危险物质意外(或有意)释放形成的非传统大气环境污染事件(例如,化工厂危险气体泄漏、恐怖分子的毒气袭击等)往往会造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。然而,相比于传统意义上的空气污染,我们对这类问题的研究和关注明显不够。因此,本论文围绕半封闭空间(如工业厂房、候机厅和地铁站等)和开放空间(如城市商业区、化工厂区等)两类不同场景下发生的非传统大气环境污染事件,以工业厂房和实际城市中实施的两次外场示踪试验作为基础,通过资料分析和数值模拟相结合的研究手段,揭示了两类不同场景下的流场和湍流以及污染物扩散特征,验证了计算流体动力学(CFD)模式对工业厂房内重气扩散过程的模拟能力,构建了能够模拟城区流场和扩散过程的单向耦合模式WRFFluent。研究得到的主要结论如下:(1)基于“室内危险气体扩散试验”的观测数据揭示了工业厂房内的风场、湍流和温度层结以及示踪物浓度的时空变化特征。结果显示,自然通风条件下厂房内的风速和湍流十分微弱,而强制通风能够显著增强厂房内的水平风速和垂直速度方差以及湍流动能。再者,白天厂房内为强的逆温层结所控制,下午2:00左右逆温强度(即温度垂直递减率)达到最大值-0.68℃/m,而且烟雾扩散试验显示这种稳定的热力结构会抑制污染物的垂直混合;夜间厂房内的大气层结为弱不稳定。此外,自然通风条件下重气(SF6)的垂直分布呈现出明显的分层特征,低层平均浓度约为高层的5倍,而强制通风条件下低层浓度降低,垂直分布趋向均匀。对于轻气(NH3)示踪试验,浓度的垂直分布主要取决于厂房内温度层结和强制通风作用的综合效应。(2)借助CFD模式Fluent模拟了厂房内的重气扩散过程,并且结合观测的SF6浓度数据对模式的模拟性能进行定量评估。结果表明,模拟的底层呼吸区浓度值与观测值吻合较好,其中standard k-ω和SST k-ω模型的模拟性能最好,模拟性能评估指标FAC2=78%(这说明有78%的浓度模拟值是位于观测值的0.5至2倍的区间内);Realizable k-ε次之(FAC2=72%);而standard k-ε最差(FAC2=43%)。但这四个模型对厂房内呼吸区上部重气扩散的模拟效果都不太理想,尤其是难以准确模拟浓度的剧烈波动特征。进一步使用验证的SST k-ω模型再现了室内重气扩散的时空演变特征,模式抓住了重气扩散的一些主要特征。最后,数值试验结果显示呼吸区平均浓度随着通风率的增加呈指数递减,这也就意味着增加通风率能够改善呼吸区的空气质量。(3)利用“城市-气象示踪试验”在榆中县城区的观测数据,分析了城区内的风和湍流特征、反照率和地表能量收支状况以及污染物的时空演变过程。结果显示,市中心城市冠层顶风速较城市边缘平均偏小2 m/s,而且城区内相邻各观测点的风速风向也存在较大差异;城区内湍流会随着边界入流风速的增大而增强,并且给出一些简单的参数化关系式用于估算湍流特征量;白天大气为中等不稳定层结,而夜间则接近于中性。其次,城市下垫面地表反照率日变化呈现非对称U型结构,日出日落时刻反照率较大,白天较小且接近于常数0.14。白天能量输送以感热为主,感热和潜热占净辐射的比例分别为23%和2%。值得注意的是白天热储量占净辐射的比例高达75%,而夜间两者大小相当。此外,城市冠层顶部的污染物输送和扩散中平流起主导作用,浓度高值区位于释放源下风方向±20°的扇形区域内,而且主导风向两侧的浓度分布接近于正态分布。而地面浓度的分布明显偏离正态分布。(4)将中尺度模式WRF与微尺度模式Fluent相结合,构建了单向耦合的WRF-Fluent模式,并且利用该模式对榆中县城区内的风场和污染物扩散过程进行精细化模拟。结果表明,考虑了随时间变化的边界条件和城市建筑结构的耦合模式WRF-Fluent可以较好地刻画复杂的城市特征流型(例如,分流、汇合、涡旋和峡谷效应等)。而且该模式也能够很好地捕捉到高架源排放情景下污染烟羽随时间的总体变化特征,但模拟的浓度高值中心位置和强度与实测结果之间还存在一定偏差。