um 2–4 ° C erhöht werden. Studien zu Temperaturphänomenen berücksichtigen Bestrahlungsstärke , Einfallswinkel, Oberflächenalbedo, Emissionsgrad, Temperatur und SVF. Bei einem hohen SVF kühlen die städtischen Canyons schnell ab, da mehr Himmel zur Verfügung steht, um die von den Gebäuden zurückgehaltene Wärme zu absorbieren. Mit einem niedrigen SVF kann der Canyon tagsüber mehr Wärme speichern, was nachts zu einer höheren Wärmeabgabe führt. Eine von Nunez und Oke durchgeführte Studie untersuchte den Energieaustausch in einer städtischen Schlucht in mittleren Breiten bei schönem Sommerwetter. Die Studie zeigte, dass die Menge an Oberflächenenergie zu verschiedenen Zeiten innerhalb des Canyons von der Geometrie und Ausrichtung des Canyons abhängt. Bei Schluchten mit Nord-Süd-Ausrichtung wurde festgestellt, dass der Boden der aktivste Energiestandort ist. In einer solchen Schlucht werden 30% des Mittagsstrahlungsüberschusses in den Schluchtmaterialien (den Gebäuden) gespeichert. Nachts wird dem Nettostrahlungsdefizit (dh dem Mangel an Sonnenstrahlung) durch die Freisetzung von Energie entgegengewirkt, die in den Canyon-Materialien gespeichert wurde. Dieses Phänomen trägt stark zum städtischen Wärmeinseleffekt bei.

Wind

Straßenschluchten können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Windrichtung ändern. Die vertikale Windgeschwindigkeit nähert sich auf der Dachebene des Canyons Null. Scherproduktion und -ableitung sind auf Dachebene hoch und auf Gebäudehöhe entsteht eine starke dünne Scherschicht. Die kinetische Energie der Turbulenzen ist in der Nähe des Gegenwindgebäudes aufgrund stärkerer Windscheren höher als in der Nähe des Aufwindgebäudes. Die resultierenden Strömungsmuster innerhalb des Canyons hängen von der Windrichtung in Bezug auf die Straßenorientierungsrichtung ab.

Wind parallel zum Canyon

Wenn die Dachrichtung / Hintergrundwindrichtung parallel zur Straße ist, wird ein Kanalisierungseffekt beobachtet, bei dem Winde dazu neigen, durch die Schlucht kanalisiert und beschleunigt zu werden. Wenn die Straßenbreite ungleichmäßig ist, tritt ein Venturi-Effekt auf , wenn Winde durch kleine Öffnungen strömen, wodurch die Beschleunigung der Winde weiter verbessert wird. Beide Effekte werden durch das Bernoulli-Prinzip erklärt . Der Wind und der Transport entlang der Straße können für kurze und lange Schluchten erheblich unterschiedlich sein, da die Eckwirbel in kurzen Schluchten einen stärkeren Einfluss haben.

Wind senkrecht zum Canyon

Wenn die Dachrichtung / Hintergrundwindrichtung senkrecht zur Straße ist, wird ein vertikal rotierender Windfluss mit einem zentrierten Primärwirbel innerhalb von Straßenschluchten erzeugt. Basierend auf dem Seitenverhältnis werden in Straßenschluchten unterschiedliche Strömungsregime definiert. In aufsteigender Reihenfolge des Seitenverhältnisses sind diese Strömungsregime: isolierter Rauheitsfluss, Nachlaufinterferenzfluss und Abschöpfungsfluss. Die Gesamtzahl der erzeugten Wirbel und ihre Intensität hängen von vielen Faktoren ab. Numerische Modellstudien für isolierte Straßenschluchten haben gezeigt, dass die Anzahl der erzeugten Wirbel mit zunehmendem Seitenverhältnis des Canyons zunimmt. Es gibt jedoch einen kritischen Wert für die Umgebungswindgeschwindigkeit, oberhalb dessen die Anzahl und das Muster der Wirbel unabhängig vom Seitenverhältnis werden.

Der Vergleich von (a) isoliertem Rauheitsfluss und (b) Abschöpfungsflussregimen in einer Straßenschlucht (nach Oke, 1988)

Numerische Studien und Windkanalstudien haben gezeigt, dass bei symmetrischen Canyons mit einem Seitenverhältnis von 0,5 ein Sekundärwirbel in Bodennähe in der Nähe der leeseitigen Gebäudewand zu sehen ist. Bei symmetrischen Canyons mit einem Seitenverhältnis von ≥ 1,4 ist ein schwächerer Sekundärwirbel in Bodennähe in der Nähe der Gebäudewand auf der Luvseite zu sehen, und bei einem Seitenverhältnis von ≥ 2 sind Sekundärwirbel direkt unter dem Primärwirbel zu sehen. In asymmetrischen und erhöhten Canyons kann die Bildung von Sekundärwirbeln häufiger auftreten. Windkanalstudien haben gezeigt, dass in einer Step-up-Schlucht, in der das Aufwindgebäude kürzer ist, ein Stagnationspunkt auf der Luvseite des höheren Gebäudes identifiziert werden kann. Die Region unterhalb dieses Stagnationspunkts wird als Interaktionsregion bezeichnet, da alle Stromlinien in dieser Region nach unten in die Straßenschlucht abgelenkt werden. Die Eigenschaften der Wirbelströmungsmuster innerhalb des Canyons hängen stark vom Höhenverhältnis der Gebäude auf beiden Seiten des Canyons ab. Für ein Verhältnis der Gebäudehöhe H d vor dem Wind zu der Gebäudehöhe H u des Aufwinds H u von 3 wurde ein einzelner Primärwirbel beobachtet. Für H d / H u = 1,67 können gegenläufige Wirbel die gesamte Tiefe des Canyons einnehmen.

Weitere Faktoren, die sich auf die Stärke dieses Umwälzstroms auswirken, sind verkehrsbedingte Turbulenzen und Dachformen der Gebäude. Physikalische Modellstudien haben gezeigt, dass der Zwei-Wege-Verkehr die Turbulenzen in der unteren Hälfte des Canyons erhöht und dass das geneigte Dach auf beiden Seiten des Canyons den Hauptbereich der turbulenten Produktion stromabwärts verschiebt und die Intensität des Rezirkulationsflusses innerhalb des Canyons verringert .

Im Skimming-Flow-Regime entsteht der Windwirbel in einer Straßenschlucht, wenn die mittlere Windrichtung senkrecht zur Straße ist (nach Oke, 1988).

Unter diesen senkrechten Windbedingungen, hauptsächlich auf Straßenebene, werden an jedem Ende des Canyons horizontal rotierende Eck- / Endwirbel erzeugt. Die horizontale Ausdehnung dieser Eckwirbel ist an jedem Ende eines Canyons unterschiedlich und dies führt zu komplexen Windmustern auf Oberflächenebene an Kreuzungen. Feldversuche haben ferner gezeigt, dass sich Eckwirbel in der gesamten Tiefe des Canyons erstrecken können, wobei sich jedoch die horizontale Ausdehnung mit der Höhe ändert.

Die Struktur des Nachbargebiets einer Straßenschlucht; Zum Beispiel eine Reihe von Straßenschluchten, die dem Strömungsfeld mehr Komplexität verleihen.

Alle oben genannten Ergebnisse gelten für Situationen ohne Erwärmungseffekte. Eine numerische Modellstudie hat gezeigt, dass sich die Eigenschaften einer Wirbelströmung ändern, wenn sich eine Oberfläche in einer Straßenschlucht erwärmt. Und Erwärmung verschiedener Oberflächen; Aufwindwand, Abwindwand, Canyonboden, verändert den Wirbelfluss auf unterschiedliche Weise.

Luftqualität

Die Änderung von Temperatur und Wind durch das Vorhandensein einer Straßenschlucht wirkt sich folglich auf die Luftqualität innerhalb der Straßenschlucht aus. Wenn die Richtung des mittleren Windes parallel zur Straße ist, erhöhen die oben beschriebenen Kanalisierungs- und Venturi-Effekte die Verteilung der Schadstoffe innerhalb der Straßenschlucht. Dies dient häufig dazu, die Luftschadstoffe auszuspülen und die Luftqualität in der Straßenschlucht zu verbessern. In Fällen, in denen Luftschadstoffquellen gegen den Wind vorhanden sind, können kanalisierte Winde Schadstoffe zu Orten weit vor der Quelle transportieren und zu einer schlechten Qualität an den Orten vor dem Wind beitragen.

Wenn die mittlere Windrichtung senkrecht zur Straße ist, begrenzt die im Canyon gebildete Wirbelströmung den Luftstrom, verringert die Schadstoffverteilung und erhöht die Verschmutzungskonzentrationen im Straßenschlucht. Verschmutzungen durch lokale Quellen innerhalb des Canyons sowie Verschmutzungen, die durch den mittleren Windfluss in den Canyon mitgerissen werden, werden vom Wirbelstrom getragen und innerhalb des Canyons umgewälzt. In städtischen Umgebungen sind Fahrzeugendrohremissionen die Hauptquelle für viele Luftschadstoffe wie ultrafeine Partikel , feine Partikel, Kohlendioxid und NOx . Diese Verschmutzung Federn auf der Straße geschaffen, an der Bodenhöhe, werden in Richtung der Leeseite des Canyon durch die Wirbelströmung gedrückt, so dass die Oberflächenniveau Verschmutzung Konzentrationen viel höher an dem leewardside der Straße im Vergleich zu der vor dem Wind Seite. Sekundärwirbel im unteren Teil des Canyons können die Schadstoffe auf den Seitenwegen weiter stagnieren lassen. speziell auf der Leeseite. Eine Feldstudie hat berichtet, dass ultrafeine Partikelkonzentrationen auf dem Lee- Bürgersteig viermal höher sind als auf der Luvseite .

GPS-Signalempfang

Bei Verwendung von GPS-Empfängern in Straßenschluchten mit hohen Gebäuden können die Schatten- und Mehrwegeeffekte zu einem schlechten GPS-Signalempfang beitragen.

Siehe auch

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