河谷地形对城市尺度污染扩散的定量化机制研究：以兰州盆地为例

为解决复杂地形如何影响城市空气污染扩散这一科学问题，研究人员采用WRF-CALPUFF模型系统，通过地形敏感性实验定量揭示了河谷地形对NO2等污染物的动态-热力学耦合作用机制。研究发现地形通过热力滞止（VHD>1.4 MJ/m2）和气流阻塞形成再循环区，使城区NO2浓度平均增加30%，为复杂地形城市空气质量治理提供了理论依据。

　　

在中国西北的兰州盆地，冬季持续的NO₂污染成为环境治理的顽疾。这座被南北山脉夹峙的河谷城市，2023年以58 μg/m³的NO₂年均浓度成为全国唯一超标的地级市。尽管全国空气质量整体改善，兰州特殊的地形——最窄处仅1.8公里的河谷构造，像天然的"污染陷阱"般阻碍污染物扩散。以往研究多关注污染特征或单一气象因素，但对地形如何通过动态-热力学耦合作用调控污染扩散仍缺乏系统认知。

为破解这一难题，兰州大学（根据CRediT署名推测）的研究团队选取典型污染案例，创新性地采用WRF(Weather Research and Forecasting)-CALPUFF耦合模型系统，通过设计真实地形与虚拟平坦地形的对比实验，首次量化了地形对污染浓度的贡献率，并揭示了其物理机制。研究成果发表在环境领域权威期刊《Environmental Pollution》上。

研究采用三项关键技术：1) WRF-CALPUFF高分辨率耦合建模，空间分辨率达1 km；2) 地形敏感性实验设计，通过Terr_real(真实地形)与Terr_flat(平坦地形)对比量化地形效应；3) 多参数机制分析，包括再循环因子(Recirculation factor)、河谷热赤字(VHD)等创新指标。观测数据来自兰州市12个国控站点和3部风廓线雷达。

Meteorological fields验证
模型表现出色：温度模拟相关系数达0.95，风速误差<0.5 m/s，风向误差<15°。污染浓度模拟中NO₂的NMB(标准化平均偏差)仅-3.1%，完美再现了污染事件时空特征。

Underlying mechanisms分析
动态过程：地形诱导的再循环区使城区NO₂浓度增加30%，而西北河谷因"通道效应"污染物降低15%。热力过程：VHD与NO₂呈现强相关性(R=0.77)，当VHD超过1.4 MJ/m²临界值时，大气稳定性增强导致垂直混合受抑，水平输送受阻，形成污染事件。

Conclusions结论
研究建立了"热力稳定化-流动阻塞"协同作用框架：白天山地-平原环流产生上升运动将污染物抬升，夜间冷空气沿坡面下沉形成闭合环流，配合地形阻挡形成三维污染滞留结构。这一发现不仅解释了兰州持续污染的形成机制，更创新性提出VHD可作为预测污染事件的关键指标。

该研究对山地城市规划具有重要启示：在西北河谷型城市中，需特别关注1.8-2.2 km的峡谷收缩带，这些区域因VHD积聚效应易成为污染热点。论文提出的量化方法为全球类似地形城市的空气质量管理提供了普适性研究范式。