城市街区尺度数值模式的建立及其在污染物扩散中的应用

摘要

本文介绍了北京大学大气物理与大气环境研究组研发的一个用于精细模拟城市街区尺度风场、湍流场与气态物质扩散过程的数值模式-北京大学街区尺度模式(Peking University BlockScale Model,PKUBSM).该模式分为两个子模式:一个用于模拟大气运动的计算流体力学模式(CFD)和一个由于模拟扩散的欧拉扩散模式.其中CFD模块基于稳态雷诺平均(RANS)方程以及标准k -ε湍流模型的理论框架,并采用非均匀长方体网格.扩散模式在CFD计算出的风场和湍流场的基础上,求解非稳态的输运方程获得浓度场.为了检验PKUBSM在实际城区的模拟能力,运用PKUBSM模拟了实际城市下垫面的扩散过程.研究表明:PKUBSM较合理地模拟出了街区风场、湍流场和浓度场,及随着建筑物宽度的增加,建筑物迎风面回流区和建筑物背风面的尾流涡区范围增大,同时这些区域的TKE也会相应增大的特征等;在实际城区下垫面,受建筑区的影响,建筑区内的流场和湍流场分布变得十分复杂.在建筑区内部,大部分地区风速将大幅度减小,其降福可达50％～80％,湍流动能也随之减小.并且,在建筑物之间形成很多涡区,不利于污染物的扩散;建筑区域的浓度分布受排放源位置和走向影响很大.当排放源在建筑区内部时,浓度极值也急剧升高.在某些建筑物隔离区,浓度的上升幅度会更大.