复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展
浅析复杂地形对污染物扩散的影响
科技资讯 SC I EN C E &TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N 污染及防治复杂地形上的大气扩散规律是空气污染气象学研究中的重要课题。
我国是个多山国家,发展工业、能源和交通都必然涉及到复杂地形上的大气环境问题。
由于新疆地域宽广,地形复杂多样,大多数地区属于山区或丘陵地带,这便给处于该地区的火电厂环评大气的预测增加了难度。
根据《环境影响评价技术导则·大气环境》(HJ2.2-2008)中相关规定,此类地区属导则中描述的复杂地形。
复杂地形情况下,对污染物扩散的影响程度与地形地物的形状、高低、体积等有密切的关系。
如山脉、河流、沟谷的走向对主导风向有较大的影响,气流将沿山脉、河谷流动;山脉的阻滞作用对风速也有很大影响,尤其是在封闭的山谷盆地,因四周群山屏障的影响,往往是静风、小风频率占很大比例,不利于大气污染物的扩散;城市中的高层建筑物、体形大的建筑物和构筑物都能造成气流在小范围内产生涡流,阻碍污染物质迅速扩散,而停滞在某一地段,加重污染。
一般规律是建筑物背风区风速迅速下降,污染物浓度增高。
由于复杂地形影响了空气流场的分布,使得大气污染物分布有别于平原地形,常会导致同一地形的不同部位或同一部位的不同时间出现异常的高浓度,但形成这种异常高浓度的原因、机理各不相同,一般主要有以下几种情况。
(1)山体反射。
由于山体地势较高,使得污染源排放的污染物被山体阻挡,形成反射,造成局部地区高浓度。
(2)烟流撞山。
在山区等复杂地形中,由于四周高耸的地形,使得污染源排放有效高度完全或部分损失,从而迎风坡出现高浓度。
(3)烟气下洗。
在山体背风坡,由于地形波和强烈的垂直扰动,使得过山的污染物迅速下泄,形成烟气下洗,造成地面高浓度。
(4)冷泄流。
由于夜间山体冷却较快,夜间冷空气沿山体下滑,将污染物向山谷中汇集,造成局部高浓度。
(5)熏烟。
山谷等复杂地形容易形成局部熏烟,使地面浓度超高。
大气污染物在城市下垫面扩散的分析与模拟研究
(4)WRF模式的模拟结果基本与实况相吻合,垂直风场、温度场的 模拟效果要好于湿度场,且模拟天气过程时,模拟结果稍滞后于 实况。综合模拟效果可知,WRF模拟结果可以当作背景场进入 Fluent模式。
(5) Fluent模拟风场的结果显示,城市建筑物对流场的拖曳作用 非常明显,城区内流场因街道纵横分布会产生分流和汇合,局部 甚至有环流形成,流场在城区内分布非常复杂；对于风向的模拟, 风向平均绝对误差在42.1。以内,风速的平均相对误差小于45%； 同时,在风速较小时,流场受到建筑群乱流扰动大,风向误差较大, 而随着风力的增大,风向的风场强迫力增强,所以风向的模拟误 差减小,而此时风速受到的下垫面因素影响也会增大,从而致使 风速的相对误差稍微增大。
大气污染物在城市下垫面扩散的分析 与模拟研究
伴随着人类社会的迅速发展,城市空气质量问题受到愈来愈多人 的关注,大气污染物在城市的传输扩散问题已成为近年来的研究 热点。相对中尺度范围内的污染而言,城市内小尺度以及街区尺 度的研究相对较少,而在小尺度以及街区尺度发生的污染事故却 较为常见。
城市下垫面作为最复杂的下垫面,它综合了建筑、裸地、草地、 园林等多种下垫面特征,其流场的复杂性在于同时受到天气尺度、 小尺度与街区尺度的作用,同时也受到人类活动的影响。多尺度 的综合控制给研究城市空气污染扩散造成了极大的困扰,因此, 在城市内研究污染物扩散的规律,及时准确地预测污染物的时空 分布特征,以便对污染物进行控制或者发生污染物泄漏事故时采 取紧急救援措施,具有十分重大的意义。
在城镇化不断推进的大背景下,城市下垫面污染物传输扩散的意 义重大。目前,污染物在城市下垫面的传输扩散的规律尚有很多 不明之处,因此有必要该方面的外场试验,并结合模式,不断加深 对污染物在城市下垫面传输扩散规律的理解,而后将这些规律加 入数值模式,进而不断提高污染预报的准确性,为大气污染事故 的救灾和灾后评估提供指导与参考；加之各部门进行有效协作, 这会让应对空气污染事故更加迅捷、有效,从而为人类的生命财 产安全提供有力的保障。
复杂地形上大气污染物扩散研究
染 物 的 物 质 ， 为 即 使 是 最 弱 的 紫 外 线 光 也 可 因
以 激 活 二 氧 化 钛 ， 其 将 空 气 中 的 氧 化 氮 和 氧 使
化 硫 转 化 为 氮 酸 和 硫 酸 物 ， 些 物 质 是 不 会 蒸 这
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复 杂 地 形 上 大 气 污 染 物 扩 散 研 究
复 杂 地 形 上 大 气 污 染 物 扩 散 研 究
孟 志鹏 王 淑 兰 丁 信 伟
（ 连 理工 大学 化工 学 院 ） 大
摘 要 对 复 杂 地 形 上 大 气 污 染 物 扩 散 进 行 模 拟 的 先 决 条 件 ， 是 对 湍 流 风 场 做 出 准
楼 大 厦 、 路 墙 和 桥 梁 ， 些 建 筑 物 就 可 在 全 天 护 这
候 条 件 下 吃 掉 大 气 中 的 污 染 物 ， 种 发 明 可 说 这 是 清 除 大 气 污 染 的 一 个 绝 招 。但 仅 仅 将 污 染 空 气 吸 入 还 是 不 够 的 ， 要 将 其 最 终 变 成 无 害 物 还 质。 为此 ， 次博 士 用 紫 外 线 照 射 这 些 吸 收 了污 交
＿ －｝ 卜 ｔ
３ ２ ７ 让 建 筑 物 “ 掉 ” 害 气 体 ．． 吃 有 最近 。 日本 科 学 家 发 明 了 一 种 有 特 殊 “ 胃 口 ” 物 质 ． 种 物 质 可 将 空 气 中 的 烟 雾 全 部 的 这 “ 掉” 吃 。这 种 物 质 是 由用 于制 造 化 妆 品和 染 料
污 染 物 扩 散 的 预 测 工 具 。 因 此 ． 对 复 杂 地 形 上
１ 前 言
污 染 物 的 扩 散 状 态 进 行 研 究 就 变 得 非 常 重要 。 对 复 杂 地 形 上 污 染 物 扩 散 进 行 研 究 、 模 拟
大气流场模拟与复杂地形的相互作用研究
大气流场模拟与复杂地形的相互作用研究近年来，大气流场模拟与复杂地形的相互作用成为气象学领域中的热点研究。
随着大气科学、物理学和计算机技术的不断发展，人们能够更加准确地模拟和预测大气流场在不同地形条件下的行为，这对于气象灾害预警和城市规划等领域具有重要的意义。
在大气流场模拟中，复杂地形是一个重要的考虑因素。
地形的不规则性和起伏会对大气流场产生显著影响，从而影响气象现象的发生和变化。
例如，山地地形会形成地形湍流、局地风暴和大气湍流等现象，这些现象对于降雨分布、气温分布和风力分布等都有一定的影响。
目前，大气流场模拟与复杂地形的相互作用主要通过计算机模拟来实现。
模拟方法可以分为两类：数值模拟和物理模拟。
数值模拟是基于相应的数学模型和方程组来模拟和预测大气流场的行为。
物理模拟则是通过实验室控制条件和复制复杂地形来模拟和研究大气流场。
这两种方法各有优缺点，但二者结合可以得到更加全面和准确的研究结果。
大气流场模拟与复杂地形的相互作用研究的一个重要挑战是地形的尺度效应。
地形的尺度越小，其对大气流场的影响就越显著。
因此，在模拟中需要灵活选择地形尺度，并充分考虑地形的起伏变化。
同时，地形材料的影响也应被纳入考虑范围内。
地表材料的不同性质会对大气流场产生不同的影响，例如，山地地形和河流地形的风向和风速分布就有所不同。
此外，大气流场模拟与复杂地形的相互作用研究还需要考虑植被的影响。
植被覆盖和类型对大气流场有着显著的影响，会对辐射平衡、风向、湿度等气象因子产生重要影响。
因此，在模拟中需要对植被因素进行精确描述，并对不同植被类型及其分布进行合理划分。
在大气流场模拟与复杂地形的相互作用研究中，需要对不同地理区域的特征进行详细分析。
地理区域的差异会导致不同的气象现象和地形特征。
例如，沿海地区通常有着复杂的地形和气候特征，需要特别关注海陆相互作用和洋流对大气流场的影响。
山地地区则通常会面临着地形风和地形雨等气象现象，对流场模拟研究具有重要意义。
地理科学与大气污染研究改善空气质量的策略
地理科学与大气污染研究改善空气质量的策略在当今社会，空气质量的优劣已经成为了人们普遍关注的焦点问题。
大气污染不仅对人类的健康产生直接的威胁，还对生态平衡、气候变化等方面带来了诸多负面影响。
地理科学在大气污染研究中发挥着至关重要的作用，为改善空气质量提供了一系列有效的策略。
地理科学能够从多个角度深入研究大气污染的形成、传播和影响。
首先，通过对地理环境的分析，包括地形、地貌、气候等因素，能够揭示大气污染物的扩散规律。
例如，在山谷地区，由于地形的限制，污染物容易积聚，而在开阔的平原地区，污染物的扩散则相对较为顺畅。
气候条件也是影响大气污染的重要因素，风向、风速、温度、湿度等都会对污染物的传输和转化产生影响。
在大气污染的监测方面，地理科学的技术手段发挥着关键作用。
地理信息系统（GIS）、遥感技术等能够实现对大范围区域的实时监测和数据采集。
通过卫星遥感，可以获取大气污染物的分布情况、浓度变化等信息，为研究和治理提供了基础数据。
GIS 则能够将这些数据进行整合和分析，以可视化的方式呈现出来，帮助决策者更直观地了解污染状况。
为了改善空气质量，基于地理科学的研究，我们可以采取一系列针对性的策略。
优化城市规划是一个重要的方面。
根据地理环境和气候特点，合理布局城市功能区。
例如，将工业企业布置在城市的下风方向，避免污染物对居民密集区的直接影响。
同时，在城市建设中注重通风廊道的规划，促进空气的流通，减少污染物的积聚。
加强对重点污染源的管控也是必不可少的。
利用地理定位技术，精确识别和监控那些对大气污染贡献较大的企业和设施。
对于位于特定地理区域内的高污染企业，采取严格的排放标准和治理措施。
例如，在一些煤炭资源丰富但生态环境脆弱的地区，加强对煤炭开采和利用过程中的污染治理，推广清洁生产技术，减少二氧化硫、氮氧化物和颗粒物的排放。
交通领域的污染治理同样不容忽视。
结合地理信息，优化交通网络布局，减少交通拥堵。
在城市中心区域，可以通过限制车辆通行、发展公共交通等方式，降低机动车尾气的排放。
复杂地形和城市的大气污染扩散及弥散规律研究
作者： 唐永銮;王彦昌
作者机构： 中山大学环境科学研究所;南京大学气象系
出版物刊名： 环境科学研究
页码： 13-19页
主题词： 大气污染扩散;山谷风;大气扩散;局地环流;海陆风;沿海地带;浓度分布;扩散模式;有效源高;城市工业
摘要：<正> 一、前言本文所指复杂地形,包括山地、丘陵以及沿海地带。
城市主要指大、中城市和新兴的工业城市。
由于下垫面的复杂性和特殊性,引起局地环流,如山谷风、海陆风、'城市风'等,对污染物的扩散、弥散有很大影响。
关于这些问题,国内外已有许多实验研究,取得大量数据资料,尚没有充分、系统总结。
其扩散和弥散机理尚未完全弄清,采用的扩散模式一般是高斯模式的修正。
多尺度城市风环境特性的CFD数值模拟与实验研究
多尺度城市风环境特性的CFD数值模拟与实验研究多尺度城市风环境特性的CFD数值模拟与实验研究摘要：随着城市化进程的加快，城市空气质量和人们生活环境质量问题日益凸显。
城市风环境作为其中重要的一方面，直接影响到城市的通风换气、热环境分布、污染物扩散等关键问题。
因此，了解和研究城市风环境特性显得尤为重要。
本研究通过利用计算流体动力学（CFD）数值模拟方法结合实验研究，多尺度地揭示了城市风环境特性的复杂性和变化规律。
1.引言城市风环境是指城市中大气风的分布、速度、方向、稳定性和湍流强度等特性。
随着城市建设规模的扩大和高楼林立，城市风环境受到建筑物、道路布局、地形地貌等因素的复杂影响。
因此，全面了解城市风环境特性对于改善城市空气质量、优化城市建设具有重要意义。
2.多尺度城市风环境的数值模拟计算流体动力学（CFD）数值模拟是一种重要的研究城市风环境的方法。
根据研究尺度的不同，城市风环境数值模拟可以分为宏观尺度和微观尺度两种。
2.1 宏观尺度模拟宏观尺度的数值模拟通常基于大气边界层理论，以整个城市为研究对象，通过网格剖分、模型参数设定等步骤，获得城市风场的分布情况。
其中，基于雷诺平均的湍流模型（RANS）被广泛应用，可以较好地模拟城市尺度上的湍流运动。
2.2 微观尺度模拟微观尺度的数值模拟主要用于研究建筑物和建筑群的风环境特性。
该方法可以利用CFD模拟技术对建筑物周围的风场进行精细模拟，考虑到建筑物的阻力、脱层效应等影响因素。
此外，微观尺度模拟还可以通过将建筑物模型放置于风洞试验设施中，基于CFD模拟研究建筑物周围的风场分布情况。
3.室内外风环境的实验研究实验研究在研究城市风环境特性中同样具有重要地位。
通过建立适当的实验装置和测量仪器，可以获取城市风场的速度分布、湍流强度和扩散特性等数据。
3.1 室外实验研究室外实验研究主要基于风洞试验设施进行。
在风洞中，可以通过模拟不同的建筑物布局和地形特征，测量风场的分布情况，为城市规划和建设提供实验依据。
复杂地形对城市空气污染影响的数值试验研究
收稿日期:2007-06-01;修订日期:2007-10-09基金项目:国家自然科学基金(40575067)、科技部公益性研究专项(2003D I B3J 121,2005D1B2J 111)资助。
作者简介:刘宁微(1977-),女,辽宁沈阳人,硕士研究生,助理研究员,研究方向为大气环境质量。
E 2m ai:l li un i ngwe@i si na .co m 通讯作者:马雁军,女,研究员。
E 2m ai:l m ayan j un0917@163.co m复杂地形对城市空气污染影响的数值试验研究刘宁微,王扬锋,马雁军,洪 也(中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳110016)摘要:以辽宁为例,通过改变其中部地区的地形高度,利用新一代空气质量模式系统M o de l-3对2006年11月24日的一次污染过程中气象场和污染物浓度场的分布进行了敏感性试验。
结果表明,地形的存在会导致风的辐合,风速降低,逆温增强,这些都构成了不利于污染物输送及扩散的因素,容易造成污染物的堆积和滞留,从而使污染物浓度较高关 键 词:地形高度;城市空气污染;气象场;污染物浓度;数值模拟中图分类号:X16文献标识码:A 文章编号:1000-0690(2008)03-0396-06地形在空气污染过程中的作用已被广泛研究。
Ross 等[1]描述了一个适用于复杂地形下的空气质量模式系统的研究,结果表明该模式对复杂地形的大气稳定度预报有明显的改进效果。
Zou m akis 等[2]运用改良模式模拟了理想化山谷中逆温末期的垂直温度结构,模拟结果与观测资料非常接近。
Egan 等[3]着重研究了已有技术对不同地形下空气污染物浓度的预报能力,给出了一些建议,以期进一步提高一些特殊区域内污染物扩散评估的可靠性。
何文英等[4]建立了一个三维非静力边界层模式,对海岸边界层进行了数值模拟,发现该模式比静力模式更能合理地模拟海岸边界层的风温场和湍流场。
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特 点及 其对 污 染传输 扩散 的影 响 ， 期 望能够 为其 它复 杂地形 城 市污 染形成 机制研 究和 大 气污 染
防 治提供 一 些借 鉴 。
关键 词 ： 复 杂地形 ； 城市 ； 多尺度 气流 ； 大气 污染物 ； 传输 扩散 中 图分类 号 ： Ｘ５ １ 文献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ２ — ０ ７ ９ ９ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ６ — ０ ０ ０ １ — １ ０ 年 １ 月 ，罕见 的连 续高 强度霾 污染 席卷 了我 国 中东
第ｌ ０ 卷 第６ 期
２ ０ １ ６年 １ ２月
沙 漠 与 绿 洲 气 象
Ｄｅ ｓ ｅ ｒ ｔ ａ ｎｄ Ｏａ ｓ ｉ ｓ Ｍｅ ｔ ｅ ｏ ｒ ｏ ｌ ｏｇ ｙ
李霞 ， 贾健． 复杂地形 多尺度气流对城市大气污染影响的研究进 展【 Ｊ Ｊ ． 沙漠与绿洲气象 ， ２ ０ １ ６ ， １ ０ （ ６ ） ： １ － １ ０
为 重要 的组 成 部分 闭 。环 境 污 染 作 为一 个 重 大 的社
因素起 了关键性作用 。 第一 ， 过量的大气污染物排放
无 疑是 首要 原 因 。 如“ 四 日市哮 喘事件 ” ， 全 市大 气 中
会 问题 ， 是从 产 业 革命 开 始 的 。欧 美一 些 发 达 国家 在２ ０世 纪 ３ ０ —６ ０年 代接 连 发生 了一 系列震 惊 世界
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ — ０ ７ ９ ９ ． ２ ０ １ ６ ． ０ ６ ． ０ ０ １
复杂地形多尺度气流对城市大气污染 影响的研究进展
李
（ １ ． 中国气象局 乌鲁木 齐沙漠 气象研 究所 ， 新疆
霞 ， 一 ， 贾 健，
机 制是 一 个复 杂的 问题 。本 文依据 城 市地 形地 貌将 复杂地 形 归类 为河谷 地形 、 三 面环 山临海地
形、 盆地 地 形 、 马蹄 型地形 和峡 口地 形 。 结合 国 内外对 这 ５类地 形 下城 市污染物传 输 扩散及 污 染
形 成机 制 的研 究 成果 ， 介 绍 了不 同地 理位 置 、 不 同复 杂地 形城 市 多尺 度 气流 相 互或 交替 作 用 的
位 于马蹄 型地 形之 中 ，乌鲁木 齐则 处在 峡 口的开 口 处 。复杂 地形 下垫 面 的非均匀 性会 对气 流运 动和气
基 金项 目： 中国沙漠气象科学研究 基金（ Ｓ ｑ ｊ ２ ０ １ １ ０ ５ ０ １ １ ） ， 中 央 级 公 益 性 科 研 院所 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金
随着 我 国经 济持续 高 速发展 ，工业 化和 城市 化
进程不断加速 ， 伴随着城市人 口的增长 ， 机动车保有 量 暴增 ， 能源大 量集 中消耗 ， 道路 等 交通设 施 和污染
物 脱 除技术 严 重滞 后 ，导致 城市 和城 市群 区域 大气 污 染 日趋 严 重 ｌ ｌ ｌ 。人 类 生存 环 境 面 临着 前 所 未 有 的
成 污染 物积 累叠加 ｌ １ ｉ 。第 三 ， 特殊 的地形 助 长 了污 染
续 短 短 数 日，但 是 瞬 间 就 导 致 了数 百 上 千人 的死
亡 １ 。我 国兰州 ２ ０世 纪 ７ ０年 代 出现 了光化 学 烟雾
污染 嘲 ， ８ ０年 代珠 三 角地 区 灰 霾 天 气 显 著增 加 ， ９ ０ 年代 末 乌 鲁木 齐 跻 身 于世 界 十 大 污染 城 市 【 。２ ０ １ ３
个 城市 上 空一 致呈 现逆 温层 结 ｆ ５ ｌ 。２ ０ １ ３年 １月京 津
诺 拉 烟 雾事 件 、 １ ９ ５ ２年 英 国伦敦 烟 雾 事 件 、 １ ９ ６ １ 年
Ｅ ｔ 本 四 日市 哮喘 事件 等 。 这些 重 污 染 事 件 有 的仅 持
冀 霾污 染过 程期 间 ， 中东部偏 北地 区大气异 常稳定 ， 空气 垂 直运 动弱 ， 冷空气 过 程少 ， 湿度 大 ， 无 降水 ， 造
乌鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ ０ ２
乌鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ ０ ２ ； ２ ． 中亚大气科学研 究中心 ， 新疆
３ ． 乌鲁木 齐市气象局 ， 新疆 乌鲁木齐 ８ ３ ０ ０ ０ ６ ）
摘
要： 复 杂地 形城 市一般 建 立在 山地 、 丘陵、 沿海地 带 。 复杂地 形 下的 大气 污染传输 、 扩散
部地区 ， 受影响人 口约 ６ 亿人ｌ ｌ ｌ 。无论是发生在欧美 国家 的重 污染 事件 ， 还是 当今 国 内的强雾 霾事 件 ， 无
疑都 是 自然界 向人类 社会 敲 响警 钟 。
仔 细 梳理这 些重 大污 染事 件 的成 因 ，可见 几类
危机 ，因此大气环境成为当前人类生存科学研究最
的大气 污染 事件 ，如 １ ９ ３ ０年 比利 时 马斯河 谷事 件 、 １ ９ ４ ３年美 国洛杉矶 光 化学 烟雾 事件 、 １ ９ ４ ８年美 国多
Ｓ Ｏ 。 浓度超 出标准 ５ － ６ 倍 。 第二 ， 合适 的气象条
件 。从 比利 时 马斯河 谷烟雾 事件 到美 国多诺 拉 烟雾 事件 、 再到伦 敦 烟雾事 件 ， 大雾是 比较 普遍 的天气 现 象， 同时 伦敦 近 乎静 风 ， 多 诺 拉空 气 无垂 直 运 动 ， 三
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ８ — ０ ６ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ９ — ０ ６
事件 的发生 。 上述 城市 多数都 处在 复杂 地形 下 ， 如 马 斯河 谷 、 多诺拉 、 兰州都 属于 河谷 地形 ， 洛杉矶 、 四日 市、 珠 三 角地 区则处 于三 面环 山临 海 的海 湾里 ， 北京
项 目（ Ｉ Ｄ Ｍ ２ ０ １ ５ ０ １ ） 共 同资助。
作者简介 ： 李 霞（ １ ９ ６ ９ 一 ） ， 女， 副研究员 ， 主 要 从 事 大 气 环境 研 究 。 Ｅ —