城市下墊面污染物擴散關鍵因素與模型進展研究*

夏慧瑤，王漢青，李 旺，孟德雨

（1.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001；2.中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410000；3.建筑環境控制技術湖南省工程實驗室，湖南 衡陽 421001）

下墊面即指地球的表面，包括海洋、陸地及陸上的山地、平原、森林、城市等等。下墊面的性質和形狀，對大氣的運動狀況有明顯影響。隨著人類活動對自然環境的影響愈大，下墊面情況也愈發復雜，最為典型的是城市下墊面，下墊面性質發生變化，城市環境微氣候也隨之發生改變。復雜下墊面大氣擴散如空氣污染和有毒氣體的泄露擴散是不可忽視的潛在危險，特別是城市大氣污染問題越發嚴重，已經威脅到居民安全和社會安定。所以對城市下墊面大氣污染物擴散進行深入探討對大氣污染防治和評估都具有重要意義，是當代學者們的研究熱點之一。大氣在下墊面傳輸擴散受到風、溫度層結、湍流和下墊面條件等因素的影響，而對于城市下墊面，還受控于城市建筑結構、道路布局和人工植被等條件的影響。諸多因素會直接或間接改變污染物擴散速率和形態，所以基于前人總結的大氣擴散基本研究理論和方法，對這類復雜情況進行模擬研究是當前防治大氣污染和評估風險的重要方法。

1 城市下墊面影響大氣污染物擴散的關鍵因素

大氣的傳輸擴散本身就是一個相對復雜的過程，受諸多因素（如風場、溫度層結和下墊面條件等）的影響。在這方面已有大量的學者進行了研究探討，從中可知，大氣在下墊面傳輸擴散受到風、溫度層結、湍流和大氣穩定度等因素的影響。除此之外，還需考慮人類活動和特殊地形導致的影響，如人工植被、道路結構、建筑群以及水體因素。

1.1 建筑物對大氣擴散的影響

城市化最明顯的標志是建筑擴張，而建筑群的存在會直接影響地區風場的形態，特別是高層建筑群。Zhang等人指出上迎風建筑物會產生“爬墻”效應，使街道峽谷內的機動車氣體污染物聚集在靠近地表的迎風建筑物內，這樣大氣污染物難以擴散，尤其是近地面迎風建筑物會在街道峽谷中產生高濃度的污染物；張秋楠在對高層建筑群對大氣污染物擴散影響的模擬研究中指出，建筑群周圍產生的局部湍流區會明顯控制著污染物的擴散，這些地方會出現污染物濃度累積情況；Y. Zhang 等人在對典型高層建筑模型的污染物擴散研究中發現，迎風和背風排放的污染物遷移路徑不同，指出建筑物模型周圍的空氣污染物擴散主要受風與建筑結構相互作用的影響。學者們的研究結果均表明，周圍建筑物的布置會直接影響到該地區的氣流場和城市邊界層的形成，進而對污染物的擴散有明顯的影響。所以對于占地面積較大的建筑群的規劃設計，應充分考慮到建筑的結構和高度對污染物累積量的影響。

1.2 街道結構對大氣擴散的影響

城市街道是城市居民重要的活動場所，作為相對封閉的活動空間，街道區域可以說是通過切割周圍稠密的建筑群而形成的人造峽谷。由于建筑群的存在直接影響了風場的形態，街道峽谷會加快風的流動速度，造成空氣中的污染物集中于近地面的空間，從而使街道行人和臨街建筑的居民受到空氣污染的威脅。因此，評估出街道峽谷對大氣擴散的影響規律能有效改善街道峽谷的空氣質量，對城市居民的健康十分重要。在街道規劃時可以通過設計街道峽谷結構來改變風場流向，避免出現不利于污染物擴散的風口。有些學者對這方面進行了相關模擬研究，得到了類似的結果，風和街道峽谷角度的變化會影響污染物堆積量；街道形狀走向的不同會導致峽谷內部渦旋形態不同，進而影響污染物的擴散特性，這些研究結果為城市街道的合理布局和規劃提供了理論依據參考。

1.3 綠化帶對大氣擴散的影響

綠化帶是城市道路交通和景觀的重要組成部分，不同的綠化帶布局和植被的種類高度對大氣污染物的擴散都具有一定的影響。Huang 等人通過研究植樹方式和樹干高度對街道峽谷內氣流和污染物擴散的影響，發現不同的植樹模式會影響到大氣污染物分布和擴散情況；劉蓬博等利用二維數值模擬研究了低矮灌木、高大喬木兩種綠化帶植被種類及不同綠化帶布局模式對街道峽谷大氣污染物擴散的影響；Yang 等人結合城市公園實地調查，指出林木設計不當會不利于污染物擴散；張鑫在研究城市道路綠地大氣PM2.5 濃度變化規律及影響因素中發現，風向垂直和平行于道路時，大氣中PM2.5 在喬木、綠籬、喬木+綠籬和無植被這四種情況下的濃度表現不同。大量研究結果表明，綠化帶的種類、高度和布局方式都是通過影響風速風向來改變風場，進而影響到大氣污染物的擴散。植被越高，污染物總體濃度會逐漸增大，不易擴散出街谷，而且樹冠產生的旋渦效應會使迎風面和背風面的污染物濃度存在明顯差異，這也是綠化帶要定期修剪的原因之一。所以在城市規劃中，從良好的空氣環境角度出發，應科學地采用適當高度的綠化帶植被和綠化帶布局，否則樹木反而會對城市空氣質量產生負面影響。

1.4 水體對大氣擴散的影響

水體也是城市規劃中的典型要素，是城市下墊面中不可或缺的覆蓋類型之一?，F在城市化建設引發的城市熱島效應使得大氣混合層高度增加，地表粗糙度增加，繼而水平風速減小，導致大氣的水平運動能力減弱。水體的存在對大氣混合層厚度和擴散參數的季節變化都有明顯影響。在城市建設中，水體面積占有率的增加會增大日平均風速，對周圍環境改善程度明顯，會加強城市空氣污染物輸送擴散的能力。且在分散型水體布局和集中型水體布局中，分散型水體布局對環境影響力更大。對于近海城市，水體主要影響海面附近大氣污染濃度高的區域，使得污染物濃度在該區域會迅速衰減。

綜上可知，影響大氣擴散的因素主要包括氣象因素和復雜性因素，本文中復雜性因素主要考慮到城市下墊面的典型特點，包括綠化帶、建筑物、街道結構和水體四個因素，相關研究也集中在這幾個方面。但各種因素對大氣擴散的影響并不是單一的，而是耦合作用過程。并且從學者們的結果分析中可知，影響因素考慮不周全會使研究過程中邊界條件數據不充足，直接導致研究結果和實際不符的情況，此外不同因素影響力的大小還有待進一步研究。

2 大氣污染物擴散的基本研究方法

到目前為止，國內外己經開展了很多大氣污染擴散的研究，并取得了大量成果，這對研究城市下墊面大氣污染物擴散提供了很多借鑒方法。一般來說，描述下墊面大氣污染物擴散的數學理論主要包括歐拉法和拉格朗日法，現有的基本研究方法包括現場試驗、風洞試驗和數值模型模擬三種。

2.1 基本數學理論

在現實情況中，由于大氣的流動性，大氣污染物總能從源地被輸送到其他環境系統中，但不同的環境中影響因素不同，氣體本身的傳輸擴散能力也會隨時空變化而不同，導致大氣污染物擴散情況復雜。當大氣污染物產生后沒有及時被空氣稀釋到對人類無害的濃度，進而危害到人類的舒適、健康或環境的現象即空氣污染?？諝馕廴局饕^程由污染源排放、大氣傳播擴散和人與物受害這三個環節所構成。在對于第二個環節——大氣傳播擴散過程中，大多是研究污染物粒子的運動規律。

歐拉法和拉格朗日法是現有的描述下墊面大氣擴散的基本數學理論方法，當前多數大氣污染物擴散的研究分析均建立在這兩種基本理論之上而發展。兩種方法各有特點，歐拉法是通過解雷諾方程可以預測污染物濃度分布，但求出的解是近似值，準確性較差；拉格朗日法通過描述污染物粒子的運動狀態來統計分析得出大氣中污染物的分布狀況，但該法假定空氣質點在輸送過程中不與外界環境發生交換，主要考慮化學和擴散過程，這樣在復雜地形和對流條件下，粒子的運行軌跡很難描述，適用性較差。所以在具體研究大氣擴散時，往往需要將兩種方法結合使用。

2.2 研究方法

大氣污染物擴散的基本研究方法主要包括外場試驗、風洞試驗和數值模型模擬。三種方法各有其優缺點。

外場試驗通過觀測風速、風向和污染物濃度得到實時數據，進而構建或驗證大氣污染物傳輸擴散模式，能夠獲得實時污染物濃度數據，但這樣的監測具有時間和地點上的局限性，需要時間上的積累，并且在實際測量中風速、風向和污染源的源強是持續變化的，難以準確評估各因素對污染物濃度和分布的影響。

風洞試驗通過人為改變影響大氣污染物傳輸擴散的因子來研究其規律，是在一種理想狀況下進行的試驗，該法對大氣擴散進一步的研究有借鑒意義，但無法準確吻合實際情況；與外場試驗相比，風洞試驗具有節省時間和經濟成本低，可人為控制試驗條件的優勢。羅毅等人在大型環境風洞中進行了杭鋼煙氣抬升風洞試驗，其結果表明，試驗導出的抬升公式與國家標準有一定的差別，這說明對于特定的地形和氣象條件，國家標準還不盡完善。同時，試驗還表明利用環境風洞研究煙羽抬升和大氣擴散規律有著廣闊的前景和優點。

數值模型模擬可以通過人為輸入邊界條件，設置地形參數等一系列條件，盡量還原現實情況，依靠計算機得出連續動態的流體軌跡，從而模擬污染物的擴散過程，即數值模型模擬能量化各種影響因素對污染物濃度的影響，節省了大量實驗帶來的科研成本，因此受到越來越多的青睞，但同時基于有限條件，大部分模擬研究對大氣擴散物理過程進行了簡化，數值模型模擬尚有不足。進而結合試驗和模擬的特點，現出現一種新的大氣污染物擴散研究方法——數值風洞模型法進行模擬預測研究，該法利用試驗和數值模擬手段可建立復雜大氣環境邊界條件的多因素、多尺度、多模型、多相流耦合的數值風洞數學模型。可見，大氣擴散模型是大氣污染物擴散數值模擬方法的核心，是當前數值模擬的發展趨勢，也是改進數值模型模擬準確性的重要途徑。本文主要介紹基于數學理論的數值模擬模型。

3 大氣擴散模型

大氣擴散模型是指通過描述污染物在大氣中遷移轉化規律的方程或公式，定量地模擬計算污染物濃度時空分布的數學模型。目前，已經有很多污染擴散模式應用于大氣環境問題的研究中。

3.1 高斯擴散模型和拉格朗日軌跡模型

最先發展的大氣擴散模型主要包括高斯擴散模型和拉格朗日軌跡模型，這兩類模型都是利用風的運動軌跡來模擬近地層大氣過程，即模擬均勻混合的大氣物質沿風向運動的情況。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 模型由于所模擬的物理過程過于簡單，化學過程粗略，無法完整描述大氣運動狀況，應用受到限制，已基本被淘汰。應用較多的環境空氣質量模型為AERMOD 和CALPUFF 這兩種。AERMOD 是穩態煙羽模型，需要氣象參數配合使用，一般可使用WRF 進行計算；CALPUFF 是非穩態拉格朗日煙團模型系統，可以模擬三維流場。很多學者在這兩種模式應用的基礎上做了大量的研究分析工作，比較了二者擴散模式的異同及各自適用范圍，所得結論基本一致：AERMOD 模式可模擬預測近場范圍內（小于50km）的氣象場，而模擬長距離（大于50km）、復雜流場條件下或較長時間內的大氣擴散時，CALPUFF 模式模擬性能明顯優于AERMOD 模式模擬性能。雖然CALPUFF 模型能模擬小尺度的大氣擴散問題，也能解決較復雜的地形，但它的參數化單位時間一般為1h，而現實中，大氣污染源多為短時釋放，而且不是所有的地形條件下都適用CALPUFF 模式，Dmitry Tartakovsky利用AERMOD 和CALPUFF 大氣擴散模型計算了丘陵地區采石場的顆粒物排放濃度，在模型結果和與實測總懸浮顆粒物相互比較后，得出結論，在所研究的各種氣象和地形條件下，AERMOD 的預測比CALPUFF 的預測更符合實際情況。高斯擴散模型和拉格朗日軌跡模型雖然結構簡單，但運算速度快，至今仍在常規污染物模擬方面被使用。

3.2 歐拉網格模型

隨著對大氣邊界層湍流特征的研究，大量的試驗觀測數據證明高斯模型無法解答許多問題，進而推動了歐拉網格模型的發展。在歐拉網格模型中，被選定的區域被分成許多網格單元，其中加入了比較復雜的氣象模式和非線性反應機制，可模擬每個單元格大氣層中的化學變化過程、云霧過程，以及位于該網格周邊的其他單元格內的大氣狀況，這包括污染源對網格區域內的影響以及所產生的沉降作用等。這類模型在1980－1990 年期間被廣泛應用，這一時期一些城市尺度光化學氧化模型、區域酸沉降模型以及區域尺度光化學氧化模型得到發展研究。國內運用歐拉模式研發的空氣質量模型包括城市尺度的空氣質量預報模式如中國科學院大氣物理研究所HRDM，區域尺度的污染物歐拉輸送模式如中國科學院大氣物理研究所RAQM 以及三維時變歐拉型區域酸沉降模式RegADM 等。這方面的模型相較后來發展的耦合模型功能較少，能考慮到的大氣污染問題較單一，污染物相互轉化擴散的物理化學過程不全面，且結構復雜，難以操作，應用較少（見表1）。

表1 單一模型的基本信息

3.3 耦合模型

早期大氣擴散模型的進展，特點是比較單一化，準確性差。這些模型根據不同的情況進行了模擬，獲得了有意義的研究結果，但基本上只考慮了單個或者部分的影響因子，而一個完整的環境系統不僅受氣象因素影響，還需考慮很多因素如居民生活、園林植被、垂直風向等。根據這些情況，要顯著提高大氣擴散模擬的準確性，需要建立大氣污染物擴散的多尺度多模型耦合模型，它能考慮各種尺度的天氣系統和中、小尺度天氣過程對污染物輸送擴散特征的影響，可以更為準確地描述污染物在大氣中的擴散情況。

耦合模型簡單來說就是一種多尺度多因素綜合模型，它能夠在同一時間同一網格范圍內模擬多種污染物濃度以及多種復雜大氣環境問題，能較好地考慮到地形和大氣化學反應等因素的影響，相較前面所提到的幾種模型，它能夠實現氣象和大氣污染的雙向反饋。這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 等人對這四種模型應用于中國城市PM2.5 數值預報功能的使用方面進行了概述和介紹，肯定了耦合模式準確性高的優點（見表2）。

表2 耦合模型的基本信息

在四種模型的具體應用方面，很多學者進行了相關研究分析。王穎利用Models3 模式系統地對蘭州市空氣污染進行數值模擬與分析，同時，她細致地對比了不同邊界參數化方案處理方法，具有很好的參考意義；Wang 等在用NAQPMS 和CMAQ 模擬東亞1 月份顆粒物的長程輸送中，兩種模式的PM2.5 變化與中國東部和日本西部的測量結果吻合較好，同時指出由于模型的差異，包括模型域、水平分辨率、垂直層和發射，不同的模型之間存在一些偏差；Tang 等人針對131I 在區域尺度上的擴散，提出一種基于天氣研究與預報化學（WRF-chem）全耦合在線模型的131I 擴散軌跡模擬方法，并將WRF-chem 模型的131I 濃度與已有的觀測數據進行比較，表明該方法能真實地模擬區域尺度上131I 的擴散軌跡；Zhou 對WRFchem 在華東地區空氣質量數值預報的應用中也證明了該模式的良好適用性；董龍祥等人將WRF-Fluent 耦合模式應用于城區高架源排放下大氣擴散的模擬研究，基于城市氣象數據對該模式的模擬性能進行驗證，并將模擬結果與實測示蹤物濃度數據進行比對，結果顯示WRF-Fluent 模式可以很好地描述城區內的復雜三維風場結構以及污染煙羽的動態變化特征。

可以看出，以上所提到的模型在各種大氣物理過程和各污染物間的化學反應及氣固兩相轉化過程方面有很大的提升，都是基于嵌套網格設計，可模擬多尺度的大氣擴散問題，但同時，這些耦合模型需要高精度的計算機模擬，所以模型不足在于計算量大，以及準確的氣象場的獲取和求解算法的改進，這些都需要大量的深入研究來實現。

綜上所述，數值預報的方便性和全面性使它應用極廣，但它的缺陷性也不可忽視。數值預報所依賴的氣象因子與污染物排放的不確定性會導致系統在不同區域可能呈現出預報準確程度的差異，其本身基于目前計算機發展的現狀也存有一定的局限。在未來通過改進過程模擬和計算，將會促進對大氣擴散過程的研究。

4 結束語

由于影響擴散過程的氣象條件、地形和下墊面狀況等復雜性，到目前為止，基于現有的擴散理論，還不能找到一個適用于各種條件的大氣擴散模式來描述所有復雜條件下的大氣擴散問題。為使模擬結果更準確，更好地吻合實際情況，將更多影響因子考慮到模型中，提出范圍更廣的綜合模型，是研究人員一直致力研究的方向。目前，針對復雜下墊面大氣污染物擴散研究中，存在以下問題：（1）目前各種模型的適用條件和范圍不明確，導致使用者盲目選擇模型進行模擬分析。而在各種模擬結果中可以發現，不同的模型對不同地域、不同天氣過程以及不同污染過程的模擬情況和誤差是不同的且不可忽略。（2）研究人員在使用大氣擴散模型進行模擬實驗時，多是選擇小區域地點通過常規測量獲得氣象數據和驗證數據，存在人為和環境上的誤差。（3）大氣擴散模型中考慮到的物理化學因素越來越多，雖然模擬數據的準確性有明顯提高，但其本身的模擬過程與計算過程也愈發復雜，多模塊的耦合計算較難實現。

針對以上問題，有如下三點可以進行進一步的探索：（1）針對不同類型的下墊面進行模擬實驗，再對數據歸類分析，得出不同模型和模塊耦合的優劣和適用條件，相當于提供一個模型選用參考。（2）對于數據誤差的產生，可以在模型中的氣象模塊和地理模型建造中利用衛星數據達到實時和準確的目的，使數值模擬技術更高效精確。（3）未來模型應在計算機技術發展的基礎上，改進求解算法，精簡計算過程，以此推進模型的應用，增強模型普適性。