大氣污染物在城市下墊面擴(kuò)散的分析與模擬研究

大氣污染物在城市下墊面擴(kuò)散的分析與模擬研究伴隨著人類社會的迅速發(fā)展,城市空氣質(zhì)量問題受到愈來愈多人的關(guān)注,大氣污染物在城市的傳輸擴(kuò)散問題已成為近年來的研究熱點。相對中尺度范圍內(nèi)的污染而言,城市內(nèi)小尺度以及街區(qū)尺度的研究相對較少,而在小尺度以及街區(qū)尺度發(fā)生的污染事故卻較為常見。城市下墊面作為最復(fù)雜的下墊面,它綜合了建筑、裸地、草地、園林等多種下墊面特征,其流場的復(fù)雜性在于同時受到天氣尺度、小尺度與街區(qū)尺度的作用,同時也受到人類活動的影響。多尺度的綜合控制給研究城市空氣污染擴(kuò)散造成了極大的困擾,因此,在城市內(nèi)研究污染物擴(kuò)散的規(guī)律,及時準(zhǔn)確地預(yù)測污染物的時空分布特征,以便對污染物進(jìn)行控制或者發(fā)生污染物泄漏事故時采取緊急救援措施,具有十分重大的意義。本文首先詳細(xì)闡述了污染物傳輸擴(kuò)散的基礎(chǔ)理論,介紹了影響污染物傳輸擴(kuò)散的主要影響因子。利用在2011年10月份于甘肅省蘭州市榆中縣城區(qū)進(jìn)行的“事故物質(zhì)的大氣遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律”外場試驗(UrbanMeteorologicalandTracerExperiment,UMTE2011)的數(shù)據(jù),分析了城市下墊面的流場以及污染物濃度分布特征。隨后,構(gòu)建了WRF-fluent嵌套的模式模擬了此次污染擴(kuò)散試驗,檢驗其在城市下墊面的適用性。通過研究表明：(1)城市流場是天氣尺度、小尺度與街區(qū)尺度相互耦合作用及人類生活生產(chǎn)等多種因素的產(chǎn)物,因此城市流場更加復(fù)雜；受城區(qū)建筑物拖曳作用影響,城郊比城區(qū)風(fēng)速平均要大61%,同時城區(qū)內(nèi)部風(fēng)向差異明顯。(2)試驗區(qū)域內(nèi)站點平均湍流動能日變化明顯,且城區(qū)冠層頂?shù)耐牧鲃幽艽笥诔菂^(qū)內(nèi)近面層；城區(qū)與郊區(qū)的平均的湍流動能差異較??；湍流動能的起伏是由風(fēng)速與溫度共同作用的結(jié)果；水平方向上的相對湍流強度明顯大于垂直方向,城區(qū)的相對湍流強度明顯大于郊區(qū),且在城區(qū)中,城市冠層頂部的水平相對湍流強度大于城區(qū)近地面,而城區(qū)近地面的垂直相對湍流強度要大于城市冠層頂。(3)示蹤物軸線濃度隨主體風(fēng)向改變、平流輸送作用明顯；當(dāng)風(fēng)速較大時,平流輸送作用較強,從而使得沉降作用相對減弱；示蹤物停止釋放后,試驗區(qū)域內(nèi)的示蹤物濃度迅速降低,并逐漸變得均勻,對上下兩層污染物濃度隨時間變化進(jìn)行擬合,得出污染物濃度在釋放停止后呈冪指數(shù)下降。(4)WRF模式的模擬結(jié)果基本與實況相吻合,垂直風(fēng)場、溫度場的模擬效果要好于濕度場,且模擬天氣過程時,模擬結(jié)果稍滯后于實況。綜合模擬效果可知,WRF模擬結(jié)果可以當(dāng)作背景場進(jìn)入Fluent模式。(5)Fluent模擬風(fēng)場的結(jié)果顯示,城市建筑物對流場的拖曳作用非常明顯,城區(qū)內(nèi)流場因街道縱橫分布會產(chǎn)生分流和匯合,局部甚至有環(huán)流形成,流場在城區(qū)內(nèi)分布非常復(fù)雜；對于風(fēng)向的模擬,風(fēng)向平均絕對誤差在42.1。以內(nèi),風(fēng)速的平均相對誤差小于45%；同時,在風(fēng)速較小時,流場受到建筑群亂流擾動大,風(fēng)向誤差較大,而隨著風(fēng)力的增大,風(fēng)向的風(fēng)場強迫力增強,所以風(fēng)向的模擬誤差減小,而此時風(fēng)速受到的下墊面因素影響也會增大,從而致使風(fēng)速的相對誤差稍微增大。(6)Fluent可以模擬出示蹤物煙羽軸線隨主體風(fēng)向的改變,示蹤物濃度色帶邊緣的不規(guī)則以及軸線兩側(cè)形狀的不對稱可以看出城區(qū)建筑物對示蹤物擴(kuò)散影響明顯；對比示蹤物的模擬值與觀測,二者有相似的擴(kuò)散形態(tài),示蹤物整體都隨主體風(fēng)向傳輸擴(kuò)散,呈扇形分布；Fluent模擬值比觀測值的濃度階梯等級要大,相對于觀測值,分布更加集中,具體位置的模擬值與觀測值有量級差距。研究揭示了大氣污染物在城市下墊面?zhèn)鬏敂U(kuò)散的物理機制,初步構(gòu)建了WRF-Fluent嵌套的污染預(yù)報評估模式系統(tǒng),為建立污染事故的救災(zāi)以及事故后災(zāi)害評估提供理論依據(jù)。在城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)的大背景下,城市下墊面污染物傳輸擴(kuò)散的意義重大。目前,污染物在城市下墊面的傳輸擴(kuò)散的規(guī)律尚有很多不明之處,因此有必要該方面的外場試驗,并結(jié)合模式,不斷加深對污染物在城市下墊面?zhèn)鬏敂U(kuò)散規(guī)律的理解,而后將這些規(guī)律加入數(shù)值模式,進(jìn)而不