城市街谷大气环境研究进展

北京大学学报(自然科学版),第41卷,第1期,2005年1月

Acta Scientiarum Naturalium

Universi tatis Pekinensis,Vol.41,No.1(Jan.2005)述 评R e view

1)国家重点基础研究发展规划项目 首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理 (G1999045700)基金资助

收稿日期:2003 11 07;修回日期:2004 03 04

城市街谷大气环境研究进展

1)

王宝民 柯咏东 桑建国(北京大学物理学院大气科学系,北京,100871,E mail:esd wb m@)

摘 要 机动车尾气排放不断增加以及城市通风能力降低,常导致城市街谷内的空气污染。城市

街谷大气环境主要研究方法包括外场观测、实验室物理模拟和数值计算。外场观测和物理模拟可

以考察街谷内污染物的传输扩散规律并对数值模式进行检验,另外,复杂的数值模式则可对城市

冠层内大气扩散问题进行详细模拟,数值模拟和外场观测及物理模拟相配合,可用于环境质量评

价、污染控制决策及交通规划。重点介绍了近十年内城市街谷大气环境研究的主要成果。

关键词 大气环境;城市街谷;物理模拟;数值模式

中图分类号 P 404

0 引 言

城市空气污染起初由工业和民用污染源造成,目前在一定程度上得到了缓解。随着城市经济的不断发展,大中城市的汽车保有量在逐年增加,虽然机动车燃料和发动机技术有很大改进,但城市大气环境仍然受到交通污染的困扰。主要机动车污染物包括CO 、NO x 、C H 和颗粒物。为保护居民身体健康,根据不同污染物的性质,各个国家都制定了相应的环境空气质量标准,例如我国的 环境空气质量标准 (GB3095 1996)。

城市区域人口密度较大,尤其是在居民和交通比较密集的地点,居民、行人以及机动车驾驶员暴露于危险空气中的可能性大大增加。城市特殊下垫面以及微气候特征可能影响污染物的传输扩散,从而产生局地空气污染,如在城市街谷中,可能观测到高浓度污染物[1]

。街谷是城市下垫面的重要组成部分,其动力和热力性质是构成城市局地气候的重要因素,也是居民活动中最为活跃的场所,因而城市街谷环境状态的研究成为城市规划设计、城市气候以及城市空气质量控制等领域的共同课题[2,3]。

大气扩散模式现在广泛用于街谷中污染物浓度水平的评价以及时空变化研究。早期城市街谷污染物扩散传输规律研究中,Johnson [4]、Nicholson [5]、Yamartino [6]等人均做了大量工作。本文重点介绍近几年内的主要街谷扩散模式,并对相关的街谷外场观测、物理模拟实验和理论研究成果进行总结。1 街谷特点

1 1 几何尺寸

街谷概念首先由Nicholson [5]提出,但这一概念目前已得到扩展。街谷几何形态各异,其尺146

图1 二维理想街谷中垂直剖面流场分布示意图Fig.1 Flow field on the vertical cross wi thin a regular street canyon 寸一般由组成街谷两侧建筑物的高度H 和街谷宽

度W 的比值H W (称为街谷高宽比)表示,其分类

大致为:理想街谷H W 1;宽街谷H W <0 5,深

街谷H W 2;如果考虑街谷长度L ,则L H 3称

为短街谷,L H 5称为中街谷,L H 7称为长街

谷。另外,如果街谷两侧建筑物高度大致相等则称

为对称街谷,否则称为非对称街谷。图1给出了当

来流风向垂直二维理想街谷走向时街谷中垂直剖

面上的流场分布示意图,图中U s 为街谷内的风速,

Q 为机动车污染物排放源强。

1 2 流场特征

街谷多种形态的几何形状和表面热力性质使

得街谷周围的流场、温度场和湍流场异常复杂。根

据Hunter [7]的研究,按照系统风的风向以及风速大

小,可将街谷流场及扩散问题划分为3种情况:(1)低风速,系统风速小于0 5m s -1;(2)系统风速大于1 5m s -1,风向垂直街谷走向或与其夹角大于30 ;(3)系统风速大于1 5m s -1,风

向平行街谷走向或与其夹角小于30 。

目前对二维街谷的研究较多,Oke [2]的研究结果表明,当系统风向垂直街谷时,依据街谷的几何尺寸,流场可描述为3类:(1)孤立粗糙流(H W <0 3);(2)尾流干扰流(H W >0 5);

(3)滑动流(H W 1)。其中尤以滑动流情况最为复杂,街谷中一般形成典型的涡旋,在相对较深的街谷中(H W >1 3),涡旋位置常常向上移动;当H W 2时,在上部涡旋下会出现一个反向弱涡旋;当H W 3时,还会出现第三个弱涡旋

[8]。当系统风与街谷走向成一夹角时,可观测到流场在迎风区的反射[9],这种反射可在街谷中诱发螺旋形流场。当风向平行于街谷时,

可形成狭管效应,强迫气流沿街谷流动,并使流动加速。街谷涡旋强度受系统风的影响,也受街谷中行驶机动车引起的机械湍流的影响,同时还受大气稳定度以及其他热力因素制约,如各墙面和地表加热不均等[10]。

城市街谷走向和当地盛行风成较小夹角时有利于街谷内污染物的扩散,反之不利。从街谷几何形状来说,宽街谷较深街谷更有利于污染物扩散;短街谷强于长街谷,尤其是风向大致平行街谷时,可能在长街谷下风向造成污染物累积;当上风向建筑物比下风向建筑物高度低时,有利于污染物的扩散输送,反之不利。

2 街谷扩散模式

街谷扩散模式在空气污染及其预报、交通管理、城市规划中均有很重要的应用价值。虽然并没有很清晰的模式划分原则,但是根据模式采用的物理或数学理论以及计算的复杂程度,这些模式大致可分为3类:应用模式、CFD 模式和物理模拟。应用模式一般针对特殊街谷问题而设计,属于半经验模式,当用于其他地区或其他形式的街谷扩散问题时,往往需要做进一步的改进;经过外场观测或者风洞实验验证的CFD 模式可以对复杂街区的流动和扩散问题进行研究,因而C FD 模式也代表了今后的发展趋势。物理模拟如风洞和水槽实验,可以对大气扩散147 第1期王宝民等:城市街谷大气环境研究进展