文摘

结果提出了一系列数值研究旨在调查大气边界层结构,周围的风,和污染源的位置及其影响组合内的风场和污染物分布地区的沈阳、中国。两个模型,即开源领域操作和操作(OpenFOAM)软件包和天气的研究和预测(WRF)模型,用于本研究。那么高分辨率计算流体动力学(CFD)数值试验典型模拟大气边界条件下进行。发现大气边界层结构起到了至关重要的作用在构建集群内的污染,确定潜在的大气湍流扩散能力的表层;环境风向的变化可以显著影响污染物的分散模式,这是一个比环境风速更敏感因素;在给定的大气状态下,污染源的位置将极大地确定组合区域内污染模式。WRF-CFD数值评价是一个可靠的方法来理解复杂的组合区域内流和分散。

1。介绍

在城市环境空气污染与稠密的人口已经成为一个重要的研究问题在过去的二十年里,导致大量研究各种建筑周围的气流和分散模式配置。实地测量和实验室物理建模,如水箱或风洞实验中两种传统方法研究风力流和分散过程的建筑(1- - - - - -8]。然而,这两种方法都是昂贵的,这使得他们难以实际应用。

快速发展的计算机硬件和数值算法,计算流体力学(CFD)模型已成为常见的工具来模拟和预测流动和污染物扩散模式的组合。解决运输的CFD模拟方法包括(平流和扩散)浓度方程的基础上,从navier - stokes方程获得的速度场。CFD预后模型可以分为三大类根据各自的湍流闭合方案:Reynolds-averaged n - s(跑)的方法(9- - - - - -12),大涡模拟(LES) [13- - - - - -15),和直接数值模拟(DNS)的方法。这三种方法之间的选择是一个成本和目标之间的平衡。在这项研究中,将使用运行模型因其更高的计算效率。

此外,有几项研究数值研究了空气流和分散组合地区利用CFD模型与边界条件由中尺度模式。特瓦芮等人证明了利用WRF模式的输出作为初始和边界条件,采用CFD模型的预测能力在市区可以显著提高16]。刘等人研究了风场的耦合和交通污染物分散在街道上莱斯在当地WRF中尺度大气模型在整个城市17]。苗族等人耦合的CFD软件包WRF中尺度天气模型来研究污染物的气流和分散在一个复杂的城市北京,中国18]。

沈阳位于中国东北平原是一个重要的矿物质和中国重工业基地中心。近年来污染管理执行;然而,空气污染仍然是一个严重的问题在沈阳相比其他城市。之前的研究由苗族et al。18)做了一个调查研究和预测城市流和分散在人口密集的地区使用CFD模型OpenFOAM加上WRF中尺度模式,和一个案子在夏天不稳定大气边界条件下进行。在这项研究中,执行了一系列的敏感性数值试验研究的敏感性与内流和分散过程相关的因素组合与高分辨率的沈阳地区,如大气边界层结构、环境风的方向和速度,和污染源的位置,使用WRF-CFD耦合模型。此外,城市树冠WRF仿真参数化方案是用来更好地模拟城市的气象条件。污染控制策略的研究可以支持决策和交通规划在沈阳。

本文的其余部分组织如下。节2中尺度模式和CFD模型。节3数值实验的设置。和数值试验的结果和讨论部分中给出4,最后的结论部分5。

2。模型描述和耦合方法

2.1。中尺度模式

社区模型,WRF模式,本研究中尺度模式中使用。WRF是nonhydrostatic中尺度模式与几个动态核的选择,以及各种物理参数化的选择。在这项研究中,我们使用了高级研究WRF版本3.4,这是2012年4月发布。WRF模式被用来模拟风以及城市规模的动荡字段,是谁的水平维度从数万公里到数百公里(19]。WRF-simulated结果可用于提供CFD模型的边界条件为子域尺度模拟计算流场(18,20.),其水平维度是几公里21]。

2.2。CFD模型

CFD模型,开源领域操作和操作(OpenFOAM)软件包版本2.1.1的c++库的集合在流体力学用于解决复杂的问题。OpenFOAM完全免费的分布,并允许用户开发一些特定的解决者,可与现有集成工具。模型为进一步的信息,请参阅程序员指南提供OpenFOAM [22]。在这项研究中,我们使用了解决simpleFoam, OpenFOAM解决的标准之一。

simpleFoam解算器,这是一个稳态求解不可压缩湍流,用于解决Reynolds-averaged n - s方程与标准(跑) 湍流模型采用简单的方案(23]。简单的方案是一个迭代的方法来求解代数方程组。10的终止准则−4在这项研究中用于所有字段变量。简要介绍迭代过程的简单的方法可以在苗族et al。20.]。

步骤1。设置初始猜测场的压力和速度。

步骤2。求解动量方程来计算中间速度场。

步骤3。解决压力方程。

步骤4。正确速度的基础上,新的压力场。

第5步。更新猜领域的压力和速度。

步骤6。重复步骤2来5直到收敛。

3所示。数值实验设置

3.1。WRF仿真设置

WRF模式配置了3双向互动,嵌套网格水平网格间距为37.5,7.5,和1.5公里,和水平网格尺寸40×40,56×46,和51×51(图1(一))。最里面的域设置中心位于41.77°N, 123.41°E和覆盖大部分沈阳及其邻近地区(图1 (b))。在垂直方向上我们使用28大气埃塔的水平,从表面到50 hPa。有14个水平最低2公里内大气中更好地解决大气边界层结构。初始条件是获得从1°×1°最终操作(新兵)数据由NCEP全球分析(国家环境预报中心)每6小时,这是作为背景气象数据字段。因为典型特征(即。,boundary layer height and evolution process) of the atmospheric boundary layer structures of different seasons were different, two 42-h WRF numerical experiments (Summer-Run and Winter-Run) were designed. The details of the two WRF simulations are listed in Table1。没有明显的天气系统在中国北方两个WRF-simulated时期。

表1
运行时,域配置和物理WRF仿真中使用的选项。
(一)
(一)
(b)
(b)
图1
嵌套计算域和最内层的域的土地使用类别WRF模式模拟:(a)嵌套在WRF模式模拟计算域;(b)的土地利用类别的最内层的域WRF模式。十字架显示气象观测站的位置。

土地利用数据集基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)在这项研究中,使用20土地使用类别包括,最内层的域的土地利用分类图所示1 (b)。我们使用了Mellor-Yamada-Janjic PBL模式(24,25),能够预测TKE。其他物理选项选择快速辐射传输模型(RRTM)长波方案(26],Dudhia短波方案[27),WRF一次性(WSM)三级简单冰方案(28),Kain-Fritsch (eta)计划(29日),诺亚陆地表面计划(30.)与单层UCM(城市树冠模型)(31日,32]。第一个16小时的模拟被用作向上,和WRF输出时间间隔设置为1小时。苗族的耦合方法等。18,20.)用于夫妇WRF和OpenFOAM。可以找到OpenFOAM的验证研究苗族et al。18,20.]。

3.2。CFD仿真设置

CFD模型模拟域覆盖了东北大学的一部分,中国,位于沈阳的中心。谷歌地球图片和CFD模型域在表面水平构建配置如图2。实际的建筑和他们的不同形状简化为长方体,建筑物的平均身高是24.5米,最高和最低的建筑被81米和6米。水平网格间隔10米,水平网格尺寸是86×81。在垂直非均匀网格系统,采用50水平,垂直网格间隔是5米的30水平和网格区间的最顶层20水平10 m。最近的WRF数据从一个网格的位置CFD领域被用来提供OpenFOAM初始和边界条件。速度分量和TKE流入条件可以直接由WRF模拟,而动量扩散系数被Grisogono间接计算方案(33,34)和TKE耗散率参数化利用这两个参数: 在哪里 TKE, 是它的耗散率, 是湍流交换系数, 是一个经验常数。模拟风和动荡的领域不同的情况下,速度的初始和边界条件设定的组件和TKE(即模拟WRF不同的时刻。,1400 LST和2200 LST)。雇佣的零梯度边界条件是流出边界,包括顶部边界。建筑表面被设置为无滑动条件和墙上乱流函数是用来网格点相邻墙(35]。

(一)
(一)
(b)
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图2
谷歌地球形象和CFD计算域的水平面:(一)东北大学谷歌地球的形象;(b)的水平面CFD计算域 = 2.5 m。的红色矩形(一)表明CFD领域;P1和P2的十字架标记(b)指示点光源的位置。

三个点光源位于不同的地方是假设在地面上设置在建筑物密集的地区,持续释放在仿真期间。这两个点光源的位置如图所示2 (b)标签的跨越:一个是南方的建筑——一座的高度是81米,另一个是在建设区域的中心。每个源的排放速度是10 ppm−1,时间步长设置为1。一系列的敏感性研究已经完成,导致浓度模式稳定当积分步骤的数量达到5000,从而整合步骤的总数是对所有色散数值实验设置为7000。

4所示。结果和讨论

在本节中,这两个系列WRF-CFD耦合模型的数值试验在冬季和夏季。

4.1。仿真结果在冬天
以下4.4.1。模拟WRF冬季实验

图3(一个)显示,观察到海平面气压场0800 LST 2012年2月16日。这时,观察到的海平面气压场展出在蒙古地区的高压系统和低压系统在鄂霍次克海。沈阳位于前面的均匀压力场蒙古高循环,没有明显的天气系统。严重的空气污染通常发生在这种情况下在沈阳地区(36]。

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图3
观察到的海平面气压场0800 LST (a) 2012年2月16日和0800 LST (b) 2012年8月13日。

测量的气象观测站(图171 (b))位于沈阳地区被用来检查WRF模式的准确性。图4显示的昼夜变化观察和展览WRF-simulated平均温度和十米级速度。观测和模拟的平均值是17站或相应的网格。指出它是观察到的温度高于模拟一个在冬季供暖季节的沈阳地区(图7(一))。这种差异可能欠在WRF人为热的低估。作为早期的研究指出,人为热对表面空气温度影响较大的冬天比夏天37]。尽管这一缺陷,昼夜温度循环被WRF模式复制好了。风速模拟的准确性比温度较低;模拟风速高于观察。这是一个一般的趋势模型高估了风速发现在许多早期的研究(38- - - - - -40]。参数化的一种新方法解决地形的影响施加表面发行量已经实现WRFv3.4.1 +,纠正高风速偏差(40]。此外,大的人为热冬天也可能导致模拟和观测风速之间的区别。

(一)
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图4
时间序列的观察和WRF-simulated结果:展览(a, c)温度;(b, d)十米级风速;2012年2月16日(a, b)模拟;2012年8月13日(c, d)模拟。观察是17个气象站的平均值在沈阳,在模拟值在网格的平均最近的车站。

图5展览展出的十米级风矢量场和温度场的最内层的WRF域2012年2月16日。在研究期间,西北风主导沈阳地区,风也变得较弱时,地面温度变得更高。此外,我们发现,沈阳的城市地区的风速低于郊区地区,这是在1000 LST和1400 LST尤为明显。在2200 LST,风在东南部城市转向西方。

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图5
展览的十米级风矢量场和温度场的沈阳2012年2月16日:(a) 0200 LST;0600 LST (b);(c) 1000 LST;1400 LST (d);1800 LST (e);2200 LST (f)。CFD模型域的位置由广场,表示,沈阳城市的面积是由黑色实线表示。

温度分层和边界层高度是两个重要的气象因素与污染物扩散过程。温度分层影响垂直分散空气污染物的大气边界层和低级反演困湿度和污染物影响区域空气质量是一个关键因素。边界层高度决定了空气的体积可以用来稀释污染物。WRF-simulated潜在的温度曲线和height-time部分潜在的温度在最近的网格单元的位置在WRF CFD领域在图6。MYJ方案决定了PBL高度使用TKE概要文件。由于TKE最大在PBL MYJ定义的顶部PBL TKE的高度降低到规定的低价值(41),导致不可靠的结果在冬天的夜晚。相反,边界层高度的昼夜变化计算使用-theta-increase方法如图1.56。1.5 -theta-increase方法定义了PBL高度的水平可能温度首次超过最低潜在温度边界层内1.5 K (42,43]。弱者在0400 LST反演可以看到,和表层开始变成混合层在0800 LST;在2000 LST反演成立了,因为冷却的表面(图6(一))。就像图中所示6 (e)我们可以清楚地看到,在大约1700 LST反演成立并持续了整个晚上。此外,边界层高度(混合层高度)的时间反演存在低于任何其他的时间(图6 (c)),这是不利于污染物的垂直扩散释放。

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图6
的模拟边界层结构WRF: (a, b)潜在的温度曲线;(c, d)边界层高度的日变化;(e, f) height-time部分潜在的温度;(a, c, e)模拟2012年2月16日;(b, d, f)模拟2012年8月13日。
(一)
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图7
模拟浓度(ppm)和风力向量场在1400 LST: 2月16日(a, b) = 2.5;(c, d) = 22.5;(a, c)点源位于P1;(b, d)点源位于P2。
4.1.2。在冬天的CFD模拟实验

根据WRF仿真结果的分析,两个CFD数值试验与不同大气边界条件(不稳定和稳定)被设置在不同的时刻,即1400 LST和2200 LST。1400 LST,一个不稳定的混合层是充分发展,达成最高的边界层高度(约1.8公里)的冬季模拟时期,这个不稳定的边界结构有利于污染物的垂直混合过程。相反,一个典型的稳定夜间边界层成立2200 LST,边界层高度较低(约300米)。

图7表现出模拟浓度(ppm)和风力向量场有两个高度在2月16日1400 LST。这时,WRF模式的环境风向是西北,速度是3.5年代−1无论是在 = 2.5米, = 22.5 m。在 = 2.5 m,风矢量在建筑完全不同于自由风矢量边界地区的影响下的建筑。尤其明显的累积的南部地区,在建筑物的分布密度比其他领域。当气流通过建筑——一座,两个背风面建立了漩涡;强大的一个是李南部一侧建筑——和其他弱者的。和风速的边缘建筑——最快的积聚区。自建筑分布稀疏的在22.5米的高度,风场有更强和更简单。两个漩涡仍然存在建筑——李的一面。除此之外,在22.5米的高度,大部分风矢量建筑物内环境风向。

在 = 2.5米,位于P1点光源时,由于涡的背风面建筑——一座,污染物烟羽浓度高于5 ppm作为ellipse-pattern扩展,和大部分的污染物分散向东南方(图7(一))。点源P2是位于一个更开放的区域,因此,污染物浓度高只在源的东南部由于建筑物的块效应(图7 (b))。类似于风矢量场,浓度场 = 22.5 m比低水平的简单;大部分的污染物被环境风向运输。

在2200 LST,典型的夜间稳定层表面附近形成(图6 (e)),它可以抑制污染物的扩散过程。尽管2200 LST的环境风速高于1400 LST,污染会更加严重的2200 LST在同一点光源。例如,在P1点源实验,污染区域的浓度高于0.1 ppm是较小的晚上(数字8(一个)和8 (c)),这反映出,扩散能力较弱的那一刻,和更多的污染物被困在涡建筑——背风的一面。

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图8
模拟浓度(ppm)和风力向量场在2200 LST: 2月16日(a, b) = 2.5;(c, d) = 22.5;(a, c)点源位于P1;(b, d)点源位于P2。

P2点源的实验中,随着风速的增加,污染羽流的形状改变了一点,在2.5米的高度有更多的污染物运输沿着通道形成的建筑位于北部的P2。与P1,背风一侧建筑,P2点源成立于一个更开放的区域,P2的污染是由对流过程而非湍流扩散过程。因此,比较白天不稳定的情况下,随着风速的增加,污染物的对流加强,然后晚上污染是放松一点(数字8 (b)和8 (d))。

简而言之,发现建筑可能显著改变流量和浓度场。点光源的位置有显著影响浓度的模式。比较流和分散模式在两个时刻,发现对流和湍流扩散的两个重要的过程来确定污染严重的水平。在夜间大气边界层结构稳定,虽然环境风速增加,建筑物内的污染可能会更严重,因为弱湍流扩散。

4.2。仿真结果在夏天
4.2.1。准备WRF夏天的模拟实验

图3 (b)显示,观察到海平面气压场在2012年8月0800 LST 13。类似于冬天的情况下,沈阳地区控制的高压系统弱天气系统。

数据4 (c)和4 (d)展览展出的昼夜变化观察和模拟温度和十米级风速、检查WRF输出。模拟温度有点低于观察一晚上,白天的温度是模拟。尽管模拟风速略高,风速的日变化模拟。总的来说,仿真结果在夏天比冬天。

展览的十米级风矢量场和温度场的最内层的WRF域2012年2月16日被显示在图9。0200 LST,风是东北的主要方向,而风转向北0600 LST。风速增加,地表被太阳加热。指出,在1800 LST,组合的区域内的风向沈阳郊区地区不同;风的组合是西北地区,而风在北部郊区地区。在2200 LST风转向北在仿真区域。我们也可以很明显发现沈阳的城市热岛效应在0200 LST, 1800 LST,和2200 LST;全身的温度在人口密集的地方明显高于郊区地区。

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图9
展览的十米级风矢量场和温度场的沈阳2012年8月13日:(a) 0200 LST;0600 LST (b);(c) 1000 LST;1400 LST (d);1800 LST (e);2200 LST (f)。CFD模型域的位置由广场,表示,沈阳城市的面积是由黑色实线表示。

潜在的温度曲线,height-time部分潜在的温度曲线和时间序列的边界层高度模拟WRF有图6。0400 LST形成的地基反演,反演的强度低于500米的高度是2.3 K每100米的高度,这是比冬天的反转发生在同一时间;和逆温层的深度也比冬天的厚(数字6(一)和6 (b))。0800 LST,因为地面是温暖的阳光,一层混合层生成地面附近,逆温层脱离地面的高度250米。0800 LST后,低层逆温层逐渐消失;1200 LST,低层大气混合层形成的从地面到700米的高度(图6 (b))。下午,混合层扩展(图1.5公里的高度6 (d)),有利于污染物的垂直稀释。晚上,地面被夜间辐射冷却,导致反演的生成稳定层附近的地面。比较冬季夜间稳定层的情况下,夏季实验的边界层高度从0000 LST低到0600 LST因为风平静的环境背景(数据6 (c)和6 (d))。

4.2.2。在夏天的CFD模拟实验

类似于冬季CFD数值实验,两个实验在不同的大气边界层结构设计1400 LST(不稳定的情况下)和2200 LST(稳定)。

图10说明了模拟浓度(ppm)和风力向量场在不同高度在1400 LST 8月13日,当环境风向北。指出两个逆时针漩涡形成的建筑——一座后面,这是一个典型的double-eddy循环报道猎人et al。44和Zhang et al。45]。比较风矢量场 = 2.5米,22.5米的风矢量场是简单得多,和北流是在大多数的地区占主导地位。

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图10
模拟浓度(ppm)和风力向量场在1400年8月13日的LST: (a, b) = 2.5;(c, d) = 22.5;(a, c)点源位于P1;(b, d)点源位于P2。

在较低的水平,污染物浓度的分布与流型是一致的。当点源位于P1和P2,污染物的运输和被困在建筑——背后的两个漩涡的发行量。

比较点源P1和P2的浓度场在两个山庄,有意思的是发现红色矩形图内的浓度10在22.5米的高度高于低水平(2.5米高)。这种现象可以解释为风场在不同的高度。在2.5米的高度,因为红色矩形区域周围的建筑,在风场脱离环境边界风,被东风占主导地位;因此从北方P1和P2点源污染物释放不能直接运送到这个地区。相反,在22.5米的高度,红色矩形区域主导的北风;因此,污染物很容易运输。

2200 LST,南环境风吹时,提出了一种完全不同的流型(图在人口密集的地方11)比1400 LST。强辐散区可以找到在南方的建筑——一座的高度2.5米,红色虚线矩形如图所示11。当气流从南方吹来的时候,一个典型的升压缺口是由建筑——一座(81)和大楼b(24米);垂直风场呈现在图12,韩国进口高风被建筑(建筑——一座)和下迎风墙地面附近的建筑——然后分化。

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图11
模拟浓度(ppm)和风力向量场在2200年8月13日的LST: (a, b) = 2.5;(c, d) = 22.5;(a, c)点源位于P1;(b, d)点源位于P2。

图12
风的垂直平面上的向量场 = 325。

在较低的层面上,周围的风场点源(P1和P2)完全重新安排周围建筑物的影响。在22.5米的高度,因为稀少的建筑分布、风场更接近周围的风。因此,风能领域的2.5米和22.5米的高度相当不同,以及污染物分布。在 = 2.5米,大部分的污染物释放P1和P2源被送往南的散度区南侧建筑——一座上形成。

在这两种情况下,发现环境风向的变化可以显著影响建筑集群内的流场和污染物分布。

5。讨论和结论

本研究调查了城市气流和分散的污染物释放模式假设的来源在沈阳东北大学,中国,通过使用一个WRF-CFD耦合模型。两个WRF数值实验(Summer-Run和Winter-Run)进行研究大气边界层结构的典型特征不同的季节。然后耦合WRF-CFD用于研究大气边界层结构,周围的风,和源位置影响组合内的风场和污染物分布的地区。发现污染物扩散模式和污染程度分散复杂的真实建筑集群和不同大气边界结构下,风环境和污染源的位置。

从这个初步的数值研究,发现大气边界层结构起到了至关重要的作用在建筑集群内的污染,确定潜在的大气湍流扩散能力的表层。例如,在夜间稳定大气边界条件,虽然环境风速增加,建筑物内的污染会更严重,因为弱湍流扩散。

环境风向的变化可以显著影响污染物的分散模式,这是一个比环境风速更敏感的因素。因此,当一个集群建筑设计,它是重要的考虑环境风向的频率。

在给定的大气状态下,污染源的位置将极大地确定组合区域内的污染模式。当污染源成立背风一侧的建筑,污染物扩散模式是由湍流扩散过程受到大气边界层结构的影响,而对流过程主要污染源时建立在一个更加开放的领域。除此之外,污染物浓度的分布是由流模式。

最后,应该注意的是,风场和建筑集群内分散模式复杂,无法从周围环境获得风。WRF-CFD数值评价可以作为一个可靠的方法来理解复杂的内流和分散组合区域。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作由中国气象局特别支持公益研究基金批准号下GYHY201106033和中国国家自然科学基金批准号41175004。