城市下墊面污染物擴(kuò)散關(guān)鍵因素與模型進(jìn)展研究*

夏慧瑤，王漢青，李 旺，孟德雨

（1.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001）

下墊面即指地球的表面，包括海洋、陸地及陸上的山地、平原、森林、城市等等。下墊面的性質(zhì)和形狀，對(duì)大氣的運(yùn)動(dòng)狀況有明顯影響。隨著人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響愈大，下墊面情況也愈發(fā)復(fù)雜，最為典型的是城市下墊面，下墊面性質(zhì)發(fā)生變化，城市環(huán)境微氣候也隨之發(fā)生改變。復(fù)雜下墊面大氣擴(kuò)散如空氣污染和有毒氣體的泄露擴(kuò)散是不可忽視的潛在危險(xiǎn)，特別是城市大氣污染問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，已經(jīng)威脅到居民安全和社會(huì)安定。所以對(duì)城市下墊面大氣污染物擴(kuò)散進(jìn)行深入探討對(duì)大氣污染防治和評(píng)估都具有重要意義，是當(dāng)代學(xué)者們的研究熱點(diǎn)之一。大氣在下墊面?zhèn)鬏敂U(kuò)散受到風(fēng)、溫度層結(jié)、湍流和下墊面條件等因素的影響，而對(duì)于城市下墊面，還受控于城市建筑結(jié)構(gòu)、道路布局和人工植被等條件的影響。諸多因素會(huì)直接或間接改變污染物擴(kuò)散速率和形態(tài)，所以基于前人總結(jié)的大氣擴(kuò)散基本研究理論和方法，對(duì)這類復(fù)雜情況進(jìn)行模擬研究是當(dāng)前防治大氣污染和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的重要方法。

1 城市下墊面影響大氣污染物擴(kuò)散的關(guān)鍵因素

大氣的傳輸擴(kuò)散本身就是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，受諸多因素（如風(fēng)場(chǎng)、溫度層結(jié)和下墊面條件等）的影響。在這方面已有大量的學(xué)者進(jìn)行了研究探討，從中可知，大氣在下墊面?zhèn)鬏敂U(kuò)散受到風(fēng)、溫度層結(jié)、湍流和大氣穩(wěn)定度等因素的影響。除此之外，還需考慮人類活動(dòng)和特殊地形導(dǎo)致的影響，如人工植被、道路結(jié)構(gòu)、建筑群以及水體因素。

1.1 建筑物對(duì)大氣擴(kuò)散的影響

城市化最明顯的標(biāo)志是建筑擴(kuò)張，而建筑群的存在會(huì)直接影響地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的形態(tài)，特別是高層建筑群。Zhang等人指出上迎風(fēng)建筑物會(huì)產(chǎn)生“爬墻”效應(yīng)，使街道峽谷內(nèi)的機(jī)動(dòng)車氣體污染物聚集在靠近地表的迎風(fēng)建筑物內(nèi)，這樣大氣污染物難以擴(kuò)散，尤其是近地面迎風(fēng)建筑物會(huì)在街道峽谷中產(chǎn)生高濃度的污染物；張秋楠在對(duì)高層建筑群對(duì)大氣污染物擴(kuò)散影響的模擬研究中指出，建筑群周圍產(chǎn)生的局部湍流區(qū)會(huì)明顯控制著污染物的擴(kuò)散，這些地方會(huì)出現(xiàn)污染物濃度累積情況；Y. Zhang 等人在對(duì)典型高層建筑模型的污染物擴(kuò)散研究中發(fā)現(xiàn)，迎風(fēng)和背風(fēng)排放的污染物遷移路徑不同，指出建筑物模型周圍的空氣污染物擴(kuò)散主要受風(fēng)與建筑結(jié)構(gòu)相互作用的影響。學(xué)者們的研究結(jié)果均表明，周圍建筑物的布置會(huì)直接影響到該地區(qū)的氣流場(chǎng)和城市邊界層的形成，進(jìn)而對(duì)污染物的擴(kuò)散有明顯的影響。所以對(duì)于占地面積較大的建筑群的規(guī)劃設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮到建筑的結(jié)構(gòu)和高度對(duì)污染物累積量的影響。

1.2 街道結(jié)構(gòu)對(duì)大氣擴(kuò)散的影響

城市街道是城市居民重要的活動(dòng)場(chǎng)所，作為相對(duì)封閉的活動(dòng)空間，街道區(qū)域可以說(shuō)是通過(guò)切割周圍稠密的建筑群而形成的人造峽谷。由于建筑群的存在直接影響了風(fēng)場(chǎng)的形態(tài)，街道峽谷會(huì)加快風(fēng)的流動(dòng)速度，造成空氣中的污染物集中于近地面的空間，從而使街道行人和臨街建筑的居民受到空氣污染的威脅。因此，評(píng)估出街道峽谷對(duì)大氣擴(kuò)散的影響規(guī)律能有效改善街道峽谷的空氣質(zhì)量，對(duì)城市居民的健康十分重要。在街道規(guī)劃時(shí)可以通過(guò)設(shè)計(jì)街道峽谷結(jié)構(gòu)來(lái)改變風(fēng)場(chǎng)流向，避免出現(xiàn)不利于污染物擴(kuò)散的風(fēng)口。有些學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了相關(guān)模擬研究，得到了類似的結(jié)果，風(fēng)和街道峽谷角度的變化會(huì)影響污染物堆積量；街道形狀走向的不同會(huì)導(dǎo)致峽谷內(nèi)部渦旋形態(tài)不同，進(jìn)而影響污染物的擴(kuò)散特性，這些研究結(jié)果為城市街道的合理布局和規(guī)劃提供了理論依據(jù)參考。

1.3 綠化帶對(duì)大氣擴(kuò)散的影響

綠化帶是城市道路交通和景觀的重要組成部分，不同的綠化帶布局和植被的種類高度對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散都具有一定的影響。Huang 等人通過(guò)研究植樹(shù)方式和樹(shù)干高度對(duì)街道峽谷內(nèi)氣流和污染物擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)不同的植樹(shù)模式會(huì)影響到大氣污染物分布和擴(kuò)散情況；劉蓬博等利用二維數(shù)值模擬研究了低矮灌木、高大喬木兩種綠化帶植被種類及不同綠化帶布局模式對(duì)街道峽谷大氣污染物擴(kuò)散的影響；Yang 等人結(jié)合城市公園實(shí)地調(diào)查，指出林木設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)不利于污染物擴(kuò)散；張?chǎng)卧谘芯砍鞘械缆肪G地大氣PM2.5 濃度變化規(guī)律及影響因素中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向垂直和平行于道路時(shí)，大氣中PM2.5 在喬木、綠籬、喬木+綠籬和無(wú)植被這四種情況下的濃度表現(xiàn)不同。大量研究結(jié)果表明，綠化帶的種類、高度和布局方式都是通過(guò)影響風(fēng)速風(fēng)向來(lái)改變風(fēng)場(chǎng)，進(jìn)而影響到大氣污染物的擴(kuò)散。植被越高，污染物總體濃度會(huì)逐漸增大，不易擴(kuò)散出街谷，而且樹(shù)冠產(chǎn)生的旋渦效應(yīng)會(huì)使迎風(fēng)面和背風(fēng)面的污染物濃度存在明顯差異，這也是綠化帶要定期修剪的原因之一。所以在城市規(guī)劃中，從良好的空氣環(huán)境角度出發(fā)，應(yīng)科學(xué)地采用適當(dāng)高度的綠化帶植被和綠化帶布局，否則樹(shù)木反而會(huì)對(duì)城市空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.4 水體對(duì)大氣擴(kuò)散的影響

水體也是城市規(guī)劃中的典型要素，是城市下墊面中不可或缺的覆蓋類型之一?，F(xiàn)在城市化建設(shè)引發(fā)的城市熱島效應(yīng)使得大氣混合層高度增加，地表粗糙度增加，繼而水平風(fēng)速減小，導(dǎo)致大氣的水平運(yùn)動(dòng)能力減弱。水體的存在對(duì)大氣混合層厚度和擴(kuò)散參數(shù)的季節(jié)變化都有明顯影響。在城市建設(shè)中，水體面積占有率的增加會(huì)增大日平均風(fēng)速，對(duì)周圍環(huán)境改善程度明顯，會(huì)加強(qiáng)城市空氣污染物輸送擴(kuò)散的能力。且在分散型水體布局和集中型水體布局中，分散型水體布局對(duì)環(huán)境影響力更大。對(duì)于近海城市，水體主要影響海面附近大氣污染濃度高的區(qū)域，使得污染物濃度在該區(qū)域會(huì)迅速衰減。

綜上可知，影響大氣擴(kuò)散的因素主要包括氣象因素和復(fù)雜性因素，本文中復(fù)雜性因素主要考慮到城市下墊面的典型特點(diǎn)，包括綠化帶、建筑物、街道結(jié)構(gòu)和水體四個(gè)因素，相關(guān)研究也集中在這幾個(gè)方面。但各種因素對(duì)大氣擴(kuò)散的影響并不是單一的，而是耦合作用過(guò)程。并且從學(xué)者們的結(jié)果分析中可知，影響因素考慮不周全會(huì)使研究過(guò)程中邊界條件數(shù)據(jù)不充足，直接導(dǎo)致研究結(jié)果和實(shí)際不符的情況，此外不同因素影響力的大小還有待進(jìn)一步研究。

2 大氣污染物擴(kuò)散的基本研究方法

到目前為止，國(guó)內(nèi)外己經(jīng)開(kāi)展了很多大氣污染擴(kuò)散的研究，并取得了大量成果，這對(duì)研究城市下墊面大氣污染物擴(kuò)散提供了很多借鑒方法。一般來(lái)說(shuō)，描述下墊面大氣污染物擴(kuò)散的數(shù)學(xué)理論主要包括歐拉法和拉格朗日法，現(xiàn)有的基本研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模型模擬三種。

2.1 基本數(shù)學(xué)理論

在現(xiàn)實(shí)情況中，由于大氣的流動(dòng)性，大氣污染物總能從源地被輸送到其他環(huán)境系統(tǒng)中，但不同的環(huán)境中影響因素不同，氣體本身的傳輸擴(kuò)散能力也會(huì)隨時(shí)空變化而不同，導(dǎo)致大氣污染物擴(kuò)散情況復(fù)雜。當(dāng)大氣污染物產(chǎn)生后沒(méi)有及時(shí)被空氣稀釋到對(duì)人類無(wú)害的濃度，進(jìn)而危害到人類的舒適、健康或環(huán)境的現(xiàn)象即空氣污染?？諝馕廴局饕^(guò)程由污染源排放、大氣傳播擴(kuò)散和人與物受害這三個(gè)環(huán)節(jié)所構(gòu)成。在對(duì)于第二個(gè)環(huán)節(jié)——大氣傳播擴(kuò)散過(guò)程中，大多是研究污染物粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

歐拉法和拉格朗日法是現(xiàn)有的描述下墊面大氣擴(kuò)散的基本數(shù)學(xué)理論方法，當(dāng)前多數(shù)大氣污染物擴(kuò)散的研究分析均建立在這兩種基本理論之上而發(fā)展。兩種方法各有特點(diǎn)，歐拉法是通過(guò)解雷諾方程可以預(yù)測(cè)污染物濃度分布，但求出的解是近似值，準(zhǔn)確性較差；拉格朗日法通過(guò)描述污染物粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)統(tǒng)計(jì)分析得出大氣中污染物的分布狀況，但該法假定空氣質(zhì)點(diǎn)在輸送過(guò)程中不與外界環(huán)境發(fā)生交換，主要考慮化學(xué)和擴(kuò)散過(guò)程，這樣在復(fù)雜地形和對(duì)流條件下，粒子的運(yùn)行軌跡很難描述，適用性較差。所以在具體研究大氣擴(kuò)散時(shí)，往往需要將兩種方法結(jié)合使用。

2.2 研究方法

大氣污染物擴(kuò)散的基本研究方法主要包括外場(chǎng)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模型模擬。三種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

外場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)觀測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向和污染物濃度得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建或驗(yàn)證大氣污染物傳輸擴(kuò)散模式，能夠獲得實(shí)時(shí)污染物濃度數(shù)據(jù)，但這樣的監(jiān)測(cè)具有時(shí)間和地點(diǎn)上的局限性，需要時(shí)間上的積累，并且在實(shí)際測(cè)量中風(fēng)速、風(fēng)向和污染源的源強(qiáng)是持續(xù)變化的，難以準(zhǔn)確評(píng)估各因素對(duì)污染物濃度和分布的影響。

風(fēng)洞試驗(yàn)通過(guò)人為改變影響大氣污染物傳輸擴(kuò)散的因子來(lái)研究其規(guī)律，是在一種理想狀況下進(jìn)行的試驗(yàn)，該法對(duì)大氣擴(kuò)散進(jìn)一步的研究有借鑒意義，但無(wú)法準(zhǔn)確吻合實(shí)際情況；與外場(chǎng)試驗(yàn)相比，風(fēng)洞試驗(yàn)具有節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本低，可人為控制試驗(yàn)條件的優(yōu)勢(shì)。羅毅等人在大型環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行了杭鋼煙氣抬升風(fēng)洞試驗(yàn)，其結(jié)果表明，試驗(yàn)導(dǎo)出的抬升公式與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有一定的差別，這說(shuō)明對(duì)于特定的地形和氣象條件，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還不盡完善。同時(shí)，試驗(yàn)還表明利用環(huán)境風(fēng)洞研究煙羽抬升和大氣擴(kuò)散規(guī)律有著廣闊的前景和優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)值模型模擬可以通過(guò)人為輸入邊界條件，設(shè)置地形參數(shù)等一系列條件，盡量還原現(xiàn)實(shí)情況，依靠計(jì)算機(jī)得出連續(xù)動(dòng)態(tài)的流體軌跡，從而模擬污染物的擴(kuò)散過(guò)程，即數(shù)值模型模擬能量化各種影響因素對(duì)污染物濃度的影響，節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的科研成本，因此受到越來(lái)越多的青睞，但同時(shí)基于有限條件，大部分模擬研究對(duì)大氣擴(kuò)散物理過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，數(shù)值模型模擬尚有不足。進(jìn)而結(jié)合試驗(yàn)和模擬的特點(diǎn)，現(xiàn)出現(xiàn)一種新的大氣污染物擴(kuò)散研究方法——數(shù)值風(fēng)洞模型法進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)研究，該法利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段可建立復(fù)雜大氣環(huán)境邊界條件的多因素、多尺度、多模型、多相流耦合的數(shù)值風(fēng)洞數(shù)學(xué)模型?？梢?jiàn)，大氣擴(kuò)散模型是大氣污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬方法的核心，是當(dāng)前數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢(shì)，也是改進(jìn)數(shù)值模型模擬準(zhǔn)確性的重要途徑。本文主要介紹基于數(shù)學(xué)理論的數(shù)值模擬模型。

3 大氣擴(kuò)散模型

大氣擴(kuò)散模型是指通過(guò)描述污染物在大氣中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的方程或公式，定量地模擬計(jì)算污染物濃度時(shí)空分布的數(shù)學(xué)模型。目前，已經(jīng)有很多污染擴(kuò)散模式應(yīng)用于大氣環(huán)境問(wèn)題的研究中。

3.1 高斯擴(kuò)散模型和拉格朗日軌跡模型

最先發(fā)展的大氣擴(kuò)散模型主要包括高斯擴(kuò)散模型和拉格朗日軌跡模型，這兩類模型都是利用風(fēng)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)模擬近地層大氣過(guò)程，即模擬均勻混合的大氣物質(zhì)沿風(fēng)向運(yùn)動(dòng)的情況。高斯模型主要有ISC、AERMOD 和ADMS 模型，拉格朗日模型有OZIP/EKMA 和CALPUFF 模型。其中OZIP/EKMA 模型由于所模擬的物理過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)單，化學(xué)過(guò)程粗略，無(wú)法完整描述大氣運(yùn)動(dòng)狀況，應(yīng)用受到限制，已基本被淘汰。應(yīng)用較多的環(huán)境空氣質(zhì)量模型為AERMOD 和CALPUFF 這兩種。AERMOD 是穩(wěn)態(tài)煙羽模型，需要?dú)庀髤?shù)配合使用，一般可使用WRF 進(jìn)行計(jì)算；CALPUFF 是非穩(wěn)態(tài)拉格朗日煙團(tuán)模型系統(tǒng)，可以模擬三維流場(chǎng)。很多學(xué)者在這兩種模式應(yīng)用的基礎(chǔ)上做了大量的研究分析工作，比較了二者擴(kuò)散模式的異同及各自適用范圍，所得結(jié)論基本一致：AERMOD 模式可模擬預(yù)測(cè)近場(chǎng)范圍內(nèi)（小于50km）的氣象場(chǎng)，而模擬長(zhǎng)距離（大于50km）、復(fù)雜流場(chǎng)條件下或較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的大氣擴(kuò)散時(shí)，CALPUFF 模式模擬性能明顯優(yōu)于AERMOD 模式模擬性能。雖然CALPUFF 模型能模擬小尺度的大氣擴(kuò)散問(wèn)題，也能解決較復(fù)雜的地形，但它的參數(shù)化單位時(shí)間一般為1h，而現(xiàn)實(shí)中，大氣污染源多為短時(shí)釋放，而且不是所有的地形條件下都適用CALPUFF 模式，Dmitry Tartakovsky利用AERMOD 和CALPUFF 大氣擴(kuò)散模型計(jì)算了丘陵地區(qū)采石場(chǎng)的顆粒物排放濃度，在模型結(jié)果和與實(shí)測(cè)總懸浮顆粒物相互比較后，得出結(jié)論，在所研究的各種氣象和地形條件下，AERMOD 的預(yù)測(cè)比CALPUFF 的預(yù)測(cè)更符合實(shí)際情況。高斯擴(kuò)散模型和拉格朗日軌跡模型雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但運(yùn)算速度快，至今仍在常規(guī)污染物模擬方面被使用。

3.2 歐拉網(wǎng)格模型

隨著對(duì)大氣邊界層湍流特征的研究，大量的試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)證明高斯模型無(wú)法解答許多問(wèn)題，進(jìn)而推動(dòng)了歐拉網(wǎng)格模型的發(fā)展。在歐拉網(wǎng)格模型中，被選定的區(qū)域被分成許多網(wǎng)格單元，其中加入了比較復(fù)雜的氣象模式和非線性反應(yīng)機(jī)制，可模擬每個(gè)單元格大氣層中的化學(xué)變化過(guò)程、云霧過(guò)程，以及位于該網(wǎng)格周邊的其他單元格內(nèi)的大氣狀況，這包括污染源對(duì)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的影響以及所產(chǎn)生的沉降作用等。這類模型在1980－1990 年期間被廣泛應(yīng)用，這一時(shí)期一些城市尺度光化學(xué)氧化模型、區(qū)域酸沉降模型以及區(qū)域尺度光化學(xué)氧化模型得到發(fā)展研究。國(guó)內(nèi)運(yùn)用歐拉模式研發(fā)的空氣質(zhì)量模型包括城市尺度的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式如中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所HRDM，區(qū)域尺度的污染物歐拉輸送模式如中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所RAQM 以及三維時(shí)變歐拉型區(qū)域酸沉降模式RegADM 等。這方面的模型相較后來(lái)發(fā)展的耦合模型功能較少，能考慮到的大氣污染問(wèn)題較單一，污染物相互轉(zhuǎn)化擴(kuò)散的物理化學(xué)過(guò)程不全面，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以操作，應(yīng)用較少（見(jiàn)表1）。

表1 單一模型的基本信息

3.3 耦合模型

早期大氣擴(kuò)散模型的進(jìn)展，特點(diǎn)是比較單一化，準(zhǔn)確性差。這些模型根據(jù)不同的情況進(jìn)行了模擬，獲得了有意義的研究結(jié)果，但基本上只考慮了單個(gè)或者部分的影響因子，而一個(gè)完整的環(huán)境系統(tǒng)不僅受氣象因素影響，還需考慮很多因素如居民生活、園林植被、垂直風(fēng)向等。根據(jù)這些情況，要顯著提高大氣擴(kuò)散模擬的準(zhǔn)確性，需要建立大氣污染物擴(kuò)散的多尺度多模型耦合模型，它能考慮各種尺度的天氣系統(tǒng)和中、小尺度天氣過(guò)程對(duì)污染物輸送擴(kuò)散特征的影響，可以更為準(zhǔn)確地描述污染物在大氣中的擴(kuò)散情況。

耦合模型簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一種多尺度多因素綜合模型，它能夠在同一時(shí)間同一網(wǎng)格范圍內(nèi)模擬多種污染物濃度以及多種復(fù)雜大氣環(huán)境問(wèn)題，能較好地考慮到地形和大氣化學(xué)反應(yīng)等因素的影響，相較前面所提到的幾種模型，它能夠?qū)崿F(xiàn)氣象和大氣污染的雙向反饋。這方面的模型主要包括Models-3/CMAQ 模型，NAQPMS 模型，CAMx模型和WRF-chem 模型，Cheng 等人對(duì)這四種模型應(yīng)用于中國(guó)城市PM2.5 數(shù)值預(yù)報(bào)功能的使用方面進(jìn)行了概述和介紹，肯定了耦合模式準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)（見(jiàn)表2）。

表2 耦合模型的基本信息

在四種模型的具體應(yīng)用方面，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究分析。王穎利用Models3 模式系統(tǒng)地對(duì)蘭州市空氣污染進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，同時(shí)，她細(xì)致地對(duì)比了不同邊界參數(shù)化方案處理方法，具有很好的參考意義；Wang 等在用NAQPMS 和CMAQ 模擬東亞1 月份顆粒物的長(zhǎng)程輸送中，兩種模式的PM2.5 變化與中國(guó)東部和日本西部的測(cè)量結(jié)果吻合較好，同時(shí)指出由于模型的差異，包括模型域、水平分辨率、垂直層和發(fā)射，不同的模型之間存在一些偏差；Tang 等人針對(duì)131I 在區(qū)域尺度上的擴(kuò)散，提出一種基于天氣研究與預(yù)報(bào)化學(xué)（WRF-chem）全耦合在線模型的131I 擴(kuò)散軌跡模擬方法，并將WRF-chem 模型的131I 濃度與已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，表明該方法能真實(shí)地模擬區(qū)域尺度上131I 的擴(kuò)散軌跡；Zhou 對(duì)WRFchem 在華東地區(qū)空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用中也證明了該模式的良好適用性；董龍祥等人將WRF-Fluent 耦合模式應(yīng)用于城區(qū)高架源排放下大氣擴(kuò)散的模擬研究，基于城市氣象數(shù)據(jù)對(duì)該模式的模擬性能進(jìn)行驗(yàn)證，并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)示蹤物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果顯示W(wǎng)RF-Fluent 模式可以很好地描述城區(qū)內(nèi)的復(fù)雜三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及污染煙羽的動(dòng)態(tài)變化特征。

可以看出，以上所提到的模型在各種大氣物理過(guò)程和各污染物間的化學(xué)反應(yīng)及氣固兩相轉(zhuǎn)化過(guò)程方面有很大的提升，都是基于嵌套網(wǎng)格設(shè)計(jì)，可模擬多尺度的大氣擴(kuò)散問(wèn)題，但同時(shí)，這些耦合模型需要高精度的計(jì)算機(jī)模擬，所以模型不足在于計(jì)算量大，以及準(zhǔn)確的氣象場(chǎng)的獲取和求解算法的改進(jìn)，這些都需要大量的深入研究來(lái)實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，數(shù)值預(yù)報(bào)的方便性和全面性使它應(yīng)用極廣，但它的缺陷性也不可忽視。數(shù)值預(yù)報(bào)所依賴的氣象因子與污染物排放的不確定性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在不同區(qū)域可能呈現(xiàn)出預(yù)報(bào)準(zhǔn)確程度的差異，其本身基于目前計(jì)算機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀也存有一定的局限。在未來(lái)通過(guò)改進(jìn)過(guò)程模擬和計(jì)算，將會(huì)促進(jìn)對(duì)大氣擴(kuò)散過(guò)程的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于影響擴(kuò)散過(guò)程的氣象條件、地形和下墊面狀況等復(fù)雜性，到目前為止，基于現(xiàn)有的擴(kuò)散理論，還不能找到一個(gè)適用于各種條件的大氣擴(kuò)散模式來(lái)描述所有復(fù)雜條件下的大氣擴(kuò)散問(wèn)題。為使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，更好地吻合實(shí)際情況，將更多影響因子考慮到模型中，提出范圍更廣的綜合模型，是研究人員一直致力研究的方向。目前，針對(duì)復(fù)雜下墊面大氣污染物擴(kuò)散研究中，存在以下問(wèn)題：（1）目前各種模型的適用條件和范圍不明確，導(dǎo)致使用者盲目選擇模型進(jìn)行模擬分析。而在各種模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，不同的模型對(duì)不同地域、不同天氣過(guò)程以及不同污染過(guò)程的模擬情況和誤差是不同的且不可忽略。（2）研究人員在使用大氣擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，多是選擇小區(qū)域地點(diǎn)通過(guò)常規(guī)測(cè)量獲得氣象數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，存在人為和環(huán)境上的誤差。（3）大氣擴(kuò)散模型中考慮到的物理化學(xué)因素越來(lái)越多，雖然模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有明顯提高，但其本身的模擬過(guò)程與計(jì)算過(guò)程也愈發(fā)復(fù)雜，多模塊的耦合計(jì)算較難實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，有如下三點(diǎn)可以進(jìn)行進(jìn)一步的探索：（1）針對(duì)不同類型的下墊面進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，再對(duì)數(shù)據(jù)歸類分析，得出不同模型和模塊耦合的優(yōu)劣和適用條件，相當(dāng)于提供一個(gè)模型選用參考。（2）對(duì)于數(shù)據(jù)誤差的產(chǎn)生，可以在模型中的氣象模塊和地理模型建造中利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的目的，使數(shù)值模擬技術(shù)更高效精確。（3）未來(lái)模型應(yīng)在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，改進(jìn)求解算法，精簡(jiǎn)計(jì)算過(guò)程，以此推進(jìn)模型的應(yīng)用，增強(qiáng)模型普適性。