慕尼黑城市街道峡谷中NO2浓度超标的成因解析：大气传输过程与交通湍流的综合作用

《Atmospheric Pollution Research》：Source Apportionment and Secondary Organic Aerosol Formation Potential of VOCs in Urban and Suburban Areas of South Korea

为应对德国慕尼黑城市空气质量的持续挑战，研究人员针对高交通密度、通风不良的街道峡谷，开展了为期两年的综合观测与高分辨率大涡模拟（LES）研究。该工作深入剖析了风向、风速、湍流动能（TKE）及交通动态对NO2浓度的影响机制。结果表明，主导的北向局地气流与天气尺度条件解耦，导致污染物累积，日平均NO2浓度高达72 μg m-3；车辆诱导的湍流与NO2浓度呈非线性关系。此研究揭示了排放削减与增强空气混合对缓解城市空气污染的双重重要性，为制定精准减排策略、保障公众健康及应对更严格欧盟法规提供了关键科学依据。

　　

在德国第三大城市慕尼黑，空气污染问题如同一个顽固的“城市病”，长期困扰着居民的健康。尽管全球范围内都在推动减排，但在某些特定区域，如车水马龙、高楼林立的街道峡谷中，污染物浓度依然居高不下。以二氧化氮（NO₂）为例，这种由交通尾气等排放的刺激性气体，不仅是光化学烟雾和近地面臭氧（O₃）的重要前体物，长期暴露还与呼吸系统和心血管疾病风险增加密切相关。在慕尼黑一条关键的监测街道，NO₂的年均浓度在2024年之前一直超过德国国家标准（40 μg m^-3）。更严峻的是，欧盟法规即将修订，计划将这一限值减半，这使得找到高效的污染控制策略变得尤为迫切。人们不禁要问：在这样一个建筑密集、交通繁忙、通风不畅的典型城市峡谷中，究竟是什么在主导着污染物的“去”与“留”？是源源不断的汽车尾气，还是捉摸不定的大气流动？为了回答这些问题，一篇发表在《Atmospheric Pollution Research》上的研究，为我们揭开了幕尼黑一条“问题街道”背后的空气动力学秘密。

为了深入探究城市峡谷中污染物的命运，本研究采用了观测与模拟相结合的综合方法。研究人员在慕尼黑一条8车道、南北走向的街道峡谷（宽约54米，两侧建筑高约20米）开展了为期两年（2021-2023年）的野外观测。他们在路侧空气质量站（AQS）部署了高频超声风速仪，以20Hz的频率捕捉三维湍流风场，并计算湍流动能（TKE）、摩擦速度等关键湍流参数。同时，利用移动式腔衰减相位漂移光谱仪在不同点位进行高时空分辨率的NO₂浓度测量。为了从机制上解释观测现象，研究者运用了高分辨率的大涡模拟（LES）模型PALM-4U，构建了包含根域（20米分辨率）、嵌套域（5米分辨率）和核心子域（1米分辨率）的多级模拟体系，精准刻画了建筑群周围的复杂流场。模拟针对两个具有代表性的天气尺度（天气尺度西风与天气尺度东风）情景进行，以分析不同大气强迫下的峡谷内流场结构。此外，研究还结合了官方的交通流量数据和基于车牌识别获得的车辆构成信息，利用道路运输排放因子手册（HBEFA）方法估算了交通排放。

3.1. 空气流场特征

观测结果显示，峡谷内的近地面风向与城市参考气象站记录的天气尺度风向显著“脱钩”。尽管中欧盛行西风，但峡谷内44%的时间盛行北向流动，而西风和东风合计仅占26%。尤为有趣的是，在天气尺度为西风或东风时，峡谷内近地面经常出现与之相反的180度风向偏移。这表明峡谷自身的几何结构（南北走向、宽高比约0.37）极大地主导了内部的流动格局，形成了独特的局地环流。

3.2. 天气尺度西风强迫下的流场

当盛行天气尺度西风时，LES模拟清晰揭示了一个稳定的横跨峡谷的涡旋。这个涡旋导致空气在峡谷内自北向南输送，但在西侧（即空气质量站所在位置）的近地面，气流却部分来自北方和东方。这意味着污染物需要先被输送横穿街道，才能到达监测点，在西侧路缘形成了一个湍流动能较低、扩散较弱的“滞留区”。这种流型符合“尾迹干扰流”的特征，即上游建筑的尾迹干扰了流场，在宽街谷中形成主导性的单涡结构，而非经典街谷模型中的对称双涡。

3.3. 天气尺度东风强迫下的流场

相比之下，在较少出现的天气尺度东风条件下，峡谷内的流场结构发生剧变。近地面盛行西风或西北风，气流更直接地冲刷西侧路缘。模拟显示，此时峡谷内无法形成稳定的横街涡旋，流场更混乱，湍流混合增强。这使得西侧的空气能够与峡谷上方空气进行更有效的交换。

3.4. 湍流混合与NO₂浓度的关系

湍流是稀释污染物的关键。研究量化了两种天气尺度下的湍流日变化。在主导的天气尺度西风（对应局地北风）情景下，白天由太阳辐射驱动的感热通量是湍流产生的主要来源，夜间湍流水平很低。而在天气尺度东风下，机械湍流（由风剪切产生）的作用相对增强。观测与模拟均表明，天气尺度东风下的湍流动能整体高于天气尺度西风情景。这种湍流强度的差异直接反映在污染物浓度上：在天气尺度东风（强混合）期间，监测点的NO₂浓度显著低于天气尺度西风（弱混合）期间。研究还发现，车辆诱导的湍流与NO₂浓度存在复杂的非线性关系，并非简单的稀释作用，其效应强烈依赖于交通的昼夜模式。

3.5. 综合讨论与结论

这项研究系统地解答了其提出的核心科学问题。首先，研究证实了所调查的街道峡谷在盛行天气尺度西风条件下，其流场特征表现为“尾迹干扰流” regime，一个稳定的横街涡旋是主导流型，这与峡谷的低宽高比（0.37）和垂直于盛行风的走向密切相关。其次，研究发现峡谷内的局地流场与天气尺度强迫之间存在复杂的相互作用。虽然天气尺度风向决定了峡谷上方来流的方向，但峡谷自身的几何结构通过产生横街涡旋或改变流场形态，极大地调制了内部的流动和混合过程。热力效应（太阳辐射导致的加热）则主导了湍流的昼夜周期，特别是在弱风条件下。最后，研究清晰地揭示了大气传输动力学是导致峡谷内NO₂浓度日变化和空间差异的关键驱动力。主导的、与天气尺度解耦的北向局地流，结合稳定的横街涡旋，在西侧路缘创建了一个弱混合区，导致污染物持续累积，日平均浓度高达72 μg m^-3，远超国家标准。而在较少出现的天气尺度东风条件下，增强的湍流混合有效降低了该处的污染物浓度。

这项研究的结论具有重要的科学与实践意义。它强调，在类似慕尼黑这样的密集城市峡谷中，仅仅控制排放源可能不足以将污染物浓度降至安全水平。大气的传输和混合能力——或者说“城市的呼吸能力”——同等重要，有时甚至成为决定污染程度的瓶颈。该研究指出，未来在城市空气质量管理中，必须采取“减排”与“促混”并举的双重策略。例如，在城市规划中考虑建筑形态和街道布局对通风的影响，或评估特定气象条件下采取交通管制等措施的效力。研究采用的高分辨率LES模型与密集观测相结合的方法，为精细刻画城市微尺度污染过程提供了强大工具，其研究框架和结论可为全球其他面临类似空气质量管理挑战的城市提供有价值的借鉴。最终，这项工作的核心启示在于：要净化我们呼吸的空气，不仅需要关注排气管，还需要读懂城市的风。