張 瑩 邵 毅，2 王式功#

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000；2.95639部隊(duì)氣象臺，四川 綿陽 621000)

由于建筑物對大氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散的影響，使得城市中污染形態(tài)的研究非常復(fù)雜。為探明這種復(fù)雜流動(dòng)和擴(kuò)散的流體動(dòng)力結(jié)構(gòu)，以便更好地對其進(jìn)行預(yù)測，前人開展了風(fēng)洞、水箱和外場觀測等試驗(yàn)[1-2]，而這些試驗(yàn)均需投入大量的人力或物力；也有不少學(xué)者利用數(shù)值模擬研究了復(fù)雜地形的流場和污染物擴(kuò)散[3-6]，但該方面的研究在我國尚處于起步階段，成果非常有限。近年來，隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，較大計(jì)算域和較高分辨率的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為城市建筑群中流場和污染物擴(kuò)散模擬預(yù)測的一種有效手段[7-10]。然而，該方法對邊界條件的要求較高。目前，城市區(qū)域的常規(guī)觀測資料在時(shí)間和空間分辨率上還不足以為CFD數(shù)值模擬提供合理的邊界條件，尤其是在進(jìn)行流場和污染物擴(kuò)散的預(yù)測時(shí)?；谝陨洗嬖诘膯栴}，在觀測資料有限的情況下，本研究嘗試?yán)锰鞖忸A(yù)報(bào)(WRF)模式為Fluent模式提供初始條件和邊界條件[11-12]，通過建立耦合關(guān)系，對榆中縣城流場和污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究，旨在為城市復(fù)雜建筑群中的大氣流場流動(dòng)和污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)做初探研究。

1 模式介紹

1.1 Fluent軟件

采用的Fluent 6.3軟件是CFD的主流軟件，其集成了豐富的數(shù)值方案和物理模型，可以模擬從不可壓縮到高度可壓的流體的復(fù)雜流動(dòng)問題。在數(shù)值計(jì)算方法上，它采用有限體積法，通過建立不同條件下的基本守恒方程并結(jié)合給定的初始條件和邊界條件進(jìn)行數(shù)值求解。

1.2 WRF模式

采用的WRF模式是由美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)等科研機(jī)構(gòu)著手開發(fā)的一種中尺度天氣預(yù)報(bào)模式。

2 WRF模式輸出場

2.1 WRF模擬試驗(yàn)設(shè)置

WRF模式采用四重雙向嵌套，由外向內(nèi)水平網(wǎng)格距分別為27、9、3、1 km，對應(yīng)網(wǎng)格數(shù)分別為97×97、154×154、181×181、142×142個(gè)，最里層區(qū)域覆蓋了榆中縣城區(qū)及其周邊區(qū)域。使用NCEP 1°×1°的再分析資料作為模式的初始條件和邊界條件，積分16 h，從2011年10月7日08:00至24:00，前6 h為模式的自旋階段，從該日14:00起每10 min輸出一次。邊界層方案采用MYJ方案，為Fluent模式提供湍流動(dòng)能。

2.2 WRF模擬結(jié)果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)WRF模式的模擬結(jié)果，將WRF模式輸出的氣象要素與實(shí)際觀測值進(jìn)行對比分析(見圖1)。圖1(a)、圖1(b)分別為10.0 m高度的風(fēng)向(正北風(fēng)為0°，下同)、風(fēng)速對比圖，圖1(c)為2.0 m高度的氣溫對比圖。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)向誤差小于45°的模擬準(zhǔn)確率為70%；風(fēng)速誤差小于2.0 m/s的模擬準(zhǔn)確率為72%；溫度誤差小于2 ℃的模擬準(zhǔn)確率為76%。WRF模式較好地模擬了研究區(qū)域的氣象要素，可為Fluent模式提供與實(shí)際大氣接近的初始條件和邊界條件。

圖1 WRF模擬結(jié)果與觀測的時(shí)間序列Fig.1 Time series of observed and WRF-simulated result

3 WRF模式結(jié)果驅(qū)動(dòng)Fluent模式

3.1 Fluent試驗(yàn)設(shè)置

驅(qū)動(dòng)Fluent模式需要為其提供初始條件和邊界條件，其中包括平均風(fēng)速、氣溫、湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε等參數(shù)。值得注意的是，本研究中Fluent模式與WRF模式的計(jì)算域和網(wǎng)格距存在差異，在WRF模式中，最內(nèi)層的水平網(wǎng)格分辨率是1 km，網(wǎng)格距尺度與Fluent模式計(jì)算域的水平尺度相當(dāng)，因此水平方向上Fluent模式所使用的只是WRF模式的一個(gè)網(wǎng)格信息。垂直方向上300 m范圍內(nèi)包含了WRF模式中最低的11層，通過插值，將這11層的數(shù)值插值到Fluent模式垂直方向的51層上，以此作為Fluent模式計(jì)算的邊界條件。為了能得到Fluent模式中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流閉合方案的湍流動(dòng)能耗散率，需要通過Grisogono方案間接計(jì)算動(dòng)量交換系數(shù)[13-14]。Fluent模式計(jì)算域水平尺度為1 200 m×1 200 m，為便于邊界條件的對接，在解域邊界采用網(wǎng)格距為12 m，網(wǎng)格數(shù)為101×101個(gè)，垂直方向?yàn)?00 m，網(wǎng)格數(shù)為51，采用等比率劃分，增長因子為1.05，網(wǎng)格距從地面到300 m高度逐漸增加，而在解域內(nèi)部采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這種劃分方式既有利于分辨出低矮建筑物，又能在上層建筑物稀疏區(qū)域采用較大網(wǎng)格，以此來節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高效率。

WRF-Fluent耦合模式模擬了2011年10月7日15:00—20:00共5 h的流場和污染物擴(kuò)散。其中，污染示蹤物為SF6氣體，采用理想的點(diǎn)源排放，源高為35 m，釋放速率為0.53 g/s。

3.2 流場分析

圖2給出了16:20時(shí)2.5、17.5 m高度處的流場(此時(shí)邊界條件風(fēng)向154°)。其中2.5 m高度處的建筑物覆蓋率為0.4，此時(shí)，環(huán)境風(fēng)(在本研究中環(huán)境風(fēng)特指WRF模式模擬的在Fluent模式計(jì)算域處的風(fēng)，包括風(fēng)向和風(fēng)速)為東南風(fēng)，風(fēng)速為1.7 m/s；而17.5 m高度處建筑物覆蓋率為0.1，環(huán)境風(fēng)也為東南風(fēng)，風(fēng)速增至3.3 m/s。從圖2(a)可以看出，風(fēng)速受到建筑物的阻擋作用，建筑群區(qū)域的風(fēng)速整體減小，同時(shí)風(fēng)向受建筑物影響也發(fā)生轉(zhuǎn)變。而在南面和東面的空曠區(qū)域，由于不受建筑物的影響，風(fēng)向、風(fēng)速基本與入口處保持一致。即建筑群的分布及形態(tài)會對流場產(chǎn)生一定的影響。

為了更清晰地研究城市流場的細(xì)微結(jié)構(gòu)特征，圖3給出了圖2(a)中3個(gè)子區(qū)域(方框1、方框2和切線剖面建筑物密度相對較高部分)在不同時(shí)刻的流場。其中，圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)為16:20子區(qū)域流場；圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)為17:10時(shí)與其對應(yīng)的同一區(qū)域流場。圖3(a)的中心區(qū)域兩支氣流相交形成一個(gè)順時(shí)針的渦旋，向西的氣流受到一南北向細(xì)長建筑物的阻擋，在建筑物表面分成向北和向南的兩支氣流，此時(shí)在來自南面氣流的作用下，匯合形成繼續(xù)向北的氣流，但是因兩支氣流相互削弱的作用，匯合后的氣流速度均比兩支氣流匯合前的速度要小。匯合后，繼續(xù)向北的氣流在左側(cè)建筑物的北端處分成向西、向北、向東的3支氣流，其中向東的氣流再次與向西氣流相遇形了中心區(qū)域的渦旋。此外，在圖3(a)中左側(cè)3面有建筑物包圍的區(qū)域，也存在一個(gè)順時(shí)針的渦旋，但風(fēng)速很小，近乎為零。圖3(b)中，來自東南面的氣流通過兩側(cè)建筑物形成的狹窄區(qū)域時(shí)，氣流在兩側(cè)建筑物中間匯合、風(fēng)速增大，形成所謂的狹管效應(yīng)。圖3(c)中的流線圖反映了流場的垂直結(jié)構(gòu)特征，在入口處氣流是水平的，當(dāng)氣流遇到建筑物時(shí)，受到建筑物的抬升，這種抬升作用在建筑物頂部附近的低層氣流更明顯。在較高建筑物(圖3(c)中心處)的迎風(fēng)面，因受建筑物阻擋，氣流在建筑物表面被分成兩支，一支向上越過建筑物，形成繞流抬升，另一支向下形成回流渦旋。

注：x、y分別為研究區(qū)域東西向、南北向位置參數(shù)，圖3、圖4同；箭頭朝向代表風(fēng)向，箭頭長短代表風(fēng)速，圖3同。圖2 WRF-Fluent耦合模式流場模擬結(jié)果Fig.2 Simulated wind vector fields of WRF-Fluent coupling model

注：z為研究區(qū)域垂向參數(shù)，圖4同。圖3 方框1、方框2和切線剖面處3個(gè)子區(qū)域流場Fig.3 Simulated wind vector fields in the three sub-zones

對比圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)，可以看出在相同區(qū)域的圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)中，由于受不同時(shí)刻不同環(huán)境風(fēng)的影響，之前的流場結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了很大變化。與圖3(a)相比，圖3(d)中沒有明顯的渦旋，且氣流的流速也明顯減小；與圖3(b)相比，圖3(e)中氣流沒有明顯的匯合，也沒有出現(xiàn)圖3(b)中的狹管效應(yīng)；最后從兩個(gè)垂直剖面圖3(c)和圖3(f)中可以看到，不同環(huán)境風(fēng)下，氣流受建筑物的抬升作用也不一樣，但有一個(gè)共同特征，即高大建筑物對氣流的抬升作用要比低矮建筑物顯著。由此說明，氣流在城市建筑群中的流動(dòng)非常復(fù)雜。

3.3 污染物擴(kuò)散分析

結(jié)合城市區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)來分析城市區(qū)域內(nèi)污染物的擴(kuò)散特征。圖4為WRF-Fluent耦合模式模擬的兩個(gè)時(shí)刻的污染物濃度分布。圖4(a)和圖4(b)分別為2011年10月7日16:20和17:10兩個(gè)時(shí)刻2.5 m高度的污染物濃度分布圖，圖4(c)和圖4(d)分別對應(yīng)圖4(a)和圖4(b)切線剖面處污染物濃度的垂直分布圖。之所以選擇這兩個(gè)時(shí)刻是因?yàn)樵谖廴踞尫胚^程中，這兩個(gè)時(shí)刻的入口風(fēng)速相近，而風(fēng)向相差54°，目的是為了說明不同風(fēng)向下污染物的擴(kuò)散分布情況。

對比圖4(a)和圖4(b)發(fā)現(xiàn)，圖4(a)中環(huán)境風(fēng)向?yàn)?54°，為東南風(fēng)，此時(shí)在主導(dǎo)風(fēng)的支配下，污染物主體向西北方向輸運(yùn)。在釋放源附近，由于建筑物稀疏，污染物煙羽形態(tài)沒有發(fā)生較大變化；當(dāng)污染物繼續(xù)向下風(fēng)方輸運(yùn)，到達(dá)建筑物密集區(qū)時(shí)，煙羽主體受建筑物的阻擋，開始向兩側(cè)橫向擴(kuò)散，且越往下風(fēng)方橫向擴(kuò)散程度越大，污染物覆蓋的區(qū)域也越大；污染物濃度從主軸向兩側(cè)逐漸減小，在計(jì)算域南面，污染物濃度很小，這主要是因?yàn)閃RF模式模擬的風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，在此風(fēng)向下，污染物很難輸運(yùn)到這一區(qū)域。圖4(b)中，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)(100°)，同樣在源附近的下風(fēng)方，由于不受建筑物的影響，污染物主體的扇形煙羽沒有發(fā)生變化，但是這一時(shí)刻的偏東風(fēng)將污染物向西輸運(yùn)，而建筑群的大部分剛好處于污染源的西側(cè)，因此污染物受建筑物影響較圖4(a)要大；當(dāng)污染物主體輸運(yùn)到建筑群中，煙羽主體很快出現(xiàn)較大范圍的橫向擴(kuò)散，煙羽形態(tài)與進(jìn)入建筑區(qū)前發(fā)生了很大變化，在此風(fēng)向下，污染物基本覆蓋了整個(gè)建筑物區(qū)域。至此，可以看到在不同環(huán)境風(fēng)下，污染物煙羽主體有很大差異，且污染物的橫向擴(kuò)散程度與建筑物的影響密切相關(guān)，當(dāng)污染物主體覆蓋的建筑物區(qū)域越大，污染物橫向擴(kuò)散范圍也越大，這說明了受建筑物和不同環(huán)境風(fēng)的共同作用，污染物在城市區(qū)域的擴(kuò)散是非常復(fù)雜的。

圖4 WRF-Fluent耦合模式污染物濃度分布Fig.4 Pollutant dispersion simulation of WRF-Fluent coupling model

以上分析了污染物在不同風(fēng)向下的水平擴(kuò)散分布。然而，污染物擴(kuò)散的復(fù)雜程度不僅體現(xiàn)在水平方向上，在垂直方向上也有很大差別，這點(diǎn)從圖4(c)和圖4(d)可以看出。在圖4(c)中，污染物濃度的高值區(qū)在右側(cè)處，這與圖4(a)中污染物煙羽主體在計(jì)算域的右上方是對應(yīng)的。垂直分布圖清晰地反映了污染物濃度隨高度的變化情況，從地面往上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。另外，從垂直分布圖上也反映了污染物濃度從煙羽中心向兩側(cè)逐漸減小的趨勢。污染物濃度從中心向兩側(cè)逐漸減小的過程中，受建筑物的影響，產(chǎn)生了兩個(gè)很明顯的變化，對比圖3(c)中的流場分布可以發(fā)現(xiàn)，中心高大建筑物右側(cè)存在一個(gè)回流渦旋，對應(yīng)的污染物濃度分布也有一個(gè)形態(tài)的變化，回流渦旋將污染物輸運(yùn)至此，使得此處污染物濃度升高；另外，中心高大建筑物左側(cè)有污染物濃度的相對高值區(qū)，且由于建筑物的垂直抬升和水平阻擋作用，污染物濃度在其左側(cè)一段距離內(nèi)并沒有很快降低。

在圖4(d)中，由于環(huán)境風(fēng)向與圖4(c)的不同，污染物向兩側(cè)擴(kuò)散的程度要比圖4(c)中大。圖4(d)中，同樣由于受中心高大建筑物的影響，建筑物左側(cè)出現(xiàn)了污染物濃度的相對低值區(qū)，這是因?yàn)楫?dāng)氣流繞過建筑物時(shí)，在建筑物左側(cè)形成兩個(gè)很小的靜風(fēng)區(qū)，使得周圍濃度較高的污染物不易輸運(yùn)到這兩個(gè)區(qū)域。上述研究結(jié)果表明，F(xiàn)luent模式用于城市污染物擴(kuò)散模擬時(shí)，可充分刻畫出建筑物對污染物擴(kuò)散的影響，能較好地反映不同區(qū)域污染物的濃度差異。

4 結(jié)論和建議

(1) WRF模式對研究區(qū)域10.0 m高度處的風(fēng)向、風(fēng)速和2.0 m高度的氣溫的模擬結(jié)果顯示：風(fēng)向誤差小于45°的模擬準(zhǔn)確率為70%，風(fēng)速誤差小于2.0 m/s的模擬準(zhǔn)確率為72%，溫度誤差為2 ℃的模擬準(zhǔn)確率為76%，模擬準(zhǔn)確率整體較高。即WRF模式較好地模擬了研究區(qū)域的氣象要素，可為Fluent模式提供與實(shí)際大氣接近的初始條件和邊界條件。

(2) Fluent模式用于城市污染物擴(kuò)散模擬時(shí)，能應(yīng)對復(fù)雜的城市建筑環(huán)境，充分刻畫了建筑物對污染物擴(kuò)散的影響，較好地反映了不同區(qū)域污染物的濃度差異。

(3) 污染物擴(kuò)散模擬結(jié)果顯示，WRF-Fluent耦合模式作為一種研究城市建筑密集區(qū)域的大氣流動(dòng)狀態(tài)和污染物擴(kuò)散過程的方法是可行的。

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