大氣污染物在城市下墊面擴散的分析與模擬研究

大氣污染物在城市下墊面擴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散造成了極大的困擾,因此,在城市內(nèi)研究污染物擴散的規(guī)律,及時準確地預測污染物的時空分布特征,以便對污染物進行控制或者發(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。本文首先詳細闡述了污染物傳輸擴散的基礎理論,介紹了影響污染物傳輸擴散的主要影響因子。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雜；受城區(qū)建筑物拖曳作用影響,城郊比城區(qū)風速平均要大61%,同時城區(qū)內(nèi)部風向差異明顯。(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?。煌牧鲃幽艿钠鸱怯娠L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向改變、平流輸送作用明顯；當風速較大時,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)果可以當作背景場進入Fluent模式。(5)Fluent模擬風場的結(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)分布非常復雜；對于風向的模擬,風向平均絕對誤差在42.1。以內(nèi),風速的平均相對誤差小于45%；同時,在風速較小時,流場受到建筑群亂流擾動大,風向誤差較大,而隨著風力的增大,風向的風場強迫力增強,所以風向的模擬誤差減小,而此時風速受到的下墊面因素影響也會增大,從而致使風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)建筑物對示蹤物擴散影響明顯；對比示蹤物的模擬值與觀測,二者有相似的擴散形態(tài),示蹤物整體都隨主體風向傳輸擴散,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散的物理機制,初步構(gòu)建了WRF-Fluent嵌套的污染預報評估模式系統(tǒng),為建立污染事故的救災以及事故后災害評估提供理論依據(jù)。在城鎮(zhèn)化不斷推進的大背景下,城市下墊面污染物傳輸擴散的意義重大。目前,污染物在城市下墊面的傳輸擴散的規(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散規(guī)律的理解,而后將這些規(guī)律加入數(shù)值模式,進而不