雾霾成因及扩散中的流体力学问题研究

胡明月　刘璐

【摘 要】近年来，我国的雾霾天气，对生态环境以及人类的身体健康产生了严重的危害，分析雾霾成因及治理已迫在眉睫。从流体力学的角度对雾霾成因及扩散作出新的分析，利用fluent软件进行数值模拟。大气边界层气象条件、城市建筑布局及建筑墙体蓄热都对雾霾形成及扩散产生重要影响。

【关键词】雾霾；逆温层；城市建筑布局；城市建筑蓄热

前言

以往对雾霾形成的研究大多数是从气象条件、物理因子、地理条件、人为因素方面进行分析。本文主要从逆温层对雾霾形成及城市建筑布局和墙体蓄热对雾霾扩散的影响进行分析，并运用fluent软件模拟分析建筑物的存在对周围风场分布的影响。

1.逆温层对雾霾形成的影响

一般来说，大气对流层内温度随高度递减，即底层暖上层冷，有利于地面气流上升，底层空气中的污染物可以向上扩散。但在某些特殊情况下，高层气温反而高于低层气温，这种现象称之为逆温。

逆温层的物理特征是下冷上暖、气体状态稳定，对气体上下对流有抑制作用，即大气层低空的空气垂直运动受到限制，低空空气中的气溶胶难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面，各种气溶胶污染物逐渐堆积，逆温厚度越厚，持续时间越长，造成的污染越严重。特别是进入秋季，随着太阳高度角降低，太阳辐射减少，大气环境更加稳定，在夜间更易出现静稳，同时夜间地面辐射增强，高层冷空气较弱，温度较低层空气高，很容易在地面形成逆温层，产生雾霾天气。辐射逆温层抑制污染空气纵向对流，是导致阴霾天气形成的第一动力[1]。

2.城市建筑布局对雾霾扩散的影响

2.1单个建筑物周围的流场分布

模拟是在大气压101325Pa，温度为300K的大气环境下，风以初始速度5m/s正面吹向建筑物的。

分析流场，不难看出建筑物后面往往存在着旋涡区，容易形成空气的滞留，如果有污染气体存在时，就不容易扩散，使空气质量变坏，可以看出建筑物周围的风环境是影响城市大气质量的重要因素之一。

2.2不同风速下多个建筑周围流场对比

在大气压101325Pa，温度为300K的大气环境下，风分别以初始速度5m/s，10m/s并垂直于边界和以初始速度5m/s并与边界成45°角吹向建筑物。

速度分布对比图如下：

当入口风速较大v=20m/s时，在建筑物后方扰动的范围比风速较小v=10m/s时扰动的范围更大。当风向垂直于建筑边界时，在建筑的侧风面气流被迫向建筑两侧分流。风向45°时，最大负压出现建筑外立面风剥离处。风速大时，污染物影响的范围较大，但只在局部形成高污染区；小风速时污染物影响的范围较小，但是在该影响范围内污染物浓度相对来说都比较大。

总的来说，建筑物的存在会影响风场的分布，建筑物周围的风环境又影响城市大气质量。若风场上游存在空气污染物时，在负压区这些污染物就不容易扩散，引起行人不适和近地面环境的二次污染[3]。

3.城市建筑蓄热对雾霾形成的影响

城市与郊区地表面性质不同，热力性质差异较大。城区反射率小，吸收热量多，蒸发耗热少，热量传导较快，而辐射散失热量较慢。且城市中的建筑大多为石头和混凝土建成，它的热传导率和热容量都很高，加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用，可使城市年平均气温比郊区可高2摄氏度，甚至更多，在温度的空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿，从而形成城市热岛效应。

4.治理雾霾天气的建议及措施

要治理阴霾天气，一方面是严格控制PM2.5污染气体排放，一方面是通过表面隔热措施降低各地区的地面材料蓄热，以减少PM2.5污染气体富集。

对城市来说，选择蓄热系数很小的外墙保温材料，做好建筑外围护结构隔热设计，将建筑钢筋混凝土等重质建筑材料包藏在比较厚的轻质建筑保温材料里；城市地面则尽可能选用能透水的轻质地面砖，并多加强绿化；合理规划城市建筑物的布局，负压区不宜建造住宅楼，可用于绿化和其他休闲场所。农村则提倡以植物秸秆覆盖裸露的土地。

5.结论

逆温层下冷上暖、气体状态稳定，对气体上下对流有抑制作用，是导致阴霾天气形成的第一动力。

建筑物的存在会影响风场的分布，建筑物周围的风环境又影响城市大气质量。因此合理规划城市建筑物的布局也是防治雾霾的一种方法。

哪一地区的单位面积地面材料蓄热量越高，越抑制纵向空气对流，越容易将太阳辐射热量与空气污染更多地集聚在大城市及其周边地区，该地区越容易形成大气逆温层与城市热岛效应，也更容易形成城市阴霾天气。单位面积地面材料蓄热量增长是加重雾霾天气的第二动力。

治理雾霾应从两方面着手：控制PM2.5污染气体排放和减少PM2.5污染气体富集。

参考文献：

[1] 杨雪艳，杜倩，慕秀香.持续性霾天气与大气边界层气象条件的关系分析[J].安徽农业科学.2015，43（3）： 240-243.

[2] 赵桂香，杜莉，卫丽萍，贺耀武，李莹，朱煜.一次持续性区域雾霾天气的综合分析[J].干旱区研究.2011，28（15）：871-876.

[3] 张晓伟.住宅小区污染物扩散的数值模拟及分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2007.

[4] 毛恒青，朱蓉.城市的低空气温分布特征及其对大气污染物扩散的影响[J].城市环境与城市生态.1997，10（2）：31-35.

[5]孙媛媛.混凝土建筑结构蓄热对室内热环境的影响研究[D].大连：大连理工大学.2007.