沿海城市建成區熱力作用對局地環流影響的CFD模擬研究

李磊

（1. 中山大學大氣科學學院，廣東珠海519082；2. 廣東省環珠江口氣候環境與空氣質量變化野外科學觀測研究站，廣東珠海519082；3. 熱帶大氣海洋系統科學教育部重點實驗室，廣東珠海519082）

1 引 言

自1980 年代以來，中國經歷了快速的經濟發展和城市化進程。在這一進程中，我國許多地區的大氣環境質量出現了以灰霾天氣增多為主要表征的惡化，這其中廣東深圳是一個典型案例。深圳是改革開放以來中國城市化進程和經濟發展速度最快的城市，但它也難以避免地遭受了大氣環境惡化帶來的困擾。盡管從2005 年開始，深圳大氣環境質量又迅速好轉[1]，但大氣污染仍會在不利的氣象條件下出現，并且呈現了一些新的特征[2]。在所有這些新特征中，局地小尺度污染出現頻率的增加是一個重要特點。張麗等[3]指出，相較于過去的大范圍區域性PM2.5污染，小尺度的局地PM2.5污染近年來在深圳出現的頻率越來越高——這主要體現在深圳部分地區的PM2.5濃度會明顯比其它區域更高。

一般認為大氣污染的形成與兩個因素有關，即污染排放和不利氣象條件。由于大氣運動復雜多變，它對大氣輸送擴散的影響機制又十分復雜，因此關于環境氣象條件的科學問題一直是大氣科學中的熱門問題之一。特別是深圳所在的珠三角(浙江三角洲)地區，由于改善區域大氣環境的需求驅動，關于環境氣象條件的研究蓬勃發展并取得了大量的研究成果，對于厘清本區域污染形成的規律及機制提供了重要科學支撐[4-7]，也為提升本區域的空氣質量預報能力提供了重要支撐[8-9]。

張麗等[3]對深圳局地污染形成的大尺度背景環流條件做過梳理，指出存在8種環流條件可能誘發局地性的污染。然而，他們的研究結論卻無法進一步解釋為何在深圳存在明顯的局地污染多發地區——特別是深圳污染源以分布較均勻的交通污染排放為主，而局地性污染卻容易集中出現在少數區域，例如西北部臨近珠江口的密集城市建成區，這需要進一步的科學解釋。

事實上，除了大尺度背景環流的影響外，也有不少學者將注意力放在污染事件的邊界層氣象特征上。Chen等[10]利用數值模式分析了海陸風在珠三角大氣污染形成過程中的作用，吳蒙等[6]則基于大氣邊界層觀測試驗研究了珠三角海陸風特征及其對空氣質量的影響。深圳及周邊地區下墊面比較明顯的特點是處于海陸交界處且具有高密度的城市建成區[11]，城市熱島與海陸風的相互作用，對于邊界層結構產生了復雜的影響，并進一步影響到了環境氣象條件。范紹佳等[4]提出了珠江三角洲大氣邊界層的特征概念模型，明確指出熱島環流是本區域邊界層環境氣象條件的重要影響因素，其作用已經與海陸環流的作用相當。然而在討論日益多發的局地污染現象時，研究問題的空間尺度已小于50 km，此時是否存在新的可能性——即當觀察的視角深入到城市建成區內部時，城市熱島的影響是否會成為主導因素，導致局地環境氣象條件明顯不同于其它地方，從而誘發了局地污染的形成？例如，Wei 等[12]利用WRF 數值模式分析了臺風外圍環流影響下深圳出現的一次局地大氣污染案例，明確指出小尺度的地面輻合流場，可能是這次污染過程的重要誘因，但對于小尺度地面輻合出現的成因和機制，作者卻未給出更深入的解釋。

為了更深入地分析局地污染形成的邊界層物理機制，本文利用計算流體力學(Computational Fluid Dyanmics，CFD)模擬的方法，分析了城市建成區的熱力作用對局地環流的可能影響。近年來，利用CFD 進行典型理想城市的熱-動力耦合研究逐漸成為一種主流的研究方法——特別是在與深圳毗鄰的香港，針對城市建筑超高密度和人為熱排放強大的特點，科學家們利用CFD 進行了大量研究，包括熱島邊界層形狀從煙羽向穹窿的轉換、不同強度熱島與背景風相互作用以及城市通風潛力等問題，并已取得了大量研究成果[13-15]。這些研究成果很有啟發意義，表明利用CFD 來分析城市邊界層的熱-動力機制相關科學問題是可行的，且由于其不需要大尺度背景環流數據、更方便設置控制試驗條件而有著中尺度模式所不具備的優勢。

2 試驗方案及驗證

2.1 試驗方案

在制定試驗方案之前，先對一些典型局地污染案例的地面氣象要素特征進行了回顧觀察，發現在不少案例中，城市建成區上空的近地層大氣除了出現大范圍弱風外，還經常會出現線狀的輻合型風場(圖1)。這種風場出現的時間并不固定，在晝間和夜間都可能出現，它會導致污染物往輻合線輸送從而形成一條局地污染帶。這種線狀輻合是否與城市的熱力作用有關，它們與海陸風的關系如何，是本文研究的重點。

圖1 2018年4月28日凌晨深圳西北部城市建成區的帶狀輻合實例

一般認為，海陸風存在明顯的周期變化，在晝間因為陸地溫度高于海面，風從海上吹向陸地，而夜間則正好相反。但當陸地上存在密集城市建成區時，次級環流風向轉換的規律是否會有所變化，是本文重點分析的問題。為此，本文設計了5組數值試驗，并利用CFD進行模擬，所用到的基本方程如式(1)和(2)所示：

構建的具體計算模型如圖2所示，在一塊海陸分界明顯的區域有一片高密度城市建成區，建筑物密集，且地表溫度明顯高于陸上其他區域。對于不考慮城市建成區存在的試驗方案，則在計算模型中去掉圖2a 中城市部分，陸地和海洋平分整個下墊面。計算模型水平方向上邊長為4 000 m，其中城市建成區的邊長為2 000 m，模擬區域頂高約2 000 m，模擬區域內建筑物高度均為100 m，建筑物之間間距為50 m，模擬范圍內總網格數為300 萬個，均為高質量的矩形網格(圖2b)。本文所采用的數值試驗方案顯然是一種高度理想化的試驗方案，但對包括深圳在內的珠三角沿海城市卻具有一定代表性——這是因為該區域的城市多呈組團式分布，城市建成區通常被大量農田、濕地或山林所分割，且部分沿海建成區還建設于填海形成的土地之上，從而形成較小的城市組團。因此，本文設計的計算模型可視為單個城市建成區組團的理想化模型，而這種高度簡化的理想模型已在近期的一些城市邊界層熱-動力機制研究中被頻繁使用[13-15]。

圖2 模擬范圍內的海-陸-城市分布(a)及網格(b)

數值試驗的具體方案如表1所示，地溫數值主要根據深圳旱季4 月或11 月實際觀測到的典型數據設置。

表1 敏感性數值實驗條件設置

方案1～4 設置背景風速為0，這是為研究靜風條件下，單靠海-陸-城市之間的熱力差所激發的邊界層風場特征，其中方案1、2 考慮有城市存在，方案3、4假設沒有城市存在，并且城市的地表溫度始終高于陸面和海面溫度。方案5考慮夜間狀況，但有微弱的背景風，希望通過這個方案試驗背景風存在條件下，熱力作用對風場的影響。模擬使用的CFD 軟件為FLUENT，模擬方案1～4 的所有側邊界條件設置為pressure outlet，底邊界設置為具有不同溫度的固體邊界條件；方案5的入流邊界設為velocity inlet，出流邊界設為outflow。數值試驗中空氣溫度均設置為等位溫，表示大氣為中性層結，雖然完全中性的大氣位溫垂直分布在現實情況中并不是很常見，但從數值試驗的角度而言，這種設置可以降低試驗的復雜性，有助于將觀察視角更集中于地表熱力屬性對大氣的影響上。由于FLUENT 無法像普通的大氣數值模式那樣設置上邊界為海綿邊界，故將上邊界設置為與周邊大氣等溫的不可穿越邊界，這種試驗方案設置類似于一些研究城市熱島環流效應的水槽實驗[16]，但從試驗的便利性而言，數值試驗無疑更為經濟和高效。

2.2 方法驗證

Li 等[17]曾利用熱力學風洞實驗的觀測數據驗證過FLUENT 的模擬能力，發現基于Boussinessq假設的計算模型可較好地反映熱力作用存在時的氣流運動特征，這已初步證實FLUENT 結合Boussinessq 模型可很好地用于本文的分析研究。如前文所述，本文關于熱島環流效應的研究類似于水槽實驗的數值版本，而FLUENT 在類似問題的模擬能力上也已得到過驗證，Kristof 等[18]曾利用基于Boussinessq 模型的FLUENT 模擬了水槽實驗中的熱島環流現象，而他們所采用的模型基本方程與本文所采用的完全相同。為進一步建立對模型的信心，本文重復了Kristof等的數值試驗，發現基于Boussinessq 模型的FLUENT 可很好地描述純靠熱力作用激發出的次級環流形狀，模擬得到的環流速度量級也與水槽實驗觀測值相當(圖3)。關于數值試驗的技術細節和方案設置，可進一步參見文獻[18]。

圖3 水槽實驗的數值版本

3 研究結果

3.1 地溫分布

圖4 給出了4 種方案中的地溫分布情況，從中可很直觀地看出模擬試驗的意圖。圖4a 和圖4c兩種方案都是白天的情況，在沒有城市建成區的情況下，海陸之間地溫相差為20 K；而有城市建成區時，建成區的地溫比一般陸地還高2 K。圖4b和圖4d是夜間的情況，在沒有城市建成區情況下，海陸溫差約為12 K；而有城市建成區時，城區的地溫比海洋還高出3 K。這樣的地溫設置可以不失合理且比較充分地描述出海-陸-城市之間的熱力差異——由于地表熱力屬性的差異，白天陸地地溫高于海洋，夜間海洋洋面溫度高于陸地，而城市由于人為熱的大量排放，使得整個城市的溫度在任何時候都高于陸地和洋面。尤其是高密度城市建筑群高度較高，在本研究的設置中達到了100 m，對于邊界層已經難以簡化近似為一個平面，城市建成區和建筑群對大氣的加熱是立體的，從而具備了影響整個邊界層環流的基本條件。

圖4 模擬方案中的地溫分布

3.2 垂直氣溫分布

圖5 給出了4 種方案中模擬區域中軸線上垂直剖面上的氣溫分布情況。圖5a 和圖5c 兩種方案是白天的情況，從垂直方向上的氣溫分布情況可明顯地看到城市建成區的影響——當沒有城市建成區時，地表對大氣的加熱主要集中在模擬范圍左邊的陸地上，在陸地中間存在熱對流延伸至邊界層頂部；而當城市建成區存在時，雖然建成區地溫只比陸地高了不到2 K，但熱對流的中心已經移動到了建成區上空，對大氣的加熱主要集中在城市建成區上空了。圖5b 和5d 是夜間的情況，在陸地上存在一定程度的逆溫(空氣位溫為292 K，而陸面溫度為283 K)。在沒有城市建成區的情況下，夜間地表對大氣的加熱并不明顯，因為即使是海洋上空，地表與大氣的溫差也只有3.15 K；而當模擬范圍內存在城市建成區時，垂直方向上的熱力結構顯得十分復雜，且加熱作用顯得比較明顯，地表對大氣的加熱集中在城市建成區上空，并且盡管城市上空的逆溫還在一定程度上維持，但因為地表的加熱作用，逆溫的強度有所減弱。

圖5 模擬得到的中軸垂直剖面上的氣溫分布

3.3 垂直方向上氣流的分布

圖6 給出了4 種方案中模擬區域中軸線上垂直剖面上的氣流軌跡線。圖6a 和圖6c 兩種方案是白天的情況，可見下墊面加熱對氣流運動的影響。當沒有城市時，由于陸-氣之間熱力差異巨大，在陸地上形成了輻合與對流；而當城市建成區存在時，輻合的中心轉到了城市建成區上空。圖6b 和圖6d 是夜間的情況，當沒有城市時，輻合與對流集中在海洋上空，陸上是因為較強逆溫導致的非常明顯的下沉氣流；當存在城市建成區時，輻合又集中到了城市建成區上空。

圖6 用氣溫模擬得到垂直剖面上的氣流軌跡線

3.4 城市影響邊界層環流的概念模型

由數值模擬可很清楚地看到城市建成區的存在是如何改變了邊界層的熱動力結構，盡管是理想實驗，但是得到的結果對于認識高密度城市的邊界層效應還是有幫助的。根據模擬可得到以下結論：(1) 在沒有背景風的情況下，海陸之間的熱力差異可激發出一定強度的熱力環流，白天氣流主要從海上吹向陸地，夜間主要從陸地吹向海洋；(2) 城市建成區的存在會顯著地增加邊界層熱動力結構的復雜性，使得城市上空無論是白天還是夜晚總是存在水平方向上的輻合氣流。CFD 模擬得到的結果可用圖7提出的概念模型來解釋，城市的存在對晝夜周期性變化的海陸風環流結構產生了顯著的影響，使得海陸風環流結構被破壞，而在城市上空始終存在輻合氣流。

圖7 城市熱力作用影響邊界層風場結構的概念模型

城市對邊界層環流的影響顯然存在一定程度的大氣環境效應，由于城市上空總是存在水平輻合氣流，會使得污染物聚集到城市上空，從而產生局地大氣污染。這種輻合與海陸風晝夜循環的環境效應還不同，盡管一些研究表明海陸風會導致大氣污染物的往復循環(即白天輸送到海上的污染物晚上會被輸送回來)，但城市引發輻合氣流的影響顯然更嚴重，因為它使得污染物會晝夜不變地聚集到城市上空，而僅能依靠垂直運動被輸送離開地面。

3.5 存在背景風時的模擬結果

事實上，方案1～4 的模擬是理想條件下的模擬，真實大氣中完全沒有背景風的情況很難出現，為此我們進一步進行了方案5 的模擬。以便觀察存在弱背景風的條件下，城市的存在對邊界層風場結構的影響。模擬結果表明，在這種情況下，熱力作用仍然對邊界層結構存在影響。圖8 給出了垂直方向上的氣流軌跡，可發現氣流在通過城市建成區上空時因為地表的加熱作用而被抬升，但貼地的部分因為建筑群的摩擦而存在明顯衰減，在建筑群的尾流區氣流極為紊亂。

圖8 弱風背景下城市影響邊界層風場垂直結構(單位：m/s)

圖9a 給出了水平風場的情況，可很明顯地看到氣流在向城市地區輻合，這表明只要城市建成區存在，由于其排放的人為熱的加熱作用，即使是有背景風，氣流也會向建成區輻合。與沒有背景風條件下輻合以點狀輻合為主有所不同，有背景風的條件下，水平風場的輻合以帶狀輻合為主。輻合帶的中心位于城市建成區。圖9b給出了建成區上空的水平氣流分布細節，可見即使是在城市輻合帶上空，也存在更多小的條狀輻合帶，尤其是在城市下風向的邊緣，輻合線非常明顯。而且在輻合線上，越往下風向風速越大(下風向的海面粗糙度顯然比城市建成區小)，而這與在真實大氣中觀察到的案例(圖1)在現象上是吻合的。近地層風場的這種線型輻合會使近地面污染物被輸送到輻合線的周邊，因此能夠部分地解釋局地高污染帶形成的物理機制。

圖9 弱風背景下城市影響邊界層風場水平結構

4 結 論

為了解釋深圳日益多發的局地污染事件，本文利用CFD模擬技術分析了城市建成區的熱力作用對局地環流的影響。設計了總共5 組理想數值試驗，分別分析了無背景風和有弱背景風條件下的局地環流特征，模擬結果表明：在沒有背景風的情況下，城市熱島效應可破壞海陸環流的固有轉換模式，使風場在城市建成區上空始終存在輻合；在有微弱背景風的情況下，熱島效應也會導致城市上空的近地層風場的線型輻合。因此，城市建成區的出現，使得城市上空總是容易出現輻合型的風場，而這種輻合型風場可能會導致污染物往城市上空聚集，從而有助于部分解釋城市局地高污染帶形成的邊界層物理機制。

當然，需要特別指出，本文研究仍然處于初步階段，存在一定局限性：從研究手段來看主要是基于CFD 的理想數值試驗，研究目的是試圖解釋局地污染產生的環流特征及可能的形成機制，研究結論傾向于定性分析和提出概念模型，而非精確的定量評價。從數值試驗的具體方案來看，設計的計算模型是高度簡化后的理想模型，在現實世界并不太容易尋找到真實對應的案例，所以盡管模擬結果在一定程度上支持了關于局地高污染帶形成機制的猜想，但其有效性還須進一步通過其它手段予以驗證。未來待條件成熟，可進一步通過組織水槽實驗開展更直接的物理模擬，亦可設計基于真實條件的外場實驗，獲取更多定量的數據支持，以進一步豐富對于局地污染事件形成機制的科學認識。