大气污染物在城市下垫面扩散的分析与模拟研究

大气污染物在城市下垫面扩散的分析与模拟研究伴随着人类社会的迅速发展,城市空气质量问题受到愈来愈多人的关注,大气污染物在城市的传输扩散问题已成为近年来的研究热点。相对中尺度范围内的污染而言,城市内小尺度以及街区尺度的研究相对较少,而在小尺度以及街区尺度发生的污染事故却较为常见。城市下垫面作为最复杂的下垫面,它综合了建筑、裸地、草地、园林等多种下垫面特征,其流场的复杂性在于同时受到天气尺度、小尺度与街区尺度的作用,同时也受到人类活动的影响。多尺度的综合控制给研究城市空气污染扩散造成了极大的困扰,因此,在城市内研究污染物扩散的规律,及时准确地预测污染物的时空分布特征,以便对污染物进行控制或者发生污染物泄漏事故时采取紧急救援措施,具有十分重大的意义。本文首先详细阐述了污染物传输扩散的基础理论,介绍了影响污染物传输扩散的主要影响因子。利用在2011年10月份于甘肃省兰州市榆中县城区进行的“事故物质的大气迁移转化规律”外场试验(UrbanMeteorologicalandTracerExperiment,UMTE2011)的数据,分析了城市下垫面的流场以及污染物浓度分布特征。随后,构建了WRF-fluent嵌套的模式模拟了此次污染扩散试验,检验其在城市下垫面的适用性。通过研究表明：(1)城市流场是天气尺度、小尺度与街区尺度相互耦合作用及人类生活生产等多种因素的产物,因此城市流场更加复杂；受城区建筑物拖曳作用影响,城郊比城区风速平均要大61%,同时城区内部风向差异明显。(2)试验区域内站点平均湍流动能日变化明显,且城区冠层顶的湍流动能大于城区内近面层；城区与郊区的平均的湍流动能差异较小；湍流动能的起伏是由风速与温度共同作用的结果；水平方向上的相对湍流强度明显大于垂直方向,城区的相对湍流强度明显大于郊区,且在城区中,城市冠层顶部的水平相对湍流强度大于城区近地面,而城区近地面的垂直相对湍流强度要大于城市冠层顶。(3)示踪物轴线浓度随主体风向改变、平流输送作用明显；当风速较大时,平流输送作用较强,从而使得沉降作用相对减弱；示踪物停止释放后,试验区域内的示踪物浓度迅速降低,并逐渐变得均匀,对上下两层污染物浓度随时间变化进行拟合,得出污染物浓度在释放停止后呈幂指数下降。(4)WRF模式的模拟结果基本与实况相吻合,垂直风场、温度场的模拟效果要好于湿度场,且模拟天气过程时,模拟结果稍滞后于实况。综合模拟效果可知,WRF模拟结果可以当作背景场进入Fluent模式。(5)Fluent模拟风场的结果显示,城市建筑物对流场的拖曳作用非常明显,城区内流场因街道纵横分布会产生分流和汇合,局部甚至有环流形成,流场在城区内分布非常复杂；对于风向的模拟,风向平均绝对误差在42.1。以内,风速的平均相对误差小于45%；同时,在风速较小时,流场受到建筑群乱流扰动大,风向误差较大,而随着风力的增大,风向的风场强迫力增强,所以风向的模拟误差减小,而此时风速受到的下垫面因素影响也会增大,从而致使风速的相对误差稍微增大。(6)Fluent可以模拟出示踪物烟羽轴线随主体风向的改变,示踪物浓度色带边缘的不规则以及轴线两侧形状的不对称可以看出城区建筑物对示踪物扩散影响明显；对比示踪物的模拟值与观测,二者有相似的扩散形态,示踪物整体都随主体风向传输扩散,呈扇形分布；Fluent模拟值比观测值的浓度阶梯等级要大,相对于观测值,分布更加集中,具体位置的模拟值与观测值有量级差距。研究揭示了大气污染物在城市下垫面传输扩散的物理机制,初步构建了WRF-Fluent嵌套的污染预报评估模式系统,为建立污染事故的救灾以及事故后灾害评估提供理论依据。在城镇化不断推进的大背景下,城市下垫面污染物传输扩散的意义重大。目前,污染物在城市下垫面的传输扩散的规律尚有很多不明之处,因此有必要该方面的外场试验,并结合模式,不断加深对污染物在城市下垫面传输扩散规律的理解,而后将这些规律加入数值模式,进而不断