3.2 CO 控制路径：低风速与建筑物下洗

对应 EPA 2023版用户指南第3章 CO路径完整译文。控制文件关键字、次级关键字、参数名、文件名和模型语法保留英文；法规应用应以EPA英文原文及当前模型版本为准。

3.2.3 低风速参数

AERMOD 自 18081 版本起加入 ALPHA 选项 LOW_WIND，并在 21112 和 22112 版本中更新，用于研究模型在低风速条件下可能存在的性能问题。

设置 LOW_WIND 的目的，是促进对 AERMOD 低风速表现的进一步测试和评价，以便：

  • 更好地理解若干关键变量之间的关系；
  • 评估是否可以进一步开发法规低风速选项；
  • 改善 AERMOD 在低风速条件下的模拟性能。

CO 路径中的 LOW_WIND 允许用户以自定义值覆盖七个可能影响低风速模拟表现的默认参数：

  1. 最小横风向风速标准差 SVmin，范围 0.01—1.0 m/s；
  2. 最小风速 WSmin，范围 0.01—1.0 m/s；
  3. 最大烟羽摆动因子 FRANmax，范围 0.0—1.0；
  4. 最小垂向风速标准差 SWmin，范围 0.0—3.0 m/s；
  5. 计算时间尺度 TRAN 所使用的时段 BigT，范围 0.5—48.0 h；
  6. 最小烟羽摆动因子 FRANmin，范围 0.0—1.0，且必须不大于 FRANmax；
  7. 采用替代的动量平衡方法 PBAL 确定烟羽摆动，以代替默认能量平衡方法。

若用户未通过 LOW_WIND 指定参数，模型采用以下默认值：

  • SVmin = 0.2 m/s；
  • WSmin = 0.2828 m/s，与早期版本根据 $\sqrt{2,SVmin^2}$ 得到的默认值一致；
  • FRANmax = 1.0；
  • SWmin = 0.02 m/s；
  • BigT = 24.0 h；
  • FRANmin = 0.0；
  • 不采用 PBAL，即使用默认能量平衡方法。

语法：

CO LOW_WIND SVmin [WSmin]
CO LOW_WIND SVmin WSmin [FRANmax]
CO LOW_WIND SVmin WSmin FRANmax [SWmin]
CO LOW_WIND SVmin WSmin FRANmax SWmin [BigT]
CO LOW_WIND SVmin WSmin FRANmax SWmin BigT [FRANmin]
CO LOW_WIND SVmin WSmin FRANmax SWmin BigT FRANmin [PBAL]

**类型：**可选，不可重复。

参数说明：

  • SVmin：最小 $\sigma_v$，范围 0.01—1.0 m/s；
  • WSmin：最小风速，范围 0.01—1.0 m/s；
  • FRANmax：最大烟羽摆动因子，范围 0.0—1.0；
  • SWmin：最小 $\sigma_w$，范围 0.0—3.0 m/s；
  • BigT：计算 TRAN 的时间尺度，范围 0.5—48 h；
  • FRANmin：最小烟羽摆动因子，范围 0.0—1.0，且不大于 FRANmax；
  • PBAL：次级关键字，指定以动量平衡方法代替默认能量平衡方法确定烟羽摆动。

上述六种语法形式允许用户依次覆盖一个或多个参数。每一行方括号中的参数为可选参数，但其之前的参数均必须提供。

例如，如果只想覆盖 SWmin，仍必须按照规定顺序同时输入 SVmin、WSmin 和 FRANmax。

说明： LOW_WIND 早期曾作为 BETA 功能，用于补充 LOWWIND1、LOWWIND2 和 LOWWIND3。这些旧选项后来从 AERMOD 中删除，LOW_WIND 被保留并改为 ALPHA 功能。

除 AERMOD 的 LOW_WIND 外，AERMET 气象预处理程序也包含用于低风速条件的 ADJ_U* 选项。该选项从 12345 版本起最初作为 BETA 功能，并在 16216 版本成为法规选项。

ADJ_U* 根据 Qian 和 Venkatram（2011），对低风速稳定条件下的地表摩擦速度 $U_*$ 进行调整。

在以下情形中，ADJ_U* 可以作为 AERMET 法规选项使用：

  • 使用美国国家气象局 NWS 数据；
  • 使用不包含湍流参数，即不包含 $\sigma_w$ 和/或 $\sigma_\theta$ 的场址专用数据。

当在没有湍流数据的条件下使用 ADJ_U* 时，AERMOD 可以在启用法规 DFAULT 的情况下接受这些数据。

自 AERMET 16216 版本起，对于采用 Bulk Richardson Number 方法 BULKRN 的应用，依据 Luhar 和 Raynor（2009）以及 AECOM（2010），也可以在场址专用数据不包含湍流参数时，将 $U_*$ 调整作为法规选项。

如果场址专用数据包含湍流参数，ADJ_U* 当前仍被视为非法规选项，因此受 40 CFR 第 51 部分附录 W 第 3.2 节替代模型条款约束。

AERMET 在处理时会在地表气象数据文件 .SFC 的文件头中写入标志，告知 AERMOD 数据是否采用 ADJ_U* 处理。如果 AERMOD 随后在 AERMET 生成的廓线文件 .PFL 中发现湍流数据，同时设置了 DFAULT，模型将记录错误并终止处理。

有关 AERMET 中 ADJ_U* 的更多说明，见《AERMET 用户指南》。

3.2.4 建筑物下洗选项

自 19191 版本起，AERMOD 包含两组相互独立的 ALPHA 建筑物下洗功能，分别通过以下关键字启用：

  • ORD_DWNW；
  • AWMADWNW。

这些功能属于研究级选项，旨在某些情形下细化和改善 AERMOD 的 PRIME 下洗算法。它们向用户开放用于测试和评价，使用时必须在 MODELOPT 中同时指定 ALPHA。

ORD_DWNW 相关选项由 EPA 研究与发展办公室（Office of Research and Development，ORD）开发。

AWMADWNW 相关选项由空气与废物管理协会（Air & Waste Management Association，AWMA）为改进 AERMOD 建筑物下洗处理而成立的研究小组开发。

除这些 ALPHA 下洗选项外，ORD 和 AWMA 的研究还采用了一种不同于建筑物预处理程序 BPIPPRM 的矩形建筑等效尺寸确定方法，用于处理建筑物与风向斜交的情况。

对于给定风向：

  • 替代方法采用沿风向建筑长度和实际建筑宽度作为等效长度与宽度；
  • BPIPPRM 采用最大投影长度和最大投影宽度。

替代方法通常会减小建筑物的等效占地尺度，并反映在输入 AERMOD 的建筑参数中。

ORD 已在 BPIPPRM 草案版本 19191_DRFT 中实现这一矩形建筑等效尺寸替代方法。该版本可从 EPA SCRAM 网站获取。

需要特别注意：

  • 19191_DRFT 是研究级版本，仅供模拟界测试、评价和反馈；
  • 不得用于法规应用；
  • 其修改只影响矩形建筑或矩形建筑层级生成的建筑参数；
  • 该 BPIPPRM 草案与 ORD 和 AWMA 在 AERMOD 中实现的 ALPHA 下洗选项彼此独立。

因此，各种 ALPHA 下洗选项既可以配合该 BPIPPRM 草案测试，也可以不使用该草案而独立测试。

以下分别说明 ORD_DWNW 与 AWMADWNW 的使用方法、相关次级关键字以及各选项之间的冲突与依赖关系。多数下洗选项彼此独立，可以采用多种组合；存在限制时将在相应位置说明。

3.2.4.1 ORD 建筑物下洗选项

ORD 通过风洞试验和嵌套大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）开展研究，以更好地理解：

  • 细长建筑物与风向呈夹角时的建筑参数化；
  • 建筑物空腔区和远尾流区烟羽的参数化。

ORD 研究主要关注单个矩形建筑物，具体包括：

  • 建筑物和污染源下风向若干离散距离处的烟羽参数变化；
  • 烟羽纵向和横向剖面；
  • 旋转建筑物背风侧的烟羽横向偏移；
  • BPIPPRM 中的建筑物表征方式（Heist et al.，2016）。

这些研究已提出对 BPIPPRM 建筑预处理程序以及 AERMOD 建筑物下洗算法的修改建议。

与 ORD_DWNW 相关的 ORD 功能属于研究级 ALPHA 选项，因此必须在 MODELOPT 中包含 ALPHA。

共有三个 ORD 选项，可以单独启用，也可以组合启用。详细研究背景见 Heist 等（2016）、Monbureau 等（2018）和 Perry 等（2018）。

语法：

CO ORD_DWNW ORDUEFF
CO ORD_DWNW ORDTURB
CO ORD_DWNW ORDCAV

也可以在同一 ORD_DWNW 记录中组合一个或多个次级关键字。

**类型：**可选，不可重复。

ORDUEFF

重新定义主烟羽浓度计算中从风速廓线提取风速的高度。

PRIME 当前使用烟囱高度处的风速；ORDUEFF 则使用受体高度与烟羽中心线高度之间廓线风速的平均值，使烟羽所采用的风速能够随周围环境变化而改变。

ORDUEFF 不能与 AWMADWNW 中的 AWMAUEFF 同时使用。

ORDTURB

重新定义尾流区无量纲垂向湍流强度的最大值。PRIME 当前采用 0.07；依据 Weil（1996），ORDTURB 将其降低为 0.06。

ORDCAV

重新定义烟羽横向和垂向扩散系数开始随下风距离增长的位置：从建筑物背风边缘调整到空腔区末端。

PRIME 通过一个空腔烟羽和一个再排放烟羽来模拟两个不同区域，并在两类烟羽之间按权重分配质量。两类烟羽在建筑物背风侧起始处具有相同的横向和垂向扩散尺度。

随着下风距离增加：

  • 再排放烟羽的扩散尺度继续增长；
  • 空腔烟羽在整个空腔区内保持不变。

这会使两类烟羽在近尾流边界处出现不连续，并造成地面浓度下降。ORDCAV 使两类烟羽在空腔边缘的扩散系数相等，从而消除这一不连续。

三个 ORD_DWNW 次级关键字均为可选，但如果控制文件中出现 ORD_DWNW，至少必须指定其中一个。

3.2.4.2 AWMA 建筑物下洗选项

AWMA 的研究包括重新分析既有风洞数据，并开展新的风洞试验，主要考察：

  • 建筑物顶部以上尾流的衰减；
  • 计算来流湍流和风速时适当的参考高度；
  • 流线型结构尾流效应的减弱；
  • 来流地表粗糙度对尾流的影响。

AERMOD 已实现 AWMA 开发的五项 ALPHA 建筑物下洗功能。使用时必须在 MODELOPT 中包含 ALPHA。详细研究与功能开发背景见 Petersen 等（2017、2018）。

语法：

CO AWMADWNW AWMAUEFF
CO AWMADWNW AWMAENTRAIN
CO AWMADWNW AWMAUTURB [STREAMLINE]
CO AWMADWNW AWMAUTURBHX [STREAMLINE]

其中 AWMAUTURB 与 AWMAUTURBHX 二选一；STREAMLINE 只能与这两项之一配合使用。多个兼容选项可以组合输入。

**类型：**可选，不可重复。

AWMAUEFF

重新定义主烟羽浓度计算中从风速廓线提取风速的高度。

PRIME 当前使用烟囱高度处风速；AWMAUEFF 使用烟羽中心线高度处风速。

AWMAUEFF 不能与 ORD_DWNW 中的 ORDUEFF 同时使用。

AWMAENTRAIN

将 PRIME 下洗算法中的卷入系数 $\beta$ 从默认值 0.60 调整为 0.35。

AWMAUTURB

启用增强的湍流和风速计算。所有计算均采用以下两者中的较小值作为代表性高度：

  • 最终动量烟羽抬升高度；
  • 具有代表性的 PRIME 烟羽抬升高度。

该选项还采用最终动量烟羽抬升高度计算：

  • 有效风速 UEFF；
  • 有效 $\sigma_w$：SWEFF；
  • 有效 $\sigma_v$：SVEFF；
  • 有效位温梯度：TGEFF；
  • 初始湍流强度 ambiy 和 ambiz。

同时还计算 30 m 高度处的：

  • 平均风速 U30；
  • $\sigma_w$：SW30；
  • $\sigma_v$：SV30。

AWMAUTURBHX

启用增强的湍流和风速计算，并在所有计算中使用下风距离 $X$ 处的 PRIME 烟羽抬升高度。

模型首先使用最终动量烟羽抬升高度计算：

  • UEFF；
  • SWEFF；
  • SVEFF；
  • TGEFF；
  • ambiy 和 ambiz。

随后在每个下风距离处，改用 PRIME 计算的当地烟羽抬升高度。该选项也计算 U30、SW30 和 SV30。

如果同时指定 AWMAUTURB 和 AWMAUTURBHX，AERMOD 将发出警告，并继续采用 AWMAUTURBHX。

STREAMLINE

减小储罐、冷却塔等流线型结构尾流中的扩散。该选项对与 AWMAUTURB 或 AWMAUTURBHX 相关的湍流增强和速度亏损公式采用适用于流线型结构的替代形式。

一旦指定 STREAMLINE，控制文件中定义的所有建筑物都将被视为流线型结构。

STREAMLINE 只能与 AWMAUTURB 或 AWMAUTURBHX 配合使用。

各 AWMADWNW 次级关键字均为可选，但如果使用 AWMADWNW，至少必须包含其中一个。

与 ALPHA 建筑物下洗功能相关的调试输出选项见第 3.2.18 节。

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