（交通信息工程及控制专业论文）城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究.pdf

中山大学硕士学位论文 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：黄艳玲 指导教师：蔡铭副教授 摘要 城市中心区是城市的政治经济核心，同时也是城市空气污染问题最为突出、污染负 荷最重的区域之一。对城市中心区的大气污染物浓度分布进行模拟，并以此评估和控制 城市中心区的空气污染，对改善人民的居住环境、实现城市的可持续发展有十分重要的 意义。 本文研究了城市中心区的空气污染数值模拟方法，同时对数值模拟方法在空气污染 整治评估中的应用进行了研究，构建城市中心区空气污染整治评估框架，并依据框架开 展佛山市中心区空气污染研究。 首先，城市中心区空气污染数值模拟方法研究。以中尺度气象模式m m 5 ( m e s o s c a l e m o d e l5 ) 模拟得到非均匀的三维逐时气象背景场，并将m m 5 模拟结果作为空气污染扩 散模型c a l p u f f 的气象模块c a l m e t 的初猜场，实现气象模式与空气污染扩散模式 的耦合。针对城市中心区传统工业发达，而机动车排放污染所造成的影响也日益显著的 特点，重点研究了基于高斯烟团模式的工业点源和交通线源在非均匀气象场下的扩散模 拟方法。 第二，研究数值模拟方法的应用。基于数值模拟方法，构建城市中心区空气污染整 治评估框架，将空气污染数值模拟技术应用于解决实际空气污染问题。城市中心区空气 污染整治和评估框架主要包括三个部分：空气污染背景分析、空气污染数值模拟方法、 提出空气污染整治对策。 第三，依据城市中心区空气污染整治评估框架，开展佛山市中心区空气污染研究。 首先对佛山市中心区的空气污染背景进行分析。分析结果发现，城市中心区s 0 2 和p m l 0 污染比较严重，n 0 2 污染相对轻微。各种污染物浓度变化都具有季节性的特征，春季、 秋季、冬季较高。从气象背景场分析发现，城市中心区具有两种典型的气象条件：第一 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 种为夏季时段( 主要为4 月 9 月) ，主导风向为南风，风速和气温较高，雨量充沛，此 时段内各种污染物浓度都相对偏低；第二种为非夏季时段( 主要为1 0 月次年3 月) ， 主导风向为北风，风速和气温相对较低，降雨量少，此时空气污染较为严重。其次，应 用空气污染数值模拟方法研究空气污染。选取了一个具有非夏季典型气象条件的代表日 2 0 0 7 年2 月1 日，对佛山市中心区工业源排放s 0 2 、n o x 、p m l o 以及交通源排放n o 。 的逐时浓度分布进行模拟研究。污染物模拟值的变化趋势与实测值的变化趋势有较好的 一致性，说明方法能较好地模拟工业源和交通源排放污染物的时空分布特征。最后，根 据模拟结果提出空气污染整治对策。分析模拟结果发现：工业源排放与分布特征是影响 佛山市中心区污染物浓度时空分布的重要因素之一；而交通源分布及排放高度特点，使 得交通源排放的主要影响区域也集中在中心区内部，但从其扩散分布也发现，在特定气 象条件下，其远距离输送的影响也比较突出；气象环境是影响佛山市中心区各种污染物 浓度分布的又一重要因素，而地形对污染物扩散影响较小。加强内部污染源的整治，制 定极端污染时期大气污染防治措施对佛山市中心区空气污染改善有重要意义。同时，通 过对工业改用清洁能源和机动车实施i m 制度的减排效果进行情景分析发现，合理的大 气污染整治措施对空气污染改善有明显的效用。 关键词：空气污染；数值模拟；c a l p u f f ；气象条件；污染整治 中山大学硕士学位论文 t i t l e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rp o l l u t i o ni n c e n t r a lu r b a na r e a 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 ：h u a n gy a n l i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc a im i n g a b s t r a c t t h ec e n t r a lu r b a na r e ai st h ep o l i t i c a la n de c o n o m i cc o r eo ft h ec i t y , o t h e r w i s e i ti so n e o f 恤m o s ts e r i o u sp o l l u t e da r e a s t oe v a l u a t ea n dc o n t r o la i rp o l l u t i o ni nt h ec e n t r a lu r b a n a r e at h r o u g hs i m u l a t i n gt h ed i s p e r s i o no fp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei n i m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n ge n v i r o n m e n ta n du r b a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rp o l l u t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no fi ta r er e s e a r c h e d e s p e c i a l l y f o rt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h af r a m eo fa i rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n ga n da s s e s s i n gi sm a d e a tt h e s a m et i m e ，t h ea i rp o l l u t i o no ft h ec e n t r a la r e ai nf o s h a nc i t yi sr e s e a r c h e db a s i n go nt h e f r a m e f i r s t l y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr e s e a r c h e d t h em e s o s c a l em e t e o r o l o g i c a lm o d e l m m 5i su s e dt os i m u l a t eat h r e ed i m e n s i o n a lw i n df i e l d t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ti su s e da s t h ef i r s tf i e l do fc a l m e tw h i c hi st h em e t e o r o l o g i c a lm o d u l eo fc a l p u f ea sar e s u l t t h e m e s o s c a l em e t e o r o l o g i c a lm o d e li sc o u p l e dw i t ht h ea i rq u a l i t ym o d e l b e c a u s eo ft h e i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta n dt h ei n c r e a s eo fv e h i c l e ，t h ed i s p e r s i o no fp o i n ts o u r c ea n dt h e d i s p e r s i o no fl i n es o u r c eb a s e do nt h eg a u s s i a np u f fm o d e la r em a i n l ys t u d i e d s e c o n d l y , af r a m eo fa i rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n ga n da s s e s s i n gi sm a d ea st h ea p p l i c a t i o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i n gt e c h n o l o g yi su s e dt or e d u c ea i rp o l l u t i o n t h e r ea r et h r e ep a r t so ft h ef r a m e ：t h eb a c k g r o u n dr e s e a r c h i n go fa i rp o l l u t i o n ，t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fa i rp o l l u t i o n ，a l sw e l la st h ec o u n t e r m e a s u r eo f c o n t r o l l i n ga i rp o l l u t i o n f i n a l l y , t h ea i rp o l l u t i o no ft h ec e n t r a la r e ai nf o s h a nc i t yi sr e s e a r c h e db a s i n go nt h e f l a m eo fa i rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n ga n da s s e s s i n g 砀eb a c k g r o u n dr e s e a r c h i n go fa i rp o l l u t i o n s h o w st h a t8 0 2p o l l u t i o na n dp m l 0p o l l u t i o na r es e r i o u sb u tt h en 0 2i sn o t t h e c o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t i o n ss h o ws e a s o n a lc h a r a c t e r i s t i c ，b e c a u s et h ec o n c e n t r a t i o n sa r e h i g h e ri ns p r i n g ，a u t u m na n dw i n t e r , e s p e c i a l l yi nw i n t e r a n di t sf o u n dt h a tt h e r ea r et w o k i n d so ft y p i c a lw e a t h e rc o n d i t i o n o n ei st h es u m m e rt i m e ( a p rt os e p ) i nw h i c ht h es o u t h 州n di st h ed o m i n a n tw i n dd i r e c t i o n ，a n dt h ew i n ds p e e d ，t e m p e r a t u r ea n dr a i n f a l la r eh i g h e r 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 t h ec o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t i o n sa l el o w e r 1 1 1 eo t h e ro n ei sn o n - s u m m e rt i m e ( o c tt on e x t m a ni nw h i c ht h en o r t hw i n di st h ed o m i n a n tw i n dd i r e c t i o n ，t h ew i n ds p e e d ，t e m p e r a t u r ea n d r a i n f a l la l el o w e r , a n dt h ea i rp o l l u t i o ni sm o r es e r i o u s t h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt o r e s e a r c ha i rp o l l u t i o np r o b l e m f e bl 乱，2 0 0 7i sc h o s e na sar e p r e s e n t a t i v ed a yo ft h e n o n s u m m e rt i m e md i s p e r s i o no fs 0 2 ，n o x ，p m l 0e m i t t e db yi n d u s t r ys o u r c ea n dn o x e m i t t e db yt r a n s p o r t a t i o ns o l i c ea l es i m u l a t e di nf e b1 s t 2 0 0 7 1 1 l es i m u l a t e dr e s u l t sd i s p l a y t 1 1 a tt h et r e n do ft h es i m u l a t e dc o n c e n t r a t i o na n dt h a to ft h eo b s e r v e dc o n c e n t r a t i o ni ss i m i l a r a n dt h ec o u p l e dm e t h o dc a ns i m u l a t et h ev a r i a t i o nf e a t u r e so fp o l l u t i o n sb e t t e r a tl a s t ，t h e c o u n t e r m e a s u r eo fa i rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n ga n da s s e s s i n gi sr e s e a r c h e db a s e do n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t n i ei n d u s t r i a le m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ni so n eo ft h es i g n i f i c a n ti m p a c t f e a t u r e s0 nt h ed i s t r i b u t i o no fp o l l u t i o n se m i t t e db yi n d u s t r y b e c a u s eo ft h ed i s t r i b u t i o na n d e m i t t i n gh i g h ，t h ei m p a c ta r e ao ft r a n s p o r t a t i o ns o u r c ef o c u s e do ni n t e rd i s t r i c t b u tt h e p o l l u t i o no fi tw i l ld i s p e r s ef a ri ns p e c i a lw e a t h e rc o n d i t i o n t i i em e t e o r o l o g i c a le n v i r o n m e n t h a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o no fp o l l u t i o n sb u tt h et e r r a i ni sn o ti nt h ec e n t r a l a r e ao ff o s h a n ，n l es c e n a r i os i m u l a t i n gr e s u l t so fc l e a ne n e r g yu s i n ga n dt h ei m p l e m e n to f i m s y s t e md i s p l a yt h a t r e a s o n a b l e c o n t r o l l i n gm e a s u r e s c a nr e m e d ya i r p o l l u t i o n s i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：a i rp o l l u t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c a l p u f f ；m e t e o r o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ；t h ec o n t r o lo fa i rp o l l u t i o n i v 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：铫论 日期：p f d 年方月叩日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 学位论文作者签名：盏抱给导师签名：馨娉 日期：z d l o 年箩月叼日日期：2 i e 年岁月k 7 日 中山大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1研究背景及意义 城市中心区是一个城市的核心，在城市经济社会发展中具有十分重要的地位，同时 也足城市空气污染问题最为突出，污染负荷最重的区域之一。高速的经济发展及快速的 城市化进程引发了许多环境问题，并已成为制约其社会经济进一步发展的主要凶素。我 国大部分城市的中心区因传统工业发达，经济结构调整仍未完成产业结构优化与升级， 传统工业污染仍然是城市中心区空气污染的主要来源。与此同时，由于城市化进程较快， 城市路网建设日益完善，机动车保有量不断上升，机动车尾气排放所造成的交通源污染 对空气质量的影响也日益显著。 为有效控制城市中心区的空气污染问题，弄清污染来源特征是十分必要的。特别是 佛山市，作为2 0 1 0 年第十六届亚运会的协办城市，拳击和花样游泳项目将在佛山市举 行，同时位于珠江三角洲核心区域，紧邻亚运会举办城市广州，其大气环境问题的研究 不仅关系到本地空气质量的改善，也对周边地区空气质量的改善起到比较重要的作用。 本文研究了城市中心区的空气污染数值模拟方法，包括中尺度气象模式m m 5 和空 气污染扩散模型c a l p u f f ，以及两者的耦合：重点对数值模拟方法在空气污染整治评 估中的应用进行了研究，构建了城市中心区空气污染整治和评估框架，主要针对城市中 心区特别突出的两种污染源工业源和交通源所排放污染物( 二氧化硫，下称s 0 2 ； 氮氧化物，下称n o x ；可吸入颗粒物，下称p m i o ) 的扩散进行模拟；同时完成了佛山 市中心区空气污染整治评估研究案例。以此检验整治和评估框架的可行性，并通过研究 模拟结果，分析佛山市中心区工业排放和机动车尾气排放对空气质量的影响，为佛山市 中心区空气污染整治问题提供科学有效的地区空气污染防治对策，为生成合理布局提供 科学依据，为经济发展方向和规模提供科学依据，为城市规划发展提供基础数据和研究 基础。 1 2 空气污染扩散模型研究综述 空气污染扩散模型是结合污染物浓度和气象资料，以基本的数理方程和计算方法定 量分析污染物在大气重的输送、扩散及分布特征。大气重污染物的输送扩散过程是一个 复杂的物理过程，污染物的扩散取决于大气中流场和温度场，而且受局部地区中尺度环 流的影响，如海陆风环流，山谷风环流等，这些影响使得局部地区的流场变化十分复杂， 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 影响了局部地区温度的变化。同时污染物的输送过程中还包含了污染物的化学变化作 用。而空气污染扩散模型可以对不同的条件下，污染物浓度的时空分布及其变化进行估 算，为定量掌握污染源的浓度贡献提供了有效的工具和手段。根据理论基础和适用范围 等因素，目前常用的空气污染扩散模型可以分为三类：以高斯理论为基础的扩散模式， 以拉格朗日方法为基础的扩散模式，以欧拉方法为基础的扩散模式。 1 2 1 基于高斯理论的空气污染扩散模型应用研究 基于高斯理论的空气污染扩散模型是指假定下风向的污染物浓度符合正态分布的 半经验型扩散模式。基于高斯理论的模型是污染物扩散模拟的经典方法，有大量的实验 和观测事实表明污染物在大气中扩散符合正态分布是比较合理的1 2 】。常用的基于高斯理 论的大气污染扩散模式包括：适用于中小尺度的i s c 3 、a e r m o d 、a d m s ，以及 c a l p u f f 等。 i s c 3 ( i n d u s t r i a ls o u r c ec o m p l e xm o d e l3 ) 【l j 模式是美国环保局开发的基于统计理论 的正态烟流模式，使用稳态封闭型高斯扩散方程。i s c 3 是较早时期开发的模式，使用 相对简单，预测结果比较稳定，在空气污染扩散方面应用得比较广泛：杜鹏飞等 3 1 应用 i s c 3 模型对南宁市s 0 2 污染进行情景模拟，提出基于模拟结果的污染控制对策；薛志 钢等【l 】运用i s c 3 模型对北京京丰热电有限公司采用脱硫措施前后排放的s 0 2 和n o x 对 空气质量的影响进行模拟研究。 a e r m o d ( a m s e p ar e g u l a t o r ym o d e l ) 1 4 - 【5 j 是美国国家环境保护局联合美国气象学 会组建的法规模式改善委员会开发的新一代法规性质的大气扩散模式。具有在不稳定条 件下垂直扩散采用非正态双高斯概率密度函数表示的特点，而且模式可处理复杂地形的 情况【6 l 。杨洪斌掣7 j 应用a e r m o d 对沈阳市的颗粒物和二氧化硫进行模拟并验证模拟 结果，发现模型对两种污染物的模拟结果与实测值均有较小的误差及较好的相关性：丁 峰等【8 】结合宁波市北仑区域大气环境影响评价对a e r m o d 模式系统进行了模式验证， 并应用于实际预测评价，验证结果表明系统预测值与实测值有很好的一致性。 a d m s ( a d v a n c e dd i s p e r s i o nm o d e l i n gs y s t e m ) p 】大气扩散模型是由英国剑桥环境研 究中心开发的一套先进的大气扩散模型，属于新一代大气扩散模型。a d m s 使用了 m o n i u - o b u k h o v 长度和边界层结构的最新理论，精确的定义边界层特征参数，采用连续 性函数或无量纲表达式的形式表示扩散参数。同时，模型利用常规气象要素来定义边界 层结构，所以计算时只需输入常规气象参数。沙维奇【1 0 1 应用a d m s - u r b a n 模拟分析了 鞍山市尘各污染源对空气环境质量的贡献；肖杨等【l l 】基于a d m s u r b a n 和线性规划模 2 中山大学硕士学位论文 型构建了浓度排放量反推模式测算区域大气环境容量；徐伟嘉等【1 2 】应用a d m s u r b a n 模拟广州市天河区机动车尾气排放的n o x 的扩散过程，并将模拟结果与实测值进行对 比 c a l p u f f 是由美国国家环保局( u se p a ) 长期投资支持开发的大气扩散模型 1 1 3 1 - 【1 6 j 。是适用于广域( = 5 0 k m ) 区域的大气扩散模型，被中国环保总局( s e p a ) 新版大气 评价导则指定为广域大气质量环境评价模型。c a l p u f f 采用多点时空变化的逐时气象 场，模拟结果更接近实际大气扩散真实的扩散情况，美国e p a ( 1 9 9 8 ) $ i j 用示踪剂试验对 c a l p u f f 模拟结果进行验证。e p a 在报告【1 7 】中指出：在c a l p u f f 研究尺度下，烟气 传输扩散的平均描绘是可行的，能较好的模拟污染物的长距离传输扩散，大部分的模拟 结果都与观测结果一致。因此c a l p u f f 在城市或城际尺度的高斯模型中的应用是比较 广泛的，t o l g a e l b i r l l 8 】应用c a l p u f f 模拟土耳其伊兹密尔8 0 k i n x1 0 0 k m 范围的工业源、 居民源的s 0 2 扩散情况；任永建等i l9 】用中尺度气象模式m m 5 耦合大气污染模式 c a l p u f f 对山西省阳泉市地区的大气环境进行数值模拟，发现本地污染源排放对阳泉 空气质量起决定作用；张雯婷等1 2 0 j 利用c a l p u f f 模拟了贵阳建筑扬尘对p m l o 浓度的 贡献；王淑兰等【2 l 】采用基于基于扩散模式的污染源解析技术对深圳市的s 0 2 污染来源进 行研究；程真等【2 2 l 利用c a l p u f f 模拟了长三角地区燃煤电厂脱硫前后大气中s 0 2 的年 均浓度变化。 1 2 2 基于拉格朗日方法的空气污染扩散模型应用研究 拉格朗日方法以跟随流体移动的粒子来描述污染物的浓度及其变化，因为污染物是 随流体粒子移动的，所以拉格朗日方法是一种描述污染物分布的自然方式【2 】。基于拉格 朗日方法的空气污染扩散模式多数适合模拟几十公里到几百公里区域的污染扩散，需要 三维时变的气象数据。由于拉格朗日函数方程的复杂性，使得拉格朗日分析大多仅限于 描述平稳和均匀湍流条件下的扩散问题【2 3 】。基于拉格朗日方法的大气污染扩散模式有 l s ( l a g r a n g i a ns t o c h a s t i cm o d e l ) 、t a p m ( t h ea i rp o l l u t i o nm o d e l ) 、l p m ( l a g r a n g i a n p a r t i c l em o d e l ) 、l p d m ( l a g r a n g i a np a r t i c l ed i s p e r s i o nm o d e l ) 等。程雪玲等【2 4 】应用拉格朗 日粒子扩散模型l p d m 研究了高架点源的污染，研究结果表明该模式可以较好的模拟大 气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散；张建文等【2 5 】对l p d m 模型在化学危险品事故 中的应用进行了剖析和评价；王海蓉【2 6 】结合l p d m 模型对复杂气候条件下l n g 的扩散 特性进行了数值模拟。 3 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 1 2 3 基于欧拉方法的空气污染扩散模型应用研究 欧拉方法用欧拉流体速度的统计特征来表述浓度统计量，描述污染物的输送和扩散 时应用相对固定的坐标系进行描述。由于它易于加入源变化、化学变化和其他迁移清除 过程，故适合处理较大尺度区域的大气输送和扩散问题。而且模型在应用时常要考虑方 程闭合的问题。日前常见的基于欧拉方法的扩散模型有：a d p i c ( a t m o s p h e r i cd i f f u s i o n p a r t i c l ei nc e l l ) 、r e m s a d ( r e g i o n a lm o d e l i n gs y s t e mf o ra e r o s o l sa n dd e p o s i t i o n ) 、 m o d e l s - 3 c m a q ( m o d e l s - 3c o m m u n i t y m u l t i s c a l ea i rq u a l i t ym o d e l ) 、m a t c h ( m u l t i s c a l ea t m o s p h e r i ct r a n s p o r ta n dc h e m i s t r ym o d e l ) 。张志刚等【2 7 】应用二维欧拉统计 模式模拟华北区域城市间污染物输送过程：牛仁亮等【2 8 】应用m o d e l 3 模型模拟山西省对 北京市的污染影响，并对污染分布结果进行详细的分析得出山西省对北京市的主要污染 输送通道。 1 2 4 模型的选用 综述所述，每种模型都适用于不同的研究尺度、地形复杂度等，选择模型时应综合 考虑模式以及研究区域的各种特性。因为c a l p u f f 污染扩散模式是基于高斯烟团模式 的改进模型，不仅可模拟简单地形下的烟气扩散，也可应用于复杂地形下。而且 c a l p u f f 模型本身可生成模拟区域的风场初猜场外，也可直接以中尺度大气模式m m 5 的模拟结果作为初猜场输入，以提高模拟结果的精度。同时，c a l p u f f 可应用于广域 污染扩散模拟，模拟尺度为几十公里到几百公里，能很好的模拟烟气的长距离输送。因 此，本文选用c a l p u f f 模式进行模拟预测。 1 3 研究内容和技术路线 城市中心区因传统工业发达，经济结构调整仍未完成产业结构优化与升级，传统工 业污染仍然是城市中心区空气污染的主要来源。与此同时，由于城市路网建设日益完善， 机动车保有量不断上升，机动车排放所造成的交通源污染对其空气质量的影响也日益显 著。城市中心区由于自身特殊的地域功能和经济发展特征，使得其空气污染来源比一般 地区要复杂。研究针对城市中心区发展特征的空气污染数值模拟方法有利于制定科学有 效的地区空气污染防治对策，为城市规划发展提供基础数据和研究基础。 本文研究了城市中心区的空气污染数值模拟方法，重点对数值模拟方法在空气污染 整治评估中的应用进行了研究，同时完成了佛山市中心区空气污染整治评估研究案例。 4 中山大学硕士学位论文 具体研究内容如图1 1 所示： 图1 - 1 研究内容 ( 1 ) 城市中心区空气污染数值模拟方法的研究 与一般的基于高斯理论的城市尺度空气污染扩散模型，只在均匀单一气象场下进行 污染物扩散模拟不同，本文将采用气象数值模拟的方法，得到研究区域的非均匀气象背 景场，再将气象数值模拟结果耦合至空气污染扩散模型中进行污染数值模拟。针对城市 中心区传统工业发达，而机动车排放所造成的交通源污染的影响也日益显著的特点，重 点研究了工业点源和交通线源的扩散模型。 ( 2 ) 数值模拟方法应用城市中心区空气污染整治评估框架 研究数值模拟方法的应用，构建城市中心区空气污染整治评估框架。将空气污染数 值模拟技术应用于解决实际空气污染整治和评估问题。城市中心区空气污染整治和评估 方法主要包括三个部分：空气污染背景分析、空气污染数值模拟方法、提出空气污染整 治对策。 ( 3 ) 以佛山市为研究案例，实现城市中心区空气污染整治评估框架 以佛山市中心区为研究案例，实现基于空气污染数值模拟技术的城市中心区空气污 染整治和评估框架。首先对空气污染背景进行分析，研究佛山中心区空气污染现状和变 5 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 化特征，以及气象背景变化特征，从而得出其典型气象条件。以空气污染数值模拟方法 对典型气象条件下城市中心区工业源和交通源的总体排放进行模拟，并根据模拟结果提 出相关的整治对策。同时，通过工业改用清洁能源和机动车实施i m 制度的减排效果进 行情景模拟分析，评估典型大气污染整治措施对改善空气质量的效用。 1 。4 论文的结构大纲 第一章，绪论部分。叙述了本文的研究背景及意义，并介绍了以往的空气污染扩散 数值模拟研究，最后提出了本文的研究内容。 第二章，首先介绍了针对城市中心区特点的空气污染数值模拟方法，为数值模拟方 法的应用研究奠定了理论基础。接着叙述了本文构建的城市中心区空气污染整治和评估 框架。 第三章，以佛山市中心区为研究案例，实现空气污染整治和评估框架中的空气污染 背景分析部分。 第四章，以佛山市中心区为研究案例，实现空气污染整治和评估框架中的空气污染 数值模拟方法应用、提出空气污染整治对策两个部分。 第五章，总结全文。归纳了论文的主要工作和通过佛山市中心区研究案例所得出的 主要结论。 6 中山大学硕士学位论文 第二章城市中心区空气污染数值模拟方法及应用的研究 2 1 城市中心区空气污染数值模拟方法研究 城市中心区空气污染模拟的方法包括气象背景场数值模拟、空气污染扩散数值模 拟，以及气象模式与空气污染扩散模式耦合三个方面。 2 1 1 气象背景场数值模拟 与一般的基于高斯理论的城市尺度空气污染扩散模型，只在均匀单一气象场下的污 染物扩散模拟不同，本文将采用气象数值模拟的方法，得到研究区域的非均匀气象背景 场，再将气象数值模拟结果耦合至空气污染扩散模型中进行污染数值模拟。采用的气象 模式为中尺度气象模式m m 5 。 m m 5 1 2 9 】。1 3 0 1 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五代区域中尺度数值模式，在各种科研单位、气象部门都 有广泛的应用。m m 5 模式系统主要包括三部分：模式前处理、模式主体和模式后处理。 其中，模式主体为m m 5 模块；模式前处理包括：t e r r a i n 、r e g r i d 、 r a w i n s l i t t l er 、i n t e r p 等模块；i n t e r p b 、g r a p h r i p 等模块属于模式后处理 部分1 3 l 】。 ( 1 ) 模式前处理 t e r r a i n 模块用于框选出所要模拟的中尺度区域范围，将规则经纬度网格点上的 地形高度、植被特征、地表分类、土壤温度等资料内插到指定地图投影的中尺度网格域 上。 r e g r i d 模块从大尺度的气象分析场或预报场读入想要模拟时段的资料，将标准等 压面经纬度网格上的气象资料水平插值到中尺度正方形网格点上，插值后所产生的网格 点资料称为第一猜值场。在r e g r i d 中首先由p r e g r i d 把资料源中的数据转换成r e g r i d d e r 所要求的固定格式的中间文件，再由r e g r i d d e r 生成m m 5 主模式所要求的大尺度初始 场，即i 也g 刚d 的最终输出结果。 r a w i n s l i t t l e _ r 模块主要目的是利用观测资料对粗糙的大尺度场进行订正，并 加入中尺度信息。利用r e g r i d 输出的第一猜值场，通过客观分析方法将地面、高空等 观测资料插值到中尺度网格点上，以便提供更多中小尺度信息，使得插值结果更接近观 测结果。r a w i n s 和l i t t l e之间的区别是只能使用存档的固定格_rr a w i n sn c a r 7 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 式的高空和地面观测资料，而l i 丌l e r 却能使用各种来源的常规观测资料，只是在观 测资料输入前，需要转换成l i t t l er 所需要的格式；另外，r a w i n s 能垂直插值生成 新的高度层，而l i t t l er 却不能。 i n t e r p f 模块把r e g r i d 或r a w i n s l i t t l e r 输出的等压面资料垂直插值到地 形坐标仃面上，为m m 5 主模式准备初始场和边值。其输出文件也可被n e s t d o w n 用 来为更高分辨率的网格生成初始条件。 ( 2 ) 模式主体 m m 5 是整个模拟系统的核心部分，以大气非静力平衡原始方程为控制方程，水平 结构采用b 型跳点网格，垂直结构为仃坐标，考虑了较真实的地形和下垫面分类资料， 采用分裂时间积分方案。可通过选择物理参数化设置以及输出时的相关设置，进行时间 积分以完成模式的模拟和预报功能。 ( 3 ) 模式后处理 i n t e r p b 模块把m m 5 主模式的输出从地形坐标盯再回插到气压坐标中，便于绘图 作各种物理量场的诊断分析。其输出可以提供给l i t t l er 、i n t e r p f 、g r a p h 和r i p 。 g r a p h r i p ：绘图应用程序，用于显示m m 5 中各部分的输出结果。 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t x ，y , c r ，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【3 2 】如下： 气压方程： 詈一岛g w + 7 p 岘+ 来唔b 】 p ， 动量方程( x 向分量) ： 詈+ 詈 罢一手誓剖= - v g v u + = 5 0 k m ) 区域的大气 扩散模型，被新版大气评价导则指定为广域大气质量环境评价模型。c a l p u f f 模拟系 统包括气象模式c a l m e t 、高斯烟团扩散模式c a l p u f f 和后处理模块c a l p o s t 三个 部分。针对城市中心区传统工业发达，机动车排放影响也r 益显著的特点，重点研究了 工业源和交通源的扩散模型。 ( 1 ) 工业源 c a l p u f f 是模拟不稳定状态、多层、多物种污染高斯烟团扩散模型【1 4 1 。它适合模 拟时空变化气象条件下污染物的迁移、转化和清除。考虑到复杂地形的影响、水体传输， 海岸交界的影响、建筑物下沉的影响、干湿沉降以及简单的化学转化，以平流扩散的形 式模拟从源排放出来的污染物，可以模拟出在预设点处的浓度和沉降量。 在c a l p u f f 模块中，提供了两种常规的烟羽扩散形式。两者都是基于m e s o p u f f i i 模式中的积分方程。第一种机制是呈放射状的对称高斯烟羽扩散模式( p u 行) ，另一种 是沿着风向呈线状拉长的扩散机制( s l u g ) 。c a l p u f f 模式允许选择其中的一种机制来 进行模拟。 烟羽的描述 f i p u 仃方程 p u f f 方法在受体处计算浓度贡献的基本方程为： 9 城市中心区空气污染数值模拟方法的应用研究 c = 南卿嘲e x p 刳 p 6 ， g = 志重唧 翻 p 7 ， c 为地表层的浓度，q 为烟羽中污染物的质量( g ) ，d y 为水平面上垂直于风向方向 的高斯分布的标准偏差，吒为高斯分布在垂直方向上的标准偏差，吒为沿着风向方向 烟团中心到受体的距离，a e 为水平面上垂直于风向方向上烟团中心到受体的距离，g 为 高斯方程的垂直项，日为烟团中心的有效高度，厅为混合层高度。 b s l u g 方程 s l u g 是一个连续排放的烟团，每个烟团具有无穷小的质量g d t 。整个s l u g 的质量为 “t ，“为风速，t 为污染物的扩散时间。s l u g 方法计算浓度的方程为： c = 盎删l 茄l 陋8 ， f = 斗倒一讲别) ， “为平均风速矢量，“定义为p 2 + o v 2 厂，仃v 为风速变率，g 为源排放强度，吃和 口a 分别为垂直和沿着s l u g 方向，中心到受体之间的距离。d a z 是从s l u g 第二个尾点到 受点的距离，而d 讲2 吒2 一。矽，勺为s l u g 在x y 平面上的投影长度。 烟羽的传输扩散作用 在c a l p u f f 模式中，最为重要的是水平和垂直方向的高斯扩散系数。在第n 个阶 段的开始时刻的扩散系数为： 巳，。2 ( ) = 2 ( 0 + 参) + 仃弦2 + 仃加2( 2 1 0 ) 吒。2 ( 色) = 2 二+ 色) + 2 ( 2 - 1 1 ) 孝为位移增量，岛，乞为孝= o 时虚拟的源参量，与一，色，一为在扩散过程中指定位 1 0 中山大学硕士学位论文 置处水平和垂直扩散系数，盯v t 、为由于大气湍流作用所产生的扩散系数，盯咖、盯z b 为在烟团释放过程中浮力抬升产生的扩散系数分量，u i s 为面源的侧向扩散产生的水平 扩散系数分量。 烟羽抬升 烟气抬升是动力作用和热力作用综合作用的结果。对任何兼有动力和热力抬升的烟 源，近距离的抬升主要由动力作用支配，远距离主要由浮力作用支配。c a l p u f f 模型 中烟羽的抬升关系适用于各种类型的源，各种特征的烟羽。 a 烟羽抬升的基本公式 点源的烟羽抬升是根据b r i g g s ( 1 9 7 5 ) 提出的方案。在中性和不稳定条件下，由于 受到浮力和动力抬升作用： 磊= 3 x ( 所引+ 3 f x 2 ( 2 p ? “坩3 ( 2 - 1 2 ) 瓦为