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专利号: 202410713963X
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,包括:数值模拟步骤,包括:

根据获取的目标区域及周边设定范围内的地形地物数据,生成亚城市尺度分辨率的网格化二维城市空气动力学阻抗地图,基于生成的网格化二维城市空气动力学阻抗地图,计算目标区域内在不同方向上的空气动力学阻抗,利用目标区域内在不同方向上的空气动力学阻抗,结合目标区域的气候历史数据或特定气象背景风场情景,确定城市区域内亚城市尺度风场的初边条件,通过求解区域内逐个网格上的节点通量守恒和空气动力学势的方程组,得到受复杂城市地表空气动力学阻抗影响的亚城市尺度水平风场分布,根据亚城市尺度水平风场分布结果,结合目标区域的污染排放信息情景,生成与亚城市尺度网格相匹配的大气污染物排放源强,结合生成的大气污染物排放源强和亚城市尺度水平风场分布结果,通过求解大气扩散方程,模拟得到复杂城市地表格局下的近地面亚城市尺度分辨率下的大气污染物浓度分布地图,通过得到的亚城市尺度水平风场分布结果和大气污染物浓度分布地图,识别特定地形地物和城市建筑规划布局约束下的城市通风走廊和城市污染扩散传输通道;

基于识别的通风走廊和污染传输通道,结合不同的城市建筑规划、地形地物以及污染排放信息情景,重新生成相应的空气动力学阻抗和大气污染物排放源强,并重新进入上述数值模拟步骤,以验证和对比不同规划布局对城市近地面通风廊道和污染传输通道的影响;

所述生成亚城市尺度分辨率的网格化二维城市空气动力学阻抗地图,包括:录入已经获得的地形地物数据,利用地理信息方法分别对包括地形地物数据的因子进行评价并赋予各自的通风成本函数;

通过变异系数法确定各因子的空气动力学权重系数;

将各因子的阻力面图层数据进行叠加分析,生成亚城市尺度分辨率的网格化二维城市空气动力学阻抗地图;

其中,变异系数法的表达式为:

(1);

式中,式中, 为各因子对应的通风阻力权重系数, 为各因子数据序列的标准差,为各数据序列的均值,n为各数据序列的数据量下标, 为各数据序列分别的总数据量,为用于标别不同类型数据的下标;

其中,亚城市尺度是指水平空间分辨率为10米到1000米之间,处于中尺度和微尺度之间;

所述通过求解区域内逐个网格上的节点通量守恒和空气动力学势的方程组,得到受复杂城市地表空气动力学阻抗影响的亚城市尺度水平风场分布,包括:在研究区域范围的M*N网格中,存在(M‑1)(N‑1)个独立的闭合回路,故该部分需建立(M‑1)(N‑1)个正交的方程,空气动力学势回路方程表达式为:(3);

其中 表示任一网格点 所在位置沿东西方向上的空气动力学阻抗, 表示任一网格点 所在位置沿南北方向上的空气动力学阻抗,脚标u表示沿东西方向,而v表示南北方向,I表示目标区域内任意正边相邻的两个网格点之间的风通量,AR为空气动力学阻抗, 表示研究区域的长度,表示研究区域的宽度,表示任一网格点 的横坐标;表示任一网格点 的纵坐标, 表示目标区域内沿东西方向任意正边相邻的两个网格点之间的风通量, 表示目标区域内沿南北方向任意正边相邻的两个网格点之间的风通量;

设定每个地表网格交叉点(i,j )处从各个方向经过的风通量之和为零,有方程(4)对(M‑2)(N‑2)个节点各自成立,相应的通量守恒方程的表达式为:(4);

而节点通量守恒在模拟网格区域的左边界和右边界的表达式为:

(5);

(6);

(7);

方程(5)和方程(6)各有N‑2个,对应左侧边界和右侧边界各N个节点中除去四个角点的部分;方程(7)有(M‑2)*(N‑2)个,对应所关注区域亚城市网格中所有非边且非角处的格点;

其中,为沿x方向的风通量,为沿y方向的风通量, 为沿x方向的空气动力学阻抗,为沿y方向的空气动力学阻抗;

计算任一格点处的近地面平均水平风速:

(8);

(9);

其中  为沿x方向的风通量,为沿y方向的风通量,  和 分别表示在u和v通风分量的方向上,所设定的水平空间分辨率; 表示(i,j)格点处大气内子边界层高度。

2.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,所述地形地物数据包括:目标区域及周边设定范围内影响城市近地面大气流动和扩散的地形高程、建筑轮廓与建筑高度、地表利用类型、归一化植被指数中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,所述基于生成的网格化二维城市空气动力学阻抗地图,计算目标区域内在不同方向上的空气动力学阻抗,具体表达式为:(2);

式中, 为各因子的通风成本,即通风阻力值; 为依据式(1)计算得到的各因子对应的通风阻力权重系数; m为成本因子的数量。

4.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,所述气象背景风场情景包括:目标区域及其周边设定范围内的由气象观测或者中尺度大气数值模式生成的逐时刻风速风向及其近地面水平空间分布、历史气象观测数据或者据此生成的气候统计数据中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,所述根据亚城市尺度水平风场分布结果,结合目标区域的污染排放信息情景,生成与亚城市尺度网格相匹配的大气污染物排放源强,包括:将u,v 代入扩散方程,求得区域内近地面大气污染物物理扩散的浓度空间分布,公式如下:(10);

其中 为求得的任一格点处的浓度, 和 是任一格点处的水平风速分量,和 为两个水平正交方向的扩散系数; 为垂直质量扩散系数, 为垂直对流风速;

为区域内任一格点处的大气污染物排放源强, 分别表示空间的三个维度。

6.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,所述大气污染物排放源强包括:影响当地空气质量指数和大气环境优良率的主要大气污染物或者相关的前体物质,以一次排放为主的PM2.5、PM10、SO2和以化学生成为主的二次污染物和化学性质较活泼且生命周期较短的一次排放物,及其排放源强在时间和空间维度上的分布信息。

7.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,所述污染排放信息情景的设置过程为:采集包括餐饮、交通、人居、企业、工地行业的大气污染物排放在目标区域及周边设定范围内的时空分布情况,以及跨区域大气污染物传输进入目标区域的情况。

8.根据权利要求1所述的城市近地面精细风场与污染物浓度分布快速模拟方法,其特征在于,对城市街道级排放源强和城市建筑规划进行数值敏感性实验,验证这两者对城市近地面大气流场和污染物扩散传输的影响,具体步骤如下:通过改变在模型中所设置的特定排放源的强度随位置分布和时间变化的规律,对比在修改前后模拟大气污染物浓度的时空分布差异;

通过改变在模型中所设置的城市街道级城市建筑规划,包括建筑物的外形、位置、高度、朝向以及街道的走向,并修改相应的城市地表空气动力学阻抗地图,对比在修改前后模拟城市近地面风速风向空间分布的变化。