（交通信息工程及控制专业论文）基于MM5风场的机动车尾气扩散模型的研究及应用.pdf

基于m m 5 风场的机动车尾气扩散模型的研究及应用 专业：交通信息工程及控制 硕士生：罗南龙 指导教师：包芸教授蔡铭讲师邓院昌讲师 摘要 城市中机动车数量不断增加，机动车排放的尾气污染物不断增多，机动车 尾气成为了城市空气污染物的主要来源，对人体的健康构成了严重的威胁。研究 城市中机动车尾气的扩散规律，有助于人们采取措施去改善城市空气质量。在机 动车尾气扩散过程中，风和湍流是最重要的影响因素。因此，研究基于时空变化 风场的机动车尾气扩散模拟方法，能使模拟结果趋于合理。 为了使机动车尾气扩散模型的模拟结果更好地接近真实情况，我们需要把 空间上完整、时间上连续的风场引入到模型的计算过程中去。m m 5 大气数值模 式可对整个研究时间段和整个研究区域内的风场进行模拟，因此论文采用m m 5 模式来模拟研究区域的风场。 机动车尾气扩散模型采用有限体积法( f v m ) 对描述污染物的三维对流一 扩散方程进行数值求解。论文对有限体积法的时间迭代过程进行研究，在数值求 解迭代过程中逐步读取风场数据，实现了l d m 5 风场的引入。 将论文所研究的方法应用于广州市区，论文用m m 5 模拟了广州市的风场 情况，然后将风场引入到机动车尾气扩散模型中并进行数值计算，获得了广州市 不同时段的污染物浓度分布情况。试验结果表明，在模拟试验中引入风场后得到 的污染物浓度场，能很好地体现风场的输送和扩散作用。 论文基于v i s u a lb a s i c 平台开发了机动车尾气扩散模拟显示软件，对地形数 据、路网数据、风场数据和污染物浓度场数据进行了三维渲染显示。 关键词：机动车尾气扩散模型；数值计算；m m 5 ；三维对流一扩散方程 s t u d ya n da p p l i c a t i o no fv e h i c l ee m i s s i o n s d i s p e r s i o nm o d e lb a s e d o nw i n df i e l df r o mm m 5 m a j o r t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l n a m e ：l u on a n l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f b a oy u n ，l e c t r c a im i n g ，l e c t r d e n gy n a n c h a n g a b s t r a c t t h en u m b e ro fv e h i c l e si ng u a n g z h o uc i t yi sg r o w i n gr a p i d l y , a n dt h ev e h i c l e e m i s s i o n sa r ei n c r e a s i n gm a s s i v e l y v e h i c l ee m i s s i o n sb e c o m et h em a j o r $ o n r c eo f u r b a na i rp o l l u t a n t s ，a n dd og r e a th a r mt op e o p l e sh e a l t h s t u d yo nt h ed i s p e r s i o no f v e h i c l ee m i s s i o n sw i l lh e l pn st oi m p r o v et h ea i rq u a l i t y i nt h ep r o c e s so fv e h i c l e e m i s s i o n sd i s p e r s i o n , w i n da n dt u r b u l e n c ep l a ya sk e yf a c t o r s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho n s i m u l a t i o nm e t h o do fv e h i c l ee m i s s i o n sd i s p e r s i o nb a s e do nt i m e s p a c ev a r y i n gw i n d f i e l dc a nm a k et h er e s u l t sr e a s o n a b l e i no r d e rt om a k et h er e s u l t sc l o s et ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，w en e e dt oa d de n t i r ea n d c o n t i n u o u sw i n df i e l di n t ot h em o d e lc a l c u l a t i o n t h ef i f t hg e n e r a t i o nm e s o s c a l e m o d e l ( m m 5 ) c a ns i m u l a t et h e 、i n df i e l do fw h o l et i m es c a l ei nt h ee n t i r es t u d i e d a r e aa sr e q u i r e d ，5 0w ea d o p tm m 5m o d e l v e h i c l ee m i s s i o n sd i s p e r s i o nm o d e lf e a t u r e sf i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) o n s o l v i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o n v e c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o n t h r o u g ht h es t u d i e so n t h et i m ei t c r a t i v ep r o c e s so f t h ef i n i t ev o l u m em e t h o d , w es y n c h r o n i z et h er e a d - i no f w i n df i e l dd a t ad u r i n gt h ei n t e r a c t i v ep r o c e s s ，t h u sa c h i e v i n gt h et a s ko fc o u p l i n g w i n df i e l dd a t a t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o ft h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o di n t o p o l l u t a n t s d i s p e r s i o ni ng u a n g z h o uc i t y , w es i m u l a t e dt h ew i n df i e l d ，a n di n t e g r a t e d i ti n t o v e h i c l ee m i s s i o n s d i s p e r s i o nm o d e l ，t h u so b t a i n i n gp o l l u t a n t s c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tp e r i o d s t h er e s u l t ss h o wt h a tp o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o nf i e l d c a l lr e f l e c tt h et r a n s m i s s i o na n dd i f f u s i o nf u n c t i o no f w i n df i e l d b a s e do nt h ev i s u a lb a s i cp l a t f o r m ，w ed e v e l o p e dv e h i c l ee m i s s i o n sd i s p e r s i o n s i m u l a t i o nd e m o n s t r a t i o ns y s t e mt od i s p l a yt h et e r r a i nd a t a ，r o a dd a t a ，w i n df i e l d d a t aa n dt h ev e h i c l ee m i s s i o n sc o n c e n t r a t i o nd a t a k e yw o r d s ：v e h i c l ee m i s s i o n sd i s p e r s i o nm o d e l ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ；m m 5 n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n s i i i 第1 章引言 随着我国经济的持续快速发展，城市中的机动车数量正在不断的增加，机动 车对城市造成的空气污染也变得越来越严重。在车流密度大的区域，机动车尾气 污染已经对城市的环境造成了严重的影响，对人体的健康构成了严重的威胁。 机动车尾气污染的影响因素众多。道路中的车流量、各车型的比重和各车型 的车速分布主要影响机动车尾气污染物的排放量和各种污染物的成分。风速风 向、地形和温度等因素则主要影响机动车尾气在大气中的扩散过程。论文试从影 响机动车尾气扩散的最重要因素风场出发，对基于风场的机动车尾气扩散模 拟方法进行了探索研究。 1 1选题背景和选题意义 由于城市中机动车数量的不断增长，机动车尾气污染正变得越来越严重。机 动车尾气污染物占空气污染物总量的比重称为机动车尾气污染物的空气污染分 担率【l 】。近几年来，机动车尾气污染物的空气污染分担率一般都比较高。在广州 市，机动车排放的n o 。分担率约为5 0 左右【2 】。 近几年来，广州市居民的汽车拥有量不断增加。据调查，由于经济的发展， 广州市居民汽车拥有量正以每年9 0 的增长速度高速增长【3 】。同时，广州市内 道路堵车现象严重，车辆行驶速度低。因此，广州市的机动车尾气污染状况也变 得十分严峻。1 9 9 7 年广州市城区环境空气污染指数为6 0 7 ，其中氮氧化物污染 指数为2 7 8 ，污染负荷达4 5 8 ，大气污染从以煤烟型为主逐步过渡到以氮氧 化物为主的机动车燃油氧化型污染f 3 。 机动车尾气中的污染物成分主要包含一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮 氧化物( n o x ) 、二氧化硫( s o 。) 、颗粒物质( 铅化合物、碳烟、油雾) 等大气污 染物，其中尤以前三者为主 4 1 。这些污染物都在不同程度上对人体的健康产生危 害。c 0 气体经呼吸道进入肺部被血液吸收后，会导致人体内各组织缺氧。氮氧 化物主要是n 0 和n o ：。n o 的危害与c o 相似。此外，n 0 还对呼吸道有影响。n 0 。 被吸入肺部后，有可能导致肺气肿叽 广州市的机动车尾气污染日益严重，对人群产生的危害也越来越大，因此， 对城市中的机动车尾气污染扩散情况进行模拟仿真研究，是非常有意义的。 城市中机动车尾气污染的扩散情况非常复杂，影响因素众多。其中，风场是 影响污染扩散的一个最主要因素之一。 论文的意义在于，通过对基于时空变化风场的机动车尾气扩散模型的研究， 可使模型充分考虑风和湍流对污染物的输送和扩散作用，使模拟浓度场能充分反 映风场的影响作用，从而使模拟结果更为合理。 1 2国内外研究现状 国外对机动车尾气扩散模式的研究始于上世纪七十年代初期【5 】。 早期的污染扩散模型以高斯模型为主。美国国家环保局最早建立了c a l i n e 模型6 1 。e p a 发展了一个比较流行的公路机动车尾气扩散高斯模式h 1 w a y 模 型【7 】，c h o c k 8 1 在h i w a y 模型的基础发展了高斯扩散模式g m 。英国剑桥环境研究 公司开发了a d m s 模型。美国气象学会( a m s ) 和美国环保署为了将行星边界层理 论引入到扩散模型的研究中，组成了一个专门的委员会( a e r m i c ) 并提出了适用 于固定工业源泄放的扩散模型a e r m o d 【9 1 。 除了高斯模型，国外也开展了很多对机动车尾气扩散数值模式的研究。比较 典型的有美国的城市大气质量模式u a m 1 们、日本机械学会开发的a p p s 模式【l l 】、 以及美国国家环保局( e p a ) 开发的r o a d w a y 模式1 2 】。另外，芬兰气象中心研制 的c a r 2 f mi ，荷兰国家环境健康研究所( r i v m ) 和荷兰应用科学研究中心( t n o ) 联合发展的c a r 模式，挪威空气研究中心( n i l u ) 发展了适用于开阔公路的 r o a d a i r 和c o n t i l e n k 模式，以及适用于城市街道峡谷的n e r i o s r m 模式等也是 较有影响的数值模式【1 3 】。 机动车尾气扩散模型中还包括箱模式，主要是用于城市污染扩散的整体研究 1 1 4 1 。还有一类是统计模型。如m c c o l 2l i s t e r 等用历史的c 0 浓度作为预报因 子发展了一个线性随机模型用来预报洛杉矾逐时和逐日的c 0 最高浓度。 目前一些最新的模型主要是对人工神经网络( a n n ) 和模糊逻辑理论( f l t ) 等模型的应用，如r a i m o n d e 等【1 6 】应用f l t 发展了一个a p m 模型，f l t 在改良空 气污染模型方面被广泛地认为有很大的发展前景。 我国对机动车尾气扩散模拟进行研究始于上个世纪八十年代【1 7 】。国内在机 动车尾气扩散的高斯模型上开展的研究比较多，如金均f 1 8 】等利用3 2 0 国道某段 的实测数据对采用线源模式的高斯模式在预测中国开阔公路尾气扩散的可靠性 方面进行了验证。李修刚【1 9 】等利用c a l l n e 4 模型对上海市南京北路开阔道路进 行模拟和预测。辽宁省高速公路管理局的夏惠荣建立了g a o s u 线源扩散模型 【2 0 1 。李昭阳等人在对c a l i n e 4 模式进行参数修正和模型验证的基础上，对长春市 主要街路的日均p ( c o ) 进行了模拟，得出了长春市机动车线源污染的空间分布特 征。结果表明，长春市道路交通c o 污染严重的区域主要集中在一环路以内【2 l l 。 在机动车尾气扩散数值模拟方法上，国内开展的研究比较少。房小怡等人对 北京市的交通环境污染进行了数值模拟，结果表明，交通废气排放对城区空气污 染程度的贡献是较大的【2 2 1 。王嘉松等人针对一个典型城市街区的大气流动和汽 车排放物扩散问题进行三维数值模拟，结果表明：由于受街道布局和大气边界层 的影响，污染物主要集中在街区峡谷内( 特别是近地面附近) 难以扩散，易造成局 部高浓度污染；由于流场的非均匀性和三维特征，污染物浓度呈现非均匀扩散特 性【z 3 l 。 近几年来，国内的研究人员也建立了一些适合于我国国情的新模式。如中山 大学的智能交通研究中心的蔡铭、刘永红、田丰、徐伟嘉等人开发了城市空气质 量评估与预测系统。广州热带海洋气象研究所的谷德军提出了s c i p u f f 模式的 简化及验证【2 4 】、对流边赛层中公路线源扩散的m o n t e r - - c a r l o 法模拟伫引，中国环 境科学研究院的谷清提出了轨迹烟流模式计算方法脚】。 1 3 研究内容及步骤 机动车尾气污染物主要以一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物 ( n o 。) 、二氧化硫( s 0 2 ) 为主【4 】o 本文主要以n o 、为例研究机动车尾气污染物 的扩散过程和浓度分布情况。 机动车尾气污染物在城市中的浓度分布受到很多因素的影响，如风场、污染 源强、地形、大气温度层结、大气稳定度等等。其中，最主要的影响因素是风场、 源强和地形。 中山大学的包芸教授、金陶胜博士、陈胜详等人【”，开发了机动车尾气扩散 模型下文简称尾气模型。该模型采用有限体积法对机动车尾气污染的三维对 流扩散方程进行数值求解，从而获得污染物的浓度分布情况 ”。在该模型中，将 风场简化为均匀稳定的流场进行处理。 在机动车尾气扩散模型的基础上，论文开展了对基于风场的机动车尾气扩 散模型的方法的研究。其中包括地形的处理方法、源强的计算方法、风场的模拟 方法、风场与尾气模型的结合方法、污染物浓度的计算方法。 根据研究内容，论文确立了研究的步骤。 第一步：对研究区域的地形进行处理。 第二步：计算研究区域的源强。 第三步：根据尾气模型对输入风场的要求，采取合适的模拟方法去模拟研究 区域的完整而详细的风场情况。 第四步：研究模拟风场与尾气模型的结合方法，对尾气模型采用的有限体积 法的原理进行研究，将时空变化的风场结合进尾气模型中去。 第五步：进行机动车尾气污染物浓度模拟计算。在有限体积法求解主程序中， 结合风场数据和地形数据对研究区域的污染物浓度场进行模拟。 第六步：综合地形、路网、风场和污染物浓度场进行三维渲染显示。 第2 章机动车尾气扩散模型介绍 2 1 模型概述 机动车尾气扩散模型( 下文简称尾气模型) 是中山大学的包芸教授、金陶胜 博士、陈胜详等人【，采用有限体积法，对描述污染物扩散的三维对流一扩散方 程进行数值求解，从而求得污染物的浓度分布情况的一种数值模型。论文将在这 一章对尾气模型进行详细的介绍。 2 2系统结构 尾气模型涉及到地形、风场、源强、污染计算和结果显示五个模块，整个系 统的总体架构如下图所示： 图2 - 1 系统总体架构 其中地形模块、风场模块和源强模块是数值计算模块的基础，三个模块共同 为数值计算模块提供数据。数值计算模块是整个系统的核心。结果显示模块主要 对尾气扩散模拟结果进行三维渲染显示，方便相关人员结合研究区域的地形、路 网和风场情况，对研究区域的尾气污染情况进行综合评估。 路段的车流量是一个时空变化的物理量。为了反映车流量的宇间变化特征， 尾气模型采用了对研究区域路网进行分级的方法，将研究区域的路网按照车流量 分成几个级别，不同级别的路网的车流量足不同的。理论上，路网等级划分越多， 就越能准确地模拟车流量的空间分布情况。 同时，为了反映车流量的时间变化规律，尾气模型采用文献 4 1 篚j 结论，利用 污染源强时间变化曲线，去模拟不同时刻的车流量。 n，41 r 1 n ，1 4 慵1 r7 阳 图2 - 2 污染源强时间变化曲线( t h ) 4 1 对车流量进行模拟计算后，可得到随时空变化而变化的车流量数据。再根 据文献f 1 提供的道路车型分布、车速分布数据和文献【堋中提供的排放因子数据 ( 这些数据涉及到特定研究区域。将在论文第4 章模拟试验中进行详细阐述) ， 可根据公式( 2 - 2 ) 计算出道路综合排放因子，进而计算出污染源强。 2 5 风场模块 风场是影响尾气污染物扩散过程的一个决定性因素。风场主要包括风和湍 流，它们对污染物在大气中的稀释雨】扩散过程起着重要的影响作用。 风是指大气的水平运动，风在污染物扩散过程中主要起输送、扩散和稀释的 作用。污染物在风的物质输送作用下，向下风向方向漂移并扩散、稀释，浓度场 呈现向下风向扩散的情况。一般而说，污染物在大气中的浓度与污染物排放量成 正比，与风速成反比。如风速增大的话，则在下风向的污染物浓度将降低。 7 路段的车流量是一个时空变化的物理量。为了反映车流量的宇间变化特征， 尾气模型采用了对研究区域路网进行分级的方法，将研究区域的路网按照车流量 分成几个级别，不同级别的路网的车流量足不同的。理论上，路网等级划分越多， 就越能准确地模拟车流量的空间分布情况。 同时，为了反映车流量的时间变化规律，尾气模型采用文献 4 1 篚j 结论，利用 污染源强时间变化曲线，去模拟不同时刻的车流量。 n，41 r 1 n ，1 4 慵1 r7 阳 图2 - 2 污染源强时间变化曲线( t h ) 4 1 对车流量进行模拟计算后，可得到随时空变化而变化的车流量数据。再根 据文献f 1 提供的道路车型分布、车速分布数据和文献【堋中提供的排放因子数据 ( 这些数据涉及到特定研究区域。将在论文第4 章模拟试验中进行详细阐述) ， 可根据公式( 2 - 2 ) 计算出道路综合排放因子，进而计算出污染源强。 2 5 风场模块 风场是影响尾气污染物扩散过程的一个决定性因素。风场主要包括风和湍 流，它们对污染物在大气中的稀释雨】扩散过程起着重要的影响作用。 风是指大气的水平运动，风在污染物扩散过程中主要起输送、扩散和稀释的 作用。污染物在风的物质输送作用下，向下风向方向漂移并扩散、稀释，浓度场 呈现向下风向扩散的情况。一般而说，污染物在大气中的浓度与污染物排放量成 正比，与风速成反比。如风速增大的话，则在下风向的污染物浓度将降低。 7 湍流是指大气的不规则运动。风在水平运动的同时，在主导风向上也会出现 上下左右不规则的阵性扰动，这就是大气湍流。 因此，污染物在扩散过程中，主要受风的因素向下风向漂移，受湍流的因素 向周围扩散。观察烟囱中排出的烟云，它在向下风向方向漂移的同时，烟云很容 易被湍流拆开和撕裂变形，使烟团很快扩散。这就是由于风和湍流综合作用的结 果。 鉴于风场对污染物扩散过程的重要影响，尾气模型对风场进行了考虑，对随 空间变化而变化的风场进行了处理。但未考虑随时间变化而变化的风场情况，将 风场作为定常风场进行处理。用定常风场去进行机动车尾气扩散模拟，能在大致 上反映风场因素的影响，但也存在如下两个缺陷： 从风场空间分布上考虑，尾气模型没有对研究区域的风场情况进行模拟，没 有获得与研究区域的真实风场相接近的模拟风场，无法对研究区域的风场进行详 细的反映，从而制约了模型计算结果的精度。 从风场时间分布上考虑，尾气模型将风场作为定常风场处理，也使模型所采 用的风场无法真实的反映所研究区域风场的时间变化情况，从而影响了模拟结果 的精度。 风场模块的主要研究内容是：首先，研究尾气模型对输入风场的要求。其次， 对风场模拟方法进行综述，选择符合计算要求的风场模拟方法。再次，对研究区 域的风场进行模拟，重现研究区域完整而详细的风场。最后，对模拟计算得到的 风场进行预处理，为数值计算模块提供风场数据准备。论文将在第3 章对风场的 模拟方法进行详细介绍。 2 6 数值计算模块 数值计算模块是尾气模型的核心。 根据流体力学的理论，在三维的直角坐标系统中，有源的条件下，污染物在 大气中的传输、扩散遵循以下的对流一扩散方程： 8 喜+ 罢+ 号+ 主o = 丢暇争+ 号晖争 争帕 。嘞 式中：c 为污染物的浓度( m g ，m 3 ) ；l l v w 分别为污染物在x ，y ，z 方向上的平 均速度分量( m s ) ；k s ，k y ，k z 分别为污染物在x ，y ，z 方向扩散系数分量( m 2 s ) ；q 为污染源强( m g m 3 - s ) 。 为了引入地形数据，考虑到地面有高度起伏的变化，引入一个地面高度函数： h ( x ，力= z c 善，1 7 ) ( 2 4 ) 式中，h 为地面高度，z 为纵坐标值。 再考虑到； 鱼：一o h ( 2 5 ) 苗 出 式中，h 为地面高度，z 为纵坐标值，x 为横坐标值。 则( x ，y ，z ) 坐标系下的污染物对流扩散方程( 2 3 ) 可转化为： a ( w + u 丝+ v 丝 c 丝a t + 警+ 筹+ = 壶( t 妻) + z 去( 如必0 n a z a 一8 a z 、1 a ) c 。 + 鞠+ ：秒竺挲篮加倍。， 式中：c 为污染物的浓度( m g m 3 ) ；l l ，v ，w 分别为污染物在x ，y ，z 方向上的平 均速度分量( n l s ) ；h 为地面高度；k ，b ，k z 分别为污染物在x ，y ，z 方向扩散系 数分量( m 2 s ) ；q 为污染源强( m g m 3 s ) 。 引入地形高度函数进行坐标变换，为在尾气模型中引入地形数据提供了条 件。地形数据与尾气模型的结合的具体的步骤如下： 首先，在有限体积法主程序初始化的时候，调用地形子程序，读入研究区域 的地面高度数据。 其次，在有限体积法求解主程序中，先定义a h a x 和a h a y 数组变量，其数组 维数根据研究区域的网格划分来确定。然后计算x 方向上的左边网格点和右边网 格点的高度值之差，除于网格x 方向的网格格距，赋值给a h a x 变量，以反映地 形在x 方向的变化。再计算y 方向上的前一个网格点和后个网格点的高度值之 差，除于网格y 方向的网格格距，赋值给a h a y 变量，以反映地形在y 方向上的 变化。 通过以上步骤，可将地形数据引入到尾气模型中。 对公式( 2 6 ) 进行数值求解，即可获得污染物的浓度分布情况。在数值方 法的选择上，为了保持控制方程的守恒性，模型采用了有限体积法。有限体积法 的实质是对控制体写出积分形式的物理守恒o9 1 。其基本步骤为： 首先对研究区域进行网格划分，将计算区域划分为一系列不重复的均匀网 格，并定义网格格子为控制体。采用格子中心式将公式( 2 6 ) 中涉及到的污染 物浓度、风速的u 、v 、w 分量、高度和源强这些物理变量定义在控制体中心， 这些物理量在控制体内的分布采用近似函数来逼近真解。在每个控制体上，对公 式( 2 6 ) 进行积分，便得到一组关于污染物浓度、风速、地形高度和源强关系 的离散方程。这组方程是一组线性方程组，对它的求解可通过追赶法来进行。 有限体积法的空间离散和时间迭代的方式与有限差分格式相似。在对时间项 的处理上，采用半隐式迭代方式，并利用追赶法进行求解。对于扩散项的空间离 散采用中心差分格式，在初始条件上，设置为零分布初始条件。边界条件则采用 自由边界条件： 鱼| ：0 氖，i l ( 2 7 ) 其中c 污染物浓度，x 。为与所在边界垂直的座标，l 为除地面以外的求解域 边界。 1 0 2 7结果显示模块 结果显示模块的主要研究内容是综合模拟结果、风场、地形和路网进行三维 渲染显示。 尾气模型中，涉及到了地形数据、路网数据、风场、污染物浓度场四种数据。 其中，路网数据、风场、污染物浓度场都是基于地形高度数据的，都是关于三维 网格( i ，i ，k ) 的变量，同时，也都是关于时间的变量。 为了更好的显示地形高度情况、路网位置情况、污染源强随时间和空间变化 的情况、风场随时间和空间变化的情况、污染物浓度场随时间和空间变化的情况， 论文采用v i s u a lb a s i c 软件，开发了机动车尾气扩散模拟显示软件，实现了对高 分辨率地形、路网、m m 5 风场和机动车尾气污染物浓度场的三维渲染显示。 2 8模型总结 尾气模型，在综合考虑了地形、风场、源强对机动车尾气污染的产生和扩 散过程的影响的基础上，用有限体积法对机动车尾气污染物的三维对流一扩散方 程进行数值求解，从而获得污染物的浓度分布情况。模型构建了完整的机动车尾 气扩散模拟框架，在地形和风场模块上为后续工作提供了接口，为后续人员进行 修改和完善工作提供了基础。 第3 章基于m m 5 风场的 机动车尾气扩散模型的方法研究 3 1方法概述 在尾气模型的基础上，论文开展了对基于风场的机动车尾气扩散模型的方 法的研究。其中包括地形的处理方法、源强的计算方法、风场的模拟方法和污染 物浓度场的计算方法。 风场是影响机动车尾气污染扩散过程的一个决定性因素。在尾气模型中， 采用了定常风场的方法去模拟研究区域的风场，进而计算污染物浓度分布情况。 由于研究区域内的风场一般都会随着时间和空间的变化而变化，因此采用定常风 场后模拟得到的污染物浓度场，只能从大致上反映风场对污染物浓度场的影响作 用，但无法从空间上和时间上对风场的影响作用做一个完整而详细的反映。因此， 论文从有限体积法的原理入手，重点研究了时空变化风场与尾气模型的结合方 法。 3 2地形的处理方法 本文采用了美国9 0 米分辨率的s r t m 数据。s r t m ( s h u t t l er a d a rt o p o g r a p h y m i s s i o n ) 是由美国航空航天局( n a s a ) 、美国图像测绘局( n i m a ) 、德国及意 大利航天局共同实施的航天飞机雷达地形测量任务。该任务于2 0 0 0 年2 月实施， 历时l l 天。它利用新型合成孔径干涉成像雷达技术( i n s a r ) ，获取了除极地区 域以外占地球表面8 0 区域的三维雷达数据【3 训。对地形数据进行预处理，是指 截取研究区域所在的地形区域，并对地形数据进行插值，使它的网格设置与数值 计算模块的网格设置相一致，为进行污染物扩散模拟提供了条件。 1 2 3 3源强的计算方法 为了对时空变化的源强进行模拟，论文先将研究区域的路网提取出来，然后 对路网进行分级，以模拟车流量随空间变化而变化的情况。然后使用车流量时间 变化曲线来模拟车流量随时间变化而变化的情况。再根据文献川提供的道路车型 分布数据、车速分布数据和文酬3 8 1 中提供的排放因子数据( 这些数据涉及到特 定研究区域，将在论文第4 章模拟试验中进行详细阐述) ，采用下式计算计算综 合排放因子。 。：进 3 6 0 0 ( 3 - 1 ) 式中e 为综合排放因子m g ( m s ) ，厶为道路上某种车型的车流量( 辆h ) ，e 。 为该车型的排放因子( m e ( 辆m ) ) 。 最后根据综合排放因子计算污染源强。 口：型( 3 - 2 ) 3 6 0 0 a x a y a z 式中g 为体源强( 以g “珊3r j ) ) ，厶为道路上某种车型的车流量( 辆h ) ，e ，为该 车型的排放因子( m g ( 辆m ) ) ，为网格中道路的长度( m ) 。 在尾气模型中，主要根据图2 2 污染源强时间变化曲线( t h ) ，将污染源 强在不同的时间段乘以不同的加权值，从而得到一个动态的污染源强，实现对源 强随时间变化情况的模拟。 将车流量时间变化曲线与实测车流量时间变化曲线进行对比，论文发现该时 间变化曲线并不能很好的代表车流量的时间变化规律。因此，论文主要采用文献 【 1 中提出的车流量时间变化图来进行车流量计算，如下图所示。 图3 一l 车流量时间变化图 3 4 风场的模拟方法 为了将风场结合到尾气模型中去，首先必须分析尾气模型对引入风场的要 求。尾气模型采用有限体积法对污染物扩散的三维对流一扩散方程进行数值求 解。在求解过程中，在空间上需要对研究区域进行网格划分，在时间上也需要对 研究时段进行时间步长划分。因此，为了能在尾气模型中引入风场，必须先模拟 出在研究区域上完整和在研究时段内连续的风场情况。论文分析了国内外几种主 要的计算模型，选择了美国大气研究中心( n c a r ) 和美国宾州大学( p s u ) 联合开发 的m m 5 模型来模拟研究区域风场的时空分布情况。 3 4 1 风场计算模式研究概况 目前风场计算模式主要可分为诊断模式和数值模式。风场诊断模式是指客观 分析观测资料，经过一系列的内插、外推和调整等运算过程，得到计算区域内的 三维风场【3 1 】。其结果的精度取决与所获取的风场数据的密度、精度和代表性， 对原始资料的要求较高。 数值模式是指用数值方法求解三维动力学方程组，在一套初始条件和边界条 件下，给出预报风场p ”。数值模式能较客观地反映实际大气的情况，且对客观 1 4 资料的依赖性小，但计算模式比较复杂，计算时间较长。 目前国内外各种大气数值模式主要有美国的i v l l v l 5 、e t a 、r a m s 、a r p s 、 w r f 等、英国的i m o 、法国的s o - n h 、德国的l m 、加拿大的m c 2 、日 本的j r s m 等，如下表所示。 表3 - 1 国内外著名中尺度大气数值模式d 2 1 名称 研制单位国家模式说明 m m 5宾夕法尼亚州立大学国家大气研究中 美国非静力移动套网格 心( p s u n c a r ) 格点模式 e t a 国家环境预报中心( n c e p )美国非静力格点模式 r a m s科罗拉多州立大学( c s u ) 美国非静力格点模式 a r p s俄克拉荷马大学 美国 曲线坐标格点模式 m a s s 北卡罗来纳州立大学( n c s u ) 美国格点模式 r w n 空军全球中心( a f g w c ) 美国格点模式 n o r a p s 6海军区域业务预报系统第六 美国格点模式 版 r s m 国家环境预报中心( n c e p ) 美国 区域谱模式 c o a m p s海军舰队数值气象和海洋中心( f n m o c ) 美国 海洋一大气耦合模式 c m 2 大气环境局魁北克大学蒙特利尔分校 加拿 半拉格朗日半隐式 ( a e s u q a m ) 宽带格点模式 大 u k m 0 英国气象局 英国格点模式 m e s o n h国家气象研究中心( c n r m ) 法国 非静力格点模式 j r s m 日本气象厅( j m a ) 日本 区域谱模式 r e m 中国科学院大气物理研究所( i a p ) 中国 静力格点模式 m m 5 能对整个研究时段内的整个研究区域的风场进行模拟，符合数值计算 模块对输入风场的要求。且m m 5 考虑了非静力平衡，水平分辨率最高可达到约 l k m ，具有单向或双向多重网格嵌套能力，最多可以有9 重嵌套网格对物理过 程描述得更为周密合理，有许多参数化方案可供选择。加入了四维同化系统，能 将过去和现在的资料结合起来，因此论文选择了m m 5 大气模式来进行风场模拟。 采用m m 5 来对风场进行数值模拟，能使风场尽可能地接近实际情况。 3 4 2m m 5 模式简介 m m 5 是美国宾夕法尼亚州立大学国家大气研究中心( p s u n c a r ) 从二十 世纪八十年代以来共同开发的第5 代区域中尺度数值模式3 2 1 ，目前己被广泛地 应用于世界各国许多大学、科研单位以及咨询机构等。我国是m m 5 的主要使用 国家之一，m m 5 已应用于气象部门的气象预报业务。 3 4 3m m 5 的基本方程 m m 5 模式控制方程为大气非静力平衡原始方程，为了能延用m m 4 模式系 统的某些软件，m m 5 非流体静力平衡模式仍在( x ，y ，o ) 坐标系中写出。模式控 制方程采用d u d h i a ( 1 9 9 3 ) 给出的非流体静力模式方程组。依据沿地形的坐标， m m 5 非静力模式基本变量( 除了水汽以外) 的方程如下 3 3 1 ： 气压方程： 等一岛+ y f = - v 唧1 + 等t 号+ 吾岛， c s 吗， 动量方程( x 向分量) ： 塑+詈(篆一三望型)=-vvu+v(厂+“丝o血m)_ewcosauwot p o xo a0 3 , + 见 口、瓠 + 。 血 气“ ( 3 4 ) 动量方程( y 向分量) 害+ 号c 篆一吾等等= - v , v v + u c 厂+ “考一v 一州n 口一芒+ q ( 3 5 ) 动量方程( z 向分量) 詈+ 告寺等十g ，p p 一sp 隅o t g 叫r d p | - e ( u c o s a - v s i n a ，+ 等+ 见 ( 3 6 ) 热力学方程 詈卅呷n 去售m 旷岛川+ 詈音岛 ( 3 7 ) 式中，u ，v ，w 分别代表气流的纬向、经向和垂直方向速度，方是盯坐标 垂直速度，m 为地图投影系数，带上标“”的量均为扰动量，p 为空气密度， c p 为定压比热，q r 为水汽混合比，q 。、吼分别为云水和雨水混合比，q 为非绝热 加热项，d 项代表水平和垂直扩散项以及由于大气边界层湍流作用或干对流调整 引起的垂直混合。 以上方程是m m 5 进行数值计算的理论基础。m i v l 5 在对上述方程的求解过 程中，垂直结构采用。坐标，水平结构采用b 型跳点网格，采用分裂时间积分 方案。 3 4 4 埘5 的系统流程图和模块组成 m m 5 模式主要包括t e r r a i n 、r e g r i d 、r a w i n s l i t h , e r 、i n t e r p f 、 m m 5 、g r a p h r i p 等模块。其系统流程图如下图所示【3 4 】。 1 7 缘目主控序 图3 - 2m m 5 模式系统流程图 各模块的主要功能如下： t e r r a i n 模块是m m 5 的地形模块，主要功能是设置模拟区域的范围，将 经纬度网格点上的地形高度、地表分类、植被类型和土壤温度等数据资料内插到 某一种地图投影的网格域上。同时可以设置网格嵌套，以实现对某些特定的小区 域进行更高分辨率的模拟。 r e g r i d 模块主要是将美国n c e p 全球再分析资料或t 2 1 3 再分析资料插值 到研究区域的中尺度网格点上，生成模式的第一猜值场。 r a w i n s l i t t l er 模块的主要功能是用地面和探空观测资料对第一猜值 场进行逐步订正，生成客观分析场，能使插值结果更接近于真实观测结果。m m 5 模式允许跳过客观分析，直接用第一猜值场进行预报。 i n t e r p f 模块主要是把气压面上的气象资料垂直插值到。面上，生成模式 初始场及为模式准备边值。 m m 5 模块是整个中尺度模式系统数值模拟的核心部分。m m 5 模块采用包含 水汽变量的非静力平衡的方程组，还有一系列的积云参数化、边界层参数化等物 理过程。用户可通过对物理参数化方案和m m 5 各项运行参数进行设置以达到不 同的用户要求。 n e s t d o w n 模块的主要功能是建立单向嵌套模式输入。 i n t e r p b 模块的主要功能是将模式运行后产生的等。面资料再插值到等压 面上，以便于绘图作各种物理量场的诊断分析。 g r a p h r i p 模块是m m 5 的绘图显示模块，可通过它来了解每个模块执行 的结果。 3 4 5m m 5 进行风场模拟的步骤 为了对研究区域的风场进行模拟，论文采用如下步骤进行： 首先通过t e r r a i n 模块设定研究区域的经纬度范围，将研究区域划分为四 个嵌套区域，进行网格嵌套。其次，通过r e g i ) 模块将全球再分析气象资料 插值到研究区域的网格上，生成模式第一猜值场。再次，通过l i t t l er 模块用 地面和高空观测资料对第一猜值场进行逐步订正，使模型逐步与实测结果接近。 然后，通过i n t e r p f 模块将气压面上的气象资料插值到。面上，生成模式初始 场及为模式准备边值。最后，在m m 5 主模块中，对各项参数进行设置，将地形 模块中的高分辨率地形数据、观测资料数据、i n t e r p f 得到的模式初始场数据 输入m m 5 运算主程序，并运行m m 5 进行风场数值模拟，从而得到研究区域的 时空变化的风场情况。 3 4 6 风场数据的预处理方法 采用m m 5 方法对研究区域的风场进行模拟后，其结果并不能直接提供给尾 气模型使用。这是因为在m m 5 数值模拟过程中，会涉及到一个将研究区域进行 网格划分的问题。在尾气模型进行数值计算的过程中，也需要对研究区域进行网 格划分。两者的网格并不是一致的。这就涉及到一个风场数据的预处理问题，必 1 9 须对风场数据进行预处理，使之与尾气模型的网格相一致，从而为数值计算模块 提供风场数据准备。 在本文中，风场数据预处理主要采用线性插值的方法。对风场数据进行预处 理之后，得到的风场数据就可以提供给尾气模型使用了。 3 5 污染物浓度场的模拟方法 通过对地形数据的处理，对时空变化的源强和风场的模拟计算，我们得到 了可供尾气模型使用的地形数据、源强数据和风场数据。在本文中，对有限体积 法求解主程序进行改进，将地形数据、时空变化的风场数据和源强数据结合起来， 进而模拟机动车尾气的扩散情况。 3 5 1 风场与尾气模型的结合方法 对研究区域的风场进行数值模拟和进行预处理操作后，得到了与尾气模型的 网格相一致的时空变化风场数据，为尾气模型与风场的结合提供了条件。 在尾气模型中，在z 方向上考虑山丘地形的影响，网格沿地面起伏而变化， 将网格划分为1 0 层，使用等距网格az = 2 0 m ，最高高度设置为2 0 0 m 。由于在 z 方向上划分了1 0 层，因此，输入风场的时候，必须把每一层的风场都输入进 去。这大大增加了对m m 5 风场模拟结果处理的时间和机动车尾气扩散模拟计算 的时间。由于论文主要研究机动车尾气污染对人们的影响，因此研究的重点主要 放在第一层近地面层上。因此，论文采取了只输入第一层风场、其它层风场由第 一层风场计算得到的方法来进行机动车尾气扩散模拟。在不同的水平面上，由于 风在运动过程受到地表的摩擦力的作用，风速在近地的水平面上的风速较低，风 速随着高度z 的增加而增大。在本文中，风速由以下公式给定： _ = _ 糍 s ， 式中v 。一在高度z 。的风速( 州s ) ； 不： v 1 一在高度z l 的已知风速( m s ) ； z 0 - 一地面粗糙度( m ) ； 地面粗糙度随地表的不同而取不同的值，根据文献【1 1 ，其一般取值如下表所 表3 - 2 地面粗糙度表” 城市、森林公园、郊区农业区庄稼田草原沙漠 1 o o 5 o 2 o 30 1 0 0 20 0 0 1 慝竺篡 仔。， 尾气模型中，将风速u 、v 、w 分量处理成不随时间变化的常量。为了将随 时间变化而变化的风场情况输入到模型中，论文提出了以下方法： 首先，尾气模型中，u ，