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(huì)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(diǎn)。相對(duì)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(duì)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(chǎng)的復(fù)雜性在于同時(shí)受到天氣尺度、小尺度與街區(qū)尺度的作用,同時(shí)也受到人類活動(dòng)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(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)污染物的時(shí)空分布特征,以便對(duì)污染物進(jìn)行控制或者發(fā)生污染物泄漏事故時(shí)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(chǎng)試驗(yàn)(UrbanMeteorologicalandTracerExperiment,UMTE2011)的數(shù)據(jù),分析了城市下墊面的流場(chǎng)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(yàn),檢驗(yàn)其在城市下墊面的適用性。通過研究表明：(1)城市流場(chǎng)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(chǎng)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(shí)城區(qū)內(nèi)部風(fēng)向差異明顯。(2)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)平均湍流動(dòng)能日變化明顯,且城區(qū)冠層頂?shù)耐牧鲃?dòng)能大于城區(qū)內(nèi)近面層；城區(qū)與郊區(qū)的平均的湍流動(dòng)能差異較??；湍流動(dòng)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(duì)湍流強(qiáng)度明顯大于垂直方向,城區(qū)的相對(duì)湍流強(qiáng)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(duì)湍流強(qiáng)度大于城區(qū)近地面,而城區(qū)近地面的垂直相對(duì)湍流強(qiáng)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(shí),平流輸送作用較強(qiáng),從而使得沉降作用相對(duì)減弱；示蹤物停止釋放后,試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的示蹤物濃度迅速降低,并逐漸變得均勻,對(duì)上下兩層污染物濃度隨時(shí)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(shí)況相吻合,垂直風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬效果要好于濕度場(chǎng),且模擬天氣過程時(shí),模擬結(jié)果稍滯后于實(shí)況。綜合模擬效果可知,WRF模擬結(jié)果可以當(dāng)作背景場(chǎng)進(jìn)入Fluent模式。(5)Fluent模擬風(fēng)場(chǎng)的結(jié)果顯示,城市建筑物對(duì)流場(chǎng)的拖曳作用非常明顯,城區(qū)內(nèi)流場(chǎng)因街道縱橫分布會(huì)產(chǎn)生分流和匯合,局部甚至有環(huán)流形成,流場(chǎng)在城區(qū)內(nèi)分布非常復(fù)雜；對(duì)于風(fēng)向的模擬,風(fēng)向平均絕對(duì)誤差在42.1。以內(nèi),風(fēng)速的平均相對(duì)誤差小于45%；同時(shí),在風(fēng)速較小時(shí),流場(chǎng)受到建筑群亂流擾動(dòng)大,風(fēng)向誤差較大,而隨著風(fēng)力的增大,風(fēng)向的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫力增強(qiáng),所以風(fēng)向的模擬誤差減小,而此時(shí)風(fēng)速受到的下墊面因素影響也會(huì)增大,從而致使風(fēng)速的相對(duì)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(duì)稱可以看出城區(qū)建筑物對(duì)示蹤物擴(kuò)散影響明顯；對(duì)比示蹤物的模擬值與觀測(cè),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(cè)值的濃度階梯等級(jí)要大,相對(duì)于觀測(cè)值,分布更加集中,具體位置的模擬值與觀測(cè)值有量級(jí)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(jī)制,初步構(gòu)建了WRF-Fluent嵌套的污染預(yù)報(bào)評(píng)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(píng)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(chǎng)試驗(yàn),并結(jié)合模式,不斷加深對(duì)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