寧義龍

基于OSPM模式的機動車尾氣擴散模型研究綜述

寧義龍

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

街道峽谷機動車相關污染物的擴散模擬研究已廣泛進行，OSPM擴散模型由于具有經(jīng)驗值數(shù)據(jù)庫而被廣泛使用。文章從OSPM的發(fā)展歷程、應用研究及挑戰(zhàn)展望等方面進行了綜述。結果表明，OSPM比其他模型的模擬結果更為接近真實值。除此之外，近三十年的機動車相關污染物研究顯示OSPM模式在污染物預測、暴露評估方面更為實用。但交通相關因素會造成OSPM模型預測結果產(chǎn)生影響，在未來需要開發(fā)新的、適用性更強的算法消除限制性的假設，提高模型的應用范圍。

機動車尾氣；擴散模型；OSPM；街道峽谷

引言

近年來機動車污染物排放引起了廣泛關注，特別是街道峽谷環(huán)境。由于街道峽谷內不良的擴散條件，導致附近居民遭受嚴重的健康威脅，因此模擬評估街道峽谷中的空氣污染物擴散并提出空氣質量改善策略十分重要。不同的研究方法在機動車排放污染評估上存在巨大差異，因此如何選定計算模型來模擬機動車尾氣擴散是評估城市空氣質量的關鍵。OSPM模型被廣泛用于交通污染研究，因此本文就針對街道峽谷空氣污染物擴散模型OSPM進行綜述。

1 OSPM模式簡介

OSPM是丹麥國家環(huán)境研究所于1989年開發(fā)的專門用于街道峽谷空氣污染物擴散模擬的半經(jīng)驗模型[1]，用于模擬街道交通污染擴散，優(yōu)勢在于集中考慮了街道湍流的模擬。該模型基于一定的經(jīng)驗模型，通過大量驗證經(jīng)驗值建立數(shù)據(jù)庫，模擬結果相比純理論的CFD模型更接近于真實值。

2 OSPM模式與其他擴散模式對比研究

如表1[2]所示，4種模型均可用于城市街道峽谷空氣污染物擴散的模擬，不同研究對象的方法不同，若選擇不符合研究尺度的模型將可能導致模擬結果不準確。

3 OSPM模式應用研究

OSPM 模型近30年內在很多國家被用于研究交通污染，執(zhí)行實地監(jiān)測項目的分析，研究污染防控策略的效果，執(zhí)行風險評估[3]。

3.1 預測、空氣質量監(jiān)管

城市街道峽谷復雜的空氣流動和交通流量意味著不同的街道污染物水平存在很大差異，在一兩個監(jiān)測點進行空氣污染物監(jiān)測并不能反映城市整體的污染情況[4]。OSPM作為預測手段就顯得十分重要，作為THOR系統(tǒng)的一部分，由若干個空氣污染模型和天氣預報模型組成，該模型系統(tǒng)用于預測空氣質量[5]。

3.2 暴露評估

假設微環(huán)境中污染物濃度相同，個人的暴露可以通過污染物濃度與在微環(huán)境中通勤時間乘積得到。而街道峽谷微環(huán)境中污染物在空間上存在濃度梯度，因此個人暴露評估是OSPM廣泛應用領域之一。Sacre[6]等在流行病學研究中開發(fā)了一種算法用于計算機動車相關的污染暴露指數(shù)，基于此目的，他們利用OSPM估算街道污染水平。2002年，模型被用于量化評價環(huán)境顆粒物對健康的影響[7]。

表1 常用街道尺度擴散模型基本信息

3.3 模型適用性以及國內研究現(xiàn)狀

國際上，學者主要對OSPM模型預測結果進行了統(tǒng)計分析，通過實地觀測值和其他模型預測值對模型進行驗證比較，來對模型進行詳細評估。多項研究表明，OSPM已經(jīng)成功用于 CO、NOX、PM等諸多污染物的預測。國內，張志磊等[8]利用OSPM模式計算了包頭市典型街道區(qū)域內的機動車排放污染物的濃度。史銳等[9]以太原市機動車排放的實際數(shù)據(jù)結合氣象因素與街道構造，采用OSPM模型計算了2008年太原市夏季與冬季車流量高峰期街道內的NOx與CO的小時濃度，驗證了其適用性。

4 OSPM 模型問題挑戰(zhàn)

OSPM模型在世界范圍內雖已得到廣泛驗證，但影響模型預測效果的因素仍有很多，尤其是交通數(shù)據(jù)、排放因子和污染物類型。由于街道峽谷中往往缺少有效的交通數(shù)據(jù)和車型分類，排放因子通常是通過機動車排放模型計算或粗略估算得到。模型對傳統(tǒng)氣態(tài)交通污染物預測精度高于顆粒污染物，模型驗證性的研究主要集中在NOX、苯和CO等污染物，但由于排放因子的不確定性，模型模擬效果相對于氣態(tài)污染物較差。OSPM模型可用于估算PM2.5和PM10，而非尾氣排放存在不確定性會對模型預測結果產(chǎn)生不利影響。此外街道類型、氣象數(shù)據(jù)和背景污染等都會對模型預測效果造成影響。

5 展望

OSPM是半經(jīng)驗模型，適用于街道峽谷中按時間序列預測污染物濃度，盡管需要相對較少的輸入信息和計算量，但是模型基于假設及參數(shù)需要不斷修正，其并不能適用于所有的城市環(huán)境中。未來OSPM在街道空氣質量的研究應集中在以下方面：風速和街道峽谷寬高比。官方氣象數(shù)據(jù)不能準確反映街谷的氣象狀況以及交通運行工況存在不確定性，應考慮將風洞和示蹤實驗數(shù)據(jù)用于模型的評價和改進，將能夠有效最小化不確定性。另外絕大多數(shù)研究是針對寬高比大于1:1的街谷，街道峽谷污染物濃度將會被低估，開發(fā)新的、適用性更強的算法消除限制性的假設，提高模型的應用范圍是未來的研究方向。

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Overview of Research on Vehicle Exhaust Based on OSPM Mode

Ning Yilong

（School of Automobile, Chang'An University, Shaanxi Xi'an 710064）

Diffusion simulation of vehicle-related pollutants in street canyons has been widely carried out. OSPM diffusion model has been widely used because of its empirical data base. In this paper, OSPM development history, application research and challenges are reviewed. The results show that OSPM is closer to the real value than the simulation results of other models. In addition, studies on motor vehicle related pollutants in the past three decades have shown that OSPM model is more practical in pollutant prediction and exposure assessment. However, traffic-related factors will affect the prediction results of OSPM model, so new and more applicable algorithms need to be developed in the future to eliminate restrictive assumptions and improve the application scope of the model.

Motor vehicle exhaust; Diffusion model; OSPM; Street canyon

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.060

U461.99

A

1671-7988(2021)03-191-03

U461.99

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1671-7988(2021)03-191-03

寧義龍（1995-），男，漢族，四川廣元人，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院，從事機動車排放與交通環(huán)境研究。