城市下垫面污染物扩散关键因素与模型进展研究*

夏慧瑶，王汉青，李 旺，孟德雨

（1.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001；2.中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410000；3.建筑环境控制技术湖南省工程实验室，湖南 衡阳 421001）

下垫面即指地球的表面，包括海洋、陆地及陆上的山地、平原、森林、城市等等。下垫面的性质和形状，对大气的运动状况有明显影响。随着人类活动对自然环境的影响愈大，下垫面情况也愈发复杂，最为典型的是城市下垫面，下垫面性质发生变化，城市环境微气候也随之发生改变。复杂下垫面大气扩散如空气污染和有毒气体的泄露扩散是不可忽视的潜在危险，特别是城市大气污染问题越发严重，已经威胁到居民安全和社会安定。所以对城市下垫面大气污染物扩散进行深入探讨对大气污染防治和评估都具有重要意义，是当代学者们的研究热点之一。大气在下垫面传输扩散受到风、温度层结、湍流和下垫面条件等因素的影响，而对于城市下垫面，还受控于城市建筑结构、道路布局和人工植被等条件的影响。诸多因素会直接或间接改变污染物扩散速率和形态，所以基于前人总结的大气扩散基本研究理论和方法，对这类复杂情况进行模拟研究是当前防治大气污染和评估风险的重要方法。

1 城市下垫面影响大气污染物扩散的关键因素

大气的传输扩散本身就是一个相对复杂的过程，受诸多因素（如风场、温度层结和下垫面条件等）的影响。在这方面已有大量的学者进行了研究探讨，从中可知，大气在下垫面传输扩散受到风、温度层结、湍流和大气稳定度等因素的影响。除此之外，还需考虑人类活动和特殊地形导致的影响，如人工植被、道路结构、建筑群以及水体因素。

1.1 建筑物对大气扩散的影响

城市化最明显的标志是建筑扩张，而建筑群的存在会直接影响地区风场的形态，特别是高层建筑群。Zhang等人指出上迎风建筑物会产生“爬墙”效应，使街道峡谷内的机动车气体污染物聚集在靠近地表的迎风建筑物内，这样大气污染物难以扩散，尤其是近地面迎风建筑物会在街道峡谷中产生高浓度的污染物；张秋楠在对高层建筑群对大气污染物扩散影响的模拟研究中指出，建筑群周围产生的局部湍流区会明显控制着污染物的扩散，这些地方会出现污染物浓度累积情况；Y. Zhang 等人在对典型高层建筑模型的污染物扩散研究中发现，迎风和背风排放的污染物迁移路径不同，指出建筑物模型周围的空气污染物扩散主要受风与建筑结构相互作用的影响。学者们的研究结果均表明，周围建筑物的布置会直接影响到该地区的气流场和城市边界层的形成，进而对污染物的扩散有明显的影响。所以对于占地面积较大的建筑群的规划设计，应充分考虑到建筑的结构和高度对污染物累积量的影响。

1.2 街道结构对大气扩散的影响

城市街道是城市居民重要的活动场所，作为相对封闭的活动空间，街道区域可以说是通过切割周围稠密的建筑群而形成的人造峡谷。由于建筑群的存在直接影响了风场的形态，街道峡谷会加快风的流动速度，造成空气中的污染物集中于近地面的空间，从而使街道行人和临街建筑的居民受到空气污染的威胁。因此，评估出街道峡谷对大气扩散的影响规律能有效改善街道峡谷的空气质量，对城市居民的健康十分重要。在街道规划时可以通过设计街道峡谷结构来改变风场流向，避免出现不利于污染物扩散的风口。有些学者对这方面进行了相关模拟研究，得到了类似的结果，风和街道峡谷角度的变化会影响污染物堆积量；街道形状走向的不同会导致峡谷内部涡旋形态不同，进而影响污染物的扩散特性，这些研究结果为城市街道的合理布局和规划提供了理论依据参考。

1.3 绿化带对大气扩散的影响

绿化带是城市道路交通和景观的重要组成部分，不同的绿化带布局和植被的种类高度对大气污染物的扩散都具有一定的影响。Huang 等人通过研究植树方式和树干高度对街道峡谷内气流和污染物扩散的影响，发现不同的植树模式会影响到大气污染物分布和扩散情况；刘蓬博等利用二维数值模拟研究了低矮灌木、高大乔木两种绿化带植被种类及不同绿化带布局模式对街道峡谷大气污染物扩散的影响；Yang 等人结合城市公园实地调查，指出林木设计不当会不利于污染物扩散；张鑫在研究城市道路绿地大气PM2.5 浓度变化规律及影响因素中发现，风向垂直和平行于道路时，大气中PM2.5 在乔木、绿篱、乔木+绿篱和无植被这四种情况下的浓度表现不同。大量研究结果表明，绿化带的种类、高度和布局方式都是通过影响风速风向来改变风场，进而影响到大气污染物的扩散。植被越高，污染物总体浓度会逐渐增大，不易扩散出街谷，而且树冠产生的旋涡效应会使迎风面和背风面的污染物浓度存在明显差异，这也是绿化带要定期修剪的原因之一。所以在城市规划中，从良好的空气环境角度出发，应科学地采用适当高度的绿化带植被和绿化带布局，否则树木反而会对城市空气质量产生负面影响。

1.4 水体对大气扩散的影响

水体也是城市规划中的典型要素，是城市下垫面中不可或缺的覆盖类型之一。现在城市化建设引发的城市热岛效应使得大气混合层高度增加，地表粗糙度增加，继而水平风速减小，导致大气的水平运动能力减弱。水体的存在对大气混合层厚度和扩散参数的季节变化都有明显影响。在城市建设中，水体面积占有率的增加会增大日平均风速，对周围环境改善程度明显，会加强城市空气污染物输送扩散的能力。且在分散型水体布局和集中型水体布局中，分散型水体布局对环境影响力更大。对于近海城市，水体主要影响海面附近大气污染浓度高的区域，使得污染物浓度在该区域会迅速衰减。

综上可知，影响大气扩散的因素主要包括气象因素和复杂性因素，本文中复杂性因素主要考虑到城市下垫面的典型特点，包括绿化带、建筑物、街道结构和水体四个因素，相关研究也集中在这几个方面。但各种因素对大气扩散的影响并不是单一的，而是耦合作用过程。并且从学者们的结果分析中可知，影响因素考虑不周全会使研究过程中边界条件数据不充足，直接导致研究结果和实际不符的情况，此外不同因素影响力的大小还有待进一步研究。

2 大气污染物扩散的基本研究方法

到目前为止，国内外己经开展了很多大气污染扩散的研究，并取得了大量成果，这对研究城市下垫面大气污染物扩散提供了很多借鉴方法。一般来说，描述下垫面大气污染物扩散的数学理论主要包括欧拉法和拉格朗日法，现有的基本研究方法包括现场试验、风洞试验和数值模型模拟三种。

2.1 基本数学理论

在现实情况中，由于大气的流动性，大气污染物总能从源地被输送到其他环境系统中，但不同的环境中影响因素不同，气体本身的传输扩散能力也会随时空变化而不同，导致大气污染物扩散情况复杂。当大气污染物产生后没有及时被空气稀释到对人类无害的浓度，进而危害到人类的舒适、健康或环境的现象即空气污染。空气污染主要过程由污染源排放、大气传播扩散和人与物受害这三个环节所构成。在对于第二个环节——大气传播扩散过程中，大多是研究污染物粒子的运动规律。

欧拉法和拉格朗日法是现有的描述下垫面大气扩散的基本数学理论方法，当前多数大气污染物扩散的研究分析均建立在这两种基本理论之上而发展。两种方法各有特点，欧拉法是通过解雷诺方程可以预测污染物浓度分布，但求出的解是近似值，准确性较差；拉格朗日法通过描述污染物粒子的运动状态来统计分析得出大气中污染物的分布状况，但该法假定空气质点在输送过程中不与外界环境发生交换，主要考虑化学和扩散过程，这样在复杂地形和对流条件下，粒子的运行轨迹很难描述，适用性较差。所以在具体研究大气扩散时，往往需要将两种方法结合使用。

2.2 研究方法

大气污染物扩散的基本研究方法主要包括外场试验、风洞试验和数值模型模拟。三种方法各有其优缺点。

外场试验通过观测风速、风向和污染物浓度得到实时数据，进而构建或验证大气污染物传输扩散模式，能够获得实时污染物浓度数据，但这样的监测具有时间和地点上的局限性，需要时间上的积累，并且在实际测量中风速、风向和污染源的源强是持续变化的，难以准确评估各因素对污染物浓度和分布的影响。

风洞试验通过人为改变影响大气污染物传输扩散的因子来研究其规律，是在一种理想状况下进行的试验，该法对大气扩散进一步的研究有借鉴意义，但无法准确吻合实际情况；与外场试验相比，风洞试验具有节省时间和经济成本低，可人为控制试验条件的优势。罗毅等人在大型环境风洞中进行了杭钢烟气抬升风洞试验，其结果表明，试验导出的抬升公式与国家标准有一定的差别，这说明对于特定的地形和气象条件，国家标准还不尽完善。同时，试验还表明利用环境风洞研究烟羽抬升和大气扩散规律有着广阔的前景和优点。

数值模型模拟可以通过人为输入边界条件，设置地形参数等一系列条件，尽量还原现实情况，依靠计算机得出连续动态的流体轨迹，从而模拟污染物的扩散过程，即数值模型模拟能量化各种影响因素对污染物浓度的影响，节省了大量实验带来的科研成本，因此受到越来越多的青睐，但同时基于有限条件，大部分模拟研究对大气扩散物理过程进行了简化，数值模型模拟尚有不足。进而结合试验和模拟的特点，现出现一种新的大气污染物扩散研究方法——数值风洞模型法进行模拟预测研究，该法利用试验和数值模拟手段可建立复杂大气环境边界条件的多因素、多尺度、多模型、多相流耦合的数值风洞数学模型。可见，大气扩散模型是大气污染物扩散数值模拟方法的核心，是当前数值模拟的发展趋势，也是改进数值模型模拟准确性的重要途径。本文主要介绍基于数学理论的数值模拟模型。

3 大气扩散模型

大气扩散模型是指通过描述污染物在大气中迁移转化规律的方程或公式，定量地模拟计算污染物浓度时空分布的数学模型。目前，已经有很多污染扩散模式应用于大气环境问题的研究中。

3.1 高斯扩散模型和拉格朗日轨迹模型

最先发展的大气扩散模型主要包括高斯扩散模型和拉格朗日轨迹模型，这两类模型都是利用风的运动轨迹来模拟近地层大气过程，即模拟均匀混合的大气物质沿风向运动的情况。高斯模型主要有ISC、AERMOD 和ADMS 模型，拉格朗日模型有OZIP/EKMA 和CALPUFF 模型。其中OZIP/EKMA 模型由于所模拟的物理过程过于简单，化学过程粗略，无法完整描述大气运动状况，应用受到限制，已基本被淘汰。应用较多的环境空气质量模型为AERMOD 和CALPUFF 这两种。AERMOD 是稳态烟羽模型，需要气象参数配合使用，一般可使用WRF 进行计算；CALPUFF 是非稳态拉格朗日烟团模型系统，可以模拟三维流场。很多学者在这两种模式应用的基础上做了大量的研究分析工作，比较了二者扩散模式的异同及各自适用范围，所得结论基本一致：AERMOD 模式可模拟预测近场范围内（小于50km）的气象场，而模拟长距离（大于50km）、复杂流场条件下或较长时间内的大气扩散时，CALPUFF 模式模拟性能明显优于AERMOD 模式模拟性能。虽然CALPUFF 模型能模拟小尺度的大气扩散问题，也能解决较复杂的地形，但它的参数化单位时间一般为1h，而现实中，大气污染源多为短时释放，而且不是所有的地形条件下都适用CALPUFF 模式，Dmitry Tartakovsky利用AERMOD 和CALPUFF 大气扩散模型计算了丘陵地区采石场的颗粒物排放浓度，在模型结果和与实测总悬浮颗粒物相互比较后，得出结论，在所研究的各种气象和地形条件下，AERMOD 的预测比CALPUFF 的预测更符合实际情况。高斯扩散模型和拉格朗日轨迹模型虽然结构简单，但运算速度快，至今仍在常规污染物模拟方面被使用。

3.2 欧拉网格模型

随着对大气边界层湍流特征的研究，大量的试验观测数据证明高斯模型无法解答许多问题，进而推动了欧拉网格模型的发展。在欧拉网格模型中，被选定的区域被分成许多网格单元，其中加入了比较复杂的气象模式和非线性反应机制，可模拟每个单元格大气层中的化学变化过程、云雾过程，以及位于该网格周边的其他单元格内的大气状况，这包括污染源对网格区域内的影响以及所产生的沉降作用等。这类模型在1980－1990 年期间被广泛应用，这一时期一些城市尺度光化学氧化模型、区域酸沉降模型以及区域尺度光化学氧化模型得到发展研究。国内运用欧拉模式研发的空气质量模型包括城市尺度的空气质量预报模式如中国科学院大气物理研究所HRDM，区域尺度的污染物欧拉输送模式如中国科学院大气物理研究所RAQM 以及三维时变欧拉型区域酸沉降模式RegADM 等。这方面的模型相较后来发展的耦合模型功能较少，能考虑到的大气污染问题较单一，污染物相互转化扩散的物理化学过程不全面，且结构复杂，难以操作，应用较少（见表1）。

表1 单一模型的基本信息

3.3 耦合模型

早期大气扩散模型的进展，特点是比较单一化，准确性差。这些模型根据不同的情况进行了模拟，获得了有意义的研究结果，但基本上只考虑了单个或者部分的影响因子，而一个完整的环境系统不仅受气象因素影响，还需考虑很多因素如居民生活、园林植被、垂直风向等。根据这些情况，要显著提高大气扩散模拟的准确性，需要建立大气污染物扩散的多尺度多模型耦合模型，它能考虑各种尺度的天气系统和中、小尺度天气过程对污染物输送扩散特征的影响，可以更为准确地描述污染物在大气中的扩散情况。

耦合模型简单来说就是一种多尺度多因素综合模型，它能够在同一时间同一网格范围内模拟多种污染物浓度以及多种复杂大气环境问题，能较好地考虑到地形和大气化学反应等因素的影响，相较前面所提到的几种模型，它能够实现气象和大气污染的双向反馈。这方面的模型主要包括Models-3/CMAQ 模型，NAQPMS 模型，CAMx模型和WRF-chem 模型，Cheng 等人对这四种模型应用于中国城市PM2.5 数值预报功能的使用方面进行了概述和介绍，肯定了耦合模式准确性高的优点（见表2）。

表2 耦合模型的基本信息

在四种模型的具体应用方面，很多学者进行了相关研究分析。王颖利用Models3 模式系统地对兰州市空气污染进行数值模拟与分析，同时，她细致地对比了不同边界参数化方案处理方法，具有很好的参考意义；Wang 等在用NAQPMS 和CMAQ 模拟东亚1 月份颗粒物的长程输送中，两种模式的PM2.5 变化与中国东部和日本西部的测量结果吻合较好，同时指出由于模型的差异，包括模型域、水平分辨率、垂直层和发射，不同的模型之间存在一些偏差；Tang 等人针对131I 在区域尺度上的扩散，提出一种基于天气研究与预报化学（WRF-chem）全耦合在线模型的131I 扩散轨迹模拟方法，并将WRF-chem 模型的131I 浓度与已有的观测数据进行比较，表明该方法能真实地模拟区域尺度上131I 的扩散轨迹；Zhou 对WRFchem 在华东地区空气质量数值预报的应用中也证明了该模式的良好适用性；董龙祥等人将WRF-Fluent 耦合模式应用于城区高架源排放下大气扩散的模拟研究，基于城市气象数据对该模式的模拟性能进行验证，并将模拟结果与实测示踪物浓度数据进行比对，结果显示WRF-Fluent 模式可以很好地描述城区内的复杂三维风场结构以及污染烟羽的动态变化特征。

可以看出，以上所提到的模型在各种大气物理过程和各污染物间的化学反应及气固两相转化过程方面有很大的提升，都是基于嵌套网格设计，可模拟多尺度的大气扩散问题，但同时，这些耦合模型需要高精度的计算机模拟，所以模型不足在于计算量大，以及准确的气象场的获取和求解算法的改进，这些都需要大量的深入研究来实现。

综上所述，数值预报的方便性和全面性使它应用极广，但它的缺陷性也不可忽视。数值预报所依赖的气象因子与污染物排放的不确定性会导致系统在不同区域可能呈现出预报准确程度的差异，其本身基于目前计算机发展的现状也存有一定的局限。在未来通过改进过程模拟和计算，将会促进对大气扩散过程的研究。

4 结束语

由于影响扩散过程的气象条件、地形和下垫面状况等复杂性，到目前为止，基于现有的扩散理论，还不能找到一个适用于各种条件的大气扩散模式来描述所有复杂条件下的大气扩散问题。为使模拟结果更准确，更好地吻合实际情况，将更多影响因子考虑到模型中，提出范围更广的综合模型，是研究人员一直致力研究的方向。目前，针对复杂下垫面大气污染物扩散研究中，存在以下问题：（1）目前各种模型的适用条件和范围不明确，导致使用者盲目选择模型进行模拟分析。而在各种模拟结果中可以发现，不同的模型对不同地域、不同天气过程以及不同污染过程的模拟情况和误差是不同的且不可忽略。（2）研究人员在使用大气扩散模型进行模拟实验时，多是选择小区域地点通过常规测量获得气象数据和验证数据，存在人为和环境上的误差。（3）大气扩散模型中考虑到的物理化学因素越来越多，虽然模拟数据的准确性有明显提高，但其本身的模拟过程与计算过程也愈发复杂，多模块的耦合计算较难实现。

针对以上问题，有如下三点可以进行进一步的探索：（1）针对不同类型的下垫面进行模拟实验，再对数据归类分析，得出不同模型和模块耦合的优劣和适用条件，相当于提供一个模型选用参考。（2）对于数据误差的产生，可以在模型中的气象模块和地理模型建造中利用卫星数据达到实时和准确的目的，使数值模拟技术更高效精确。（3）未来模型应在计算机技术发展的基础上，改进求解算法，精简计算过程，以此推进模型的应用，增强模型普适性。