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植栽降低都市環境強風之效果評估與設計原則研究

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(1)

植栽降低都市環境強風之

效果評估與設計原則研究

(期末報告)

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 108 年 12 月

(本報告內容及建議,純屬研究小組意見,不代表本機關意見)

(2)
(3)

植栽降低都市環境強風之

效果評估與設計原則研究

(期末報告)

研究主持人:陳建忠

協同主持人:方富民

員:鍾政洋

研 究 助 理:李冠儒

張人傑

研 究期程:中華民國 108 年 3 月至 108 年 12 月

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 108 年 12 月

(本報告內容及建議,純屬研究小組意見,不代表本機關意見)

(4)
(5)

I

目次

圖次 ... III

表次 ... V

摘 要 ... VII

第一章 緒 論 ... 1

第一節

研究動機 ... 1

第二節

研究目的 ... 3

第三節

典型分析方法比較 ... 4

第四節

研究內容與程序... 5

第二章 理論背景與相關研究 ... 9

第一節

地表風場特性 ... 9

第二節

氣流通過樹後的風場行為 ... 12

第三節

相關研究 ... 14

第四節

行人風場評估標準與方式 ... 17

第三章 風洞試驗 ... 23

第一節

實驗設施配置與設備 ... 23

第二節

模型製作 ... 27

第三節

試驗結果 ... 32

第四章 數值模擬與排樹減風探討 ... 37

第一節

數值方法 ... 37

第二節

樹冠風力參數之探求 ... 41

第三節

真實情況排樹減風效果之模擬與檢討 ... 46

第五章 植栽減風與行人舒適度評估 ... 63

第一節

植栽對建築物鄰近區域地面強風之減風

效果 ... 63

第二節

植栽對建築區行人舒適度影響之評估 ... 68

(6)

II

第六章 研究成果與檢討 ... 75

第一節

研究成果 ... 75

第二節

問題檢討與對策... 77

第七章 結論與建議 ... 79

第一節

結論 ... 79

第二節

建議 ... 80

附錄一 採購評選會議意見與回應 ... 81

附錄二 期中報告審查意見與回應 ... 85

附錄三 第一次專家座談會議意見與回應 ... 91

參考文獻 ... 95

(7)

III

圖 次

圖 1-1

三個選定樹種典型照片圖 ... 5

圖 1-2

研究流程圖 ... 8

圖 2-1

不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 ... 9

圖 2-2

方形實心物體情況瞬間渦度圖 ... 12

圖 2-3

方形孔隙物體情況瞬間渦度圖 ... 12

圖 2-4

方形實心物體情況平均風速變化圖 ... 13

圖 2-5

方形孔隙物體情況平均風速變化圖 ... 13

圖 3-1

建研所循環式大氣邊界層風洞性能 ... 24

圖 3-2

熱線流速儀設置圖 ... 25

圖 3-3

Cobra 探針照片圖... 25

圖 3-4

移動機構照片圖 ... 26

圖 3-5

台灣欒樹模型外觀 ... 27

圖 3-6

樹形符號說明圖 ... 28

圖 3-7

瓊崖海棠模型外觀 ... 28

圖 3-8

阿勃勒模型外觀 ... 29

圖 3-9

樹冠輪廓說明圖 ... 30

圖 3-10 樹冠密度參考值對照圖 ... 30

圖 3-11

試驗來流縱向風速剖面圖 ... 32

圖 3-12 台灣欒樹樹後量測平均風速剖面

(

X

/H=3) ... 33

圖 3-13 台灣欒樹樹後量測平均風速剖面

(

X

/H=4.5) ... 33

圖 3-14 瓊崖海棠樹後量測平均風速剖面

(

X

/H=2.5) ... 34

圖 3-15 瓊崖海棠樹後量測平均風速剖面

(

X

/H=4) ... 34

圖 3-16 阿勃勒樹後量測平均風速剖面

(

X

/H=2.5) ... 35

圖 3-17 阿勃勒樹後量測平均風速剖面

(

X

/H=4) ...

35

圖 4-1

台灣欒樹計算網格圖 ...

40

圖 4-2 台灣欒樹情況預測平均相對誤差之變化 ...

41

圖 4-3 瓊崖海棠情況預測平均相對誤差之變化 ...

42

圖 4-4 阿勃勒情況預測平均相對誤差之變化 ...

42

圖 4-5 台灣欒樹樹後平均風速剖面模擬結果

(

X

/H=3) ...

43

圖 4-6 台灣欒樹樹後平均風速剖面模擬結果

(

X

/H=4.5) ...

43

圖 4-7 瓊崖海棠樹後平均風速剖面模擬結果

(

X

/H=2.5)

... 44

(8)

IV

圖 4-8 瓊崖海棠樹後平均風速剖面模擬結果

(

X

/H=4)

... 44

圖 4-9 阿勃勒樹後平均風速剖面模擬結果

(

X

/H=2.5)

... 45

圖 4-10 阿勃勒樹後平均風速剖面模擬結果

(

X

/H=4)

... 45

圖 4-11 台灣欒樹排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=6

m

)

... 47

圖 4-12 台灣欒樹排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=9

m

)

... 48

圖 4-13 台灣欒樹排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=12

m

)

.... 49

圖 4-14 瓊崖海棠排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=6

m

)

... 50

圖 4-15 瓊崖海棠排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=9

m

)

... 51

圖 4-16 瓊崖海棠排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=12

m

)

.... 52

圖 4-17 阿勃勒排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=6

m

)

... 53

圖 4-18 阿勃勒排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=9

m

)

... 54

圖 4-19 阿勃勒排樹地面高 2 公尺處風速等值圖

(H=12

m

)

... 55

圖 4-20 不同樹高台灣欒樹後斷面平均地面風速變化圖 ... 56

圖 4-21 不同樹高瓊崖海棠樹後斷面平均地面風速變化圖 ... 57

圖 4-22 不同樹高阿勃勒樹後斷面平均地面風速變化圖 ... 58

圖 4-23 不同間距樹後斷面平均地面風速變化圖

(H=6

m

) ... 60

圖 4-24 不同間距樹後斷面平均地面風速變化圖

(H=9

m

) ... 61

圖 4-25 不同間距樹後斷面平均地面風速變化圖

(H=12

m

) ... 62

圖 5-1 風域中矩形斷面建築物簡圖 ... 63

圖 5-2 無植栽情況矩形建築物地面 2

m

高處風速等值圖 ... 63

圖 5-3 矩形建築物上游配置排樹簡圖 ... 64

圖 5-4 排樹植栽情況矩形建築物地面 2

m

高處風速等值圖 ... 64

圖 5-5 再增加植栽情況矩形建築物地面 2

m

高處風速等值圖 ... 65

圖 5-6 風域中雙方形斷面建築物簡圖 ... 65

圖 5-7 無植栽情況雙方形建築物地面 2

m

高處風速等值圖 ... 66

圖 5-8 雙方形建築物上游配置排樹簡圖 ... 66

圖 5-9 植栽情況矩形建築物地面 2

m

高處風速等值圖 ... 67

圖 5-10 再增加植栽情況矩形建築物地面 2

m

高處風速等值圖 .... 67

圖 5-11 方形建築物四周排樹配置簡圖 ... 68

圖 5-12 典型風向情況方形建築物區內地面風速等值圖 ... 69

圖 5-13 植栽後典型風向情況方形建築物區內地面風速等值圖 ... 70

圖 5-14 植栽前後建築物區行人風等級空間分佈比較圖 ... 72

(9)

V

表 次

表 1-1 近十年典型植栽防風相關會議 ... 1

表 1-2 三個選定樹種特徵表 ... 5

表 2-1 本國規範中大氣邊界層

之建議值 ... 10

表 2-2 大氣邊界層

與 Z

0

之建議值 ... 11

表 2-3

k

-

紊流模型樹冠部份之源項 ... 16

表 2-4

西安大略大學研究團隊建議的行人風評估標準 ... 18

表 2-5

A

PPERLEY

與 V

ICKERY

建議的行人風評估標準 ... 18

表 2-6

RWDI 建議的行人風評估標準 ... 19

表 2-7

住宅區行人風評估標準 ... 20

表 2-8

國際間其他建議之行人風評估標準 ... 21

表 3-1 三個選定樹種模型尺寸表 ... 29

表 5-1 台北市各風向之平時風速的韋伯機率參數 ... 71

表 5-2 植栽前後建築物區行人風舒適度等級範圍比較表 ... 73

表 6-1 具有與本研究典型樹種類似樹冠特性的台灣原生植物分類 .... 78

(10)
(11)

VII

摘 要

關鍵詞:景觀樹、防風效果、數值模擬、風洞試驗 一、研究緣起 建築區中栽種景觀樹及行道樹有助於景觀之調和兼具抗噪音的功效,對 風場微氣候也有相當程度之影響,且在行人環境風場之改善上扮演著正面之 角色。 當風吹襲樹木時,部份的氣流將穿過此等孔隙介質,故其挾帶的動量並 未全然地受到阻擋。在評估都市建築中植栽對地面風速之影響時,傳統上多 求諸於風洞試驗,除了需付出相對較高的成本、時間與人力外,亦有一些執 行面的限制與技術面的困難待克服。另一方面,應用數值模擬的方法則不失 為解析此類問題的另一研究方法,除了不具風洞試驗執行中的缺憾外,亦便 於系統化的分析,以獲得完整之資料供風力設計之參考。於電腦軟硬體快速 進步的現階段,應用數值模擬方法從事大區域的風環境模擬評估,在歐美與 日本等先進國家已形成趨勢。然而,在執行數值模擬時,如何將樹的物理效 應正確地反映在風場計算中則是關鍵。 在前期相關研究中,針對地面風通過植栽之數值模擬已有不錯之成果, 但在群樹情況(如排樹)地面氣流之數值預測,則有待在模式上進一步的修正 與精進。 二、研究方法及過程 本研究擬以過往相關單株植栽模擬研究之成果為基礎,首先針對風通過 防風排樹的情況,經由風洞試驗量測資料之驗證,以建立足以準確模擬地面 風場的數值模式,並擴展 CFD 在進行植栽防風效益分析的運用範疇。繼而, 再藉都市建築典型配置情況地面風場之模擬,評估排樹的減風功能與效益, 進而歸納出植栽減風設計的一般性原則,供爾後相關風力設計的重要參考。 本案研究內容規劃如後: (一)蒐集常見都市植栽規劃樹型,依據樹高、樹冠形態選擇 3 種常見樹種樹 型進行研究。 (二)在各種風向來流下,以風洞試驗量測不同植栽間距排樹後之風速場,作

(12)

VIII 為植栽樹木數值模式建置與模擬結果驗證之依據。 (三)針對都市建築常見配置之情況,系統化的進行風場模擬,進而探求植栽 減風設計的一般性原則。 本研究預期目標為: (一)建立風通過排樹後的數值模擬模式,以供日後都市環境微氣候數值模擬 (CFD)之應用依據。 (二)量化排樹減風效果,歸納植栽減風設計原則,提供 3 種常見樹種樹型在 不同間距排列狀況下之減風效益,俾供都市植栽防風之規劃設計參考。 三、重要發現 本研究重要發現如後: (1) 風通過排樹後,自下游約 0.8 倍樹高後之行人風速即有減少之現象, 且於下游約 2 至 3 倍樹高處發生最大之減風效果,而此減風範圍可 達下游十餘倍樹高的範圍。 (2) 當排樹植栽間距之減小或樹高增加時,最大之減風效果可由約 10% 增加至 30%,而減風範圍甚至可延伸至 20 倍樹高的下游處。 (3) 樹冠密度由大至小依序為台灣欒樹(%)、瓊崖海棠(75%)、阿勃勒 (55%)。在緊鄰排樹後區域,三個樹種在樹後發生減風效果之差異相 對地並不明顯。當排樹植栽間距減小或樹高增加時,其減風效果間 之差異才漸顯著。 (4) 研究中列舉了具有與本研究典型樹種類似樹冠特性的台灣原生植物 (表 6-1)。在爾後相關的排樹植栽規劃時,可以參照表中選定之樹種, 就分類歸屬找出相應減風效果之量化結果(圖 4-11 至圖 4-22),以進 行植栽減風之設計。 (5) 針對風域中建築區塊的典型範例,以絕對評估法與相對評估法進行 地面行人風減風效果之檢討顯示,適當之排樹植栽對區域內之行人 風場都有相當之減風效果。此外,運用風速發生機率評估法的結果 也顯示,排樹植栽對強風區域中行人舒適度亦有顯著之改善效果。

(13)

IX 四、建議 建議一 辦理本研究成果之推廣說明會:立即可行建議 主辦單位:內政部建築研究所 協辦單位:社團法人中華民國風工程學會、中華民國全國建築師公會 為使本計畫之研究成果能立即為建築區植栽防風規劃與設計之應用, 可以辦理本研究成果之推廣說明會。 建議二 針對常見綠建築植栽樹種進行特性分類:中長期建議 主辦單位:農委會林務局、林業試驗所 協辦單位:社團法人中華民國風工程學會、中華民國全國建築師公會 研究中將「台灣原生植物圖鑑」中列舉之喬木,依據照片外觀進行樹 冠密度了初步分類,以供排樹植栽減風設計規劃參酌之依據。建議辦理常 見植栽樹種特性的相關研究,以確認本研究樹種分類之正確性。

(14)
(15)

1

第一章 緒 論

第一節 研究動機

建築區中栽種景觀樹及行道樹除了有助於景觀之調和外,對於區內風場 微氣候也能有相當程度之影響,並在行人環境風場環境之改善上扮演著正面 之角色。以台灣本島為例,沿海地帶的港區或工業區的開發(如台中港區、彰 濱工業區)中,除了在上風處建構防風林或防風結構(防風牆、防風堤、防風 柵、防風網等)外,於區內亦有排樹之設置,以期降低因冬季強烈季風吹襲而 引起的行道風(pedestrian wind)問題。國內採用植栽進行建築區域防風或減風 的案例愈漸普遍。研究初期盤點並整理國內近十年,各縣市都市發展局之都 市開發審議會議及都市邊更計畫案,其相關議題詳表 1-1。 表 1-1 近十年典型植栽防風相關會議 民國(年) 相關開發案計畫書及都審會議 99 台北市南京東路三段地下捷運共構辦公大樓規劃案 100 宜蘭縣變更頭城都市計畫案 103 內政部擬定桃園國際機場園區及附近地區特定區計畫書 103 新北市都市計畫委員會第 44 次會議紀錄 104 台南市擬定北門都市計畫案 104 台北市都市更新審議會議紀錄第 223 次~235 次 105 台北市都市更新審議會議紀錄第 242 次~247 次 106 台北市都市更新審議會議紀錄第 263 次~279 次 106 台南市政府新吉工業區產業用地土地出售手冊 107 台北市都市更新審議會議紀錄第 310 次~325 次 107 台南市都市設計審議會議紀錄第 13 次~24 次 107 新竹縣第 482~505 次都市設計審議委員會會議紀錄 107 彰化縣變更大城都市計畫書 107 桃園市變更中壢平鎮都市擴大修訂計畫案 107 台中市變更大肚都市計畫主要計畫書 107 嘉義市美術館建築計畫案 108 台北市都市更新審議會議紀錄第 377 次~384 次 108 新北市都市計畫委員會第 97 次會議紀錄 108 新竹縣第 513~515 次都市設計審議委員會會議紀錄 108 台南市都市設計審議會議紀錄第 7 次~9 次 資料來源:本研究整理

(16)

2 其中典型者如 99 年台北市南京東路三段地下捷運共構辦公大樓規劃,在 景觀植栽設計構想裡提到「植栽應能調節氣候、防風、遮蔭等效果」。103 年 新北市都市計畫委員會第 44 次會議紀錄,擬定板橋都市計畫(埔墘地區垃圾 處理廠用地)細部計畫案都市設計準則,在景觀植栽計畫中提到「考量現地自 然環境,選擇具備防風特質之植栽種類」。有關 104 年台南市擬定北門都市計 畫案,在都市設計準則的審議範圍及審議層級中述及「為避免冬季季風吹襲, 影響計畫區內北側住宅區居住寧適,應挑選植種具防風功能樹種」。106 年新 北市環境影響評估法規說明暨新北市環評作業,在推動綠色城市環評審議規 範中述及「植栽樹穴設置應符合調節氣候、防風之本土樹種需求,並應定期 維護且保持牢固」。106 年台南市新吉工業區廠商應遵守之環評承諾事項中亦 包括「對於未來各分區綠化工作,需以自然生態立場為優先考慮,至於防風、 防噪音等附加功能以及景觀美質亦應予以考量」。於 107 年彰化縣大城都市計 畫變更案,在土地使用分區管制要點內提到「15 公尺以上計畫道路其兩側應 植栽高度 2 公尺以上之喬木或防風樹種,其數量以平均每 6 至 8 公尺種植一 棵為原則」。此外,107 年桃園市中壢平鎮都市擴大修訂計畫案中,在景觀計 畫中亦敘明「植栽應注重於防風、遮陽及水土保持之功能」。107 年新竹縣第 506 次都市設計審議委員會會議紀錄,竹北市水瀧段 30 地號店鋪、集合住宅 新建工程一案中委員提到「本案基地鄰兒 21 側綠帶設計單薄,恐冬季東北季 風強烈,致行人無法駐足,建議加強綠帶設計並增加常綠型喬木,提供行人 停留空間」。108 年臺南市都市設計審議委員會第 8 次會議紀錄中,「臺南市 歸仁區武東段 92 等 1 筆地號集合住宅新建工程」都市設計審議案,委員提到 「在風環境模擬中,是否加入植栽影響評估?」由此可知,在建築區內以植 栽樹木進行防風或減風,在規劃與設計的階段已成為區域規劃考量中需重視 的項目之一。然而,儘管過往區域規劃設計者深知植栽防風的重要性,但在 景觀樹/行道樹設置的規劃上常因缺乏足夠的量化資料作為減風效果評估之 依據,故設計時多未能準確掌握其成效。因此,將景觀樹/行道樹防風與減風 的效果作系統化的探討,並歸納出具體的量化結果,以為爾後建築區景觀樹/ 行道樹設置規劃的重要參考,實為本研究的主要目標。

(17)

3

第二節 研究目的

本研究擬以過往相關單株植栽模擬研究之成果為基礎,首先針對風通過 防風排樹的情況,經由風洞試驗量測資料之驗證,以建立足以準確模擬地面 風場的數值模式,並擴展 CFD 在進行植栽防風效益分析的運用範疇。繼而, 研究中將從事真實情況排樹後風場之模擬,評估相應地面的減風功能與效益, 進而歸納出排樹植栽減風設計的一般性原則。 為了要瞭解在強風期間景觀樹/行道樹的設置對建築區域行人高度(距地 面高 2 公尺高)內的減風效果,本研究針對國內常見之 3 種典型樹種樹型,以 數值模擬(CFD)的方法進行系統化風場分析,據以量化在不同來風方向以及 不同排樹間距下植栽排樹對地面之減風效果並歸納出減風設計原則,作為爾 後建築區景觀樹/行道樹設置規劃的重要參考。 本案研究內容規劃如後: 1.蒐集常見都市植栽規劃樹型,依據樹高、樹冠形態選擇 3 種常見樹種樹型 進行研究。 2.在各種風向來流下,以風洞試驗量測不同植栽間距排樹後之風速場,作 為植栽樹木數值模式建置與模擬結果驗證之依據。 3.系統化的進行真實情況下排樹風場模擬,進而探求植栽減風設計的一般性 原則。 研究之預期目標為: 1.建立風通過排樹後的數值模擬模式,以供日後都市環境微氣候數值模擬之 運用依據。 2.量化排樹減風效果,歸納植栽減風設計原則,提供 3 種常見樹種樹型在不 同間距排列狀況下之減風效益,俾為都市植栽防風之規劃設計參考。

(18)

4

第三節 典型分析方法比較

當風吹襲樹木時,部份的氣流將穿過此類孔隙介質(porous media),故其 挾帶的動量並未全然地受到阻擋。以流體力學的觀點來看,其相應的風場形 態與風通過透式的防風柵或防風網類似。不過,柵與網或可視為幾乎無厚度, 而樹木則具有三度空間的形狀,故在分析上的難度較高。 在風場分析階段,一般針對此類問題之風場評估多求諸於風洞試驗,除 了需付出相對較高的成本、時間與人力外,亦會面臨風洞規模的與風場量測 問題等限制。例如,在分析大區域的風場時,經縮尺後的樹木將過小而難以 掌握其實質之存在程度。此外,在從事模型行道風場量測時除了需顧及局部 風向以降低對風場之干擾程度外,風速探針亦將因過於靠近模型地面而難以 執行有效的量測。相對地,考量風洞模型試驗在執行上面臨的限制與困難度, 應用數值模擬的方法則不失為解析此類問題的另一研究工具,其優點不僅是 可以更經濟地獲取更為完備之整場風力設計資料外,且不具前述在風洞試驗 執行中的缺憾。然而,在執行數值模擬時,直接將樹的存在以極為細密的計 算網格表現是不符合計算效率之經濟考量的。因此,如何將樹的物理效應適 當地反映在風場計算中將是本研究的關鍵工作之一。

(19)

5

第四節 研究內容與程序

經參酌行政院農委會[1]、國立自然科學博物館[2]以及林務局林業試驗所 [3]有關本國常見景觀樹/行道樹的資訊,並考慮樹種特徵的變異性,本研究選 定了台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒等 3 個樹種作為探討的對象,其基本樹種 特徵詳表 1-2[1-3, 8]。 表 1-2 三個選定樹種特徵表 樹種 台灣欒樹 瓊崖海棠 阿勃勒 原生種 ○ ○  成樹樹高(m) 15 20 15 成樹樹寬(m) 12 18 10 樹冠密度 80% 70% 55% 樹冠比 65% 55% 65% 5 年生長速度(m) 4.2 3.2 3.6 資料來源:[1-3, 8] 一、選定樹種基本特徵說明 三個樹種的典型外觀詳圖 1-1,相關基本特徵說明略述如後: (a)台灣欒樹 (b)瓊崖海棠 (c)阿勃勒 圖 1-1 三個選定樹種典型照片圖 資料來源:[1-3] (一) 台灣欒樹

(20)

6 台灣欒樹為台灣特有原生種,成樹的樹高可達 15 米,樹寬達 12 米,樹 冠密度約 80%,樹冠比約 80%。本樹種常見於全島低海拔的闊葉林中,從北 到南都有,在台灣最常被選擇為景觀樹、行道樹之用。 台灣欒樹屬於半落葉喬木(冬季期間落葉),樹皮為灰褐色,葉片為二回 羽狀複葉,形狀為前端尖之卵形,長約 60 公分,寬約 25 公分。 (二) 瓊崖海棠 瓊崖海棠為常綠喬木,也屬於台灣原生種,在台灣自北到南遍佈於低海 拔的闊葉林中,其成樹的樹高可達 20 米,樹寬可達 18 米,樹冠密度約 70%, 樹冠比約為 55%。本樹種為密葉樹木,質感粗,常用於公園及庭園之植栽, 亦常作為近海岸防風林樹。瓊崖海棠的葉片為橢圓形狀,長約 15 公分,寬約 8 公分。 (三) 阿勃勒 阿勃勒並非台灣原生種,於 1645 年引進,在台灣普遍栽培公園及庭園。 由於其枝葉較疏,可以與前述兩個樹種有所區隔,因此成為研究中 3 個選定 典型樹種之一。阿勃勒為半落葉喬木,冬季落葉,成樹的樹高可達 15 米,樹 寬可達 7 米,樹冠密度約 55%,樹冠比約 65%。葉柄為偶數羽狀複葉,小葉 形狀為橢圓形,長約 14 公分,寬約 6 公分。 二、研究方法 在三個選定樹種相應減風效應的評估上,本研究採用風洞試驗與數值模 擬兩個方法,以二者交互應用的方式進行風場分析。研究中首先進行風洞試 驗以量測模型樹後的風速剖面以獲得風場模擬的比較驗證資料,繼而依據量 測之結果決定出選定樹種的樹冠特性參數。待足以準確預測樹後風場的數值 模式確立後,再針對真實情況下排樹之情況進行系統化的風場模擬,以獲得 3 個選定樹種從事減風效益之量化結果,並歸納出植栽減風設計的一般性原 則。 (一) 風洞試驗 本部份的工作為樹後尾流區截面速度場量測,量測目標為樹體固定距離 後垂直截面相應的風速剖面。模型樹係以台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒成樹

(21)

7 為基準製作而得,縮尺比例分別為 1/50、1/67 與 1/50,高度為 30 公分。 (二) 數值模擬 在 風 場 模 擬 上 本 研 究 採 用 微 可 壓 縮 流 的 CFD 方 法 (weakly-compressible-flow method,簡稱 WCF 法[9])。在數值模擬中係將枝葉 的部份視為透式的孔隙介質,而於枝葉的計算格網中賦以適當之源項以反映 出其實質之物理效應。 三、研究程序與步驟 本計畫各階段之工作內容與步驟概述如後:(參見圖 1-2 研究流程) (一) 資料收集與理論整析 (1)台灣常見景觀樹/行道樹相關資訊與樹種特性資料的蒐集。 (2)近期國內採用植栽進行建築區域防風或減風案例 與結論的蒐集整 理。 (二) 風洞試驗 (1)製作 3 個選定樹種的模型樹。 (2)針對單株樹情況,量測樹後 2 個斷面之風速剖面,作為數值結果比較 驗證與樹冠風力參數率定之依據。 (三) 數值模擬 (1)針對風洞試驗中的個案情況,平行地進行數值風場模擬,並藉由數值 預測與風洞量測樹後斷面風速剖面之比較,尋求三個選定樹種相應的 樹冠風力參數。 (2)待數值模式確立後,進行 3 個選定樹種的排樹在不同樹高與間距比改 變下真實情況的風場計算。 (四) 資料分析與整合 (1)將所有個案的樹後風場模擬結果進行分析,系統化地檢討樹後地面風 速的衰減情形,並量化其衰減趨勢。 (2)評估排樹的減風功能與效益,進而歸納出植栽減風設計的一般性原 則。

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8 圖 1-2 研究流程圖 資料來源:本研究整理 風洞試驗量測 (3 種典型樹) 數值模擬(3 種典型樹) 比較與驗證 減 風 效 果 評 估 資料收集與理論整析 結 論 數 值 模 式 確 立 資料分析與整合 尋求樹冠風力參數 系統化風場模擬計算 專家座談 1 減風設計原則歸納 專家座談 2 成 果 報 告

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第 二 章 理 論 背 景 與 相 關 研 究

第一節 地表風場特性

地表附近空氣的移動受到地面之起伏、建築物、林木作物分佈等磨擦作 用的影響,使得平均風速隨高度而改變,形成了一個垂直分佈的剖面,愈接 近地表風速愈慢,在地面風速為零(參見圖 2-1)。大氣風速剖面直接受到地表 粗糙狀況之影響,而影響所及的範圍稱之為「大氣邊界層」,在邊界層頂部之 風速通常稱之為梯度風速(gradient wind)。 圖 2-1 不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 資料來源:本研究整理 一般風工程應用所涉及的問題大都發生在較強的風勢時,位於近地表以 上數百公尺高度的大氣邊界層內。在強風的情況下,大氣紊流作用遠超過熱 對流作用。由於氣流中紊流引致之混合趨向於形成中性層差,故本研究針對 大氣邊界層之討論係於中性層差之大氣邊界層範圍內。 風速隨距地面高度增加而遞增,與地況種類有關。在風速的變化上方面, 一般常引用指數律(power law)和對數律(logarithmic law)來描述大氣邊界層中 的平均風速剖面:

一、指數律(power law)

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10 U(z) z U         (2-1) 其中,U 為水平向之平均風速;z 為地表上之高度;U為梯度風速;為大 氣邊界層厚度;為大氣邊界層指數。在現行工程應用中假設為定值之指 數律適用於梯度高度()內,而大氣邊界層厚度()僅為指數之函數。 現行本國「建築物耐風設計規範及解說」[4]中將地況分成如後三類: (1)地況 A:大城市市中心區,至少有 50%之建築物高度大於 20 公尺者。建 築物迎風向之前方至少 800 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者 取大值)屬此種條件下。 (2)地況 B: 大城市市郊、小市鎮或有許多像民舍高度(10~20 公尺),或較民 舍為高之障礙物分布其間之地區者。建築物迎風向之前方至少 500 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者取大值),係屬此種條 件。 (3) 地況 C:平坦開闊之地面或草原或海岸或湖岸地區,其零星座落之障礙 物高度小於 10 公尺者。 其中,各地況相應之大氣邊界層厚度()與大氣邊界層指數()建議值如表 2-1 所示。 表 2-1 本國規範中大氣邊界層與之建議值 地況   (m) A 0.32 500 B 0.25 400 C 0.15 300 資料來源:[4] 二、對數律(logarithmic law) 愈接近地表處,其風速的擾動性愈高,解析描述也就愈加困難。在地表 層(或稱之為常應力層)其剪應力值(u)與地表面之剪應力值(0)極為接近,且其

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11 橫風向之風速分量極小。微氣象學研究的結果建議,在地表其平均風速剖面 可以後式表示:

 

* 0 1 z U z u ln Z        (2-2)

其中,(0.4)為 Von Karman 常數;u*為剪力速度(friction velocity);z 為距地 面高度;Z0 為地表粗糙高度(roughness height)。式(2-2)即為通稱之對數律。 實場量測結果指出,在強風之情況下,對數律之適用範圍可達數百公尺之高 度。有關在不同地表情況下,前述討論之大氣邊界層各參數的建議值詳見表 2-2。 表 2-2 大氣邊界層、與 Z0之建議值 (單位:m) 資料來源:本研究整理

出處 Coastal Area Open Terrain Suburban Terrain

  Z0   Z0   Z0

Davenport – – – 0.16 275 – 0.28 400 – ANSI 0.1 215 – 0.14 275 – 0.22 370 – Cook, N. J – – 0.003-0.01 – – 0.03-0.1 – – 0.3

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第二節 氣流通過樹後的風場行為

從流體力學的觀點來看,當氣流流經一個無孔隙的鈍體(bluff body)時, 由於受到鈍體的檔而在下游處形成了一個弱風的遮蔽區,此即所謂的的尾流 (wake)區。一般而言,尾流區的的寬度可為鈍體橫向寬的數倍,其縱向幅員 甚至可延伸至鈍體橫向寬十幾倍以上的長度。 以均勻來流經過一個方形實心物體的情況為例,圖 2-2 顯示一個典型的 瞬時流場。當氣流通過物體時部份的來流因受到阻檔而轉向,朝物體的兩邊 側通過,並因為受到強烈大負壓力梯度的作用,於物體的兩個前緣發生分流 (separation)。物體上下兩側的分流線續向下游延伸造成了鈍物體後方渦流 (vortex)的產生。在物體上方與下方順時針與逆時針的渦流繼於物體後發生捲 曲、交互影響而形成了尾流。當方形物體具有孔隙時,部份的氣流可以穿過 物體並破壞了物體後方渦流的結構性(參見圖 2-3),使得物體後渦流捲曲、交 互影響的程度變弱。尾流區的寬度相對地較窄,但在縱向則有變長的趨勢。 圖 2-2 方形實心物體情況瞬間渦度圖 資料來源:本研究整理 圖 2-3 方形孔隙物體情況瞬間渦度圖 資料來源:本研究整理

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13 圖 2-4 與 2-5 顯示兩個情況下相應的平均風速等值圖。當物體為不可穿 透之實心體時(圖 2-4),其後方的尾流區中存在一個相對低速的分流囊 (separation bubble),而後之風速則沿著下游的方向自低速逐漸增加。另一方 面,若物體因有孔隙而可以允許氣流穿透時(圖 2-5),尾流(遮蔽)區的寬度變 窄,且朝下游方向拉長。值得一提的是,在緊鄰物體後的區域中因有氣流穿 過,與實心物體情況相比,其風速明顯偏高。 圖 2-4 方形實心物體情況平均風速變化圖 資料來源:本研究整理 圖 2-5 方形孔隙物體情況平均風速變化圖 資料來源:本研究整理

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第三節 相關研究

有關風流經樹的探討大多見於大氣與林務研究方面,主要關注於大區域 群樹(森林)地形之微氣候與延散(dispersion)特性。基於群樹之分布特性,可將 三維的流場問題轉換為二維甚至一維的巨觀問題,因而大幅地簡化了分析流 場的複雜度。典型的研究如 Finnigan[10]述及,樹林區域的地面風場可大致區 分為自地面起算 2 至 3 倍林木高度間之植被次層(canopy sublayer)與植被次層 上方的表面次層(surface sublayer)。Raupach 等[11]經現地觀測植被次層的紊 流特性後認為,植被次層中的流場應屬具混合層流(mixing layer flow)而非邊 界層流(boundary layer flow)之形態。其他經由現地觀測資料而提出森林地區 風速剖面之建議公式者如 Mihailovic 等[12];經由風洞試驗而提出風速剖面之 建議公式者如 Raupach 等[13]。此外,Massman[14]針對葉面積指數(leaf area index; LAI)作試驗分析,得到植被中 LAI 指標與風速剖面、地表剪應力、 粗糙長度和零風面位移的關係。Novak 等[15]研究中指出,當同一區域存在 的樹木數量改變時會造成森林中風場和紊流的變化,且由大尺度的渦流控制。 Boldes 等[16]以試驗檢視不同孔隙率單層與雙層植物後方的紊流流場,結果 發現遮蔽物後方產生混合層,而尾流區因受到大尺度渦流之作用而引致間歇 性 bleed flow 的發生。Flesch 與 Wilson[17、18]以風洞試驗評估樹木之受風特 性,並探討樹林對下游提供之保護區域大小及減風效果。國內方面,方德偉 [5]亦應用風洞實驗提出透過樹林風速剖面之迴歸公式,並藉樹木疏密度和排 列方式的改變檢視不同下風距離相應之平均風速和紊流參數,以瞭解其對森 林中的尾流及森林之上混合層流的影響。 至於有關典型的數值模擬研究方面,Wilson 與 Flesch[19]採用二維數值 模式探討通過森林之速度剖面變化,並與 Raynor[20]所量得之現場觀測結果 比對後得到不錯的吻合度。Su 等[21]應用大渦流模擬 (large eddy simulation, LES)方法針對中性分層流(neutrally stratified flow)通過森林進行風場預測,且 獲得了與現場觀測結果相若之結果。Patton 與 Davis[22]亦藉大渦模擬方法之 預測結果檢視森林區域之大氣中化學物質之延散情形。Watanabe[23]針對水 平與垂直皆為均勻分佈之樹林,以三維大渦模擬探討樹林上方之紊流結構。

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15 Yue 等[24, 25]也應用大渦流模擬的方法針對樹冠情況之風場預測。Yamaguchi 等[26]利用移動式測風塔量測單棵松樹下游不同位置之平均風速以及紊流動 能,據以界定阻力係數與疏密度之關係,並納入數值模式後對實驗的結果進 行驗證。Shaw 與 Schumann[27]應用大渦流模擬數值方法模擬二維及三維大 氣邊界層通過具有樹林複雜地況之風場。模擬中將隨著不同高度而改變之阻 力係數以源項(source term)的方式納入動量方程式中,藉以反映出非均勻樹林 群 之物理 效應。 在運用 k-紊流 模 式 (turbulence kinetic energy-dissipation turbulence model)之模擬計算例子中,將樹冠部份以源項納入控制方程式的概 念亦見於 Yamada[28]、Uno 等[29]、Svensson 與 Haggkvist[30]、Green[31]、 Hiraoka[32]、Liu 等[33]、Sládek 等[34]以及 Mochida 等[35]的模擬研究裡(參 見表 2-3)。近期,Fang 等[36, 37]也延伸了同樣的概念,運用大渦流模擬數值 方法準確地模擬出單株與雙株針/闊葉樹後之風場。本研究沿用同樣的概念進 行樹之風場模擬,相關樹冠源項處理之觀點與方式詳第四章第一節中所述。

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16 表 2-3 k-紊流模型樹冠部份之源項 Hiraoka[32] p 1 C 0.81.2 Da i C u V  uur u Fi i 3/2 p 1 C a k k   Yamada[28]: p 1 C 1.0 Uno 等[29]: p 1 C 1.5 Svensson 與 H ggkvist[30]: p 1 C  1.95 Da i C u V  uur u Fi i Cp 1Fk k   Green[31]: p 1 p 2 C C 1.5 Liu 等[33]: p 1 p 2 C 1.5 , C 0.6 Da i C u V  uur u Fi i 4C a VD uuv p 1 i i p 2 D C u F C C a V k        uur 資料來源:本研究整理

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第四節 行人風場評估標準與方式

一、考慮因素 在行人高度的範圍內,評估風場舒適或安全程度時應考慮:人體受風的 感受、強風發生的機率、陣風風速及評估地區的使用特性。 (一)人體受風感受 人體受風感受具有主觀性,因人的性別、年齡和身體的狀況而異。例如, Hunt 等[38]在風洞進行人體受風舒適性試驗結果顯示,在風速小於 6m/s 時, 行人的活動會受到影響;當風速超過 15m/s 時,一般人行走會發生困難;當 風速超過 20m/s 時,行走甚至會發生危險。 (二)強風發生機率 行人風場中當高風速發生的機率高時,行人感覺干擾的程度增強。然而, 強風發生機率高於何等值視為頻繁亦具主觀性。典型者,依據 Penwarden[39] 現場調查的結果,當強風發生機率大於 10%時,行人會感到困擾,而當強風 出現機率超過 20%時,行人會要求對風場提出改善。 (三)陣風風速 自然風常具有時變性,風速劇烈的變動也會影響人體受風吹襲時的感受, 甚至引起不舒服的感覺。通常可將陣風風速( )定義為: (2-1) 其中, 為水平方向之平均風速,G 為陣風因子(一般介於 1.0~3.5 之間)。 為 紊流的擾動(均方根速度)。當擾動速度增大時,氣流的時變程度愈劇烈,行 人覺得不舒適的感覺會較為嚴重。 (四)評估地區的使用特性 行人於室外所從事活動的形式,也可能會影響到人體的受風感受。一般 而言,人在步行時可以忍受較強的風速,但在坐定休息時則較不喜歡有強風 出現。

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18 二、典型的評估標準

加拿大西安大略大學(University of Western Ontario)的風工程研究團隊將 活動分類為長時間停留、短時間停留、慢步行走與快步行走等四種活動形式, 並建議了相應行人風舒適度之評估標準(參見表 2-4)。類似之評估標準亦見於 表 2-5。 表 2-4 西安大略大學研究團隊建議的行人風評估標準 資料來源:本研究整理 表 2-5 Apperley 與 Vickery 建議的行人風評估標準 分類 區域 風速極限 發生頻率 1 廣場、公園 6 m/sec 1000 小時/年以下 2 人行步道、行人區 12 m/sec 50 小時/年以下 3 上述所有區域 20 m/sec 5 小時/年以下 4 上述所有區域 25 m/sec 1 小時/年以下 資料來源:[40] 在加拿大 RWDI 公司建議的評估標準中(參見表 2-6),乃將舒適度分為坐 定(長時間停留)、站立(短時間停留)、行走及不舒適等四個等級: (1) 坐定:若陣風風速小於 4.7m/s 的發生機率大於 80%,則坐定時可感受舒 適的風場環境,可長時間停留本區,作為露天咖啡座或室外休憩 活動形式 適用區域 可容忍風速 相對舒適度 不舒適 危險 長時間停留 室外餐廳 5.0 m/s 7.0 m/s 20 m/s 短時間停留 公園、廣場 7.0 m/s 9.5 m/s 20 m/s 慢步行走 公園 9.5 m/s 12.5 m/s 20 m/s 快步行走 人行道 12.5 m/s 16.0 m/s 20 m/s 發 生 頻 率 小於 1 次/週 小於 1 次/月 小於 1 次/年

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19 處。 (2) 站立:當陣風風速介於 4.7~6.9m/s 的發生機率大於 80%時,可吹動頭髮 或寬鬆的衣服。此等風速若發生於大樓進出口處、公車站或短暫停 留的區域時並不會造成行人太大的困擾。 (3) 行走:當陣風風速介於 6.9~8.9m/s 的發生機率大於 80%,可造成地面揚 塵或紙片飛舞。由於行進間的行人較能接受稍大的風速,故此風速 範圍在行人道、廣場或公園等行人活動區仍可被接受。 (4) 不舒適:指陣風風速大於 8.9m/s(約為五級風)的發生機率大於 20%時,令 逆風行走的行人感受到阻力,舉傘亦有困難,對行人的活動是有 妨礙的並造成不舒適的感覺。 此外,若陣風風速達十級風的發生機率大於 3 次/年時,則更可能會危害 到行人的安全。一般而言,若某一風速範圍的發生機率大於 80%,則對相應 行人活動(坐定、站立、行走)的風環境是可以接受的;反之,若發生機率低 於 80%,則其舒適性等級並不符合相應區域的實際用途,有需要考慮修改建 築物之設計、改善風場環境或更改使用目的。 表 2-6 RWDI 建議的行人風評估標準 舒 適 性 等 級 陣風風速 發生機率底線 坐 定 ≦ 4.7 m/s 80% 站 立 ≦ 6.9 m/s 80% 行 走 ≦ 8.9 m/s 80% 不 舒 適 8.9 m/s 20% 安 全 性 有 影 響 24.4 m/s 3 次/年 無 影 響 24.4 m/s ≦ 3 次/年 資料來源:本研究整理 丁育群與朱佳仁[6]建議國內環境風場的標準可依據都市使用分區,而有 不同的標準。以住宅區為例,因其為一般民眾居住休息的地方,可容許的強

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20 風發生機率應較低。其他如學校、公園、露天座椅、公車站、醫院、療養院 及幼兒遊戲設施等有老弱殘障人士常出沒處等風害敏感地區,可容許的強風 發生機率亦應較低。其他如商業區為上班、購物之處,發生強風的機率則可 以稍微放寬。至於國內住商混合使用的區域,環境風場的標準應採用住宅區 之標準(參見表 2-7)。 表 2-7 住宅區行人風評估標準 分類 等 級 陣風風速極限 發生頻率 機率 1 宜 人 8 m/sec 每月 180 小時 25% 2 擾 人 11 m/sec 每月 50 小時 7% 3 危 險 25 m/sec 每年 3 小時 0.03% 資料來源:[6] (1) 宜人:若陣風風速大於 8 m/s 的發生機率低於 20%,對行人屬舒適的風場 境,該區域可作為停留等待區或室外休憩處。 (2) 擾人:當陣風風速大於 11 m/s 的發生機率高於 5%,此等風速可使大樹搖 晃、電線呼呼有聲、舉傘困難。若發生於大樓四周行人出沒處,則 可令行人感覺困擾。 (3) 危險:陣風風速大於 25 m/s 時會造成行人被陣風吹倒,路樹、木造建築 物可能會被吹壞。若其發生機率大於每年 3 次(3 小時),則定義為 危險等級。 另一方面,表 2-8 顯示國際間先進國家針對行人環境風場所建議的評估 標準,主要是以蒲福風力等級為基礎並加以修正而訂出的。 三、評估方式 在從事建築物周遭行人風場的分析與評估時,常可依據風洞實驗或數值 模擬預測的結果來評估建築物的行人風場。依據所引用之評估基準,可以採 用的評估方式計有絕對評估法、相對評估法和風速發生機率評估法:

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21 表 2-8 國際間其他建議之行人風評估標準 評估標準 使用目的 風速 範圍 (m/s) 發生機率底限 Lawson 與 Penwarden (1975) 長時間停留 <4.0% 站 立 5.5 <4.0% 行 走 8.0 <4.0% 不舒適 13.9 >2.0% Isyumov 與 Davenport (1975) 長時間停留 >3.6 <1.5% 短時間停留 >5.3 <1.5% 行 走 >9.8 <1.5% 危 險 >15.1 >0.02% Hunt 等 (1976) 長時間停留 > 6 <10% 公園、廣場 >9 <10% 不舒適 >9 >1% Melbourne (1978) 長時間停留 >10 <0.075 短時間停留 >13 <0.075 行走 >16 <0.075 危 險 >23 >0.075 Boston (1981) 舒 適 >13.9 <1.0% 不舒適 >13.9 >1.0% Murakami 等 (1986) 露天餐廳 >10 <10% 公 園 >10 <22% 人行道 >10 <35% 危 險 >20 >1.5% San Francisco (1989) 坐 定 >3.1 <10% 行 走 >4.9 <10% 危 險 >12 >0.011% 資料來源:[6] (一)絕對評估法 本方法主要是依據人體對於舒適、不舒適及危險等不同感受所對應之風 速值與建築物周遭之風速進行比較,藉以判斷行人封場是否合於標準。一般

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22 而言,當風速 V < 3m/s 時,風場是十分宜人的;當風速 V > 5m/s 時,會令人 覺得有些不舒服;當風速 V > 10m/s 時,會令人覺得非常不舒適;當風速 V > 15m/s,步行會感到困難;當風速 V > 20m/s,則可能會危及到行人的安全。 但由於人體受強風影響的敏感度與性別、年齡、身體狀況和所進行的活動有 關,故難以訂出廣泛適用於不同情況的評估標準。 (二)相對評估法 本法乃計算建築物周遭的風速與一個基準風速之比值,再以此比值來判 斷風速變動的情形及行人風場受建築物影響的程度。而依據目的不同,所採 用之基準風速如建築物興建前之風速、建築物氣象站的平均風速、相應地況 大氣邊界層高度的平均風速、建築物頂的風速等。 除了前述以平均風速的風速比作為評估的對象外,另可計算在不同風向 下建築物周遭區域之陣風風速與平均風速的比值,據判斷各測點位置風況受 建築物影響的程度。 (三)風速發生機率評估法 本評估法將風洞模型試驗或數值模擬預測得之地面風場結果配合基地之 風速、風向資料以計算高於某設定強風發生機率,據以判定各位置的行人舒 適度。若以韋伯機率(Weibull distribution)函數來描述個風向之平時風速發生 機率,則可以下式計出算第 i 個風向情況風速的累積機率函數: (2-2) 其中, 為機率函數之形狀參數, 為尺度參數,下標 i 代表風向。據此,風 速超過 U 值的總發生機率為 (2-3) 其中, 為各風向的發生機率。現地風速、風向的機率參數 、 、 可由附 近氣象站長期觀測資料統計求得。 較之於前述的兩種評估方法,由於本評估法在考慮行人風場的基本特性 上相對地較為完備,故更能反應實際行人風場受影響的程度,在目前環境風

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23 場評估中常被使用。

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第 三 章 風 洞 試 驗

針對台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒 3 種典型樹種,研究中首先以風洞試 驗針對模型樹後垂直斷面進行風速剖面的量測,其結果除了提供數值預測風 場比較之佐證資料外,並可據以決定出選定樹種的樹冠特性參數。

第一節 實驗設施配置與設備

本研究風洞試驗係於內政部建築研究所風洞實驗室進行,風洞本體為一 個垂直向的封閉迴路系統,總長度為 77.9 公尺,最大寬度為 9.12 公尺,最大 高度為 15.9 公尺。風洞本體具有兩個測試區段,第一測試區中配置有兩個旋 轉盤,第一座旋轉盤直徑 1 公尺,設置於距測試區入口處 3 公尺處,供一般 流體力學研究用;第二座旋轉盤直徑 2.6 公尺,置於可移動之軌道上,定位 於距測試區入口端約 25.5 公尺或 31.5 公尺處,並以機械控制使其做旋轉及上 下運動,以進行建築物受風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試驗為主。 第二測試區則配置一座旋轉盤,位於風洞本體整流段出口 15m 處,轉盤直徑 為 2.6 m,主要用途以橋梁測試為主。 研究中之試驗乃於第一測試段之第一旋轉盤進行。本測試段長 36.5 公尺、 寬 4 公尺、高 2.6 公尺,最大風速為 30 公尺/秒。風洞頂部為可調式上蓋板, 以維持測試段縱向壓力梯度為零之環境,並將阻塞比降至最低。實驗室相應 性能參數與配置圖如圖 3-1 所示。 一、循環式風洞性能 (一)、風洞尺寸 測試段長度 36.5 m 測試段寬度 4 m 收縮比 4.7:1 (二)、驅動系統

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25 總功率 500 kW 風扇型式 直接傳動軸流式風扇 風速控制 變頻器控制馬達轉速 (三)、風速 最高風速 30 m/s 邊界層厚度 最高 200 cm 紊流強度 測試區處約 2 % (四)、順風向壓力梯度 零梯度由可調式上蓋板調整 圖 3-1 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 資料來源:內政部建築研究所 二、風速量測設備 (1) 熱線流速儀

研究中採用熱線流速儀(AIR VELOCITY Model 8465)進行來流風速之量 測,位置設於模型樹樹幹側方遠處,以避免造成風場之干擾(參見圖 3-2)。每

次試驗中風速量測之採樣頻率為 1000Hz,採樣時段為 64 秒。

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圖 3-2 熱線流速儀設置圖 資料來源:本研究整理

(2) Cobra 流速儀

試驗中模型樹下游斷面風速的量測係採用響尾蛇探針(TFI Cobra probe Series 100,參見圖 3-3)。Cobra 探針具有 3 個壓力孔,可以量測 3 個自由度 的風速,其最高動態反應頻率為 2000 Hz,速度量測範圍為 2m/s 至 100m/s。 基於壓力孔設計之限制,量測結果之有效性限於來流方向45的範圍內。本 風速量測之採樣頻率為 1000Hz,採樣時段為 64 秒。 在量測模型樹後之風速剖面時,Cobra 探針乃固定於一個移動機構(參見 圖 3-4),可經由電腦控制探針之水平(y)與垂直(z)位置。 圖 3-3 Cobra 探針照片圖 資料來源:本研究整理

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圖 3-4 移動機構照片圖 資料來源:本研究整理

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第二節 模型製作

風洞試驗中係針對台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒 3 個樹種在單株與排樹 的情況下進行樹後斷面風速剖面的量測,其成果可以作為數值預測風場比較 之依據外,也可以決定出數值模擬中樹種的樹冠特性參數。 研究中模型樹的製作乃以表 1-1 的數據為基準,並參酌行政院農委會[1] 與國立自然科學博物館[2]的網站照片與實地觀察,將 3D 列印而得的樹幹、 樹枝與樹葉組件組合而成。標定之模型樹具有以主幹為軸心的軸對稱形狀, 且因製作的細緻而可以精確掌握各模型樹的外觀與樹體特性的一致程度。 一、模型樹外關與尺寸 圖 3-5 顯示台灣欒樹模型的標準外觀,其縮尺比例為 1:50。樹冠係由上 下兩個弧面組合而成,依據圖 3-6 樹形之符號說明,模型樹高(H)為 30cm, 樹冠寬(W)為 24cm,樹冠高(HC)為 19.5cm,樹幹高(HS)為 10.5cm,樹冠比(HC/H) 為 65%,其他相關尺寸詳見表 3-1。 (a)側視 (b)俯視 圖 3-5 台灣欒樹模型外觀 資料來源:本研究整理 圖 3-7 顯示瓊崖海棠模型的標準外觀,其縮尺比例為 1:67。樹冠近似於 傘形,依據圖 3-6 樹形之符號說明,模型樹高(H)為 30cm,樹冠寬(W)為 27cm, 樹冠高(HC)為 16.5cm,樹幹高(HS)為 13.5cm,樹冠比(HC/H)為 55%,其他相 關尺寸詳見表 3-1。

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29 圖 3-6 樹形符號說明圖 資料來源:本研究整理 (a)側視 (b)俯視 圖 3-7 瓊崖海棠模型外觀 資料來源:本研究整理 圖 3-8 顯示阿勃勒模型的標準外觀,其縮尺比例為 1:50。依據圖 3-6 樹 形之符號說明,模型樹高(H)為 30cm,樹冠寬(W)為 20cm,樹冠高(HC)為 19.5cm,樹幹高(HS)為 10.5cm,樹冠比(HC/H)為 65%,其他相關尺寸詳見表 3-1。 W H HC HS DS

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30 (a)側視 (b)俯視 圖 3-8 阿勃勒模型外觀 資料來源:本研究整理 表 3-1 三個樹種模型尺寸表 (單位:cm) 樹種 樹高 (H) 樹冠高 (HC) 樹冠寬 (W) 樹幹高 (HS) 樹幹直徑 (DS) 台灣欒樹 30.0 19.5 24.0 10.5 1.0 瓊崖海棠 30.0 16.5 27.0 13.5 2.0 阿勃勒 30.0 19.5 20.0 10.5 1.2 資料來源:本研究整理 二、樹冠密度之檢核 樹冠是樹的冠、莖、枝、和樹葉的組合結構,依據美國農業部(USDA) 提出的樹冠分類指引[8],樹冠密度(crown density)是相應於阻擋光線穿透樹冠 的百分比。在估計樹冠密度的方法上,USDA 建議由 7 至 8 個人在樹體四周 環繞並進行觀察,在過程觀察者應選擇未壓實樹冠比的基礎上的點來建立樹 冠的輪廓。樹冠的輪廓應包含分支尖端的正常預期樹冠部份,並排除表冠下 方的樹葉(參見圖 3-9)。每一位觀察者在環視後,則依據指引提供之密度參考 表(參見圖 3-10)估計樹冠之簇葉通視度(foliage transparency)或樹冠密度。當觀

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31 察成員的評估結果相差超過 10%的評級時,應檢討他們決定評級的原因並作 必要之修正。再無進一步爭議的情況下,最後樹冠密度的相應值則是所有觀 察者評級結果的平均值。 圖 3-9 樹冠輪廓說明圖 資料來源:[8] 圖 3-10 樹冠密度參考值對照圖 資料來源:[8]

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32 研究中針對 3 種模型樹,依據 USDA[8]的建議,由 8 個人進行模型樹樹 冠密度的估計,並求得相應之平均值。由表 1-1 之整理結果得知,台灣欒樹、 瓊崖海棠與阿勃勒相應之樹冠密度分別為 80%、70%與 55%。當樹冠密度之 平均值與既定樹冠密度差異顯著時,則作模型樹之修改,直至相對差異低於 3%為止。

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33

第三節 試驗結果

風洞試驗中係針對台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒 3 個樹種進行樹後斷面 風速剖面的量測,其成果可以作為數值預測風場比較之依據外,也可以決定 出數值模擬中樹種的樹冠特性參數。 試驗量測時典型的來流呈現低紊流強度之邊界層風速變化形態(參見圖 3-11),邊界層厚度()約為 6cm,在樹高(H)位置的來流風速(UH)為 8.10m/s。 (a)平均風速 (b)風速擾動量 圖 3-11 試驗來流縱向風速剖面圖 資料來源:本研究整理 一、台灣欒樹情況 圖 3-12 與圖 3-13 顯示台灣欒樹樹後 3H 與 4.5H 後的無因次風速(u/u )H 剖面結果(H=30cm,u =8.10 m/s)。由量測結果可見,因為樹的遮蔽,在下風H 處發生了近乎樹體形狀的減速區域,其風速剖面呈左右對稱的形態。經比較 圖 3-12 與圖 3-13 後亦可見,愈往下游,尾流(wake)區域的幅員因擴散(diffusion) 效應的作用而變大,但是風速也逐漸回復,使得減速的程度變弱。 X X X X X X X u(z) / uH 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 z /X X X X X X X Iu(%) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 z /

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34 圖 3-12 台灣欒樹樹後量測平均風速剖面 (x/H=3) 資料來源:本研究整理 圖 3-13 台灣欒樹樹後量測平均風速剖面 (x/H=4.5) 資料來源:本研究整理 二、瓊崖海棠情況 圖 3-14 與圖 3-15 顯示瓊崖海棠樹後 2.5H 與 4H 後的無因次風速剖面結 果。由於樹的遮蔽,同樣在下風處發生了近乎樹體形狀且呈左右對稱的減速

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35 區域。也因為擴散(diffusion)效應的作用,相對低速速尾流區域的幅員朝著下 游的方向擴大,但風速也逐漸的回復。 圖 3-14 瓊崖海棠樹後量測平均風速剖面 (x/H=2.5) 資料來源:本研究整理 圖 3-15 瓊崖海棠樹後量測平均風速剖面 (x/H=4) 資料來源:本研究整理 三、阿勃勒情況 圖 3-16 與圖 3-17 顯示阿勃勒樹樹後 2.5H 與 4H 後的無因次風速(u/u )H

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36 剖面結果(H=30cm,u =8.10 m/s)。與台灣欒樹(圖 3-12 與圖 3-13)以及瓊崖海H 棠(圖 3-14 與圖 3-15)的量測結果相較,由於阿勃勒的枝葉密度較低(55%), 遮蔽的程度較弱,在樹後近場尾流區(near-wake region)的剖面風速也呈現較 低的情況。 圖 3-16 阿勃勒樹後量測平均風速剖面 (x/H=2.5) 資料來源:本研究整理 圖 3-17 阿勃勒樹後量測平均風速剖面 (x/H=4) 資料來源:本研究整理

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38

第 四 章 數 值 模 擬 與 排 樹 減 風 探 討

數值模擬在本研究的工作包括兩個部份。第一階段的工作是以風洞模型 試驗中樹後斷面風速剖面的量測結果為依據,藉由平行的風場計算與結果比 對,以試誤法找出數值模擬中 3 種典型樹種的樹冠風力參數。第二階段的工 作則是待風場預測數值模式確立後,再針對真實(無縮尺)情況,藉 3 種典型 樹在排樹樹高與樹距之改變下,系統化地進行樹後的風場預測,繼而整合所 有的風場風場結果評估排樹的減風功能與效益,進而歸納出植栽減風設計的 一般性原則。

第一節 數值方法

風場之模擬係採用微可壓縮流(weakly-compressible-flow method [9], WCF)的動力計算方法。本方法已成功地應用於針葉與闊葉單株與雙株的風場 預測,具有不錯的預測能力[36, 37]。 一、紊流流場計算(不包括樹冠部份) 對黏滯性流(viscous flow)而言,其相應之連續及動量方程式分別為 0 ) V ( t       (4-1) V p 1 V V t V  2         (4-2) 式中 、Vur、 p 與 t 分別代表流體密度、速度向量、壓力及時間,而為運動 黏滯度(kinematic viscosity)。 在密度僅為壓力的函數的假設條件(即 barotropic 假定)下,對低馬赫數流 (low-Mach-number flows)而言,空間平均形式紊流(turbulent flow)控制方程式 可近似為如下之指標符號形式(「¯」意指平均,「’」表示擾動量,ui ui ui,

p p

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39 0 ) u c ρ ( x t p j 2 j       (4-3)                                 j i j i j i j i j i j i j j j j i i x u ) u u u u ( u u u u u u x x ) / p ( x u u t u (4-4) 基於雷諾平均的假設,(4-4)式成為                               j i ij j i j i j * j j j i i x u ) u u 3 1 u u ( x ) p ( x x u u t u (4-5) 其中, ij為 Kronecker delta 函數, * uiuj 3 p p     。 再根據渦流粘滯性之假設(eddy-viscosity hypothesis),次網格紊流剪應力 項可表示為 ij t ij j i j i uu ) S 3 1 u u (       , ) x u x u ( S j i i j ij      (4-6) 其中

t為紊流粘滯度(turbulence diffusivity)。而(4-5)式可重寫為 ) ( x ) p ( x x u u t u ij j * j j j i i                (4-7) 式中ij乃片流粘性剪應力以及次網格紊流剪應力的和,而(4-6)式中的紊流擴 散係數(t)則依據 Germano 等[41]建議之動態次網格型式而得。 (4-3)式及(4-7) 式即為本數值模擬中流場解析之依據。 模 擬 中 針 對 各 計 算 網 格 採 用 MacCormack[42] 之 顯 隱 格 式 , 配 合 以 Crank-Nicolson 法[43]以進行時變紊流流場之模擬計算。 在數值邊界條件之處理上,對一個穩定邊界(stationary boundary)而言, 計算中於鏡射點(phantom point)給定適當物理量的方式,以正確地反應邊界之 特性。於速度方面,入流截面之平均速度以既定之分佈為基準。固體邊界(solid boundary;如地面)以不可滑動(no-slip)與不可穿透(impermeable)之條件處理;

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40 出流與其他可穿透邊界(不含枝葉網格部份)之鏡射點則以零梯度之物理特性 給定之。在壓力方面,除將出流截面之平均壓力給為零值以定義出流場參考 壓力外,其餘邊界之壓力給定均基於零梯度之物理特性。 二、樹冠中樹體效應之模擬 針對樹木的風場預測,採用直接模擬(direct simulation),亦即將樹體以極 為細密固體網格(grid)表徵的方式,以現今電腦能提供的計算能量而言,是不 經濟且難以負荷的。此外,在實際的執行面上亦相當困難。現階段較為可行 的是將枝葉的部份視為透式的孔隙介質,而將樹體之物理效應適當地反映在 流場計算中。 因此,本研究的數值模擬中,乃將枝葉的部份視為透式的孔隙介質,而 於枝葉的計算網格中賦以適當之源項以反映出其實質之物理效應。計算中樹 之主幹仍視為固體,而在透式枝葉相應網格部份之動量方程式為[27] i D j i j * j j j i i ) (f ) ρ τ ( x ) ρ p ( x x u u t u             (4-8)

其中,uurfD   C a u V ,D uur C a v V ,D uur C a w VD uur T (4-9)

i D j i j * j j j i i ) (f ) ρ τ ( x ) ρ p ( x x u u t u             (4-10) 而 CD為相應於樹冠之阻力係數;a 為單位體積中的葉面面積。 儘管理論上(4-9)式可以用以解析流體通過樹冠部份的風場,然基於 CD 與 a 值在個別估算上的困難度,且考量在實際風力評估的便利性,將 CD與 a 值作合併的考量不失為一個有效的抉擇[36 , 37]。因此,當樹冠枝葉分布為等 向且均勻時,可將 CD與 a 合併而得

uurfD   CD au V ,uur  CD a a v V ,uur  D aCuur w VT (4-11)

(55)

41 三、風場模擬計算 以台灣欒樹單株情況的計算為例,計算區域在主流(x)向的長度為 35H(樹 高);若以樹幹中心為座標原點,上游距離為 5H,下游距離為 30H。此外, 計算區域在水平(y)與垂直(z)方向之高度分別為 13.33H 與 6.67H。計算區域之 外緣與樹皆保持足夠的距離以避免造成風場預測之誤差。 在數值計算網格的建構上,研究中針對樹體之模擬分成樹冠與樹幹兩個 部分。其中,樹幹依模型外型進行格網建置建模(參見圖 4-1),表面採非結構 化網格均勻分布,最小網格大小為 0.01 m,計算時視其表面為不可穿透 (impermeable)且不可滑動(no-slip)之固體。另一方面,台灣欒樹的樹冠部分則 依據樹之輪廓採用類似於蘑菇形的網格分佈,此區域在計算中需加入樹冠源 項以模擬風通過樹冠之效應。風場計算中,樹部份與全計算域的網格數量為 分別為 21,475 與 1,559,247 個。 圖 4-1 台灣欒樹計算網格圖 資料來源:本研究整理

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42

第二節 樹冠風力參數之探求

為了要尋求台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒相應的樹冠風力參數(CDa值), 研究中以風洞模型試驗中模型樹後斷面風速剖面的量測結果為基準,以試誤 的方法設定不同的 CDa值,並藉由平行的風場模擬計算與試驗量測結果的比 對,最後再由量測點試驗值與同位置模擬結果間相應於最小相對誤差的情況 決定出相應樹冠風力參數的最佳化結果。 一、台灣欒樹情況 當假設樹冠風力參數具有等向(isotropic)與均勻(homogeneous)的特性時, 圖 4-2 顯示台灣欒樹情況樹後兩個斷面風速剖面量測值與同位置模擬結果間 正規化均方根誤差(normalized root mean square error; NRMSE)隨著 CDa的變 化關係。在兼顧樹後 3H 與 4.5H 處風速剖面整體吻合度的考量下,台灣欒樹

最佳之 CDa值為 750,相應之正規化均方根誤差或平均相對誤差與相關係數

分別 4.2%與 0.964。

圖 4-2 台灣欒樹情況預測平均相對誤差之變化 資料來源:本研究整理

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43 圖 4-3 與圖 4-4 分別顯示瓊崖海棠與阿勃勒的結果。瓊崖海棠最佳之 CDa 值為 568,相應之正規化均方根誤差或平均相對誤差與相關係數分別 6.1%與 0.943;阿勃勒最佳之 CDa值為 351,相應之正規化均方根誤差或平均相對誤 差與相關係數分別 5.5%與 0.966。 圖 4-3 瓊崖海棠情況預測平均相對誤差之變化 資料來源:本研究整理 圖 4-4 阿勃勒情況預測平均相對誤差之變化 資料來源:本研究整理

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44 當採用最佳化的樹冠風力參數(CDa值)時,圖 4-5 至圖 4-6、圖 4-7 至圖 4-8、圖 4-9 至圖 4-10 分別顯示相應於風洞模型試驗量測中台灣欒樹、瓊崖海 棠與阿勃勒樹後風速剖面的模擬結果。與試驗結果比較(圖 3-12 至圖 3-17), 其相對誤差分別為 4.2%、6.1%與 5.5%。 圖 4-5 台灣欒樹樹後平均風速剖面模擬結果 (x/H=3) 資料來源:本研究整理 圖 4-6 台灣欒樹樹後平均風速剖面模擬結果 (x/H=4.5) 資料來源:本研究整理

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圖 4-7 瓊崖海棠樹後平均風速剖面模擬結果 (x/H=2.5) 資料來源:本研究整理

圖 4-8 瓊崖海棠樹後平均風速剖面模擬結果 (x/H=4) 資料來源:本研究整理

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圖 4-9 阿勃勒樹後平均風速剖面模擬結果 (x/H=2.5) 資料來源:本研究整理

圖 4-10 阿勃勒樹後平均風速剖面模擬結果 (x/H=4) 資料來源:本研究整理

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第三節 真實情況排樹減風效果之模擬與檢討

待獲得了台灣欒樹、瓊崖海棠與阿勃勒的最佳化樹冠風力參數(CDa 值) 後,研究中繼而針對實際(無縮尺)排樹的情況,以數值模擬的方法針進行風 場預測與分析,以系統化檢討在不同樹幹與樹幹間距(S=1.2W、1.5W 與 1.8W) 以及不同樹高(H=6m、9m 與 12m)的情況下排樹後地面 2 公尺高處風場的變 化,據以檢討 3 個樹種、3 個樹間距與 3 個不同樹高對行人風場之影響。 在風場的數值模擬中,來風採用相應於鄉村的 C 地況情形,大氣邊界層 指數律值與邊界層厚度分別為 0.15 與 300m,並針對蒲福風力等級六級風的 情況(距離地面 2 公尺高的風速為 8.64m/s)進行風場計算。 一、地面風場模擬結果 針對台灣欒樹的情況,圖 4-11 至圖 4-13 分別顯示在 3 個樹高、3 個樹間 距情況下,距離地面 2 公尺高處的無因次風速等值圖。當樹高為 6m 時,由 圖 4-11 之結果可見,在緊鄰樹後的近尾流區(near wake)中氣流因為受到擠壓 而使得地面風速先行增加,直至樹後的遠尾流區(far wake)才開始發生減風的 現象。樹間距愈大時,於遠尾流區地面風速減少之程度愈不明顯。此外,樹 正後方受到樹冠之遮蔽故風速較低,樹與樹間空隙後方則有因氣流之擠壓而 有局部加速的情形,導致樹後地面風速等值線呈現波浪形的走向,而此波浪 形走向的程度隨著樹間距的增加而更形明顯。圖 4-11 至圖 4-13 也顯示,隨 者樹高的增加,樹後地面風速沿著縱(x)向先增後減的變化程度更為顯著。 圖 4-14 至圖 4-16 以及圖 4-17 至圖 4-19 為相應於瓊崖海棠與阿勃勒的地 面風場結果,圖中呈現地面風速的變化趨勢大致和台灣欒樹的情況類似。 二、橫斷面平均地面風速的縱向變化趨勢 針對圖 4-11 至圖 4-19 的結果可以進一步地整合而獲得地面 2 公尺高橫 斷面平均風速沿著縱(x)向的量化變化。圖 4-20 至圖 4-22 可見,當樹高為 6m 且樹間距為 1.8 倍樹寬(W)時,距地面 2 公尺高的來流風速(8.64 m/s)在排樹後 發生減風效果的區域約在樹後 1 至 14 倍樹高的範圍內,而此減風範圍隨著間 距比(S/W)的減小與樹高之增加則擴大至約 1 至 17 倍樹高的範圍。

(62)

48 (a) 間距比 S/W=1.2 (b) 間距比 S/W=1.5 (c) 間距比 S/W=1.8 圖 4-11 台灣欒樹排樹地面高 2 公尺處風速等值圖 (H=6m) 資料來源:本研究整理

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49 (a) 間距比 S/W=1.2 (b) 間距比 S/W=1.5 (c) 間距比 S/W=1.8 圖 4-12 台灣欒樹排樹地面高 2 公尺處風速等值圖 (H=9m) 資料來源:本研究整理

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50 (a) 間距比 S/W=1.2 (b) 間距比 S/W=1.5 (c) 間距比 S/W=1.8 圖 4-13 台灣欒樹排樹地面高 2 公尺處風速等值圖 (H=12m) 資料來源:本研究整理

數據

圖 3-2  熱線流速儀設置圖                                          資料來源:本研究整理  (2) Cobra 流速儀
圖 3-4    移動機構照片圖                                          資料來源:本研究整理
圖 4-2    台灣欒樹情況預測平均相對誤差之變化                        資料來源:本研究整理
圖 4-8    瓊崖海棠樹後平均風速剖面模擬結果  (x/H=4)                  資料來源:本研究整理
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參考文獻

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