流体力学家：从城市通风和建筑物布局的角度看雾霾问题
11月下旬，一条“1500万人煽风除雾霾”申请专利的图片在微信群等社交媒体刷屏。根据其说明书，这项发明的具体内容是，在受雾霾影响的地区，可以用人工按指定的方向，在同一时间内共同“造风”扇走雾霾。
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尽管这个思路“脑洞太大”，但是驱霾“靠风”的逻辑却不无道理。实际上，媒体也发表过“北京正研究6条主要通风廊道，以增强通风潜力”的报道。利用“通风廊道”发挥风力作用辅助雾霾扩散的思路也早已是流体力学家们一项严肃的研究课题了。
2014年即有媒体报道称“北京正研究6条主要通风廊道，以增强通风潜力、缓解热岛效应”。 新京报制图
近日，在第五届环境模拟与污染控制国际学术研讨会（暨第十届环境模拟与污染控制学术研讨会）上，一篇关于雾霾扩散计算的论文引起了关注。报告内容基于之前发表在知名期刊《Environmental Pollution》的论文和后续的工作进展。这项研究的关注点也是城市建筑物布局和城市通风。此研究表明，城市建筑物的布局对城市通风有重要影响，高大建筑物或密集建筑群对风流动的遮挡会导致空气污染物在建筑物环境中停留时间的改变；建筑物与风向的位置关系又决定了空气污染物在建筑环境中的扩散方向和扩散范围。
这篇文章的作者是清华大学医学中心研究员张宇，其专业背景是流体力学，师从著名的流体力学专家、清华大学航天航空学院周力行教授。张宇在博士期间的研究课题就是煤粉燃烧中污染物的形成，从那时开始，他关于空气污染的研究已经持续近20年了。2015年，张宇得到了清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室的资助继续这方面的研究，作为清华大学医学中心的一份子参与环境方面的研究，将空气质量与医院呼吸科门诊量做统计比对，这也体现了空气污染研究的交叉学科的特点。
“直到今天，化石燃料的燃烧产物仍然是空气污染的主要来源，污染物排放没有得到完全的控制。扩散到城市的污染物和城市自身产生的污染物，有可能因为城市通风原因造成长时间停留，对公共健康产生不利影响。虽然研究做了很多，但在城市规划、建筑物布局的时候，城市通风问题还是应该得到更大的关注。” 11月20日，张宇接受专访时，强调他希望研究的结果能够影响未来的城市规划和建筑物布局，并为建立相关标准提供科学的依据。
清华大学医学院研究员张宇
澎湃新闻： 请问您这项研究更多的是希望解决实际问题，还是更多是一个科学层面的问题？
张宇：希望解决实际问题。从科学层面上，空气污染物在建筑环境中的扩散设计到湍流、风结构相互作用，是一个复杂的科学问题，并不是所有的细节都清楚。而从实际情况出发，用简便易行的方法就可以对未来的建筑物布局、城市规划做一个科学的分析，所以这项研究更多的是面向实际的。
澎湃新闻：国际上对这个方向的研究概况如何？
张宇：国际上，对城市通风问题的研究是非常重视的，环境风洞和计算流体力学是主要的研究方法。在2003年爆发SARS之后，城市通风问题一度成为热点，有大量的科研报道，香港还专门成立了委员会调查高密度建筑物的通风问题。虽然研究做了很多，但在城市规划、建筑物布局的时候，城市通风问题还是没有得到足够的重视。清华大学主要是环境模拟与污染控制国家重点联合实验室在从事相关的研究。
澎湃新闻： 您具体是如何模拟风向、建筑物布局等对雾霾扩散的作用的？可以再简单介绍一下吗？这种模拟方式有哪些优势和局限性呢？
张宇： 应用计算流体力学方法，方法本身是成熟的，雾霾模型是我在澳大利亚工作期间，与国际著名风工程专家、悉尼大学的Kenny Kwok教授一起提出的，文章发表在著名的环境期刊《Environmental Pollution》上，这有可能是首次用计算流体力学的方法模拟雾霾在建筑物附近的扩散。风速扩线、湍流强度分布以及地面粗糙度的模拟是根据国际标准进行的。这种方法的优势，和所有计算流体力学的优势一样，能够以极小的代价模拟接近真实的流动情况。如果要进行同样的风洞实验，费用是昂贵的。当然，缺点也很明显，就是由于模型的各种假设，模拟结果不是百分之百可信的，所以还是需要至少有一定实验数据的支持。非常幸运，我们拥有宝贵的风洞实验数据，是合肥工业大学的刘小平教授在香港工作期间完成的。那时，香港科技大学和香港理工大学在城市通风方面有很强的合作，关注点就是SARS过后疾病传播规律和城市通风的关系。现在悉尼大学的Kenny Kwok教授和Jianlei Niu教授共同进行了这项研究。
当空气污染物从模型的第三层释放，在建筑物的迎风面和背风面扩散规律完全不同，这是由风与建筑物相互作用造成的。
澎湃新闻：是否可以理解为，您的模拟是在一个小尺度上的，那么它可以推广吗？比如在北京的大尺度的条件下，有人认为热岛效应远远大于风力的影响。您怎么看这个问题？
张宇：可以推广，计算资源足够的情况下，是可以模拟真实尺寸、真实环境的。热岛效应，据我所知是由于城市局部热堆积，比如空调、工业发热、热水管道等形成的城市温升，与风驱散空气污染物不是一个概念。风本身就是大气环流在近地面的现象。如果考虑大空间和大时间尺度，空气一直是在循环流动的，雾霾也跟随这种流动，时急时缓，而对我们产生影响的却不是这个时间和空间尺度的问题。最直观的感觉，在北京今天是雾霾天，明天一阵风就蓝天白云了，后天风停了雾霾可能又回来了，这种尺度的变化对我们影响才最大。我们通过合理的建筑物布局，减少城市风阻，可以让出现风天气的时候带来更多的“好空气”、带走更多的“坏空气”，就是这个简单的道理。
澎湃新闻： 您在演讲中提到了香港SARS期间，高层的居民更容易被病毒感染，请问这个事实对你对北京的雾霾扩散情况的模拟，两者之间的联系是什么？我的意思是雾霾和病毒虽然相似，但似乎还是很不一样的。
张宇：空气污染，可以是看得见的雾霾也可以是看不见的病菌，从流动上来讲都是跟随空气流动，模拟上并没有大的区别。香港SARS期间病菌局部扩散的规律，是由于香港居民楼的布局造成的，包括它特殊的，对于楼房天井的设计要求，在我的讲演中也可以理解在这种布局下风与结构相互作用在更多的地方是驱散空气向上流动的，也就是可能带着病菌向上迁移。
澎湃新闻： 您对于这项研究对雾霾治理的政策方面的影响有哪些期待呢？
张宇：中国的城市化远远没有结束，高人口密度的城市会继续出现，这势必造成高楼林立。而且，由于经济、教育等各种因素，人口在城市中也会密集而不是均匀分布。在这种情况下，建筑物布局和城市规划应该与当地的自然条件，包括风场有一个比较好的契合，在安置合理人口数量的同时，保证城市通风，甚至可以通过合理的布局加强城市的局部通风。
当有污染物、传染性病菌，或者强过敏原出现的时候，良好的城市通风能够最大限度地降低这些自然或人为的空气污染对居民健康的不利影响，这是有科学依据的。当必须建立高楼楼群的时候，楼群的地理位置、楼的高度、楼与楼之间的间距，开窗的相对角度都可以针对城市通风制定一些标准，有利于未来城市居民的健康。
澎湃新闻：类似的研究在其他地区进行过吗？有在实践层面实施过吗？取得了哪些效果呢？
张宇：目前只是处于研究阶段，但是方法本身是成熟的，希望研究的结果能够带来城市规划和建筑物布局方面的积极影响，并为建立相关标准提供科学的证据。
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