真實城市風場模擬器 (Urban Wind Tunnel)

2. 都市風場拓樸與微氣候效應 (Urban Flow Topology)

在都市微氣候探討中，工程技術人員常藉由觀測動態流線 (Streamlines) 分析局部風流機制，以識別潛在的風場風險區位。常見之觀測指標包含：

• 下洗風 (Downwash)：單一高聳量體面對高空強風阻滯時，氣流易被迫沿迎風立面下洗，於建築物底部周邊發展出高速擾動氣流。
• 角隅風 (Corner Stream)：主流繞經建築量體之銳角邊緣時，受幾何束縛產生流線壅塞，引發局部風速遽增。若確認此區對行人構成顯著不適，常於設計中導入退縮基座或邊緣導圓等收束手法。
• 穿廊風效應 (Channeling Effect)：風流途經兩棟量體間之狹窄通道時，因文氏管效應 (Venturi Effect) 迫使流速倍增。實務對策多為避開盛行風向直線通視，或適度植景以增加地表粗糙度，消耗微氣候動能。
• 高架結構與隧道風 (Elevated Structures & Tunneling)：橋樑與高架道路除了遮蔽陽光，更會強制改變流場邊界。本系統特於橋段幾何之兩端強制生成「落地橋台 (Abutments) 與牽引斜坡」實體模型，藉以截斷兩側風切逃逸路徑。此設定可逼真重現強風鑽入橋下淨空區域 (如常見之 5.5m 底部空間) 所誘發之極端加速現象。
• 尾流與迴流區 (Wake & Recirculation Zones)：量體背風側易衍生相對滯止之封閉渦流圈 (Vortices)。此區即使無強陣風疑慮，仍可能因空氣交換率低劣，衍生廢熱或懸浮物滯留等熱島效應課題。

3. 國際行人舒適度分析標準 (Pedestrian Comfort Criteria)

風洞試驗中工程慣例之行人觀測基準高度，落於地表 1.5m 至 2.0m 區間。雖然國內尚無強制一致的絕對風速門檻，本系統收錄三大國際主流風環境評估準則，供各戶初期方案交叉對照：

4. 陣風係數機率預測 (Gust Factor Estimation)

為推斷極端情況下陣風發生潛勢，本平台導入常態陣風係數 (Gust Factor) 換演邏輯：

• 學理依據：氣象歷史觀測中之「平均風速」一般指其 10 分鐘時均。參考世界氣象組織 (WMO) 準則及其推導之 Durst 轉換函數，其「3 秒鐘瞬間極端陣風」值常趨近該 10 分鐘時均之 1.52 至 1.60 倍。
• 工程係數引入：若套用均質開闊地亂流強度參數 (I_u ≈ 0.18) 及高斯極端值機率常數 (g ≈ 3.2) 演算，可得陣風乘數估值 1.58。故系統於陣風警示演算法中保守採用 1.58 倍作為極端陣風常數指標。然此係數純屬統計工程經驗式表達，實際街區亂流強度需仰賴嚴格之大渦模型機率分析 (LES) 以客觀釐清。

5. 次網格多孔隙模型與植被邊界 (Sub-grid Porous Media & Obstacles)

針對厚度細於物理網格解析度 (2m或1m) 之極度薄壁結構 (如：柵欄、圍牆) 與天然多孔屏蔽物 (如：行道樹、公園樹叢)，若強制轉化為實體邊界，將因「網格膨脹效應」產生不合理之嚴重尾流失真。為此，本平台搭載了次網格阻力分析機制：

• 動量阻力項 (Momentum Sink / Darcy-Forchheimer)：當系統解析由 OpenStreetMap 讀入的 `natural=tree` 或 `barrier=fence` 等景觀元素時，不再將網格封鎖為絕對固體 (No-slip wall)。取而代之的是賦予該局部幾何域「多孔透風係數」，流體能依循物理算式穿透該物體，唯其動量會衰減以模擬枝葉與格柵的拖曳阻力 (Drag force)。
• 視覺沉浸：在此高階物理模型加持下，這些多孔物體於 3D 體積渲染器中將以半透明「霧狀/網狀」呈現。使用者能直接觀察到風場色帶如何**實體滲透**樹冠叢，並且因為局部阻力而使得氣流降速、微小粒子開始聚集流轉，達到最高殿堂級的熱流分析視覺效果。

7. 行人舒適即時統計方法論 (Real-time Pedestrian Comfort Statistics)

本平台於量測點上方以 300ms 為採樣週期擷取瞬時風速，並維護最近 150 筆快照 (約 45 秒滾動平均) 做為統計基礎，提供以下指標：

• 均速 (Mean Speed)：滾動緩衝內所有快照的算術平均值，代表量測點於當前穩態下的代表性風速估算。
• 峰值 (Peak)：滾動緩衝內最高瞬時風速，供短暫陣風危害快速識別。
• P(V>4 m/s) 與 P(V>6 m/s)：快照中風速超過各門檻的幀比例，用以近似模擬穩態下超速機率。
• Lawson 評定：沿用英國起源之 Lawson Comfort Criteria 分級邏輯，以 P(V>4m/s) 為主要分級依據，A（<5%/坐姿）→ E（≥60%/危險）。

重要免責：本統計以「模擬快照幀比例」替代 Lawson 標準所定義的「年均超速機率」(Annual Exceedance Probability, AEP)，兩者在物理意義上有本質差異。正式 AEP 需結合完整風向風速聯合分佈（風玫瑰），對所有盛行風向分別模擬後加權積分方能取得。本工具之 Lawson 分級僅供初期定性方案篩比，不可用於正式環境影響評估或法定送審文件。

6. 避難遮蔽物與頂棚之垂直壓縮流現象 (Canopies & Vertical Flow Compression)

在現代都市開放空間與公園設計中，獨立頂棚 (Canopies) 與涼亭 (Shelters) 等設施不僅提供日照遮蔽，亦會對微氣候產生顯著之物理截斷作用。為還原此類開放式輕構造特徵，系統內建了專門的三維網格懸空解析邏輯：

• 無側壁懸空假定 (Column-Free Floating Roof)：系統解析地理資訊時，將具備頂棚特徵之量體自動判定為只有頂板而無牆面阻滯的懸空幾何體 (預設具備安全淨高與自訂板厚)。此設定確保流體接近時不會發生全立面的停滯反彈，而是迫使流體鑽入頂棚下方空間。
• 垂直壓縮與流速激增 (Vertical Constriction & Speed-up)：大量環境風進入頂棚下方時，因上方屋脊邊界之剛性屏障，使流動截面積遽減。依據連續方程式 (Continuity Equation)，此種「垂直向隧道效應」將迫使氣流在頭頂上方發生顯著加速。觀測者可於介面中透過 Y/Z 軸向剖面，清晰觀察頂棚底部風速放大的現象，協助評估該等公眾休憩區之物理風害風險。

8. 動態解析度與非均勻網格拉伸技術 (Non-uniform Z-Grid Stretching)

• 幾何階梯假象 (Staircase Artifacts)：傳統直角網格 (Cartesian Grid) 高度離散化往往導致地形與建築邊界形成階梯狀輪廓。當高速氣流貼地流動並撞擊此類離散邊界時，極易激發不合理的數值壓力尖峰與寄生迴流，嚴重干擾關鍵的地表微氣候預測。
• $\tanh$ 雙曲映射網格：為克服此系統性瓶頸，本引擎實施「動態解析度原則」。數學上，我們將邏輯索引空間 (Index Space) 透過雙曲正切函數 ($\tanh$) 映射至物理高度空間，利用非線性變換重新分配有限的切片數量。
• 計算精度效益：在完全不增加瀏覽器渲染及計算負載之前提下，此演算法自動將系統近地表區間 (Z=0~20m) 之網格實體解析度壓縮放大數倍。這不僅使氣流得以極度滑順地爬升、跨越等高線地形邊界，亦強化了邊界層對數風速廓線 (Logarithmic Wind Profile) 與地表拖曳阻力 (Surface Drag) 之解析還原度。