沿海城市建成区热力作用对局地环流影响的CFD模拟研究

李磊

（1. 中山大学大气科学学院，广东珠海519082；2. 广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广东珠海519082；3. 热带大气海洋系统科学教育部重点实验室，广东珠海519082）

1 引 言

自1980 年代以来，中国经历了快速的经济发展和城市化进程。在这一进程中，我国许多地区的大气环境质量出现了以灰霾天气增多为主要表征的恶化，这其中广东深圳是一个典型案例。深圳是改革开放以来中国城市化进程和经济发展速度最快的城市，但它也难以避免地遭受了大气环境恶化带来的困扰。尽管从2005 年开始，深圳大气环境质量又迅速好转[1]，但大气污染仍会在不利的气象条件下出现，并且呈现了一些新的特征[2]。在所有这些新特征中，局地小尺度污染出现频率的增加是一个重要特点。张丽等[3]指出，相较于过去的大范围区域性PM2.5污染，小尺度的局地PM2.5污染近年来在深圳出现的频率越来越高——这主要体现在深圳部分地区的PM2.5浓度会明显比其它区域更高。

一般认为大气污染的形成与两个因素有关，即污染排放和不利气象条件。由于大气运动复杂多变，它对大气输送扩散的影响机制又十分复杂，因此关于环境气象条件的科学问题一直是大气科学中的热门问题之一。特别是深圳所在的珠三角(浙江三角洲)地区，由于改善区域大气环境的需求驱动，关于环境气象条件的研究蓬勃发展并取得了大量的研究成果，对于厘清本区域污染形成的规律及机制提供了重要科学支撑[4-7]，也为提升本区域的空气质量预报能力提供了重要支撑[8-9]。

张丽等[3]对深圳局地污染形成的大尺度背景环流条件做过梳理，指出存在8种环流条件可能诱发局地性的污染。然而，他们的研究结论却无法进一步解释为何在深圳存在明显的局地污染多发地区——特别是深圳污染源以分布较均匀的交通污染排放为主，而局地性污染却容易集中出现在少数区域，例如西北部临近珠江口的密集城市建成区，这需要进一步的科学解释。

事实上，除了大尺度背景环流的影响外，也有不少学者将注意力放在污染事件的边界层气象特征上。Chen等[10]利用数值模式分析了海陆风在珠三角大气污染形成过程中的作用，吴蒙等[6]则基于大气边界层观测试验研究了珠三角海陆风特征及其对空气质量的影响。深圳及周边地区下垫面比较明显的特点是处于海陆交界处且具有高密度的城市建成区[11]，城市热岛与海陆风的相互作用，对于边界层结构产生了复杂的影响，并进一步影响到了环境气象条件。范绍佳等[4]提出了珠江三角洲大气边界层的特征概念模型，明确指出热岛环流是本区域边界层环境气象条件的重要影响因素，其作用已经与海陆环流的作用相当。然而在讨论日益多发的局地污染现象时，研究问题的空间尺度已小于50 km，此时是否存在新的可能性——即当观察的视角深入到城市建成区内部时，城市热岛的影响是否会成为主导因素，导致局地环境气象条件明显不同于其它地方，从而诱发了局地污染的形成？例如，Wei 等[12]利用WRF 数值模式分析了台风外围环流影响下深圳出现的一次局地大气污染案例，明确指出小尺度的地面辐合流场，可能是这次污染过程的重要诱因，但对于小尺度地面辐合出现的成因和机制，作者却未给出更深入的解释。

为了更深入地分析局地污染形成的边界层物理机制，本文利用计算流体力学(Computational Fluid Dyanmics，CFD)模拟的方法，分析了城市建成区的热力作用对局地环流的可能影响。近年来，利用CFD 进行典型理想城市的热-动力耦合研究逐渐成为一种主流的研究方法——特别是在与深圳毗邻的香港，针对城市建筑超高密度和人为热排放强大的特点，科学家们利用CFD 进行了大量研究，包括热岛边界层形状从烟羽向穹窿的转换、不同强度热岛与背景风相互作用以及城市通风潜力等问题，并已取得了大量研究成果[13-15]。这些研究成果很有启发意义，表明利用CFD 来分析城市边界层的热-动力机制相关科学问题是可行的，且由于其不需要大尺度背景环流数据、更方便设置控制试验条件而有着中尺度模式所不具备的优势。

2 试验方案及验证

2.1 试验方案

在制定试验方案之前，先对一些典型局地污染案例的地面气象要素特征进行了回顾观察，发现在不少案例中，城市建成区上空的近地层大气除了出现大范围弱风外，还经常会出现线状的辐合型风场(图1)。这种风场出现的时间并不固定，在昼间和夜间都可能出现，它会导致污染物往辐合线输送从而形成一条局地污染带。这种线状辐合是否与城市的热力作用有关，它们与海陆风的关系如何，是本文研究的重点。

图1 2018年4月28日凌晨深圳西北部城市建成区的带状辐合实例

一般认为，海陆风存在明显的周期变化，在昼间因为陆地温度高于海面，风从海上吹向陆地，而夜间则正好相反。但当陆地上存在密集城市建成区时，次级环流风向转换的规律是否会有所变化，是本文重点分析的问题。为此，本文设计了5组数值试验，并利用CFD进行模拟，所用到的基本方程如式(1)和(2)所示：

构建的具体计算模型如图2所示，在一块海陆分界明显的区域有一片高密度城市建成区，建筑物密集，且地表温度明显高于陆上其他区域。对于不考虑城市建成区存在的试验方案，则在计算模型中去掉图2a 中城市部分，陆地和海洋平分整个下垫面。计算模型水平方向上边长为4 000 m，其中城市建成区的边长为2 000 m，模拟区域顶高约2 000 m，模拟区域内建筑物高度均为100 m，建筑物之间间距为50 m，模拟范围内总网格数为300 万个，均为高质量的矩形网格(图2b)。本文所采用的数值试验方案显然是一种高度理想化的试验方案，但对包括深圳在内的珠三角沿海城市却具有一定代表性——这是因为该区域的城市多呈组团式分布，城市建成区通常被大量农田、湿地或山林所分割，且部分沿海建成区还建设于填海形成的土地之上，从而形成较小的城市组团。因此，本文设计的计算模型可视为单个城市建成区组团的理想化模型，而这种高度简化的理想模型已在近期的一些城市边界层热-动力机制研究中被频繁使用[13-15]。

图2 模拟范围内的海-陆-城市分布(a)及网格(b)

数值试验的具体方案如表1所示，地温数值主要根据深圳旱季4 月或11 月实际观测到的典型数据设置。

表1 敏感性数值实验条件设置

方案1～4 设置背景风速为0，这是为研究静风条件下，单靠海-陆-城市之间的热力差所激发的边界层风场特征，其中方案1、2 考虑有城市存在，方案3、4假设没有城市存在，并且城市的地表温度始终高于陆面和海面温度。方案5考虑夜间状况，但有微弱的背景风，希望通过这个方案试验背景风存在条件下，热力作用对风场的影响。模拟使用的CFD 软件为FLUENT，模拟方案1～4 的所有侧边界条件设置为pressure outlet，底边界设置为具有不同温度的固体边界条件；方案5的入流边界设为velocity inlet，出流边界设为outflow。数值试验中空气温度均设置为等位温，表示大气为中性层结，虽然完全中性的大气位温垂直分布在现实情况中并不是很常见，但从数值试验的角度而言，这种设置可以降低试验的复杂性，有助于将观察视角更集中于地表热力属性对大气的影响上。由于FLUENT 无法像普通的大气数值模式那样设置上边界为海绵边界，故将上边界设置为与周边大气等温的不可穿越边界，这种试验方案设置类似于一些研究城市热岛环流效应的水槽实验[16]，但从试验的便利性而言，数值试验无疑更为经济和高效。

2.2 方法验证

Li 等[17]曾利用热力学风洞实验的观测数据验证过FLUENT 的模拟能力，发现基于Boussinessq假设的计算模型可较好地反映热力作用存在时的气流运动特征，这已初步证实FLUENT 结合Boussinessq 模型可很好地用于本文的分析研究。如前文所述，本文关于热岛环流效应的研究类似于水槽实验的数值版本，而FLUENT 在类似问题的模拟能力上也已得到过验证，Kristof 等[18]曾利用基于Boussinessq 模型的FLUENT 模拟了水槽实验中的热岛环流现象，而他们所采用的模型基本方程与本文所采用的完全相同。为进一步建立对模型的信心，本文重复了Kristof等的数值试验，发现基于Boussinessq 模型的FLUENT 可很好地描述纯靠热力作用激发出的次级环流形状，模拟得到的环流速度量级也与水槽实验观测值相当(图3)。关于数值试验的技术细节和方案设置，可进一步参见文献[18]。

图3 水槽实验的数值版本

3 研究结果

3.1 地温分布

图4 给出了4 种方案中的地温分布情况，从中可很直观地看出模拟试验的意图。图4a 和图4c两种方案都是白天的情况，在没有城市建成区的情况下，海陆之间地温相差为20 K；而有城市建成区时，建成区的地温比一般陆地还高2 K。图4b和图4d是夜间的情况，在没有城市建成区情况下，海陆温差约为12 K；而有城市建成区时，城区的地温比海洋还高出3 K。这样的地温设置可以不失合理且比较充分地描述出海-陆-城市之间的热力差异——由于地表热力属性的差异，白天陆地地温高于海洋，夜间海洋洋面温度高于陆地，而城市由于人为热的大量排放，使得整个城市的温度在任何时候都高于陆地和洋面。尤其是高密度城市建筑群高度较高，在本研究的设置中达到了100 m，对于边界层已经难以简化近似为一个平面，城市建成区和建筑群对大气的加热是立体的，从而具备了影响整个边界层环流的基本条件。

图4 模拟方案中的地温分布

3.2 垂直气温分布

图5 给出了4 种方案中模拟区域中轴线上垂直剖面上的气温分布情况。图5a 和图5c 两种方案是白天的情况，从垂直方向上的气温分布情况可明显地看到城市建成区的影响——当没有城市建成区时，地表对大气的加热主要集中在模拟范围左边的陆地上，在陆地中间存在热对流延伸至边界层顶部；而当城市建成区存在时，虽然建成区地温只比陆地高了不到2 K，但热对流的中心已经移动到了建成区上空，对大气的加热主要集中在城市建成区上空了。图5b 和5d 是夜间的情况，在陆地上存在一定程度的逆温(空气位温为292 K，而陆面温度为283 K)。在没有城市建成区的情况下，夜间地表对大气的加热并不明显，因为即使是海洋上空，地表与大气的温差也只有3.15 K；而当模拟范围内存在城市建成区时，垂直方向上的热力结构显得十分复杂，且加热作用显得比较明显，地表对大气的加热集中在城市建成区上空，并且尽管城市上空的逆温还在一定程度上维持，但因为地表的加热作用，逆温的强度有所减弱。

图5 模拟得到的中轴垂直剖面上的气温分布

3.3 垂直方向上气流的分布

图6 给出了4 种方案中模拟区域中轴线上垂直剖面上的气流轨迹线。图6a 和图6c 两种方案是白天的情况，可见下垫面加热对气流运动的影响。当没有城市时，由于陆-气之间热力差异巨大，在陆地上形成了辐合与对流；而当城市建成区存在时，辐合的中心转到了城市建成区上空。图6b 和图6d 是夜间的情况，当没有城市时，辐合与对流集中在海洋上空，陆上是因为较强逆温导致的非常明显的下沉气流；当存在城市建成区时，辐合又集中到了城市建成区上空。

图6 用气温模拟得到垂直剖面上的气流轨迹线

3.4 城市影响边界层环流的概念模型

由数值模拟可很清楚地看到城市建成区的存在是如何改变了边界层的热动力结构，尽管是理想实验，但是得到的结果对于认识高密度城市的边界层效应还是有帮助的。根据模拟可得到以下结论：(1) 在没有背景风的情况下，海陆之间的热力差异可激发出一定强度的热力环流，白天气流主要从海上吹向陆地，夜间主要从陆地吹向海洋；(2) 城市建成区的存在会显著地增加边界层热动力结构的复杂性，使得城市上空无论是白天还是夜晚总是存在水平方向上的辐合气流。CFD 模拟得到的结果可用图7提出的概念模型来解释，城市的存在对昼夜周期性变化的海陆风环流结构产生了显著的影响，使得海陆风环流结构被破坏，而在城市上空始终存在辐合气流。

图7 城市热力作用影响边界层风场结构的概念模型

城市对边界层环流的影响显然存在一定程度的大气环境效应，由于城市上空总是存在水平辐合气流，会使得污染物聚集到城市上空，从而产生局地大气污染。这种辐合与海陆风昼夜循环的环境效应还不同，尽管一些研究表明海陆风会导致大气污染物的往复循环(即白天输送到海上的污染物晚上会被输送回来)，但城市引发辐合气流的影响显然更严重，因为它使得污染物会昼夜不变地聚集到城市上空，而仅能依靠垂直运动被输送离开地面。

3.5 存在背景风时的模拟结果

事实上，方案1～4 的模拟是理想条件下的模拟，真实大气中完全没有背景风的情况很难出现，为此我们进一步进行了方案5 的模拟。以便观察存在弱背景风的条件下，城市的存在对边界层风场结构的影响。模拟结果表明，在这种情况下，热力作用仍然对边界层结构存在影响。图8 给出了垂直方向上的气流轨迹，可发现气流在通过城市建成区上空时因为地表的加热作用而被抬升，但贴地的部分因为建筑群的摩擦而存在明显衰减，在建筑群的尾流区气流极为紊乱。

图8 弱风背景下城市影响边界层风场垂直结构(单位：m/s)

图9a 给出了水平风场的情况，可很明显地看到气流在向城市地区辐合，这表明只要城市建成区存在，由于其排放的人为热的加热作用，即使是有背景风，气流也会向建成区辐合。与没有背景风条件下辐合以点状辐合为主有所不同，有背景风的条件下，水平风场的辐合以带状辐合为主。辐合带的中心位于城市建成区。图9b给出了建成区上空的水平气流分布细节，可见即使是在城市辐合带上空，也存在更多小的条状辐合带，尤其是在城市下风向的边缘，辐合线非常明显。而且在辐合线上，越往下风向风速越大(下风向的海面粗糙度显然比城市建成区小)，而这与在真实大气中观察到的案例(图1)在现象上是吻合的。近地层风场的这种线型辐合会使近地面污染物被输送到辐合线的周边，因此能够部分地解释局地高污染带形成的物理机制。

图9 弱风背景下城市影响边界层风场水平结构

4 结 论

为了解释深圳日益多发的局地污染事件，本文利用CFD模拟技术分析了城市建成区的热力作用对局地环流的影响。设计了总共5 组理想数值试验，分别分析了无背景风和有弱背景风条件下的局地环流特征，模拟结果表明：在没有背景风的情况下，城市热岛效应可破坏海陆环流的固有转换模式，使风场在城市建成区上空始终存在辐合；在有微弱背景风的情况下，热岛效应也会导致城市上空的近地层风场的线型辐合。因此，城市建成区的出现，使得城市上空总是容易出现辐合型的风场，而这种辐合型风场可能会导致污染物往城市上空聚集，从而有助于部分解释城市局地高污染带形成的边界层物理机制。

当然，需要特别指出，本文研究仍然处于初步阶段，存在一定局限性：从研究手段来看主要是基于CFD 的理想数值试验，研究目的是试图解释局地污染产生的环流特征及可能的形成机制，研究结论倾向于定性分析和提出概念模型，而非精确的定量评价。从数值试验的具体方案来看，设计的计算模型是高度简化后的理想模型，在现实世界并不太容易寻找到真实对应的案例，所以尽管模拟结果在一定程度上支持了关于局地高污染带形成机制的猜想，但其有效性还须进一步通过其它手段予以验证。未来待条件成熟，可进一步通过组织水槽实验开展更直接的物理模拟，亦可设计基于真实条件的外场实验，获取更多定量的数据支持，以进一步丰富对于局地污染事件形成机制的科学认识。