街道峡谷几何形状与树木绿化配置对NOx-O3光化学反应和污染物扩散的影响

《Atmospheric Pollution Research》：Effects of street canyon geometry and ·tree greening configurations on NOx-O3 photochemical reactions and pollutant diffusion

　　

街道峡谷中的光化学污染对行人健康构成威胁，需要紧急关注。本研究采用计算流体力学（CFD）模拟，研究了峡谷几何形状和树木绿化对NO_x-O₃光化学反应和污染物扩散的影响。研究人员考虑了四种峡谷几何形状（规则型、深型、阶梯下降型和阶梯上升型），并纳入了实际街道树木绿化参数。采用臭氧消耗率（O₃ depletion rate）、归一化净逃逸速度（normalized net escape velocity）和达到90%稳定所需的时间来表征早晚高峰期间光化学反应进程和污染物扩散。结果表明：在规则型和阶梯上升型峡谷中，树木加剧了背风侧行人区的污染物浓度；在带树木的阶梯上升型峡谷中，反应稳定后的背风侧O₃消耗率是规则型峡谷的2.58倍；迎风侧的高反应速率主要出现在深型和阶梯下降型峡谷中，其O₃消耗率是规则型峡谷的几倍，同时伴有更长的稳定时间。基于反应稳定时间的差异，研究人员建议对规则型和阶梯上升型峡谷采取快速干预措施，因其在高峰出行时段对行人的影响范围更广；对于阶梯下降型峡谷，缓解措施应主要在高峰期内实施，但需覆盖更广的空间范围；在深型峡谷中，不良反应持续至高峰时段之后，建议针对峡谷中心采取长期管理策略，以降低行人暴露风险。

**论文解读文章**

### 研究背景与问题
城市化进程加剧了交通排放引起的街道峡谷光化学污染。机动车尾气中的氮氧化物（NO_x）和挥发性有机物（VOCs）在光照下与臭氧（O₃）发生反应，生成光化学烟雾，直接威胁行人健康。现有研究多集中于规则型峡谷（高宽比H/W≈1），而实际城市中存在深型、阶梯下降型、阶梯上升型等多种几何形态，这些形态对污染物扩散和光化学反应的影响尚不明确。此外，树木绿化虽能通过遮荫、蒸腾和干沉降改善微气候，但其对NO_x-O₃光化学反应的复合效应（气动阻力、干沉降、热效应）在非规则峡谷中缺乏系统研究。因此，研究者旨在揭示不同峡谷几何形状与树木配置对光化学反应动力学和污染物时空分布的影响，为高峰时段污染控制策略提供科学依据。该论文发表于《Atmospheric Pollution Research》。

### 主要技术方法
研究人员采用计算流体力学（CFD）模拟，基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程和标准k-ε湍流模型求解等温流场。光化学反应模型简化为NO_x-O₃体系（包括NO+O₃→NO₂+O₂、NO₂+hν→NO+O、O+O₂+M→O₃+M等关键反应）。树木绿化参数包括树冠阻力（多孔介质模型）和干沉降速率（基于叶片面积密度）。模拟场景涵盖四种峡谷几何形态（规则型H/W=1、深型H/W=2、阶梯下降型H/W=1.5/0.5、阶梯上升型H/W=0.5/1.5），并设置有无树木两种工况。分析指标包括臭氧消耗率（ODR）、归一化净逃逸速度（N_esc^*）和达到90%反应稳定所需时间（t_90%）。模拟时段为早晚高峰（交通排放强度高），采用瞬态方法捕捉反应进程。

### 研究结果
**（1）流场与污染物分布分析**
通过对比中心剖面（Y=0L）、侧面1（Y=0.2L）和侧面2（Y=0.4L）的流场，发现规则型无树峡谷中垂直入流形成中心顺时针涡旋，树木种植使主涡旋上移并增强湍流，但背风侧污染物积聚加剧。在阶梯上升型峡谷中，树木导致背风侧NO_x和O₃浓度显著上升；而在深型峡谷中，多涡旋结构阻碍污染物向上排出，迎风侧光化学反应速率升高。

**（2）光化学反应效率评价**
- **臭氧消耗率（ODR）**：带树木的阶梯上升型峡谷中，背风侧反应稳定后的ODR是规则型峡谷的2.58倍，表明树木限制了通风并延长了反应时间。深型和阶梯下降型峡谷迎风侧ODR为规则型的数倍，且反应稳定时间更长（t_90%>高峰时段）。
- **归一化净逃逸速度（N_esc^*）**：规则型和阶梯上升型峡谷中，树木降低了N_esc^*，即污染物逃逸效率下降；深型峡谷中N_esc^*最低，反映其通风最差。
- **稳定时间（t_90%）**：规则型峡谷t_90%最短（约30分钟），阶梯上升型次之（约45分钟），深型和阶梯下降型超过60分钟，表明后两者光化学反应在高峰时段后仍持续。

**（3）峰值时段污染物暴露风险评估**
结合t_90%与高峰时长，研究人员评估了行人暴露风险窗口。规则型和阶梯上升型峡谷中，污染物快速响应，需在高峰初期实施干预（如限行）；阶梯下降型峡谷需扩大空间覆盖（如街道两侧均设置绿化或空气净化设备）；深型峡谷反应持久，需长期管理（如增加峡谷中心通风设施）。

### 讨论与结论
**讨论与总结**：研究人员指出，树木绿化对光化学反应的影响呈现双重性：一方面通过干沉降去除部分污染物，另一方面通过气动阻力削弱通风，导致背风侧反应产物（O₃）积累。峡谷几何形状通过改变涡旋结构调控反应物混合速率：深型峡谷的弱混合延长了NO→NO₂转化时间，使O₃生成峰值滞后；阶梯下降型峡谷的迎风侧高湍流促进O₃产生。这些结果首次揭示了非规则峡谷中树木与光化学反应的耦合机制，为精细化污染防治提供了时间-空间维度依据。

**研究结论**：本研究采用数值模拟，探讨了不同类型街道峡谷（有无树木）对NO_x-O₃光化学反应的影响。利用ODR、N_esc^*和达到90%反应稳定所需的时间等指标，评估了四种峡谷（规则型、深型、阶梯上升型、阶梯下降型）在早晚高峰期间的通风效率和光化学反应效率。在规则型峡谷中，树木降低通风并增加背风侧光化学反应强度；深型峡谷中多涡旋结构导致迎风侧反应速率升高且持续；阶梯上升型峡谷中树木作用类似规则型但影响更显著；阶梯下降型峡谷中迎风侧反应最剧烈，需更广的治理空间。基于反应稳定时间差异，建议规则型和阶梯上升型峡谷采取快速干预，阶梯下降型峡谷注重空间覆盖，深型峡谷需长期中心治理。