本發(fā)明涉及一種基于CFD(計算流體力學(xué))及多數(shù)據(jù)源的城市實時全局環(huán)境估計方法，融合氣象數(shù)據(jù)、污染物數(shù)據(jù)、機動車尾氣實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、城市模型的城市全局大氣環(huán)境估計方法，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會發(fā)展進步，人們對精細化，個性化的天氣數(shù)據(jù)的需求日益顯著，同時環(huán)境污染現(xiàn)象日趨嚴重，近幾年我國許多城市大面積出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，影響人們身心健康與生產(chǎn)生活。環(huán)境污染治理已經(jīng)成為國家管理的重大議題。對環(huán)境污染的研究分析首先需要得到區(qū)域內(nèi)高精度的環(huán)境污染分布數(shù)據(jù)，但由于目前氣象站點及環(huán)境監(jiān)測點數(shù)量稀少，大部分環(huán)境質(zhì)量服務(wù)軟件只能提供較大地理范圍的空氣質(zhì)量粗略信息，無法實現(xiàn)精細化個性化實時化環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)。更高分辨率的城市空氣質(zhì)量分布數(shù)據(jù)有助于市民合理規(guī)劃出行安排，避開高污染區(qū)域；培養(yǎng)人們的環(huán)保意識，積極主動的維護環(huán)境。同時，城市空氣污染濃度空間分布及時間分布數(shù)據(jù)能為市政部門進行新建筑用地規(guī)劃，重點污染源治理等行政決策提供依據(jù)。

現(xiàn)有大氣污染物擴散模型主要有高斯模型。高斯模型假定空氣流動為穩(wěn)態(tài)流動，而除了地表之外，其他方向為無邊界擴散。污染物在風(fēng)向方向上流動，而在其他方向上擴散，擴散過程服從高斯分布。高斯模型物理意義直觀易懂，便于計算。對固定點源模擬結(jié)果精度較高，且對輸入氣象數(shù)據(jù)要求較少，許多新式模型均是基于穩(wěn)態(tài)高斯煙羽擴散方程，以參數(shù)化的手段處理不同地形環(huán)境得到的。但對地表下墊面復(fù)雜環(huán)境無法良好模擬，沒有考慮干濕沉降過程，故而模型有局限性。

統(tǒng)計模型，如蒙特卡洛模型。根據(jù)微小顆粒擴散隨機游走過程，跟蹤污染物粒子軌跡得到污染物氣團總體運動特征，來模擬污染物時空分布演化過程。該模型能反應(yīng)擴散的物理本質(zhì)，不需要額外假設(shè)。但需要預(yù)知環(huán)境風(fēng)場，溫度場。

第一代大氣質(zhì)量預(yù)測模型主要為高斯模型。二十世紀(jì)八十年代后，第二代污染物擴散模型研究達到高潮，有許多模型被提出，可處理大氣化學(xué)，干濕沉降過程。如AMS系統(tǒng)，HPDM系統(tǒng)，ADMS系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)能處理很大空間尺度的污染物擴散，但時空分辨率很低。九十年代后，第三代模型逐漸發(fā)展起來，如Model-3模型，該模型基于高斯模型，并增加了污染物種類。包含排放模式系統(tǒng)SMOKE，中尺度氣象模式MM5與通用多尺度空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)CMAQ。但Models-3也只能進行中尺度以上范圍大氣質(zhì)量預(yù)測。

目前針對城市微環(huán)境的大氣質(zhì)量評估尚缺乏具體數(shù)值模式。

通過對該領(lǐng)域進行專利檢索，發(fā)現(xiàn)尚未出現(xiàn)相關(guān)專利。在東南大學(xué)楊楊俊宴、方永華申請、2016年4月20日公開、公開號為CN 105513133A、發(fā)明名稱為“一種城市風(fēng)環(huán)境數(shù)字地圖制作及顯示方法”的中國發(fā)明專利申請中，專利申請人提出了一種城市風(fēng)環(huán)境數(shù)字地圖制作及顯示方法，通過三維繪圖模塊進行城市三維空間模型建構(gòu)；將建成的城市三維空間數(shù)字模型輸入風(fēng)環(huán)境CFD計算模塊；采集地面風(fēng)環(huán)境實時數(shù)據(jù)輸入CFD計算模塊件，進行可視的城市風(fēng)環(huán)境全域模擬，利用帶GPS定位功能的風(fēng)環(huán)境實測設(shè)備現(xiàn)場測試，形成實施監(jiān)測數(shù)據(jù)；根據(jù)風(fēng)環(huán)境實施監(jiān)測數(shù)據(jù)對風(fēng)環(huán)境的整體模擬數(shù)據(jù)進行實測校核修正，形成某一時刻的城市風(fēng)環(huán)境三維數(shù)據(jù)庫；將建成的風(fēng)環(huán)境三維數(shù)據(jù)庫輸入三維可視化模塊；利用三維可視化模塊將風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)入進行可視化處理。該發(fā)明只針對風(fēng)環(huán)境進行城市微尺度的模擬監(jiān)測，而沒有提出一個針對空氣質(zhì)量及各種污染物組分分布分析的統(tǒng)一框架模式。

而其他非專利文獻如非專利文獻1則提到了利用CFD進行城市環(huán)境數(shù)值模擬。

非專利文獻1於海軍，羅坤.基于WRF-CMAQ-Fluent的城市環(huán)境數(shù)值模擬[J].能源工程，2016，(3)：41-45.

非專利文獻1通過建立建筑模型，設(shè)定污染源，區(qū)域邊界條件，利用CFD仿真研究城市風(fēng)環(huán)境，污染物環(huán)境。但該數(shù)值模擬沒有考慮降水對污染物的沉降作用，同時邊界條件由人為指定，沒有考慮現(xiàn)實城市氣象數(shù)據(jù)到邊界條件的轉(zhuǎn)化過程，同時只是孤立仿真模擬，而不能根據(jù)實測結(jié)果實時更新計算結(jié)果。

現(xiàn)有文獻及專利主要集中于對城市三維風(fēng)環(huán)境模擬，其邊界條件多為人為指定，而不能反映實際風(fēng)環(huán)境情況；或者利用環(huán)境監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行簡單的線性插值得到對環(huán)境信息的粗略估計，沒有依據(jù)大氣流體動力學(xué)方程對環(huán)境污染物進行全局多尺度估計的，同時缺乏實時性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于CFD及多數(shù)據(jù)源的城市實時全局環(huán)境估計方法，為對城市全局環(huán)境質(zhì)量進行更好的估計，給出了城市尺度環(huán)境質(zhì)量估計方案，精確性，全面性，準(zhǔn)確性，實時性均比已有方案有很大提升。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種基于CFD及多數(shù)據(jù)源的城市實時全局環(huán)境估計方法，結(jié)合城市環(huán)境監(jiān)測站點歷史數(shù)據(jù)、全球中尺度氣象預(yù)測結(jié)果、城市重點污染源數(shù)據(jù)、城市地理三維模型及機動車尾氣檢測系統(tǒng)路面實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用CFD作為計算引擎，根據(jù)氣象信息自適應(yīng)切換環(huán)境質(zhì)量模式，采用多尺度網(wǎng)格離散化城市模型，從而建立了一個針對城市全局空氣環(huán)境質(zhì)量實時估計模式。

本發(fā)明提出了一種結(jié)合全球中尺度氣象數(shù)據(jù)、當(dāng)前及歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時機動車尾氣檢測裝備所測得數(shù)據(jù)和城市地理環(huán)境三維模型，運用計算流體力學(xué)工具，對城市全局環(huán)境估計建模的方法，其中包括以下內(nèi)容。

一種基于CFD及多數(shù)據(jù)源的城市實時全局大氣環(huán)境估計方法，包括如下步驟：

第一步，提取城市三維模型數(shù)據(jù)，使用模型片段數(shù)簡化方法進行所述三維模型融合，并將地理信息映射到所述三維模型，生成具有地理信息的簡化城市三維模型；

第二步，選定城市的待求解區(qū)域，在待求解區(qū)域中，對第一步所得簡化城市三維模型進行六面體網(wǎng)格劃分，融入城市重點污染源GIS信息及城市主要街道GIS信息，然后使用多尺度網(wǎng)格劃分方法對重點污染源區(qū)域、主要街道進行細網(wǎng)格劃分，生成多尺度網(wǎng)格化城市三維模型；

第三步，使用Realizable k-ε湍流模型封閉城市大氣流場方程，加入太陽輻射方程，得到城市大氣流場控制方程；

第四步，將城市重點污染源的排放數(shù)據(jù)、機動車尾氣排放的實時數(shù)據(jù)通過匹配地理位置坐標(biāo)點方法，映射到第二步所得城市三維模型重點污染源位置及主要街道位置所在處，生成城市重點污染源排放時空分布Q_1j(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)，其中ξ₁，ξ₂，ξ₃為坐標(biāo)變量，t為時間變量；及主要街道尾氣污染物源濃度分布Q_2j(ξ₁，ξ₂，t)，融合城市環(huán)境監(jiān)測站點污染物濃度數(shù)據(jù)，采用雙線性插值生成全局污染物濃度初步估計分布Y_env，j，使用污染物輸送方程綜合上述所述三種數(shù)據(jù)源，即Q_1j(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)、Q_2j(ξ₁，ξ₂，t)和Y_env，j，得到實時污染物輸送模型；

第五步，將多數(shù)據(jù)源全國尺度風(fēng)場、污染物分布數(shù)據(jù)及ECMWF氣象數(shù)據(jù)，作為城市模型求解區(qū)域時變邊界參數(shù)，利用大氣邊界層理論得到入流面、出流面、上邊界及下墊面邊界條件；

第六步，利用計算流體力學(xué)CFD求解器在第二步所得城市三維網(wǎng)格模型上對第三步所得流場控制方程及第四步污染物輸送模型離散化，按第五步的時變邊界條件，進行城市全局流場求解，得到無氣象因素實時環(huán)境質(zhì)量分布；

第七步，結(jié)合城市氣象數(shù)據(jù)，針對不同降水氣象，包括降雪和降雨，對第六步CFD湍流模型計算所得無氣象因素實時環(huán)境質(zhì)量分布的計算結(jié)果進行對應(yīng)沉降作用處理，得到城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布；

第八步，在第七步得到當(dāng)前時刻城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布當(dāng)前時刻環(huán)境質(zhì)量分布計算結(jié)果基礎(chǔ)上，載入下一時刻氣象數(shù)據(jù)，重點污染源排放數(shù)據(jù)，機動車尾氣排放數(shù)據(jù)，進行實時循環(huán)計算，生成城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布動態(tài)估計。

所述第一步，提取城市三維模型數(shù)據(jù)，使用模型片段數(shù)簡化方法進行所述三維模型融合，并將地理信息映射到所述三維模型，生成具有地理信息的簡化城市三維模型的方法為：

(1)使用3D ripper分析谷歌地球運行時DirectX數(shù)據(jù)流，導(dǎo)出帶有地理信息的三維城市建筑模型；

(2)使用STL模型簡化技術(shù)合并步驟(1)所得三維城市建筑模型三角面，得到簡化城市建筑模型；

(3)匹配步驟(2)所得三維城市建筑模型與地理信息特征點，將地理信息映射到三維城市建筑模型，生成具有地理信息的簡化城市三維模型。

所述第二步，使用Realizable k-ε湍流模型封閉城市大氣流場方程，Do模型描述太陽輻射，得到城市大氣流場控制方程的方法為：

(1)采用Realizable k-ε湍流模型，即RKE模型對穩(wěn)態(tài)不可壓縮連續(xù)性方程進行封閉，設(shè)定Realizable k-ε模型參數(shù)：方程常數(shù)L₁，湍動能及耗散率的湍流普朗特數(shù)σ_k，σ_ε，得到湍流控制方程；

(2)使用氣象數(shù)據(jù)中太陽輻照強度數(shù)值，確定當(dāng)前入射輻射強度代入輻射傳熱方程，計算輻射對流場及溫度影響，聯(lián)合步驟(1)中湍流控制方程得到城市大氣流場控制方程組。

所述第四步中，使用污染物輸送方程綜合三種數(shù)據(jù)源，得到污染物輸送模型的步驟為：

(1)利用環(huán)保部及省市環(huán)保廳提供的國控重點企業(yè)監(jiān)測公開信息中各企業(yè)排放數(shù)據(jù)，將重點污染源模型化為點源分布，指定污染源坐標(biāo)，源強可定義污染源在模型中的位置及排放量，得到重點企業(yè)污染源的時空分布模式Q_1j(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)，其中：i為污染來源種類，此處記企業(yè)污染源為i＝1，j為污染物種類，Q_j(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)為某種污染物的源項；

(2)根據(jù)配套開發(fā)的機動車尾氣檢測系統(tǒng)所得污染物數(shù)據(jù)，使用線性插值公式對介于監(jiān)測點1，2之間的尾氣濃度進行插值，估計街道峽谷內(nèi)尾氣成分濃度值，

式中Q_2j，1為相鄰兩個機動車尾氣檢測點所得污染物濃度數(shù)據(jù)，l，l₁，l₂為插值點，監(jiān)測點1，監(jiān)測點2地理坐標(biāo)值；將街道污染物濃度匹配城市模型對應(yīng)街道，得到污染物濃度地圖，建立城市路道污染源濃度時空分布估計值，并視為線源，Q_2j(ξ₁，ξ₂，t)，并將其代入污染物輸送方程；

(3)將城市以環(huán)境監(jiān)測點為節(jié)點進行區(qū)域劃分，并利用環(huán)境監(jiān)測點提供環(huán)境數(shù)據(jù)以監(jiān)測點為頂點，對內(nèi)部區(qū)域污染物濃度值進行雙線性插值，生成覆蓋城市的污染物濃度預(yù)估值Y_env，j，以其作為輸送過程初始場，及計算過程校正場；

(4)針對主要污染物，包括PM2.5，氮氧化物，硫化物分別建立不同的組分輸送方程，具體某種組分Y_j的輸送微分方程為：

式中：ρ為流體密度，Y_j為組分j的質(zhì)量分數(shù)，U_j，i為組分j擴散速度在i方向的分量，Q_j為組分源強，vis_j為組分擴散系數(shù)項，不同組分擴散系數(shù)不同，將步驟(1)所得重點企業(yè)污染源項Q_1j(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)、步驟(2)所得城市路道污染源項Q_2j(ξ₁，ξ₂，t)、步驟(3)所得城市污染物濃度預(yù)估值Y_env，j代入上述組分輸送微分方程，通過計算實時生成污染物輸送模型。

所述第五步中，將數(shù)據(jù)源全國尺度風(fēng)場、污染物分布數(shù)據(jù)，及ECMWF氣象數(shù)據(jù)，作為城市模型求解區(qū)域時變邊界參數(shù)，利用大氣邊界層理論得到入流面、出流面、上邊界及下墊面邊界條件的步驟為：

根據(jù)大氣邊界層理論，將ECMWF數(shù)據(jù)中高度第一層的數(shù)據(jù)作為上界邊界條件；建筑物及地面設(shè)置為固壁邊界條件；流入面邊界條件：以指數(shù)分布描述入流面大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度變化情況

其中u₀為峽谷上方平行街道方向風(fēng)速，z為離地高度，z₀為街道峽谷高度，loss為邊界層內(nèi)速度損失指數(shù)，以入口大氣邊界層高度作為基準(zhǔn)高度，對應(yīng)ECMWF風(fēng)速數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)高度風(fēng)速；設(shè)置出流面相對壓力為零，通過上述設(shè)定，得到入流面、出流面、上邊界及下墊面邊界條件。

所述第七步結(jié)合城市氣象數(shù)據(jù)，針對不同氣象模式，對第六步計算結(jié)果進行沉降作用處理，得到城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布的步驟為：

實時對所得無氣象因素實時環(huán)境質(zhì)量分布計算結(jié)果結(jié)合國家氣象中心實時氣象數(shù)據(jù)，針對不同降水氣象，包括降雪、降雨，不同污染物組分對污染物組分分布施加沉降作用，得到?jīng)_洗后污染物濃度值：Y_j＝Y(jié)_0，je^-phi(Rf)，其中：Y_0，j為降水前污染物濃度值，為沖洗系數(shù)，為降水量Rf的函數(shù)，沖洗系數(shù)參數(shù)L₂，L₃為經(jīng)驗系數(shù)，與降水類型及污染物類型相關(guān)，對污染物組分空間分布Y_j隨時迭代更新，得到城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布。

本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點在于：

(1)精細性：現(xiàn)有大氣環(huán)境模式如models3模式等只針對中尺度(3km)以上環(huán)境質(zhì)量進行估計，而本發(fā)明通過對城市進行三維建模，采用CFD計算方法，可實現(xiàn)精細化環(huán)境質(zhì)量估計，空間分辨率可達50-100m。

(2)實時性：現(xiàn)有環(huán)境質(zhì)量報告系統(tǒng)受限于環(huán)境監(jiān)測站點數(shù)據(jù)更新頻率，針對街道瞬態(tài)污染濃度變化不能給出快速報告。而本發(fā)明使用配套機動車尾氣檢測系統(tǒng)能實時更新街道污染物濃度情況，從而實現(xiàn)實時全局污染物濃度估計。

(3)多組分預(yù)測全面性：東南大學(xué)楊楊俊宴、方永華申請、2016年4月20日公開、公開號為CN 105513133A、發(fā)明名稱為“一種城市風(fēng)環(huán)境數(shù)字地圖制作及顯示方法”的中國發(fā)明專利申請中提出一種城市風(fēng)環(huán)境地圖制作方法，但該發(fā)明只針對風(fēng)環(huán)境進行城市微尺度的模擬監(jiān)測，而沒有提出一個針對空氣質(zhì)量及各種污染物組分分布分析的統(tǒng)一框架模式，更沒有考慮氣象因素作用對城市空氣環(huán)境的影響。而本發(fā)明通過引入城市主要污染源數(shù)據(jù)及街道污染物濃度實時數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一多組分輸送過程，從而能得到不同污染物的全局分布。

(4)準(zhǔn)確性：現(xiàn)有城市環(huán)境質(zhì)量檢測模式如高斯煙羽模型，或者箱模型等對擴散環(huán)境，如地表下墊面、風(fēng)場等作了極大簡化，只能給出粗略結(jié)果。本發(fā)明通過對城市建模，并考慮城市風(fēng)環(huán)境湍流效應(yīng)，使用具有明確物理意義的Realizable k-ε模型處理城市風(fēng)環(huán)境；綜合城市重點污染源數(shù)據(jù)，街道實時尾氣數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)，得到城市全局實時環(huán)境質(zhì)量估計模式，在估計準(zhǔn)確度上有了很大提升。

附圖說明

圖1是基于CFD城市全局環(huán)境質(zhì)量檢測方法的流程圖；

圖2是城市3維模型圖；

圖3是合肥市重點企業(yè)廢氣監(jiān)測地理圖；

圖4是城市街道污染物濃度數(shù)據(jù)圖；

圖5是城市全局環(huán)境質(zhì)量分布圖。

具體實施方式

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明具體實施如下：

第一步驟是對城市進行三維建模。本發(fā)明首先基于谷歌地球獲取城市三維模型。

從谷歌地球中選取待求解城市區(qū)域，使用3D ripper分析谷歌地球運行時DirectX數(shù)據(jù)流，導(dǎo)出帶有地理信息的三維城市建筑模型，保存為*.3dr文件。

將3dr文件導(dǎo)入3d Max進行貼圖設(shè)置，保存為.obj文件，然后使用Deep Exploration生成sketchup模型文件，如圖2所示，該圖為結(jié)合了地理信息的城市三維模型。

在進行城市尺度流場求解中，低矮建筑物、建筑材質(zhì)、精細幾何構(gòu)型等細節(jié)數(shù)據(jù)對城市上方空氣流通情況影響很小。故為減小計算量，對非街道區(qū)域低矮建筑物進行模型同化，同化為具有平均高度的單一模型。同時使用合并操作減少模型實體面數(shù)，將建筑物簡化為具有簡單幾何構(gòu)型(長方體，正方體)的剛體，得到簡化城市建筑模型，進一步減小計算量。

匹配簡化三維城市建筑模型與地理信息特征點，將地理信息映射到三維城市建筑模型，生成具有地理信息的簡化城市三維模型。將處理后的sketchup模型文件導(dǎo)入CFD計算軟件，本發(fā)明選擇fluent作為求解器軟件。

第二步驟對模型區(qū)域進行網(wǎng)格劃分

求解區(qū)域：在fluent中設(shè)置求解區(qū)域高度，根據(jù)大氣邊界層理論，在大氣邊界層內(nèi)空氣流動受下墊面影響隨距離地面高度增加而呈指數(shù)衰減，超過該邊界層的大氣運動處于平穩(wěn)狀態(tài)。該層一般厚度在1km之內(nèi)，分為貼地層、近地層、Ekman層。人類活動，及空氣污染物也主要集中在該氣層。此處將大氣邊界層上界視為求解區(qū)域上界，從而求解區(qū)域選擇為一包括城市區(qū)域的框體。

啟動GAMBIT網(wǎng)格劃分器，對待求解區(qū)域進行體網(wǎng)格劃分，選用六面體作為網(wǎng)格元素，并檢查網(wǎng)格劃分情況：計算流體力學(xué)模型通過將連續(xù)流體方程離散化，在空間網(wǎng)格上進行數(shù)值計算。可將模型劃分為六面體、四面體、金字塔形等網(wǎng)格單元。六面體單元允許比四面體單元更大的比率，且數(shù)值耗散現(xiàn)象較小?？紤]到城市區(qū)域流動尺度大，模型具有較為簡單的幾何外形，故采用大比率六面體單元，使生成網(wǎng)格單元數(shù)量較少，減少計算代價。

多尺度網(wǎng)格：使用加密網(wǎng)絡(luò)方法，結(jié)合環(huán)保部污染源監(jiān)控中心提供的重點污染源自動監(jiān)控基本信息中企業(yè)地理信息，將其映射到城市模型中。對重點污染源及路網(wǎng)周圍區(qū)域采用細網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。

第三步驟控制方程設(shè)置

因大氣邊界層中空氣運動模式主要為湍流，故需要采用湍流模型來刻畫氣流運動過程。常見湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNG k-ε模型，Realizable k-ε模型，雷諾應(yīng)力模型，大渦模擬模型.各種模型所考慮的物理機理逐步深入，但相應(yīng)計算量也逐步上升.綜合考慮，本方法采用Realizable k-ε模型(RKE模型))對穩(wěn)態(tài)不可壓縮連續(xù)性方程進行封閉。

RKE模型湍流動能及其耗散率輸運方程為：

上述方程中，ρ為流體密度，k為湍動能，ε為耗散率，μ_t為粘性系數(shù)，Θ_k表示由于平均速度梯度引起的湍流動能；L₅是常數(shù)，σ_k，σ_ε分別是湍動能及耗散率的湍流普朗特數(shù).默認值為L₅＝1.9，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.2。

粘性系數(shù)公式為其中Λ_μ通過如下公式計算得到：

模型系數(shù)：

L₄為公式常量，η為流體粘性無量綱量，S_ij為流體旋量張量。

流體連續(xù)性方程：

式中U_i為i(i＝ξ₁，ξ₂，ξ₃)方向上流體流動速度。

湍流動量輸運方程形式為：

式中：ρ為流體密度，u_cfd，_i為i方向流體速度分量，T_cfd為流體溫度，E_cfd為總能量，k_eff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，(τ_ij)_eff為偏應(yīng)力張量，p_flu為平均壓力。

在fluent湍流模型模型參數(shù)面板選擇RKE湍流模型，輸入上述參數(shù)L₄，L₅，Λ_μ，得到湍流控制方程。

對于熱量輸送，通過環(huán)境監(jiān)測點得到當(dāng)前空氣溫度，太陽輻射數(shù)據(jù)，代入流動能量方程。RKE模型中能量方程本質(zhì)就是雷諾動量輸送方程。針對太陽輻射傳熱，有如下方程：

式中：為入射輻射強度，為輻射位置向量，為物體表面法向量，為輻射方向向量，κ為輻射表面吸收系數(shù)，n_sun為輻射折射系數(shù)，σ_s為輻射表面折射系數(shù)，T為當(dāng)?shù)販囟?，?sub>sun為輻射相位函數(shù)，Ω′_cfd為輻射空間立體角，為輻射散射方向。

從環(huán)境監(jiān)測站點獲取當(dāng)?shù)厝肷漭椛鋸姸葦?shù)據(jù)在fluent中選擇瞬態(tài)求解模式，設(shè)置輻射模型為太陽輻射模型。假設(shè)城市地表下墊面折射系數(shù)、反射系數(shù)、吸收系數(shù)為一恒定值，根據(jù)建筑熱工學(xué)建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面太陽輻射參數(shù)附表數(shù)值，可設(shè)下墊面為漫灰表面，吸收系數(shù)0.2，散射系數(shù)0。大氣折射率取為1，散射系數(shù)0。設(shè)定上述參數(shù)，聯(lián)合RKE湍流模型得到城市大氣流場控制方程組。

在fluent中擴散過程用組分輸運過程刻畫，針對污染物組分輸送，本發(fā)明結(jié)合城市主要污染源數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量檢測站點數(shù)據(jù)，及機動車尾氣檢測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)，天氣環(huán)境情況對污染物擴散過程進行方程建模。城市大氣污染物的主要來源有外界輸送、城市機動車尾氣排放、市內(nèi)工廠污染源、生活排放。

對工廠污染源建模，需要考慮污染源的地理分布、污染物種類數(shù)據(jù)，利用環(huán)保部及省市環(huán)保廳提供的國控重點企業(yè)監(jiān)測公開信息中各企業(yè)排放數(shù)據(jù)，如圖3，表1，表1是合肥市重點企業(yè)廢氣監(jiān)測數(shù)據(jù)。將其模型化為點源分布。在fluent中，編寫UDF腳本，因城市模型具有相對三維，通過指定相應(yīng)坐標(biāo)，及源強可定義污染源在模型中的位置及排放量。得到重點企業(yè)污染源的時空分布模式Q_ij(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)，其中：i為污染來源種類，此處記企業(yè)污染源為i＝1，j為污染物種類，Q_ij為某種污染物的源項。

表1

針對街道機動車尾氣污染源，本方法使用配套開發(fā)的機動車尾氣檢測系統(tǒng)所得污染物數(shù)據(jù)，使用線性插值公式對介于監(jiān)測點1，2之間的尾氣濃度進行插值，估計街道峽谷內(nèi)尾氣成分濃度值。

式中Q_2j，i為相鄰兩個機動車尾氣檢測點i＝1，2所得污染物組分j濃度數(shù)據(jù)，l，l₁，l₂為插值點，監(jiān)測點1，監(jiān)測點2地理坐標(biāo)值；將街道污染物濃度匹配城市模型對應(yīng)街道，得到污染物濃度地圖，建立城市路道污染源濃度時空分布估計值，并視為線源，Q_2j(ξ₁，ξ₂，t)，并將其代入污染物輸送方程。

將城市以環(huán)境監(jiān)測點為節(jié)點進行區(qū)域劃分，并利用環(huán)境監(jiān)測點提供環(huán)境數(shù)據(jù)以監(jiān)測點為頂點，對內(nèi)部區(qū)域污染物濃度值進行雙線性插值，生成覆蓋城市的污染物濃度預(yù)估值Y_env，j。以其作為輸送過程初始場，及計算過程校正場。

針對主要污染物如pm2.5，氮氧化物，硫化物等分別建立不同的組分輸送方程。具體某種組分Y_j的輸送微分方程為：

式中：ρ為流體密度，Y_j為組分j的質(zhì)量分數(shù)，U_j，i為組分j擴散速度在i方向的分量，Q_j為組分源強，vis_j為組分擴散系數(shù)項，不同組分擴散系數(shù)不同。將步驟3.3.1)所得重點企業(yè)污染源項Q_1j(ξ₁，ξ₂，ξ₃，t)、、步驟3.3.2)所得城市路道污染源項Q_2j(ξ₁，ξ₂，t)、步驟3.3.3)所得城市污染物濃度預(yù)估值Y_env，j代入上述組分輸送微分方程，通過計算實時生成污染物輸送模型。

第四步驟為設(shè)置求解器邊界條件時，本發(fā)明實施例采用歐洲中期天氣數(shù)值預(yù)報中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析資料，該資料是利用四維同化方法(4Var)同化了地面觀測、高空觀測、衛(wèi)星反演等資料而得到的全球天氣數(shù)據(jù)，時間分辨率為3h，空間分辨率0.25°×0.25°，高度分層60層，頂層高度為65km，每層大約1km。

設(shè)置求解區(qū)域上界邊界條件，根據(jù)大氣邊界層理論，將ECMWF數(shù)據(jù)中高度第一層的溫度、氣壓、風(fēng)速數(shù)據(jù)作為上界邊界條件。在fluent中選擇導(dǎo)入邊界數(shù)據(jù)，將上邊界數(shù)據(jù)導(dǎo)入求解器。

建筑物及地面設(shè)置為固壁邊界條件(U₁，U₂，U₃)＝0。式中U_i，i＝(1，2，3)為ξ_i(i＝1，2，3)方向上流體流動速度。

求解區(qū)域側(cè)界邊界條件，通過ECMWF數(shù)據(jù)確定求解區(qū)域風(fēng)速流入面及出流面。綜合地面氣象站點溫度數(shù)據(jù)T_g，及ECMWF給出大氣邊界層氣溫數(shù)據(jù)T_e，初步判斷大氣氣溫直減率大小T_g-T_e，及粗略風(fēng)速大小.大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度變化呈指數(shù)分布：

其中u₀為峽谷上方平行街道方向風(fēng)速，z為離地高度，z₀為街道峽谷高度，以入口大氣邊界層高度作為基準(zhǔn)高度，對應(yīng)ECMWF風(fēng)速數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)高度風(fēng)速。loss為邊界層內(nèi)速度損失指數(shù)，也稱為穩(wěn)定度參數(shù)，將大氣氣溫直減率分為不同等級，從而可得對應(yīng)穩(wěn)定度與loss值。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50009-2012”建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范”給出不同下墊面條件下loss值及大氣速度邊界層厚度的關(guān)系。

出流面邊界條件：假定出流面流動充分發(fā)展，可將其設(shè)置為相對壓力為零。

其中U₁，U₂，U₃分別為坐標(biāo)ξ₁，ξ₂，ξ₃方向上流體流動速度，k為湍動能，ε為耗散率，Sur為出流面。

第五步驟：實時計算結(jié)果施加沉降作用。降水等過程對污染物具有清洗作用。清洗的強度與降水量及降水時長有關(guān)。如果遇到降水氣象則需要對污染物組分分布施加沉降作用，得到?jīng)_洗后污染物濃度值：

Y_j＝Y(jié)_0，je^-phi(Rf)

其中：Y_0，j為降水前污染物濃度值，為沖洗系數(shù)，為降水量Rf的函數(shù)。沖洗系數(shù)參數(shù)L₂，L₃為經(jīng)驗系數(shù)，與降水類型(如降雪、降雨)及污染物類型相關(guān)。編寫UDF腳本，實時對計算結(jié)果結(jié)合國家氣象中心實時氣象數(shù)據(jù)，針對不同降水氣象(如降雪、降雨)，使用相應(yīng)沉降模型，對污染物組分空間分布Y_j隨時迭代更新，得到城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布。

第六步驟：實時更新計算結(jié)果。機動車尾氣檢測系統(tǒng)采集到實時街道污染物濃度數(shù)值，使用上文街道機動車尾氣污染源建模方法生成街道污染物線源釋放強度，采樣周期為實時。環(huán)保部及省市環(huán)保部門污染源排放數(shù)據(jù)，采樣周期24小時，使用第三步驟控制方程設(shè)置中工廠污染源建模方法，生成重點污染源排放模型。將ECMWF氣象預(yù)測數(shù)據(jù)(采樣周期為6小時)及國家氣象局氣象數(shù)據(jù)(采樣周期0.5小時)用作模型入口邊界條件數(shù)據(jù)，及區(qū)域校正場，對求解結(jié)果進行校正，同時更新邊界數(shù)據(jù)，進行下一輪計算。將上述數(shù)據(jù)代入求解器，使用Realizable k-ε模型得到城市實時全局環(huán)境質(zhì)量分布動態(tài)估計。

圖5為融合了街道尾氣污染物數(shù)據(jù)，重點污染源數(shù)據(jù)，瞬時風(fēng)向為東北向時，城市地面上方25米處pm2.5濃度的瞬時分布計算結(jié)果。

提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。