翁佳烽，林满，王宝民，杭建，梁晓媛

(1.肇庆市气象局，广东 肇庆 526060；2.中山大学大气科学学院，广东 广州 510275；3.东莞市环境监测中心站，广东 东莞 523000)

随着城市建设步伐的加快，城市热岛效应、能源消耗及环境污染等问题不断恶化。城市区域人口密度较大，特别是在居民和交通比较密集的小区和街道，居民、行人以及机动车驾驶员受有害气体损害的可能性大大增加。1988年广州市就已经提出广州大气污染以交通尾气型为主的观点[1]，尤其在上下班高峰期出入小区主干道上污染排放更甚。街道峡谷多种形态的几何形状和表面热力性质使其周围的流场、温度场、湍流场相当复杂,可能导致高楼周围的风环境产生变化，城市特殊下垫面以及局地微气候特征可能改变污染物的传输扩散条件和清除作用[2-5]。从三维的观点来看，当系统风与街道峡谷走向成一夹角时，在街谷中会诱发一种螺旋形流场[5-6]，而当风平行于街道轴向时，可形成狭管效应，强迫气流沿街谷流动并加速[7-8]，从而使得污染物在低风速和弱湍流地带附近累积，导致较高的污染风险[9-11]，直接影响行人和居民的健康，因此研究城市街区机动车排气污染物的扩散规律对于城市小区街道规划设计以及汽车污染控制决策具有重要意义。

近年来，众多学者针对建筑物影响下局地大气污染物扩散的模拟预测方法开展了大量的研究工作，研究方法主要包括：外场观测、数值模拟计算和物理模拟。其中，数值模拟方法由于成本低、效率高,已经成为国内外研究者的有力工具[12-13]。Martilli等[14]以雅典为例，采用耦合冠层模式的中尺度模式对当地微气候环境及大气污染状况进行分析；吴志军等[15]以Navier-Stokes方程为基础，采用两方程的κ-ε方程湍流模型对城市街道峡谷内部气流运动及污染物浓度分布进行了模拟计算,并分析了街道形状对机动车污染物扩散的影响。赵晓辉等[16]利用计算流体力学软件Fluent6.3.26提供的大涡模式和国标推荐的AERMOD模式分别对方形建筑物影响下的大气污染物扩散进行了模拟，通过与风洞实验结果的比较，对各模式的模拟能力进行了评价。

随着数值模拟研究和风工程、土木工程和计算流体力学(CFD)的研究进展，目前已经能够模拟三维复杂形态的街谷、小区、建筑群的流场和热力结构以及污染物的扩散[17-18]。然而，由于模式精度以及通用性等原因，至今未有一个公认的通用模式。目前，针对街道峡谷污染物扩散的研究几乎集中于建筑几何形态和街谷走向与风向夹角等方面，而耦合不同时空分布的太阳辐射和街谷不同植被种类与形态的研究仍不多见。城市街区的污染物扩散是一个多重耦合作用的过程，鉴于此，本文采用一种适用于城市环境中下垫面-植被-大气相互作用的三维微尺度气候模拟的非静力流体力学数值计算模拟软件ENVI-met[19-21]，选择广州中山大学校园小区作为一个典型小区(包括水体、植被、不同高度建筑物和路面材料)，对其不同季节时刻的风场分布以及在特定气象条件下主干道汽车排放尾气的扩散分布情况进行了模拟，并对结果进行多次试验分析及参数校正，以确定模式对湿热气候区的适用性。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1)广州国家基本气象站2002-2012年10 a冬季(12-2月)和夏季(6-8月)07：00的平均气温、相对湿度、风速以及主导风向等气象要素。

2)模拟区域选取广州市海珠区中山大学(23.05°N，113.15°E)，其中的水体、植被类型和高度、建筑物结构等建模数据通过实地考察获得(见图1)。

1.2 模式耦合的扩散模型

ENVI-met模式中大气子模型根据非静力学不可压缩的Navier-Stokes方程计算三维涡流空气流动，为模拟大气湍流中的平流和水平非均质传递过程，模式中采用了1.5阶的湍流闭合方案组(E-ε方程)，增加局地湍流动能(E)和耗散率(ε)2个新变量到模式中。气体和颗粒物在大气中成分的传输扩散用对流平流扩散方程来计算，具体公式如下[19]：

表1 研究区域各路段机动车排放的CO源强估算Table 1 Estimated result of CO source intensity from vehicle emissions on every street in the study area mg/(s·m)

图1 (a)研究区建筑物及其编号平面图;(b)观测点分布图(序号代表观测点)Fig.1 (a) The building plan with its number of the study area;(b) Distribution of monitoring spots (number represents spot)

Qχ(x,y,z)+Sχ(x,y,z)

(1)

1.3 观测方案

利用广州市海珠区中山大学自动气象站观测数据确定风向风速等气象条件与模式模拟初始气象场基本一致的观测时间，分别为2017年10月25-27日17：00-19：00(实况主导风向分别为：86°和357°，平均风速为2.0 m/s和2.3 m/s；模拟值风向为：90°和0°，风速为：1.9 m/s和2.4 m/s)，观测数值分别代表夏冬季两种不同气象条件下污染物浓度分布。采用英国Signal Group生产的街道CO感测器ICOM对小区内的东西向2条主干道的出口区、入口区和交叉路口以及南北向主干道不同几何形态建筑物间(包括独立建筑物、上风向建筑物高于下风向和上风向建筑物低于下风向的)的街道左右两侧(见图1b)进行连续观测(设置感测器记录CO质量浓度时间间隔为3 s)，仪器测量范围为0-500 mg/m3，测量精度为100 μg/m3，量程漂移<10 %，使用实测值的时间序列平均值作为该点的CO质量浓度实况值。

2 结果与分析

模拟时长定为72 h，前24 h为模式的预热计算，后48 h的运算结果作为对比分析数据。重点研究上下班高峰期污染物的传输扩散情况。

2.1 冬季北风主导的模拟结果分析

由于建筑物分布的影响，区域内不同地点的风速存在极大的差异(见图2)。其中，722建筑物的西边，721、640和623建筑物的东边为大风区，园南路的西部地段和629的东边风速亦较大，而其它地区由于建筑物和树木的遮挡为小风区，风速差值最大4.0 m/s以上。模型中建筑物的迎风面和背风面风速都相对很小，而在最北边建筑的东北角和西北角发生了绕流效应，风速值大，存在角隅大风。南北向的园西路北边气流入口处风速较大，之后由于摩擦力作用向南递减，到716南边较为空旷的地带风速开始递增。受建筑物布局和流场等影响，CO污染物的传输扩散在不同地点有很大差异。在北风主导下，南边街道上排放污染物对区域的影响甚微，而北边蒲园路和中部园西路的污染物大部分滞留在在街道周围地带，风速大值区的污染物质量浓度相对较低。北边街道CO在建筑物迎风面前缘地带累积，为污染物高质量浓度区，其中640建筑迎风面积最大，建筑中部位置污染物质量浓度最高。中部园西路北部来流入口处即721建筑附近由于狭管效应风速较大，污染物质量浓度相对较低，向南风速逐渐减小，污染物质量浓度也逐渐增加，到635建筑附近CO质量浓度达到最大值692.5 μg/m3，增加一半有余。往南随风速开始增加，CO质量浓度值逐渐降低。

图2 冬季2 m和 20 m高度19：00风场和CO质量浓度分布图Fig.2 Horizontal flow field and distribution of CO pollutant at 2 and 20 meters height at 19:00 in winter

20 m高度由于少了部分建筑物阻挡，CO质量浓度分布有所变化。园西路中部地段由于气流引导，20 m高度仍有较高CO质量浓度，最大质量浓度达263.5 μg/m3。且由于街道西侧建筑物高度低于20 m以及719建筑的阻挡，CO污染物随气流向西扩散，在719建筑高层东南角形成CO质量浓度高值区。

为研究街道中南部高空污染物高质量浓度区形成原因，对图2中污染最重的街道(即穿过图1中观测点3)作南北向风矢量和CO质量浓度等垂直剖面(见图3)，街道中部温度相对南北部较高，而气流在温度、近表面摩擦力和上部大风的粘性力作用下在中部地段上扬，从而将底层污染物带往街道上部，往南又逐渐转为平行于地表面的北风，在街谷北部来流入口处，近地面风速有加大过程，往南逐渐减弱，在中部达到最小值，之后逐渐增加。对比机械湍能垂直分布，街道出入口均有较大的机械湍能，其中最大数值出现在20-30 m高度，近地面和街道中部均较低(图略)，说明街道中部污染物扩散效率极低，并在气流引导下往高空输送形成污染高风险区。

图3 穿过观测点3的南北向风(矢量)、温度(等值线)、CO质量浓度(填色)垂直分布Fig.3 Vertical profile of wind flow (vector), temperature (contour) and CO concentration (shaded) along south to north cross spot 3

图4 冬季CO质量浓度模拟结果与实测值对比Fig.4 Comparison of CO concentration between simulations and observational results in winter

对比观测值和模拟值(见图4)可知，除蒲园路可能受边界条件设定影响模拟效果不太理想，模式能够可以模拟出其余两条街道的CO质量浓度高低值区分布情况，且园南路东段实测值明显高于模拟值，可能也与边界条件设定有关。其余观测点CO质量浓度实测值也基本大于模拟值，可能与污染源强的估计误差有关。

2.2 夏季东风主导的模拟结果分析

夏季东风主导下，街区风场的空间分布较为复杂(见图5)。其中，北边蒲园路风速较大，西段最大值达4.1 m/s。619到623建筑南北向一排建筑物中间道路以及634到640建筑南北向建筑物间道路由于狭管效应风速较大，达3.1-3.3 m/s。建筑物背风面风速都在1.0 m/s以下。634东南角和722西北角由于绕流风速相对也较大。其中636建筑西侧路段在绕流和狭管效应双重作用下出现了风速大值区，相应位置的CO质量浓度明显较低。

街区中园西路以东区域CO质量浓度偏低(见图5a)，蒲园路与园西路交叉路口处由于气流引导，虽然风速相对639西侧较大，但却是CO高质量浓度区，也是研究区中CO质量浓度最高的地方。此外，部分CO在气流引导下进入721西北角，最大质量浓度高达805.9 μg/m3，比周围地带普遍高将近一倍以上。园西路的CO质量浓度传输扩散较为复杂，两侧无高大建筑物路段CO质量浓度较低，而且建筑物高度和上下风向建筑物的高度差也会影响街道峡谷中的CO质量浓度分布。其中634背风侧气流绕流后南北出现逆时针和顺时针环流，导致污染物在此处堆积，从而出现园西路段最高CO质量浓度737.8 μg/m3，其次为716建筑东侧(上风向建筑高于下风向建筑)路段，其余地区相对较低，以上初步说明了孤立建筑物背风面前缘的污染物扩散效率差，上风向建筑物比下风向建筑物高的街谷中污染物扩散效率相比上风向建筑物低的街谷更差，导致不同路段及其左右两侧污染物质量浓度存在较大差异。

20 m高度由于没有植物和部分建筑物的阻挡，区域东部为大风区，风速由东向西递减，在靠近园西路东侧建筑物处风速较小，风速梯度大。在气流引导下，蒲园路下风向地段由于气流上扬和污染物累积后的垂直扩散将近地面的CO传输到高空，并在东风引导下会在721建筑西北角处形成污染物高浓度区，最大质量浓度104.1 μg/m3。634和635建筑西侧在垂直气流引导下存在两个高质量浓度区(见图5b)。

图5 夏季2 m和 20 m高度19：00风场和CO质量浓度分布图Fig.5 Horizontal flow field and distribution of CO pollutant at 2 and 20 meters height at 19:00 in summer

图6 夏季模式模拟CO质量浓度结果与实测值对比Fig.6 Comparison of CO concentration between simulations and observational results in summer

模式可以模拟出中部和南部两条街道中污染物高低质量浓度区，北部街道交叉路口东段模拟值变化趋势与实测一致，但模拟的CO质量浓度最高值位置与实测值不一致，可能与观测时段蒲园路最西端的餐厅(观测点4)车流汇入较多且车速极缓(慢速行驶时或空挡运转时排放尾气中CO质量浓度相当高)有关。园南路交叉路口东段的CO实测值明显高于西段，这与行车基本集中于东段有关。

为研究园西路不同路段污染垂直扩散情况，选街道两侧独立建筑物、上风向建筑物高于下风向的以及上风向建筑物低于下风向的3种不同几何形态的建筑物类型(即图1b中观测点5、6、7)沿来流方向作垂直剖面分析。

独立建筑物背风面的风速相当低，近地面风速与建筑物上方风速相差5.0 m/s左右(见图7)。接近建筑物的周边，由于摩擦力和建筑物阻挡等作用，风速变小，风速梯度增大，而离建筑物较远的开阔地形和建筑物上空，风速增大，梯度变小。建筑物迎风面，随高度升高，风速增大，同一风速的分布倾斜向上，成爬坡形状；在背风面随高度降低风速减小，同一风速的分布倾斜向下，成滑坡形状。在建筑背风面前缘低层垂直方向上存在弱逆时针回流，除7-8 m高度处存在浅薄层次的由东向西偏东分量气流，其余高度均为偏西风分量，街道垂直方向上大部分区域东侧污染物明显高于西侧，街道两侧近地面CO质量浓度相差约250 μg/m3。同时随高度增加垂直上升风分量略有增大，从而将污染物向上输送造成高层出现污染物质量浓度高值区。污染物质量浓度垂直方向上递减率随高度减小，即在引导气流作用下垂直扩散效率随高度缓慢增加。污染物垂直方向上递减率相比其它非独立建筑的街谷为最大的，说明污染物垂直扩散效率相对最差。

上风向建筑物比下风向建筑物高的街道中气流在建筑物背风面发生滑坡效应。街谷低层垂直方向上形成弱顺时针气流回流，造成街道中东部形成CO高质量浓度区，东侧比西侧高将近100.0 μg/m3，污染物浓度垂直方向上递减率介于独立建筑物和上风向建筑低于下风向建筑的街道之间。

上风向建筑物比下风向建筑物低的街谷近地面在弱偏西气流引导下东侧CO质量浓度比西侧高约80.0 μg/m3。垂直方向上污染物浓度递减率由低层的15%左右往高层逐渐增加至超过25%。污染物垂直方向上递减率相比前两种几何形态的建筑类型间的路段为最小，即污染物垂直扩散效率相对最好。

图7 穿过观测点5、6和7的东西向流场和CO质量浓度垂直分布Fig.7 Vertical profile of wind flow and CO concentration along east to west cross spot 5, 6, 7

对比以上3种不同几何形态建筑间街道东西两侧的CO质量浓度实测差值和模拟结果差值(见图8)发现，独立建筑物和上风向建筑物低的街道东侧CO质量浓度高于西侧，模拟结果较好。但上风向建筑高的街道两侧污染物质量浓度高低的模拟结果与实测值相反，可能与学校门口停留或慢速行驶车辆有关(下风向建筑为中山大学附属中学教学楼，观测点位于校门口附近)。

3 结 论

本文通过观测和模式相结合的方法，探讨典型气象条件下受建筑等影响的街区尺度风场和污染物空间分布特征，定位气象和污染敏感区，为小区规划提供参考。

图8 不同几何形态建筑物间街道东西两侧CO质量浓度模拟结果与实测差值对比Fig.8 Differences of CO concentration between simulations and observational results on both sides of the street with different forms of buildings

1)ENVI-met模式适用于模拟街区尺度近地层污染物的时空分布特征。在不同季节气象条件下，街区在不同位置和高度由于气流绕流、狭管效应等存在着角隅大风等大风区以及小风区甚至静风区，由此形成了污染物质量浓度的低值区和高风险区。

2)当来流与小区街道平行时，入口处由于狭管效应风速较大，污染物质量浓度相对较低。污染物向下风向传输过程中随风速逐渐减小，污染物质量浓度急剧增加，在风速辐合最大处质量浓度达到最大。并且气流由于粘性力等作用在街道中部上扬，将底层污染物往高空输送，从而影响高层住户。

3)当来流与街道峡谷走向垂直时，独立建筑背风侧的街道低层在绕流作用下形成一顺时针环流和一逆时针环流，导致污染物在此处长期盘旋积聚，污染物扩散效率差。

4)来流与街道垂直时，不同几何形态建筑物间的街道垂直方向形成不同类型涡旋，从而导致街道两侧污染物质量浓度不一致。污染物高值区主要位于独立建筑物和上风向建筑低于下风向建筑间的街道背风一侧以及上风向建筑高于下风向建筑的街道中部靠背风一侧。上风向建筑低的街谷中污染物垂直扩散效率优于上风向建筑高的街谷，更优于独立建筑物的街谷。