山区盆地大气湍流特征与污染扩散的数值试验
温度层结条件下大气扩散模式研究回顾
温度层结条件下大气扩散模式研究回顾夏雨婷$%2王汉青$小（1南华大学土木工程学院湖南衡阳4210012南华大学建筑控制技术湖南省重点工程实验室湖南衡阳4210013中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410000）摘要：大气温度层结是影响大气中污染物扩散的重要因素，不同温度结层下大气污染物扩散的分布情况各不相同0因此，合理选择温度层结条件下的大气扩散模式对准确模拟污染物扩散具有重要的理论和实际意义0文章分析了在大气温度层结条件下以高斯烟羽模式#拉格朗日模式及CFD模式为基础的三类常用大气扩散模式的核心理论以及应用特征，得出在不同温度结层下各大气扩散模式的优势与不足，提出了温度层结条件下大气扩散模式需要进一步发展的研究方向，有利于温度层结条件下大气扩散模式的合理选择和模发0关键词：大气扩散模式；温度层结；模选择引言目前，研究不同热条件下的大气污染物扩散主要采用两种方法：一种是风洞实验技术，另一种是计算机模拟方法#在过去的30年里，国内外许多专家学者已经对风洞实验中热分层边界层的羽流扩散进行大量的研究（Yassin等,2013；Kanda等,2016）卩]【2],也从侧面证明风洞实验结论的可靠性#如今，计算机模拟技术逐渐成为一种必不可少的工具，而大气扩散模式则是整个模拟过程的重要组成部分，它是一种用以处理大气污染物在大气中（主要是边界层内）输送、扩散和转化问题的物理和数学模式536,能够准确地模拟出大气污染扩散的分布情况，预测扩散后对周围环境和居民所造成的影响）气边界层内污染物扩散气分相联的，其中逆温层的高度和强度对污染物扩散的影响最为强烈。
人们通常把温度的垂直分布即大气稳定度作为衡量污染物在大气中扩散好劣的一个量度546。
大气温度层结对大气污染物垂直扩散的影响是显而易见的，但当前关于大气扩散模式的综述多关注在其他应用上，比如Holme等同分析了含有颗粒污染物扩散其在城市模拟中的应用；Lateb等566分析了城市环境中污染物近场扩散数值模拟的应用*而大气温度结层条件下如何选择空气污染物扩散模式还未有相关研究，这也增加了获取温度层结条件下扩散参数等数据的难度*因此本文通过对比分析温度层结条件下的3类大气扩散模式:基于高斯烟羽扩散理论的模式+基于拉格朗日原理的模式以及CFD模式的原理和应用，得出各个模式的优势和不足，为空气污染物扩散研究提供模式选择依据,并为大气扩散模式的应用和发展提出建议#1大气温度层结人们通常把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结#由于大气温度随高度的分布不同，出现三种层结：稳定层结、中性层结和不稳定层#不同温度层结条件下的烟囱排放的烟形示意图可见图1叫a稳定稳层b下层中性稳定层结，上层稳定层结c不稳定层结3中性稳定层结图1不同温度层结条件下烟囱排放的烟形示意图图1为不同温度层结条件下烟囱排放的烟形示意图#当发生不稳定大气温度层结时，大气湍流运动充分发展，可将大气层内污染物迁移至较远距离，有利于污染物的扩散；而当稳定逆温出现时，湍流受到抑制，近地层大气稳定不容易上下翻滚而形成对流，使得近地面层空气中的污染物和粉尘只能在近地面处积聚或扩散％目前，我国对大气污染物迁移扩散规律的数值模拟研究主要在中性层结的大气条件下开展，对不同温度层结条件以及逆温层等极端天气条件下大气污染物扩散产生的影响也是需要研究和解决的问题#2大气扩散模式2.1高斯烟羽模式高斯烟羽模式被广泛地用在大气污染物扩散模拟研究中,是模拟污染物扩散的经典方法#目前我国现行的《环境影响评价技术导则-大气环境》（HJ2.2-2018），其基本形式也是高斯烟羽扩散模式*128高斯烟羽模式具有简单、实用、响应时间快，污染物浓度呈正态分布等特点，这也就要求应用时下垫面均匀平坦、气流稳定，且在同一类稳定温度层结中的情况味然而在稳定层结条件时，界面上的交换机制是分子扩散，流体流动之间的交换很弱，烟羽在竖直方向上扩散会被抑制，造成浓度分布并非呈现高斯烟羽分布特征；对于不稳定温度层结，尤其温度随时间和空间变化显著的情况，违背了这类模式的假设条件同样不能清楚解释烟羽轨迹的变化#因而,为了解决高斯模型不能适用于复杂条件下的模拟，许多基于该模式的修正模式也随之出现，例如Rakesh等I-】对高斯模型进行改进,使其适用于低风速的条件下;Liu等卩01为了在城市地区进行污染物羽流扩散，提出了新的高斯烟羽模型的输入参数#近年来，人工智能算法也被引入到大气扩散问题的研究中，对修正后高斯模式进行精确的定量评估，为污染物扩散分布情况提供可靠的科学依据。
气体扩散浓度计算模型介绍(1).
华东理工大学 沈艳涛
2006.8.31
第一部分 扩散过程与模型分类介绍
相关背景——污染性泄露
大气污染性泄露的形式：
– 自然方面：火山喷发的有害气体，某些物质自 燃或在一定条件下产生的有毒气体，环境微生 物产生的某些气体 – 日常生活方面：生活用煤产生的含氮硫氧气体 – 石化燃料动力的交通车辆产生的尾气将在一定 气候下生成光化学雾 – 工业用气体的泄漏，特别是化学工业用到的大 量的有毒有害，易燃易爆的气体 – 其他方面产生的一些气体及烟尘
模型验证情况
ⅡT Heavy Gas Models瞬时泄漏扩散模型 对Thorney Island Tests系列试验下风向 不同距离的泄漏物质最大浓度进行了模拟 验证，ⅡT Heavy Gas Models连续泄漏扩 散模型对Maplin Sands Tests系列试验下 风向不同距离的泄漏物质最大浓度进行了 模拟验证，两个试验的模拟结果都是较好 的，基本上反映了重气的扩散情形。
箱模型：重性气向非重气的转折
随着云团的稀释冲淡过程，重气效应逐步地消失， 当重气扩散转变为非重气扩散时，大气湍流对云 团的扩散起支配作用，云团的高度、半径及运行 状态完全取决于大气湍流特性，实际上气体的浓 度分布开始接近为高斯形状，仍然假定为均匀就 不再合理。因此箱模型通常都有从均匀气云向高 斯分布的转折点，即重气扩散向非重气扩散的转 折点，采用理查逊数、沉降速度和速度尺度的关 系，或者运用云团密度与周围空气的密度差来判 断。
箱模型实例（by Van Ulden，1970）
g ( a )H dR Uf k dt r
1 2
ρr，ρa－为气云的“参考”密度和空气密度，kg· m-3； K－为常数。
大气污染物扩散的理论和试验研究
3、大气污染物的控制措施和未 来展望
3、大气污染物的控制措施和未来展望
为了减轻大气污染物的危害，需要采取一系列控制措施，包括减少污染物排 放、加强污染物治理、优化能源结构等。未来，随着科技的不断进步和环保政策 的完善，大气污染物的控制措施将更加严格，主要表现在以下几个方面：
3、大气污染物的控制措施和未来展望
2、大气污染物扩散的影响因素
2、大气污染物扩散的影响因素
通过对比分析监测数据和气象资料，我们发现风向、风速、温度和湿度对阳 泉市区大气污染物扩散具有显著影响。其中，风向和风速的影响最为显著，当风 向与污染源方向一致时，污染物扩散范围更广；而当风速增大时，污染物扩散速 度更快。此外，温度和湿度的变化也会影响大气污染物的扩散。
四、结论与展望
然而，数值模拟也存在一定的局限性和不确定性。例如，模型的参数选择和 气象数据的准确性都会对模拟结果产生影响。此外，由于实际环境的复杂性和不 确定性，数值模拟结果可能无法完全反映实际情况。
四、结论与展望
展望未来，钢铁工业大气污染物扩散数值模拟研究可以从以下几个方面展开： 1、加强多种因素的综合考虑。除了气象和地形因素，还需要考虑钢铁厂的排 放特征、生产工艺、能源结构等多方面因素对污染物扩散的影响。
3、大气污染物扩散的影响因素和规律
理论分析和结论根据试验结果，可以对大气污染物扩散的理论进行分析和验 证。通过将试验数据与理论模型进行比较，可以评估模型的准确性和可靠性。同 时，还可以进一步分析不同因素对大气污染物扩散的影响机制和程度，为制定更 加有效的污染防治措施提供理论支持。
3、大气污染物扩散的影响因素和规律
三、模拟结果分析
3、地形因素对污染物扩散也有一定影响。对于复杂地形，污染物可能在山体 背面等地区聚集，形成“污染窝”。因此，在钢铁厂的选址和布局过程中，应尽 量避免在山体背面或低洼地带建设工厂。
流体工程仿真计算实例与应用
流体工程仿真计算实例与应用流体工程仿真计算是指利用计算机模拟和计算各种流体工程问题的数值计算方法。
它可以通过数值解析的方法，对流体的运动、传热、化学反应等进行模拟和计算，帮助工程师快速理解问题，优化设计方案，提高产品性能，降低开发成本，提高工程质量。
下面我将为大家列举一些流体工程仿真计算的实例与应用。
1. 管道流动管道是工程中常见的流体工程组件，如输送、加热、冷却、混合等。
通过流体工程仿真计算，可以模拟和计算管道中流体的流动情况，分析流体的速度、压力、温度等参数分布情况。
根据计算结果，可以优化管道设计，提高流体传输效率，确保流体在管道中的稳定流动和传热效果。
2. 风洞试验模拟风洞试验是一种通过模拟大气环境中的风场，研究物体受气动力和风压影响的实验方法。
通过流体工程仿真计算，可以模拟不同风速、不同气动力条件下的风场情况，分析物体受风力影响的性能和行为。
这对于航空、汽车等领域的气动设计非常重要，可以减少实验成本，提高设计效率。
3. 污染物扩散污染物扩散是环境工程领域重要的研究内容之一。
通过流体工程仿真计算，可以模拟和计算污染物在大气中的扩散传输过程，分析污染物的浓度分布和传播范围。
这对于环境污染监测、工厂排放控制等具有重要意义，可以预测和评估污染物对周围环境的影响，制定有效的治理措施。
4. 喷流和湍流喷流和湍流是流体力学中的两个重要研究对象。
通过流体工程仿真计算，可以模拟和计算喷流和湍流的流动特性，了解流场的流速、压力、温度等参数分布情况。
这对于航空发动机、燃烧室等领域的设计和优化非常关键，可以提高燃烧效率，降低能源消耗。
5. 波浪与海洋工程波浪和海洋工程是研究海洋环境中波浪产生和传播的工程学科。
通过流体工程仿真计算，可以模拟和计算波浪的生成、传播、碰撞等过程，分析波浪的高度、能量和速度分布等参数。
这对于海岸防护、海上工程、海洋能源等领域的研究和设计非常重要，可以提供科学依据和参考数据。
总结起来，流体工程仿真计算在很多领域中都有重要应用，可以帮助工程师提高设计效率，降低开发成本，提高产品性能。
城市大气中污染物扩散的施密特数研究
Ａｂ ｔａ ｔ ｏ ｅｅｍ ｉｉｇｔ ｅＳ ｈ ｄ ｕ ｅ ｆ ａｅ ｕ ｏｌｔｎ ｓｄｆ ｓ ｎ ｉ ｒ ａ ｔｅ ｔ ， ｈ — ｓｒ ｃ ：Ｆ ｒｄ ｔｒ ｎ ｎ ｈ ｃ ｍｉｔｎ ｍｂ ｒ ｓｏ ｓｐ ｌ ａ ｔ ｉ ｕ ｉ ｕ ｂ ｎ ｓｒｅｓ ｔ ｅｉ ｏｇ ｕ ｆ ｏ ｎ ｎ
密特 数 时街 道峡 谷 内各 个观测 点 的数值模 拟数 据和 风洞 实验数 据 ． 究结果表 明 ， 市街道 内大气 研 城
污染物扩散 的施 密特数 为 ０ ７ ． ． ． ～０ ８
关键词 ： 问题 方 法 ； 密特 数 ； 反 施 数值 模 拟 ； 洞 实验 风
中图分 类号 ： ５ ． Ｏ ３７ ５ 文 献标 识码 ： Ａ
上 海 理 工 大 学 学 报
第３ ０卷 第６ 期
Ｊ ．Ｕｎｖ ｒｉｙｏ ｈ ｎ ｈ ｉｏ ｃ ｎ ｅａ ｄＴｅｈ ｏｏ ｙ ｉｅｓｔ ｆ ａ ｇ ａ ｆｒＳ ｉ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌｇ Ｓ ｅ Ｖｏ． ０ Ｎｏ ６ ２ ０ １３ ． ０ ８
文章 编 号 ：０７—６ ３ （０ ８ ０ —０ １ —０ １０ ７ ５ ２ ０ ）６ ５ ９ ４
ｖ ｒ ｉｎ ｔ ｅ ｒ ｍ ｓｉ ｔｏ ｕ ｅ ． ｅ ｓ ｓｅ ａｉ ｕ ｒｃ ｌ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｈ ｎ ｕ ｎ ｌｅ ｐ ｒ ｎ ｓ ｅ ｓ ｈ ｏ ｅ ｗａ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ Ｔｈ ｙ ｔ ｍ ｔ ｎ ｍｅ ｉａ ｍｕ ａ ｉ ｆｔ ｅ ｗｉ ｄ ｔ ｎ ｅ ｘ ｅ ｉ ｏ ｃ ｓ ｏ ｍｅ ｔ
湍流扩散理论
高 斯 模 型
目前应用较广的有： ISC3 (美国EPA开发) AERMOD(美国EPA开发) ADMS（英国剑桥开发） CALPUFF
he2 C ( x, y,0) exp( ) exp( ) 2 2 y z 2 y 2 z Q
y2
Q
表示污染源的源强
σyσz 表征污染物在水平和垂直方向的扩散能力 He 表示烟囱的有效高度
指模拟的污染物输送距离超过数 百公里的模式；通常采用拉格朗 日型K模式和烟团轨迹模式，有 代表性的是HARM模式
DC i (K iC ) R Q S Dt
D Dt t
Ki
三个方向的湍流扩散系数
污染物与其它污染物之间的化学反应转化率
R
Q
源项
沉积清除率
S
趋于
泰勒、萨顿、高斯
三种湍流扩散理论——2）湍流统计理论
高斯扩散
？？平稳：湍流不随时间发生变化 ？？均匀：湍流不随空间发生变化
三种湍流扩散理论——3）相似扩散理论
大气过程的尺度
大尺度（特征尺度大于103公里） 主要受地表能量收支不均匀影响，大气运动流体静力的近似成 立 ，全球尺度及大部分的区域－大陆的大气扩散与大尺度大 气过程有关
空气质量模式的种类
按空间尺度分为：微尺度模式（建筑物尺度）、
局地尺度模式（1-10公里）、中远距离输送模 式（100公里以上）
按时间尺度分为：短期平均模式（1-24小时）
和长期平均模式（月、季、年）
空气质量模式的选择
污染源类型及污染物性质
时间尺度
空间尺度 模拟区的下垫面特征 ห้องสมุดไป่ตู้大气化学过程
湍流扩散理论
流体流动的湍流模型与实验验证
流体流动的湍流模型与实验验证引言湍流是流体流动中普遍存在的一种现象，具有高度复杂性和不确定性。
湍流的产生和演化过程直接影响着许多实际应用，如空气动力学、环境流体力学、能源系统等。
因此，对湍流的深入研究具有重要的理论和实际意义。
本文将介绍湍流的基本概念和特征，湍流模型的发展和应用，以及实验验证湍流模型的方法和结果。
湍流的基本概念和特征湍流是流体流动中的一种紊乱运动状态，具有三个基本特征：随机性、非线性和多尺度性。
湍流的产生主要是由于流体流动中的不稳定性，当流体在一定条件下达到临界 Reynold 数时，将由层流转变为湍流。
在湍流状态下，流体中的速度、压力、密度等物理量都表现出时空上的不规则变化，难以准确预测和描述。
湍流现象的出现极大地增加了实际问题的复杂性，因此需要建立湍流模型来研究和模拟湍流现象。
湍流模型的发展和应用湍流模型是研究湍流流动的基本工具，目的是通过数学描述和模拟来预测湍流的动力行为。
湍流模型的发展经历了多个阶段，从最早的经验模型到基于统计理论的湍流模型，再到近年来基于计算流体力学的数值模拟方法。
经验模型基于实验数据和经验公式，主要适用于简单流动问题，如管道流动、边界层流动等。
统计理论模型基于湍流的统计性质，通过对湍流中各物理量的统计规律进行描述，可以较好地预测湍流的一些平均特性。
计算流体力学模拟方法则是基于流体力学的基本方程，通过离散化和求解数值方法来模拟湍流现象，具有较高的精度和灵活性。
湍流模型的应用范围广泛，包括工程力学、流体力学、大气科学等领域。
在工程力学中，湍流模型用于预测空气动力学问题、汽车气动优化、风机性能等。
在流体力学领域，湍流模型用于模拟和预测河流、湖泊、海洋等自然界流体运动问题。
在大气科学中，湍流模型用于研究气候变化、气象预报等问题。
湍流模型的应用能够提高工程设计的准确性和效率，促进科学研究的进展。
实验验证湍流模型的方法和结果为了进一步验证湍流模型的准确性和适用性，科学家们进行了大量的实验研究。
湍流的理论与实验研究
湍流的理论与实验研究湍流的理论与实验研究湍流是流体力学界公认的难题，被认为是经典物理学中最后一个未被解决的问题。
自然界和工程领域的绝大多数流动都是湍流，因此湍流研究具有重大意义。
近年来，随着实验测量技术和数值模拟能力的不断增强，学术界对高雷诺数和高马赫数湍流有了许多新的认识。
我国科学界也结合国家重大战略需求和学科发展前沿，分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势，希望对湍流产生机制和流动本质进行深入研讨，加强与航空、航天、航海等相关单位和部门间的沟通与联系，推动湍流研究的发展。
针对国内学科发展现状，尤其是实验研究相对薄弱的特点，国家自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局，于2014年3月20-21日在北京联合举办了第110期双清论坛，论坛主题为“湍流的理论与实验研究”。
来自全国15个单位的近50位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。
与会专家通过充分而深入的研讨，凝练了该领域的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。
本期特刊登此次论坛学术综述。
一、湍流研究的重要意义自1883年雷诺（Reynolds）发现湍流以来，湍流问题的研究一直困扰着众多学者。
著名物理学家费曼曾说，湍流是经典物理学中最后一个未被解决的难题；2005年《科学》杂志在其创刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中，其中至少两个问题与湍流相关。
在我们日常生活中，湍流无处不在。
自然界和工程应用中遇到的流动，绝大部分是复杂的湍流问题。
在自然界，从宇宙星系的时空演化，到星球内部的翻滚流动，从大气环流的全球运动，到江河湖泊的区域流动，都有湍流的身影。
在工程领域，从陆地、海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计，都需要了解和利用湍流。
因此，湍流流动的研究不仅仅是一个学科发展的问题，更具有重要的工程应用价值。
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文章编号:0253-2468(2000)-05-0554-04 中图分类号:P425.21 文献标识码:A山区盆地大气湍流特征与污染扩散的数值试验吴 涧1,2,蒋维楣1,王卫国2 (1.南京大学大气科学系,南京 210093;2.云南大学地球科学系)摘要:运用三维非静力大气动力学数值模式,模拟了稳定、中性和不稳定3种层结下山区盆地的大气湍流和污染扩散特征.通过模拟认为,在山区复杂地形条件下,由风切变引起的机械湍流是湍流运动的主要形式之一,它主要受风速的影响.同时,在非中性层结下,热力湍流也是湍流运动的主要形式之一.由于地形复杂和层结变化,使得污染扩散与平原地区有较大差异,在稳定层结条件下可以产生高浓度的污染.关键词:山地;湍流;污染;扩散A numerical simulation of atmospheric turbulence and diffusion overmountain areaWU Jian 1,2,WANG Weiguo 2,JIA NG Weimei 1 (1.Dep artment of Atmos pheric Science NanjingUnivers ity ,Nanjing210093;2.Department of Earth Science Yun an University )Abstract :A 3-D non hydrostatic mod el w ith E -εclos ure has b een used to simulate the TKE structure and d iffusion over mountain area un der different stratifications .From the s imulation ,the vertical motion of air can be affected b y statification ,b ut the effect is less th an that of teerain .It has been recongnized from the s imulation that the shear en ergy p rod uction of TKE is important in turb ulent motion un der any stra .tification .The theomodynamic prod uction of TKE is also imp ortant und er nonneutral stratification .The shear produ c -tion and the absolute value of the thermod ynamic p rod uction under stabl e stratification are les s than that of unstabl e stratification about 10times .The maximum values of the s hear an d thermond ynamic production items appear j ust on the ground ,then they d ecrease with height just l ike line .The con centration of p ollutant is the maximu m un der stable stratification and is the minimu m un der unstabl e stratification .K ey words :mountain area ;tu rbul ence ;polluti on ;diffu sion收稿日期:1998-11-24;修订日期:1999-12-25基金项目:云南省自然科学基金(98D0020M )资助项目;云南省教委科研基金(9911121)资助项目作者简介:吴涧(1973—),男,讲师(硕士)山区地形条件下,大气运动会强烈地受到地形的影响,产生诸如抬升、下沉、绕流等运动,使风场复杂化.由此也给风洞模拟和水槽模拟带来很大困难.数值模拟方法能在一定程度上克服观测和实验的困难,它的一些结果对深入了解复杂条件下大气运动状况和污染扩散特征是很有帮助的.本文采用三维非静力湍能闭合模式,同时加入了污染物质扩散方程联立求解,用数值方法模拟了山区盆地地形下,3种层结的大气湍流状况和污染扩散特征,并做了多组对比试验和相应分析.1 湍能闭合模式1.1 基本方程、有关参数和边界条件在地形跟随坐标下,模式的基本方程参见文献[1],闭合方案采用E -ε闭合[2],污染物扩第20卷第5期2000年9月环 境 科 学 学 报AC TA SCIENT IAE CIRCUM STAN TIAEV ol .20,No .5Sep .,2000DOI :10.13671/j .hjkxxb .2000.05.009散方程参见文献[3].各参数的值和边界条件参见文献[1].1.2 初始条件初始风在400m 下取幂次律,U =U 0(Z /10)P,U 0,P 分别为地面风速和幂指数,400m以上等于400m 处的值.地面风速取1.5m /s 和3.0m /s ,P 的取值随层结变化,具体见表1.初始湍能在400m 下为E =(9×(1-z /400)2+0.51-z /400)×u 2＊,在400m 以上为零.耗散率为ε=u 2＊/κz .为反映层结作用,450m 以下位温递增率随层结而变化,如表1所示.表1 计算的可变参数和部分结果Tabl e 1 The model ling parameters and s ome results of TKE算例编号地面风速,m /s 风幂指数位温递增率,K /100m 50m 高平均湍流能量,m 2/s 250m 高平均湍能耗散率,m 2/s 250m 高平均湍能切变产生率,m 2/s 350m 高平均湍能热力产生率,m 2/s 213.00.15-0.520.117×100.463×10-20.421×10-20.515×10-221.50.15-0.320.5260.130×10-20.989×10-30.201×10-233.00.15-0.320.8420.343×10-20.334×10-20.246×10-243.00.2500.6130.297×10-20.353×10-2053.00.350.380.2780.207×10-20.250×10-2-0.732×10-361.50.350.380.263×10-10.155×10-30.184×10-3-0.493×10-473.00.350.580.1300.115×10-20.137×10-2-0.427×10-383.00.35-0.320.179×100.105×10-10.118×10-10.349×10-293.00.3500.135×100.794×10-20.954×10-20103.00.150.380.550×10-10.370×10-30.446×10-3-0.971×10-4图1 3种层结下的垂直运动Fig .1 The vertical speed of differen t statification1.3 求解方法假定边界条件不随时间变化,将上述方程组积分达到定常,得到模拟结果.由于模拟区域小,忽略了柯氏力作用.对于气压须求解一个poisson 方程得出[3].时间积分采用向前差,空间积分采用上游差分格式.模式水平范围取成60×60个等间距网格,格距500m .垂直方向非等间距.在近地面附近对风速和位温运用Businger -Dyer 廓线[4],地表粗糙度在山地取1.0m ,在盆地取0.01m .本文一共进行了10个算例的模拟计算,这些算例的参数见表1.2 模拟结果及分析2.1 模拟区域模拟区域是一个900km 2的正方形区域,垂直方向高4615m .在区域正中心有一块半径5km 的盆地,周围被环形山包围,山峰高200m ,在环形山以外是高100m 的山地.污染源位于盆地最西侧,为面源,占据6个网格,高度5m ,浓度值固定在1.5×103μg /m 3.2.2 垂直运动在复杂地形地区,由于地形和热力的作用都会使气流产生垂直运动,而垂直运动将会影响到上下层的物质交换,同时会在一定程度上减小水平风的垂直切变,这又会影响到湍流运动的产生和发展.图1给出了算例5555期吴 涧等:山区盆地大气湍流特征与污染扩散的数值试验图3 湍能平衡廓线Fig .3 The figure of s ome items in the TKEequation图2 3种层结下的湍能廓线Fig .2 The figure of TKE under differentstratification5、8、9在模拟中心垂直剖面上的垂直速度等值线(m /s ),图中实线为正值,虚线为负值.从3幅图的总体情况看,在地形有起伏的地方都有抬升和下沉运动,迎风坡抬升,背风坡下沉.在盆地西侧背风坡上的下沉区比东侧背风坡上的大;盆地西侧迎风坡上的抬升区比东侧迎风坡上的小.同时,盆地中垂直运动不明显.造成此现象是因为,算例8是不稳定层结,算例5是稳定层结,而算例9是中性层结.由此可以认为,在所模拟的地形条件下,由于地形的起伏造成的垂直运动是最主要的,虽然热力作用也对垂直运动有一定的影响,但不如地形作用明显.2.3 湍能分布及湍能平衡廓线在近地层大气运动中,湍流运动是最主要的形式.湍流运动的强弱一般用湍流能量来表示.图2给出了不同层结算例的湍能在不同地点放大2000倍后的廓线,单位为(m /s )2.从图上看,湍流运动主要存在于离地面约400m 高的范围内.从地面向上,湍能先增大后减小,并且增减率接近线性,最大湍能出现在离地100m 高度.这反映了层结对湍流的作用,不稳定时湍流强,稳定时最小.表1中列出了全部算例50m 高度上的湍能平均值,这与图2上反映的是相同的.图3给出了算例1、2、3放大200000倍的湍能平衡廓线(m 2/s 3).图3D 给出了算例10放大2000000倍的湍能平衡廓线.总体上,不稳定层结的算例1、2、3的湍能平衡廓线非零值存在于地表以上400m 内.而稳定时的算例10湍能仅存在于地表以上100m 高度内,这主要是因为稳定层结强烈制约了湍流的存在和发展.同时,如图所示,无论稳定或不稳定层结,耗散率始终是负值,切变和热力产生率在地表处的值最大,自地表向上近似呈线性递减.从图3A 、B 、C 中看到,不稳定时热力和切变作用是正值,有利于湍流产生和维持,只有湍流耗散率是负值,它的绝对值从地表向上增大,在约50m 高度达到最大值,而后以近线性的趋势减小,在400m 附近到零.在稳定时的D 图,只有切变作用是正值,耗散率也在地表达到最大,向上线性减小,在约100m 高处减到零.通过同为不稳定层结的图3A 、B 、C 的比较发现,A 中的热力产生率比B ,C 大,这是因为算例1的位温递增率(-0.52K /100m )比2,3中的(-0.32K /100m )小,层结处于更加不稳定状态所导致.图3A ,C 中的切变产生率比B 中的大,这是由于在风幂指数相同的情况下,算例2中的风速比1和3中小的缘故.D 图的情况有所不同,由于算例10是稳定层结,热力产生项变为负值,此时湍能的产生全靠切变项,因而和前3图相比,湍能受到了抑制,各项都小了一个量级,而且存在高度也变低了.从556环 境 科 学 学 报20卷表1中也看到,在算例1、2、3、10K ,50m 高度湍能值从大到小依次是算例1、3、2和10,这和图是一致的.另外,切变产生率依次是算例1,3,2和10,其中1、3比较接近,但不相同,这反映了不稳定程度的差异会导致垂直运动差异,从而改变水平风的垂直切变.热力产生依次是1、3、2和10,其中2和3较接近,但不相同,这反映了水平风垂直切变不同将引起湍流的垂直运动差异,影响到原先的层结,从而导致热力作用的差异.图4 污染物浓度等值线(μg /m 3)Fig .4 The distribution of concentration in differ -ent stratification从以上分析可知,在不同层结下,耗散率始终是负值,它把湍能耗散为热能.平均风的切变产生率始终是正值,它有利于湍流的存在与发展.不稳定时热力作用是正值,大小可以超过切变项,在不稳定时是负值.在所模拟的地形条件下,不稳定时的耗散,热力和切变项比稳定时大10倍左右,存在高度比稳定时大4倍左右.2.4 污染扩散图4是浓度等值线.可看到,污染物沿下风向输送扩散过程中,受到了地形的影响,沿山峰迎风坡抬升,沿背风坡下沉.其中图C 的扩散范围无论水平方向或垂直方向都最大,这是由于C 图为不稳定层结,湍能热力产生作用明显,把污染物沿垂直方向扩散到更高的高度,同时,高度越高风速越大,这又加强了对污染物的输送.图B 中污染物主要集中于地表以上100m 内,这是稳定层结热力作用抑制湍流的结果.由于垂直扩散范围小,在B 图中形成了比A 、C 更高浓度的污染.由3幅图的比较可知,层结作用对污染物扩散有很大的影响,在所模拟的条件下,稳定层结会造成高浓度,如果稳定层结时风速很小,污染程度还会进一步加剧.3 结束语(1)在模拟的地形条件下,不同层结虽然对垂直运动有一定的作用,稳定时抑制,不稳定时有利,但这种影响不是特别明显,垂直运动主要是由地形的起伏引起.(2)不同层结下,湍流能量廓线的形式是基本一致的,但具体数值明显地受到层结影响,稳定时最小,不稳定时最大.湍能的热力产生率强烈地受层结影响,在不稳定时为正,稳定为负,中性为零.同时,热力作用从地表向上呈近似线性递减.湍能的切变产生率在不同层结下始终是正值,在地面最大,向上递减.湍能耗散率为负,绝对值最大出现在地表以上50m .(3)层结对污染物扩散有强烈影响,不稳定时最有利于扩散,污染程度较轻,稳定时最不利扩散,污染程度最重.参考文献:[1] 吴涧,李湘云,蒋维楣,等.三维非静力E -ε闭合模式对山体流场及浓度分布的模拟[J ].气象科学,1999,19(4):343—350[2] Rodi W .In turbulence and diffus ion in stable environments [M ].In :J C R Hunt (ed ).Oxford Univers ity Press .1985.111—140[3] Pielke R A .张杏珍,杨长新,译.中尺度气象模拟[M ].北京:气象出版社.1990.54—59[4] 赵鸣,苗曼倩,王彦昌.边界层气象学教程[M ].北京:气象出版社.1991.42—585575期吴 涧等:山区盆地大气湍流特征与污染扩散的数值试验。