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城市热岛效应与污染扩散的大涡模拟研究

作　者: 陈志会
导　师: 崔桂香
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 大涡模拟 城市热岛效应 污染扩散
分类号: X16
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着城市化的进程,越来越多的人生活在城市中,城市的规模在不断增大,城市热岛效应及大气污染等问题变得更加重要和突出。城市空气质量的研究对于改善人们的生活环境乃至全球气候都具有重要意义。随着湍流研究和计算机技术的发展,数值模拟在气象环境研究中的应用越来越广泛。本文利用大涡数值模拟方法,对北京地区的城市热岛效应及城市污染源的扩散问题进行了模拟研究。本文以高级区域预报系统(Advanced Regional Prediction System, ARPS)为基础,采用数值方法求解三维可压缩NS方程。为了更真实地模拟北京城市的大气环境,本文改进了数值模式中的下垫面模型,引入人为热源和建筑阻力参数化模型,开发了并行版的ARPS程序,并扩充了被动标量求解功能以模拟城市污染物扩散过程。对改进的模型和程序进行了算例考核,所得结果与实地监测数据符合良好。本文对影响热岛效应的主要因素进行了研究分析,通过算例分别考察了人为热源、地表反照率、植被覆盖率和建筑物的阻力等因素对城市环境的影响。本文计算结果表明,人为热源的排放和地表反照率的降低分别是夜间和白天影响城市热岛的重要因素。植被覆盖率的降低可使城区气温日较差增大。而建筑物对地表和大气之间的换热影响较复杂,需要更深入地研究。在对热岛效应主要影响因素研究的基础上,本文模拟了电厂固定源和流动源两种城市排放源的扩散过程,以考察城市热岛对污染源扩散过程的影响。根据本文计算结果,白天竖直方向对流运动旺盛情况下固定源排放的污染物比较容易到达地面,而夜间大气存在稳定层结,污染物则不易到达地面,近地面的最大落地浓度较小,而落地距离较远。对流动源的模拟算例采用单向嵌套的侧边界条件,以缩小计算域,提高网格分辨率,并采用高斯模型和数值模式耦合的方法以解决数值网格难以分辨公路上交通线源的问题。本文的计算模型虽然引入了建筑阻力的参数化模型和人为热源,但更真实准确地模拟城市复杂三维流动和热平衡及污染扩散过程,非均匀下垫面的物理模型和数值方法及其参数化仍是有待研究的重要问题。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 引言  9-18
  1.1 城市热岛效应概述  9-13
    1.1.1 问题背景  9-10
    1.1.2 研究现状  10-13
  1.2 城市污染扩散问题概述  13-16
    1.2.1 问题背景  13-15
    1.2.2 研究现状  15-16
  1.3 本文主要研究内容  16-18
第2章 数学模型与数值方法  18-46
  2.1 ARPS 模型介绍  18-35
    2.1.1 变量定义  18-19
    2.1.2 地形追随坐标系  19-20
    2.1.3 流动控制方程  20-23
    2.1.4 湍流亚格子封闭模式  23-26
    2.1.5 地表通量的参数化  26-28
    2.1.6 土壤-植被模型  28-30
    2.1.7 数值离散格式  30-33
    2.1.8 初始场  33-34
    2.1.9 单向嵌套方案  34-35
  2.2 物理模型的改进  35-43
    2.2.1 人为热  36-37
    2.2.2 反照率  37-39
    2.2.3 建筑物阻力参数化模型  39-40
    2.2.4 标量扩散模型  40-43
  2.3 并行计算方案  43-44
  2.4 程序结构  44-46
第3章 城市热岛效应  46-77
  3.1 算例计算条件  46-51
    3.1.1 计算域及网格  46-47
    3.1.2 下垫面参数  47-50
    3.1.3 初始场及边界条件  50-51
  3.2 计算结果分析  51-61
  3.3 城市热岛主要影响因素数值分析  61-75
    3.3.1 人为热  61-63
    3.3.2 地表反照率  63-67
    3.3.3 植被覆盖率  67-72
    3.3.4 建筑物  72-75
  3.4 本章小结  75-77
第4章 城市热岛对城市污染扩散的影响  77-95
  4.1 固定源  77-84
    4.1.1 计算条件  77-78
    4.1.2 固定源的选择  78
    4.1.3 计算结果与分析  78-84
  4.2 流动源  84-93
    4.2.1 计算域及网格  84-86
    4.2.2 初始场及边界条件  86
    4.2.3 交通排放源强度  86-87
    4.2.4 计算结果  87-93
  4.3 本章小结  93-95
第5章 结论与展望  95-97
参考文献  97-101
致谢  101-102
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  102

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境科学基础理论 > 环境气象学
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