中小尺度大气扩散数值模拟研究进展.doc

中小尺度大气扩散数值模拟研究进展周佳音1 周学志1 杨帅2 吴国斌3 黄顺祥1（1.防化学院/2.总参军训部履约事务局 北京100088）（3.沈阳军区处理遗弃化武事务办公室 沈阳110001）摘要对应用较为广泛的几类适用于复杂地形和城市结构的中小尺度大气扩散模式进行了简要评述，介绍了各种模式的特点及适用范围，并对可用于复杂下垫面上高分辨率模拟的中小尺度大气扩散模式的发展趋势进行了讨论与展望。关键词大气扩散数值模拟中小尺度0 引言随着国民经济的飞速发展和城市化进程的逐步加快，人们己经越来越关注空气质量给生活带来的影响，近年来中小尺度甚至微尺度大气扩散数值模拟的研究日益受到人们的重视，但是对特征尺度在几公里以下的中尺度的研究还不是很充分。在较小的尺度下，局地湍流影响加大，尤其是混合了复杂山地与城市结构的大气扩散过程更为复杂，使得适用于这类条件的模式较以往的模式更为复杂。中小尺度大气扩散数值模式主要应用于局部地区或城市及城郊的大气扩散模拟，在较高的分辨率下研究大气扩散对大气环境及污染物扩散的影响。本文分别从适用于复杂地形条件以及城市结构条件的大气扩散模式入手，探讨适用于复杂条件的中小尺度大气扩散模式的研究进展。1. 复杂地形大气扩散模式地形是影响大气扩散的重要因素，在复杂地形条件下，大气受地形下垫面的影响会形成复杂的流场及温度分布，形成阻塞、绕流、局地环流、山谷风、海陆风等特殊的动力及热力过程，从而对该地区的大气污染物浓度扩散、分布规律有着决定性影响。以下对比介绍几种较为成熟的适用于复杂地形条件的中小尺度大气扩散数值模式。1.1北京大学大气环境模式（PUMA）及其发展模式北京大学大气环境模式（Peking University Model of Atmospheric Environment，PUMA）是由北京大学三维复杂地形中尺度数值模式（BDM）不断完善、发展而来，属于中尺度准静力大气环境数值模式。其大气动力、热力学方程组包括水平动量方程、准静力方程、连续方程和热力学方程，多应用于复杂地形大气扩散的数值模拟。佟华 佟华.城市边界层模式的建立、发展和应用博士学位论文.北京:北京大学物理学院大气科学系,2003:118-120对PUMA 进一步完善，同时考虑了城市地表的动力效应和热力效应，使PUMA 能够对城市边界层大气环境及地表能量平衡进行较好的模拟。王宝民 王宝民. 局地和微尺度城市气候模式研究及应用博士学位论文.北京:北京大学物理学院大气科学系,2004以PUMA 模式为基础，开发了局地尺度城市气候模式，包括城市冠层模式与城市街谷模式，详细描述了城市冠层及城市建筑群内的动力及热力效应。1.2 CDM模式CDM模式是复杂地形上化学危害评估模式（the toxic Clouds Diffusion Model over complex terrain）的简称，又叫浓度和剂量模式（Concentration and Dose Model）。该模式由防化学院陈海平、黄顺祥等基于北京大学大气环境模式（PUMA），采用典型的拉格朗日方法（随机游走方法）发展的中小尺度三维准静力大气扩散模式。理论框架见图1 黄顺祥,陈海平,刘峰等.大气污染化学事故危害预测数值模拟(CDM)与验证J.北京大学学报,自然科学版,2010,35-38。图1 CDM模式理论框架CDM模式包括气象场模拟、扩散模拟和危害计算三部分。危害计算包括了毒性计量计算与危害指标体系等内容。化学事故一旦发生，将事故时间、地点等参数传给气象预报模拟模块，该模块自动将相应区域和时间内的三维风场和湍流场传递给扩散模式，扩散模拟模块调用相应的源强模式模拟浓度和剂量的当量分布。危害计算模块根据浓度和剂量的当量分布、化学事故源强的种类和大小，调用危害指标体系，计算危害范围、危害等级、危害时间、危害面积、危害纵深等分布情况。该模式模拟的结果与外场大气扩散试验、水槽试验的数据吻合度极高，可以预测化学袭击或化学事故发生时的危害范围、危害程度、危害持续时间、伤亡率的发展态势和伤亡面积等关键技术指标 黄顺祥,胡非,李昕等.反化学恐怖危害评估J.北京大学学报(自然科学版),2004,40(1):121-1285 张立杰,胡非,李磊等.复杂地形上建筑物对风场与污染扩散影响的数值研究J.风与大气环境科学进展,气象出版社,2008,10:302-3086 刘峰,黄顺祥.化学事故风险评价的理论难点分析J.风与大气环境科学进展,气象出版社,2008,10:71-767 孙振录,左媛,柯佳雄等.有毒云团扩散模式研究现状与展望J.防化学报,2010,02:20-228 刘峰,黄顺祥,宋黎等.化学风险评价与控制研究的一些进展C.第一届“公共安全领域中的化学问题”,2007,11:1523-1528-8，并已经在北京奥运会、反化学恐怖、国家应急平台、处理日本遗弃化武等领域得到了相应的应用。该模式的优点是计算速度快，精度较高，不会出现“数值伪扩散”现象，可以细致地反应出局部微小区域的污染物扩散情况，但该模式还没有实现对冠层内的扩散模拟。1.3 CTDMPLUS模式CTDMPLUS模式是由美国EPA于1989年在原有的CTDM模式的基础上增加对流不稳定条件下的扩散模式及相应的计算程序，发展形成的新的复杂地形局地尺度扩散模式。该模式以高期模型为基础，在稳定或中性层结条件下还采用对平坦地形上的高斯扩散修正处理的方法，根据Sheppard的临界分流概念，将过山烟流分为上升分量及环绕分量两部分；而在对流不稳定情形下，采用了双高斯型的PDF方法9 王卫国,蒋维楣.复杂地形上扩散模式CTDMPLUSJ.电力环境保护,1993,9(3):30-35，通过迭代法求取自接受点到源的后向轨迹的方法对模式做出修正，模拟污染物在对流边界层中的垂直分布。刘丽等10 刘丽,王体健,王勤耕. 区域复杂地形大气污染扩散的模拟研究J.高原气象,2008.27(5):1074-1082应用该模式与大气边界层模式及区域空气质量模式结合构成了局部嵌套的高分辨率复杂地形大气扩散模式系统，围绕复杂地形区域尺度大气污染物的扩散问题，模拟了贵州西部山区“西电东送”大型火电厂六枝电厂所在区域的大气边界层气象场和SO2、NOx和TSP等污染物散布的浓度场，给出二级空气质量标准下各级保证率的小时平均和日均浓度分布，进而得出了年均浓度分布，研究了山区复杂地形上大气污染物的扩散特性和散布规律。CTDMPLUS模式也存在一些应用方面的限制，比如Sheppard的临界分流概念的应用可能存在一定的局限性，在实际模拟中需要对地形尤其是山体进行拟合处理，以满足模式的计算要求，而临界分流高度的计算是否合理也会对模拟结果产生影响，从而与实际观测情况产生偏差；而且引入地形因子要求模拟的实际地形坡度不能超过15度等，这些条件在模拟过程中很可能得不到彻底的满足，对模拟的准确性以及模式的适用范围产生影响。1.4 LPDM 模式(Lagrangian Particle Dispersion Model)LPDM（拉格朗日粒子扩散模型）由美国萨瓦纳河技术中心和美国能源部共同建立。该模式是基于拉格朗日方法的中小尺度扩散模式，适用于复杂地形或热对流产生的复杂流动扩散的情况，可以预测放射性物质的浓度、干湿沉降11 张建文,安宇,魏利军.化学危险品事故应急响应大气扩散模型评述J.中国安全科学学报,2007,17(6):12-1711，能很好地模拟光化学特征，如SONG等12 SONG C K, KIM C H, LEE S H, etal. A 3-D Lagrangian particle dispersion model with photochemical reactions J.Atmospheric Environment,2003, 37(33):4607-4623.2应用LPDM 模拟了位于美国田纳西洲的坎伯兰电厂排放的烟气，指出当光化学反应较突出时，此模式具有重要的实用价值。程雪玲等13 程雪玲,胡非.大气边界层内羽流扩散研究J.力学学报,2005,37(2):148-1563应用LPDM 评价了高架点源污染物扩散的平均浓度，认为用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散。通过多项验证，LPDM用来评价大气扩散的平均浓度效果最好，并且适用于复杂地形或热对流产生的复杂流动扩散的情况14 姚仁太,徐向军,郝宏伟等.远东地区核风险厂址释放的气载放射性污染物长距离迁移的模拟J.辐射防护,2005,25(4):193-2054。该模式的优势在于能详细描述重点污染源附近地区大气污染物的运动；但是LPDM还没有解决高次的化学反应15 迟妍妍,张惠远.大气污染物扩散模式的应用研究综述J.环境污染与防治,2007,29(5):376-3815。以上几种模式主要是以大气动力、热力学方程为基础，根据适用尺度的不同区分为准静力与非静力或两者混合模式，而采用数学方法主要是采用高斯方法、拉格朗日方法、欧拉方法或者几种方法的混合应用。由于在较小尺度情况下，静力平衡假设不再适用，数值模式一般采用非静力模式，但非静力模式的缺点是计算复杂，运行效率较低。事实上，由于准静力模式计算方便，运行稳定且模式较为成熟，在大气对流活动较弱，地形坡度较小的情况下可以放宽准静力模式的应用尺度，如桑建国等16 桑建国.山区夜间边界层的数值模拟J.气象学报,1985(43):458-46817 Sang J G, Chen J Y, Yao H Y. Observational analysis of flow fields in a valley, Proc. Of Second Aisa-Pacific Symposium on Wind Engineering, 187-193, June 26-29, 1989.-17采用较小的网格距模拟夜间坡面上的下坡风和狭长山谷中的绕流作用得到了和实测值接近的结果，张昕18 张昕.小尺度气象模式模拟城市绿地效应研究硕士学位论文. 北京:中国农业科学院,2011采用三维准静力方程组及湍流闭合方案，通过小区尺度的能量平衡模式与动力学框架的耦合，建立了小区尺度数值模式，分别对北京天坛公园和南湖公园进行了模拟，研究了城市绿地对大气环境的影响，定量分析了园林绿化对改善空间热环境质量的重要作用。2. 城市结构条件下的大气扩散模式随着城市化进程的逐渐加快，城市高大建筑物的不断出现，形成了具有特殊的城市下垫面的城市边界层结构以及城市冠层结构，建筑物和建筑群内部结构和人为活动等因素会直接影响城市大气扩散的动力及热力过程，如形成绕流、尾流、下泻流、狭管风、热岛等动力及热力效应，导致在这种条件下的大气扩散更具复杂性。建立在动力学与热力学基础上的城市结构条件下的大气扩散数值模式根据适用对象的尺度不同主要有以下几类：2.1 城市边界层大气扩散模式（Urban Boundary Layer，简称UBL或UBLM）城市边界层通常是指建筑物屋顶到积云中部高度内的大气层，城市边界层大气扩散模式水平计算范围包括了城市及郊区，垂直范围包括整个城市边界层，水平分辨率一般为1-2公里，垂直分辨率通常按照下垫面对大气扩散的影响设为不等间距网格，即在近地面分辨率较高，高空分辨率较低。自20世纪60年代以来，气象学家们先后将统计模式、能量平衡模式、混合层模式和动力学模式应用于城市边界层大气扩散研究中，并专门发展了很多应用于城市边界层的数值模式19 Bornstein R D. Two-dimensional URBMET urban boundary-layer mode1J. J. Appl Meteor,1975,14(8):1459-147720 Yoshikado H . Numerical study of daytime urban effect and its interaction with sea breeze. J Appl Meteor, 1992,31(10):1146-116421 Seaman N L,Ludwig F L Donall E G, et a1.Numerical studies of urban planetary boundary-layer structure under realistic synoptic conditions.J Appl Meteor,1989,28(8):760-781-21。此外，较为成熟的中尺度气象模式也多用于城市边界层研究，如MM5、ARPS等22 高媛媛,何金海,王自发.城市化进程对北京区域气象场的影响模拟J.气象与环境学报,2007,23(3):58-6423 Xue M, Droegemeier K. The Advanced Regional Prediction System(ARPS)-A Multiscale Nonhydrostatic Atmospheric Simulation and Prediction Tool. Part II:Model Physics and ApplicationsJ.Meteor Atmos Physics.2001,76:143-165-23。佟华等24 Hua tong,Andrew Walton, Jianguo Sang, etal. Numerical simulation of the urban boundary layer over the complex terrain of Hong KongJ.Atmospheric Environment,2005(39):3549-3563于2005年建立了城市边界层能量平衡模式并嵌入动力学框架，对香港地区进行了模拟研究，结果表明，模式能够较准确的模拟出海陆风、城市热岛等热力过程及气流过山引起的绕流等动力过程，并且通过对边界层高度的模拟预测了污染扩散的条件等。何晓凤等25 何晓凤,蒋维楣,陈燕等.人为热源对城市边界层结构影响的数值模拟研究.地球物理学报,2007,50 (1) :74-825应用南京大学多尺度模式系统对人为热源对城市边界层结构的影响进行了研究，计算结果表明人为热源排放量与城市热岛贡献率直接相关。2.2 城市冠层大气扩散数值模式（Urban Canopy Layer，简称UCL或UCM）Oke26 Oke T R. Boundary layer climate (2nd Editioned), London: Methuen,19876于1987年首次将城市冠层的概念定义为建筑物高度以下的大气层。Masson27 Masson V. 2000. A physically based scheme for the urban energy budget in atmospheric models J. Bound-Layer Meteor., 94:357-3977于2000年首次建立了单层冠层模式，Kusaka28 Kusaka H , Kondo H , Kikegawa Y, et al . 2001. A simple single layer urban canopy model for atmospheric m odels : Comparison with mutil-layer and slab models J . Bound-Layer Meteor.,101: 329- 3588于2001年在城市冠层研究中考虑了街区方位的不同走向对短波辐射的影响，何晓凤等29 何晓凤,蒋维楣,周荣卫.一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究J.大气科学,2009,33(5)：981-9939于2009年引入城市地表能量平衡方案（TEB）建立了一种单层城市冠层数值模式，并进行了数值模拟实验，结果表明TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善，对近地面热力场的改善效果尤为明显，可以很好地模拟出城市冠层中的陷阱效应。王咏薇30 王咏薇,蒋维楣.多层城市冠层模式的建立及数值试验研究J.气象学报,2009,67(6):1013-1024等于2009年建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式，在模式中考虑了建筑物拖拽力的作用及雷诺应力的影响。冠层模式中对城市建筑物三维结构的考虑，使数值模式能够更准确的反应城市冠层内各表面的辐射能量平衡过程及建筑物形态对气流运动的影响，从而能够更好地计算城市复杂下垫面下的边界层结构及气象环境，模拟所得结果更为真实可信。2.3 城市建筑物与街谷大气扩散数值模式（Urban Street Canyon，简称USC）街谷概念首先由Nicholson31 Nicholson S E. A Pollution Model for Street-Level Air. Atmospheric Environment,1975,9(1):19-31提出，但这一概念目前已得到扩展。街谷几何形态各异，其尺寸一般由组成街谷两侧建筑物的高度和街谷宽度的比值表示，其分类大致为：理想街谷、宽街谷及深街谷；按街谷长度可划分为短街谷、中街谷及长街谷；另外，如果街谷两侧建筑物高度大致相等则称为对称街谷，否则称为非对称街谷32 王宝民,柯咏东,桑建国.城市街谷大气环境研究进展J.北京大学学报(自然科学版) ,2005 ,41(1):146-153。随着CFD理论及计算机技术的发展，CFD软件越来越多地被应用于街谷问题的研究，如PHOENICS、FLUENT、A2C等。李磊等33 李磊,胡非,程雪玲等.Fluent在城市街区大气环境中的一个应用J.中国科学院研究生院学报,2004,21(4):476-480应用利用Fluent建立了一个三维街道十字路口模型，模拟了2种风向条件下街区风速分布和CO质量浓度分布的情况。结果表明，街谷结构与风向共同作用，会对街区的风速和CO质量浓度分布产生很大影响。桑建国等34 桑建国,刘辉志,王保民.街谷环流和热力结构的数值模拟J.应用气象学报,2002,13(特刊):69-81 于2002年建立了应用于街谷流场及温度场模拟的动力学模式和热力学模式，模拟了街谷环流和街谷中流场及温度场的日变化过程。结果表明，模式可基本反映街谷环流和热力结构特征，经改进可用于城市街谷、建筑群风环境和热力环境研究以及街谷中空气污染物的传输和扩散计算。数值模式在街谷大气扩散问题的研究中发挥了重要作用，如汽车尾气问题、街谷热力结构、城市街谷布局及街谷形状对大气环境的影响、城市热岛现象等方面。2.4 城市空气质量模式城市空气质量模式是一种用于处理城市大气污染物的输送、扩散等问题的物理和数学应用模型，一般是以大气动力、热力学为基础，综合考虑污染物在城市大气输送、扩散过程中的化学反应、干湿沉降、气相、液相及非均相反应等物理和化学过程，对污染物的扩散及分布做出预测，可用于城市空气污染预报、环境影响评价、城市大气环境容量测算及城市建设规划与决策等。国内外应用较为广泛的几种城市空气质量模型有ISCLT、ISCST、CAMx、ADMS等。ISCLT(Industrial Sources Complex长期模型) 和ISCST( Industrial Sources Complex短期模型)可统称为ISC模型，模型基于高斯理论建立了满足不同气象条件下的扩散参数曲线35 陈开平,马永亮,傅立新.ISC长期模型在烟台市空气污染控制规划中的应用J.上海环境科学,2002,21(8):494 - 496，将大气条件和污染物数据参数化，进行模式验证与参数修正，使模拟过程更加适合城市的实际条件，通过模式模拟污染物浓度的分布特征，分析气象条件、污染物排放条件等因素对污染物浓度的影响。CAMx是美国Environ公司开发的三维多尺度空气质量模型，该模式采用质量守恒双向多层巢状网格模式，适用于城市及乡村等各种复杂地形，刘峰等36 刘峰,张远航,苏杭,胡建林.大气化学传输模式CAMx的伴随模式:构建及应用J.北京大学学报(自然科学版),2007,43(6):764-770应用CAMx及其伴随模式，针对珠江三角洲地区空气污染进行数值模拟和敏感性分析，计算了地面二氧化硫和臭氧关于污染物排放源的敏感性，并用数值方法探讨了线性敏感系数的适用范围，为深入研究污染机理和控制策略提供重要依据。王雪松等37 王雪松,李金龙.北京地区夏季PM10污染的数值模拟J.北京大学学报(自然科学版),2003,39(3):419-427采用CAMx模式研究了2000年北京夏季PM10时空分布特征，总结了北京近郊区夏季的PM10分布的时空变化规律。ADMS（城市大气污染物扩散模型）由英国剑桥环境研究中心（CERC）开发研制，模型基于高斯理论，扩展了其它先进的污染扩散数学模型，增加了对污染物扩散过程中的化学反应和总悬浮微粒沉降的模拟，考虑了地形、地表粗糙度、气象条件的影响，最大限度地考虑了污染物扩散的影响因素。王寒梅等38 王寒梅,贾轶然.大气污染物扩散模型应用研究J.辽宁师专学报,2006,8(2):78-79Advances in Numerical Simulation for Meso- and Micro-scale Atmospheric DiffusionZhou Jiayin1 Zhou Xuezhi 1 Yang Shuai 2 Wu Guobin3 Huang Shunxiang1(Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205 )(The Military Training Department of General Staff Depart, Beijing, 100081)(The Military Training Department of Shenyang Military Area, Shenyang, 110001)Abstract A brief review for widely application to the complex terrain and urban structure of meso- and micro-scale atmospheric diffusion model, and the characteristics and applications of the various modes are d