城市空气污染与人类生活息息相关,随着城市化进程推进、城市人口激增和对健康生活不断的新需求,城市空气污染问题受到越来越多的关注。针对大型城市和城市群的研究已经对城市空气污染过程有一定的理解,但复杂地形作用下的城市空气污染研究仍然是当前的重要问题之一。兰州是中国西北地区重要的工业城市,主城区为黄河穿过的河谷,是典型的山地城市,在特殊山地地形作用下及不断的城市化进程中,兰州空气污染具有新的变化。气象要素影响城市环境容量和空气扩散能力,尤其山地地区气象要素在地形作用下变化剧烈,决定了一定排放源条件下的空气污染物传输和分布。本文开展兰州空气污染数值模拟前,首先对模式模拟气象要素的能力进行检验,采用耦合不同城市冠层的WRF模式模拟了兰州地区两个天气过程,对比观测站点分析不同城市冠层模式模拟结果;其次将模拟效果较好的单层城市冠层模式耦合在WRF-Chem模式中,对兰州地区空气污染过程进行了数值模拟,分析城市冠层模式对空气污染及其气象要素的影响;最后利用耦合单层城市冠层模式的WRF-Chem模式,依据兰州地区的发展趋势对兰州新区建设和城区建筑物高度变化开展了敏感性试验,分析城市化进程对兰州空气污染的影响。得到以下主要结论:(1)不同城市冠层模式对兰州地区冬季降温和夏季高温两个天气过程的气象要素均有一定的模拟能力,但城乡表现不同,乡村站点的各要素模拟能力基本一致,城区站点模拟结果则存在差异。WRF、耦合单层城市冠层模式、耦合未考虑室内外能量交换的多层城市冠层模式和耦合考虑室内外能量交换过程的多层城市冠层模式的四种模式对城区2m气温的模拟均存在日间高温和夜间低温模拟能力的不足的问题,耦合城市冠层模式后对2m气温的模拟结果有明显影响,耦合单层城市冠层模式模拟效果在两个天气过程中均为最好,其模拟结果的平均偏差、均方根误差和相关系数表现均较好,两种耦合多层城市冠层模式对气象要素模拟还存在一定不足。四种模式在10m风向的模拟上均有较好的表现,两种耦合多层城市冠层模式模拟的风速结果更接近观测结果,耦合单层城市冠层模式次之。四种模式对城市热岛的日变化均表现出一定的模拟能力,冬季降温过程中,耦合单层城市冠层模式对城市热岛效应的模拟能力较好;夏季高温过程中,WRF模式、耦合单层城市冠层模式和耦合考虑室内外能量交换的多层城市冠层模式对兰州市城市热岛效应的模拟均较好。另外,冬季降温过程中,两种耦合多层城市冠层模式模拟的夜间边界层高度偏高,从城市区域边界层平均高度上看,耦合城市冠层模式模拟的城市区域边界层平均高度较WRF模式的结果不同程度偏高,且高值中心向城市南部集中,耦合单层冠层模式偏差较小;夏季高温过程中,耦合单层城市冠层模式模拟的城市边界层高度日间偏低,夜间则偏高,但偏差不大。耦合考虑室内外交换的多层城市冠层模式模拟的城市区域边界层平均高度较WRF模式偏高,其余模式则偏低。综上,单层城市冠层模式的模拟结果偏差较小。耦合单层城市冠层的WRF模式具有较好的模拟能力。(2)基于城市冠层模式模拟兰州空气污染,采用气象要素综合模拟能力较好的单层城市冠层模式。为了对比分析,本文利用WRF-Chem模式与耦合单层城市冠层模式的WRF-Chem模式模拟了兰州地区沙尘污染过程,结果表明沙尘污染发生前,近地面风速增大,对流运动明显,湿度降低,边界层高度偏高;随着污染物浓度增高,对应近地面风速减小,对流减弱,层结稳定性加强,边界层高度降低。耦合单层城市冠层的WRF-Chem模式模拟的近地面污染物浓度偏高,持续时间偏长,污染持续阶段污染物浓度更接近观测结果,模拟的兰州城区上空逆温层结构强度会偏强且持续时间更久,逆温层以下风速总体偏低。空气污染初期,耦合单层城市冠层模式后模拟的空气污染物分布范围更广,城市上风方向出现污染物堆积,使局地空气污染加剧;空气污染中期,城市区域空气污染物浓度升高,耦合城市冠层模式后,城市区域局地环流明显,但地面附近的污染物浓度分布受局地环流的影响较小;空气污染后期,耦合城市冠层模式后,城区中心空气污染物扩散较弱,造成较长时间的空气污染。(3)为了分析城市化发展对空气污染的影响,本文开展了兰州新区城市化和城区建筑物高度扰动的敏感性实验。兰州新区大范围城市化后,新区2m气温有明显升高,每日升温时间提前,降温时间推迟;新区风速有明显减小,周边会出现―绕流‖现象;兰州新区城市化后,兰州地区出现较大的偏北风时,兰州城区的风向由偏北风转向偏东风,即兰州新区建设一定程度上影响兰州地区风场。另外,兰州新区建设会造成当地边界层高度不同程度增大。兰州新区建设后,空气污染初期会减小当地的污染物浓度,但周边空气污染物浓度增加,其覆盖范围包含了兰州城区,导致兰州城区污染加重,到空气污染中期,新区建设带来的影响效果减弱,再到空气污染后期,新区建设会造成污染物滞留新区,延长当地空气污染时间。兰州城区城市建筑物高度扰动增加,城市冠层内的气温和风速均有不同程度增加,日间边界层高度增大;另外,空气污染初期上游空气污染物向城区传输速率减慢,污染物在上风方堆积,且会向更大范围扩散;空气污染中期,空气污染物随偏北风向城区输送过程中,空气污染物会更多堆积在城市边沿位置,此时兰州城区空气污染加重;空气污染物消散阶段,城市建筑物高度增大会使空气污染物滞留在城区,延长空气污染时间。