李磊

（1. 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東珠海519082；2. 廣東省環(huán)珠江口氣候環(huán)境與空氣質(zhì)量變化野外科學(xué)觀測研究站，廣東珠海519082；3. 熱帶大氣海洋系統(tǒng)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海519082）

1 引 言

自1980 年代以來，中國經(jīng)歷了快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程。在這一進(jìn)程中，我國許多地區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)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(gè)典型案例。深圳是改革開放以來中國城市化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度最快的城市，但它也難以避免地遭受了大氣環(huán)境惡化帶來的困擾。盡管從2005 年開始，深圳大氣環(huán)境質(zhì)量又迅速好轉(zhuǎn)[1]，但大氣污染仍會(huì)在不利的氣象條件下出現(xiàn)，并且呈現(xiàn)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(xiàn)頻率的增加是一個(gè)重要特點(diǎn)。張麗等[3]指出，相較于過去的大范圍區(qū)域性PM2.5污染，小尺度的局地PM2.5污染近年來在深圳出現(xiàn)的頻率越來越高——這主要體現(xiàn)在深圳部分地區(qū)的PM2.5濃度會(huì)明顯比其它區(qū)域更高。

一般認(rèn)為大氣污染的形成與兩個(gè)因素有關(guān)，即污染排放和不利氣象條件。由于大氣運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變，它對大氣輸送擴(kuò)散的影響機(jī)制又十分復(fù)雜，因此關(guān)于環(huán)境氣象條件的科學(xué)問題一直是大氣科學(xué)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(qū)，由于改善區(qū)域大氣環(huán)境的需求驅(qū)動(dòng)，關(guān)于環(huán)境氣象條件的研究蓬勃發(fā)展并取得了大量的研究成果，對于厘清本區(qū)域污染形成的規(guī)律及機(jī)制提供了重要科學(xué)支撐[4-7]，也為提升本區(qū)域的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)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(huán)流條件做過梳理，指出存在8種環(huán)流條件可能誘發(fā)局地性的污染。然而，他們的研究結(jié)論卻無法進(jìn)一步解釋為何在深圳存在明顯的局地污染多發(fā)地區(qū)——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(xiàn)在少數(shù)區(qū)域，例如西北部臨近珠江口的密集城市建成區(qū)，這需要進(jìn)一步的科學(xué)解釋。

事實(shí)上，除了大尺度背景環(huán)流的影響外，也有不少學(xué)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(shù)值模式分析了海陸風(fēng)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(yàn)研究了珠三角海陸風(fēng)特征及其對空氣質(zhì)量的影響。深圳及周邊地區(qū)下墊面比較明顯的特點(diǎn)是處于海陸交界處且具有高密度的城市建成區(qū)[11]，城市熱島與海陸風(fēng)的相互作用，對于邊界層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了復(fù)雜的影響，并進(jìn)一步影響到了環(huán)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(huán)流是本區(qū)域邊界層環(huán)境氣象條件的重要影響因素，其作用已經(jīng)與海陸環(huán)流的作用相當(dāng)。然而在討論日益多發(fā)的局地污染現(xiàn)象時(shí)，研究問題的空間尺度已小于50 km，此時(shí)是否存在新的可能性——即當(dāng)觀察的視角深入到城市建成區(qū)內(nèi)部時(shí)，城市熱島的影響是否會(huì)成為主導(dǎo)因素，導(dǎo)致局地環(huán)境氣象條件明顯不同于其它地方，從而誘發(fā)了局地污染的形成？例如，Wei 等[12]利用WRF 數(shù)值模式分析了臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流影響下深圳出現(xiàn)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(xiàn)的成因和機(jī)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(jī)制，本文利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dyanmics，CFD)模擬的方法，分析了城市建成區(qū)的熱力作用對局地環(huán)流的可能影響。近年來，利用CFD 進(jìn)行典型理想城市的熱-動(dòng)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(qiáng)大的特點(diǎn)，科學(xué)家們利用CFD 進(jìn)行了大量研究，包括熱島邊界層形狀從煙羽向穹窿的轉(zhuǎn)換、不同強(qiáng)度熱島與背景風(fēng)相互作用以及城市通風(fēng)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(fā)意義，表明利用CFD 來分析城市邊界層的熱-動(dòng)力機(jī)制相關(guān)科學(xué)問題是可行的，且由于其不需要大尺度背景環(huán)流數(shù)據(jù)、更方便設(shè)置控制試驗(yàn)條件而有著中尺度模式所不具備的優(yōu)勢。

2 試驗(yàn)方案及驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方案

在制定試驗(yàn)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(jìn)行了回顧觀察，發(fā)現(xiàn)在不少案例中，城市建成區(qū)上空的近地層大氣除了出現(xiàn)大范圍弱風(fēng)外，還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)線狀的輻合型風(fēng)場(圖1)。這種風(fēng)場出現(xiàn)的時(shí)間并不固定，在晝間和夜間都可能出現(xiàn)，它會(huì)導(dǎo)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(guān)，它們與海陸風(fēng)的關(guān)系如何，是本文研究的重點(diǎn)。

圖1 2018年4月28日凌晨深圳西北部城市建成區(qū)的帶狀輻合實(shí)例

一般認(rèn)為，海陸風(fēng)存在明顯的周期變化，在晝間因?yàn)殛懙販囟雀哂诤Ｃ?，風(fēng)從海上吹向陸地，而夜間則正好相反。但當(dāng)陸地上存在密集城市建成區(qū)時(shí)，次級(jí)環(huán)流風(fēng)向轉(zhuǎn)換的規(guī)律是否會(huì)有所變化，是本文重點(diǎn)分析的問題。為此，本文設(shè)計(jì)了5組數(shù)值試驗(yàn)，并利用CFD進(jìn)行模擬，所用到的基本方程如式(1)和(2)所示：

構(gòu)建的具體計(jì)算模型如圖2所示，在一塊海陸分界明顯的區(qū)域有一片高密度城市建成區(qū)，建筑物密集，且地表溫度明顯高于陸上其他區(qū)域。對于不考慮城市建成區(qū)存在的試驗(yàn)方案，則在計(jì)算模型中去掉圖2a 中城市部分，陸地和海洋平分整個(gè)下墊面。計(jì)算模型水平方向上邊長為4 000 m，其中城市建成區(qū)的邊長為2 000 m，模擬區(qū)域頂高約2 000 m，模擬區(qū)域內(nèi)建筑物高度均為100 m，建筑物之間間距為50 m，模擬范圍內(nèi)總網(wǎng)格數(shù)為300 萬個(gè)，均為高質(zhì)量的矩形網(wǎng)格(圖2b)。本文所采用的數(shù)值試驗(yàn)方案顯然是一種高度理想化的試驗(yàn)方案，但對包括深圳在內(nèi)的珠三角沿海城市卻具有一定代表性——這是因?yàn)樵搮^(qū)域的城市多呈組團(tuán)式分布，城市建成區(qū)通常被大量農(nóng)田、濕地或山林所分割，且部分沿海建成區(qū)還建設(shè)于填海形成的土地之上，從而形成較小的城市組團(tuán)。因此，本文設(shè)計(jì)的計(jì)算模型可視為單個(gè)城市建成區(qū)組團(tuán)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(dòng)力機(jī)制研究中被頻繁使用[13-15]。

圖2 模擬范圍內(nèi)的海-陸-城市分布(a)及網(wǎng)格(b)

數(shù)值試驗(yàn)的具體方案如表1所示，地溫?cái)?shù)值主要根據(jù)深圳旱季4 月或11 月實(shí)際觀測到的典型數(shù)據(jù)設(shè)置。

表1 敏感性數(shù)值實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

方案1～4 設(shè)置背景風(fēng)速為0，這是為研究靜風(fēng)條件下，單靠海-陸-城市之間的熱力差所激發(fā)的邊界層風(fēng)場特征，其中方案1、2 考慮有城市存在，方案3、4假設(shè)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(fēng)，希望通過這個(gè)方案試驗(yàn)背景風(fēng)存在條件下，熱力作用對風(fēng)場的影響。模擬使用的CFD 軟件為FLUENT，模擬方案1～4 的所有側(cè)邊界條件設(shè)置為pressure outlet，底邊界設(shè)置為具有不同溫度的固體邊界條件；方案5的入流邊界設(shè)為velocity inlet，出流邊界設(shè)為outflow。數(shù)值試驗(yàn)中空氣溫度均設(shè)置為等位溫，表示大氣為中性層結(jié)，雖然完全中性的大氣位溫垂直分布在現(xiàn)實(shí)情況中并不是很常見，但從數(shù)值試驗(yàn)的角度而言，這種設(shè)置可以降低試驗(yàn)的復(fù)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(shù)值模式那樣設(shè)置上邊界為海綿邊界，故將上邊界設(shè)置為與周邊大氣等溫的不可穿越邊界，這種試驗(yàn)方案設(shè)置類似于一些研究城市熱島環(huán)流效應(yīng)的水槽實(shí)驗(yàn)[16]，但從試驗(yàn)的便利性而言，數(shù)值試驗(yàn)無疑更為經(jīng)濟(jì)和高效。

2.2 方法驗(yàn)證

Li 等[17]曾利用熱力學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證過FLUENT 的模擬能力，發(fā)現(xiàn)基于Boussinessq假設(shè)的計(jì)算模型可較好地反映熱力作用存在時(shí)的氣流運(yùn)動(dòng)特征，這已初步證實(shí)FLUENT 結(jié)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(guān)于熱島環(huán)流效應(yīng)的研究類似于水槽實(shí)驗(yàn)的數(shù)值版本，而FLUENT 在類似問題的模擬能力上也已得到過驗(yàn)證，Kristof 等[18]曾利用基于Boussinessq 模型的FLUENT 模擬了水槽實(shí)驗(yàn)中的熱島環(huán)流現(xiàn)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(jìn)一步建立對模型的信心，本文重復(fù)了Kristof等的數(shù)值試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基于Boussinessq 模型的FLUENT 可很好地描述純靠熱力作用激發(fā)出的次級(jí)環(huán)流形狀，模擬得到的環(huán)流速度量級(jí)也與水槽實(shí)驗(yàn)觀測值相當(dāng)(圖3)。關(guān)于數(shù)值試驗(yàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)和方案設(shè)置，可進(jìn)一步參見文獻(xiàn)[18]。

圖3 水槽實(shí)驗(yàn)的數(shù)值版本

3 研究結(jié)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(yàn)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(qū)的情況下，海陸之間地溫相差為20 K；而有城市建成區(qū)時(shí)，建成區(qū)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(qū)情況下，海陸溫差約為12 K；而有城市建成區(qū)時(shí)，城區(qū)的地溫比海洋還高出3 K。這樣的地溫設(shè)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(gè)城市的溫度在任何時(shí)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(shè)置中達(dá)到了100 m，對于邊界層已經(jīng)難以簡化近似為一個(gè)平面，城市建成區(qū)和建筑群對大氣的加熱是立體的，從而具備了影響整個(gè)邊界層環(huán)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(qū)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(qū)的影響——當(dāng)沒有城市建成區(qū)時(shí)，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(dāng)城市建成區(qū)存在時(shí)，雖然建成區(qū)地溫只比陸地高了不到2 K，但熱對流的中心已經(jīng)移動(dòng)到了建成區(qū)上空，對大氣的加熱主要集中在城市建成區(qū)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(qū)的情況下，夜間地表對大氣的加熱并不明顯，因?yàn)榧词故呛Ｑ笊峡眨乇砼c大氣的溫差也只有3.15 K；而當(dāng)模擬范圍內(nèi)存在城市建成區(qū)時(shí)，垂直方向上的熱力結(jié)構(gòu)顯得十分復(fù)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(qū)上空，并且盡管城市上空的逆溫還在一定程度上維持，但因?yàn)榈乇淼募訜嶙饔?，逆溫的?qiáng)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(qū)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(yùn)動(dòng)的影響。當(dāng)沒有城市時(shí)，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(dāng)城市建成區(qū)存在時(shí)，輻合的中心轉(zhuǎn)到了城市建成區(qū)上空。圖6b 和圖6d 是夜間的情況，當(dāng)沒有城市時(shí)，輻合與對流集中在海洋上空，陸上是因?yàn)檩^強(qiáng)逆溫導(dǎo)致的非常明顯的下沉氣流；當(dāng)存在城市建成區(qū)時(shí)，輻合又集中到了城市建成區(qū)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(huán)流的概念模型

由數(shù)值模擬可很清楚地看到城市建成區(qū)的存在是如何改變了邊界層的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)，盡管是理想實(shí)驗(yàn)，但是得到的結(jié)果對于認(rèn)識(shí)高密度城市的邊界層效應(yīng)還是有幫助的。根據(jù)模擬可得到以下結(jié)論：(1) 在沒有背景風(fēng)的情況下，海陸之間的熱力差異可激發(fā)出一定強(qiáng)度的熱力環(huán)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(qū)的存在會(huì)顯著地增加邊界層熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的復(fù)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(jié)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(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，使得海陸風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)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(fēng)場結(jié)構(gòu)的概念模型

城市對邊界層環(huán)流的影響顯然存在一定程度的大氣環(huán)境效應(yīng)，由于城市上空總是存在水平輻合氣流，會(huì)使得污染物聚集到城市上空，從而產(chǎn)生局地大氣污染。這種輻合與海陸風(fēng)晝夜循環(huán)的環(huán)境效應(yīng)還不同，盡管一些研究表明海陸風(fēng)會(huì)導(dǎo)致大氣污染物的往復(fù)循環(huán)(即白天輸送到海上的污染物晚上會(huì)被輸送回來)，但城市引發(fā)輻合氣流的影響顯然更嚴(yán)重，因?yàn)樗沟梦廴疚飼?huì)晝夜不變地聚集到城市上空，而僅能依靠垂直運(yùn)動(dòng)被輸送離開地面。

3.5 存在背景風(fēng)時(shí)的模擬結(jié)果

事實(shí)上，方案1～4 的模擬是理想條件下的模擬，真實(shí)大氣中完全沒有背景風(fēng)的情況很難出現(xiàn)，為此我們進(jìn)一步進(jìn)行了方案5 的模擬。以便觀察存在弱背景風(fēng)的條件下，城市的存在對邊界層風(fēng)場結(jié)構(gòu)的影響。模擬結(jié)果表明，在這種情況下，熱力作用仍然對邊界層結(jié)構(gòu)存在影響。圖8 給出了垂直方向上的氣流軌跡，可發(fā)現(xiàn)氣流在通過城市建成區(qū)上空時(shí)因?yàn)榈乇淼募訜嶙饔枚惶?，但貼地的部分因?yàn)榻ㄖ旱哪Σ炼嬖诿黠@衰減，在建筑群的尾流區(qū)氣流極為紊亂。

圖8 弱風(fēng)背景下城市影響邊界層風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)(單位：m/s)

圖9a 給出了水平風(fēng)場的情況，可很明顯地看到氣流在向城市地區(qū)輻合，這表明只要城市建成區(qū)存在，由于其排放的人為熱的加熱作用，即使是有背景風(fēng)，氣流也會(huì)向建成區(qū)輻合。與沒有背景風(fēng)條件下輻合以點(diǎn)狀輻合為主有所不同，有背景風(fēng)的條件下，水平風(fēng)場的輻合以帶狀輻合為主。輻合帶的中心位于城市建成區(qū)。圖9b給出了建成區(qū)上空的水平氣流分布細(xì)節(jié)，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(fēng)向的邊緣，輻合線非常明顯。而且在輻合線上，越往下風(fēng)向風(fēng)速越大(下風(fēng)向的海面粗糙度顯然比城市建成區(qū)小)，而這與在真實(shí)大氣中觀察到的案例(圖1)在現(xiàn)象上是吻合的。近地層風(fēng)場的這種線型輻合會(huì)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(jī)制。

圖9 弱風(fēng)背景下城市影響邊界層風(fēng)場水平結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

為了解釋深圳日益多發(fā)的局地污染事件，本文利用CFD模擬技術(shù)分析了城市建成區(qū)的熱力作用對局地環(huán)流的影響。設(shè)計(jì)了總共5 組理想數(shù)值試驗(yàn)，分別分析了無背景風(fēng)和有弱背景風(fēng)條件下的局地環(huán)流特征，模擬結(jié)果表明：在沒有背景風(fēng)的情況下，城市熱島效應(yīng)可破壞海陸環(huán)流的固有轉(zhuǎn)換模式，使風(fēng)場在城市建成區(qū)上空始終存在輻合；在有微弱背景風(fēng)的情況下，熱島效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致城市上空的近地層風(fēng)場的線型輻合。因此，城市建成區(qū)的出現(xiàn)，使得城市上空總是容易出現(xiàn)輻合型的風(fēng)場，而這種輻合型風(fēng)場可能會(huì)導(dǎo)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(jī)制。

當(dāng)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(shù)值試驗(yàn)，研究目的是試圖解釋局地污染產(chǎn)生的環(huán)流特征及可能的形成機(jī)制，研究結(jié)論傾向于定性分析和提出概念模型，而非精確的定量評價(jià)。從數(shù)值試驗(yàn)的具體方案來看，設(shè)計(jì)的計(jì)算模型是高度簡化后的理想模型，在現(xiàn)實(shí)世界并不太容易尋找到真實(shí)對應(yīng)的案例，所以盡管模擬結(jié)果在一定程度上支持了關(guān)于局地高污染帶形成機(jī)制的猜想，但其有效性還須進(jìn)一步通過其它手段予以驗(yàn)證。未來待條件成熟，可進(jìn)一步通過組織水槽實(shí)驗(yàn)開展更直接的物理模擬，亦可設(shè)計(jì)基于真實(shí)條件的外場實(shí)驗(yàn)，獲取更多定量的數(shù)據(jù)支持，以進(jìn)一步豐富對于局地污染事件形成機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識(shí)。