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我国城市大气边界层与大气污染的若干研究 张庆阳 张沅 一、序言 大气边界层是直接受地表影响最强烈的垂直气层，它占有整个空气质量的十分之一，其厚度随天气条件、地表特征而变，一般在1~2000米。在大气边界层里，气流受地面磨擦力和下垫面地形、地物的影响，并受这一层里的动量、热量、水汽和其它物质的输送及通量的支配。 大气边界层与人类活动的关系最密切、最直接，大气污染物的散布与其密切相关，大气污染问题也主要发生在这一层。 城区对于周围的乡村而言，形成了一个独特的下垫面，从而使其上方的边界层特性与周围乡村不同，形成特殊的城市边界层。 近几十年来，由于城市大气污染日益严重和人类活动对天气、气候的影响有关，人们愈加关注城市对环境和天气、气候的影响，从而推动了城市大气边界层的研究。城市大气边界层的研究不仅具有重要的理论意义，也是边界层气象学的重要课题之一，具有很高实用价值，如城市气候的研究、城市规划和工业布局、环境保护等应用问题都必须以此做为理论基础。现将我国城市大气边界层与大气污染若干研究综述如下。 二、边界层气象条件及其对大气污染的影响 城市大气污染主要受两方面因素的制约，一是工业污染源的排放量及排放特性；二是边界层污染气象条件。早在50年代初萨顿等人就已指出风向决定了污染物的主要输送方向，而风速则在很大程度上代表着大气水平输送能力的强弱，二者对污染浓度分布有重要影响。据此，结合不同方位风向频率和平均风速提出了污染系数概念，并在大气环境影响评价中得到了较广泛的应用。但国外污染气象条件的分析研究工作主要着重于中高纬地区，1986年我国向可宗等（3）对广东省一些主要城市大气污染气象条件进行分析，研究了低纬大气污染的一些问题。 1、 城市污染系数与长期平均污染浓度分布的关系 风向即表示污染物的输送方向，不同方位的风频或风玫瑰图对于一个地方平均污染分面状况有很大影响，尤其是强污染源区之主导风向下风方，是污染物的主要输送通道，容易形成较严重的污染。故一般考虑城市布局应对此格外注意。许多研究还表明风速对平均污染强度有重要的影响，于是规定污染系数为：
Pi即定义的污染系数；¦i为某方位风频，ūi 为该方位平均风速。近年来对污染系数虽有些新定义，但（1）式仍在广泛应用。如果对（求落地浓度的）高斯烟羽模式： 就横风方向即y方向积分，并假定下风向扇形区以外的浓度为零；再除以弧线长度2px/n（x为下风距离，n为一周所划分的扇形数），可以得到风向较稳定情况下，下风方扇形区平均浓度 如果求长期平均状况，风向并不总保持在某一方位，则某一方位下风方扇形区平均污染浓度还需乘以该方位的风频¦i，即： 或
图1 a.汕头污染系数（实线）和1982年SO2年平均浓度分布（虚线）（mg/m3）图 b.韶关污染系数（实线）和1982年NOx年平均浓度分布（虚线）（mg/m3）图 图1分别给出了汕头、韶关两市污染系数分布和实测的SO2或NOx平均浓度分布。从图1可以看出二者有很好的对应关系，例如：汕头最大污染系数区出现在偏东北（NNE~ENE）方位的下风方即西南象限，而SO2年平均高值浓度区也出现在城市西南区小公园附近；SO2污染年平均最大值为0.11mg/m3 。又如韶关最大和次大污染系数分别出现在北和西北方位的下风方，即在偏南及东南象限，而其NOx年平均污染浓度也以偏南和东南区最高。其它城市如：广州、深圳等城市，也有类似对应关系。 这表明在广东省估算长期平均污染浓度时，污染系数是一项不可忽视的重要因素。在上述研究中未分析静风的影响，如要计算某一地点的平均浓度则还须考虑到静风的影响。 2、与大气扩散直接有关的一些气象条件 （1）风向脉动方差对大气污染的影响 图2是广州不同季节不同时刻风向脉动方差（实线）及相应的SO2平均浓度变化曲线（虚线）及广州荔湾区SO2 平均浓度（点划线），从中可以看出二者有明显的反相关，即脉动方差愈大，污染浓度愈小，而且从时间演变来看，风向脉动方差和稳定度变化也大体上相对应。夜至清晨随着近地面的辐射降温，稳定度增大，风向脉动方差变小，此时段污染浓度一般较高，如广州5~8时风向脉动方差（82~83年）平均仅8.9º，而早上8时平均SO2浓度则为0.15 mg/m3，是全天污染较严重的时段；其中荔湾区8时SO2平均污染浓度达到了0.22 mg/m3。到午后14时，随稳定度的减小风向脉动方差明显增大，平均为16.6º，而相应的广州平均SO2污染浓度则减小为0.09 mg/m3是全天最小的；表明脉动方差与大气扩散强度有直接关系。
图2 广州平均风向脉动方差（实线）和相应的SO2平均浓度（mg/m3细虚线）以及 荔湾区SO2平均污染浓度（长虚线）。说明：所用资料是1982-1983年 每季代表月15-18日各时平均 （2）混合层厚度及通风系数与污染浓度的关系 表1为广东省部分有污染监测的城市的混合层厚度及通风系数，其中有的城市是根据邻近探空内插求得；为了便于了解其对污染的影响，还列出了各市一月、七月SO2平均污染的影响。从中可以看出二者与污染浓度有明显的相关。 通风指数是指混合层厚度乘以混合层内的平均风速，很明显它在一定程度上表示了大气污染物的向外传输能力或大气自净能力。混合层厚度则表示湍流垂直扩散的主要空间，稳定度愈大混合层愈薄，近地面有强逆温出现时，混合层厚度几乎近于零，故逆温层对扩散的影响也能间接通过混合层的作用反映出来。一月份由于混合层厚度明显降低，且华南冬季平均风速不大，从而使此时期通风量比夏季明显小很多，并导致污染浓度较高，即二者呈反相关。如汕头一月和七月的通风量分别为2996米/秒，和4269米/秒，而对应的平均SO2污染浓度则分别为0.09 mg/m3及0.04 mg/m3。 表1 广东一些主要城市混合层厚度，通风系数及SO2污染浓度
*由于江门污染浓度相当小故季节变化表现得不明显 （3）最大落地浓度计算方程 令 或 经验分析表明，式中比例系数F主要依赖于风向脉动方差的大小而变化，故将其近似定作： b1、b0 为回归系数。湛江化工厂SO2排放率为183公斤/小时=50.8克/秒，源有效高度90米（h=70米；Δh=20米1）），通过不同风速 显然，由于地形等条件的差异，不同城市的b1、b0值也不相同。通过（7）、（8）式能较方便地估计不同气象条件下之最大地面污染浓度。表2 是湛江化工厂附近地区不同稳定度条件下的最大浓度估算结果与实侧最大值对照，二者十分相近。表明上述方法有一定的实用价值。 表2 湛江化工厂附近SO2最大地面污染浓度（即最大落地浓度）计算结果 与实测值对照（1979）
注）上表风项目中英文字母表示风向，数字表示风速，单位是米/秒。 1）采用霍兰德公式估算通常是在近中性条件下得出的。 通过上述广东省边界层有关气象资料的统计分析并对照一些主要城市的污染监测资料发现某些气象条件对污染浓度分布及污染的严重程度有着十分重要的作用，主要是污染系数、风脉冲方差、混合层、通风量以及近地层风的输送与扩散，从而对一次污染深度或短期平均状况有明显的作用。经分析和统计所确定的最大深度计算方程能较方便地确定强污染源附近之最大落地浓度。 三、 大气边界层中污染物分布特征 韩玺山（4）在对沈阳市热岛垂直结构、热岛环流及热岛混合层分析基础上，首次发现在城市边界层中存在污染物呈泡状结构、SO2穿透逆温层、螺旋状烟团。 1、主要污染物在空中成泡状结构 辽宁省环保所在对空中污染物的航测中发现，在城市边界层的作用下城市污染物在空中呈泡状结构。这个泡随着逆温层的生消而变化，当逆温层在沈阳市中心某一高度发生时，它的下面就是泡状物的顶部（见图3、图4）。图3、4证明了热岛混合层顶抑制了湍流的发展，使污染物在逆温层下面累积，由于地面由郊区不断向市区辐合，这样就形成了泡状烟团。随着逆温层的逐渐抬高，混合层也在发展，泡状烟团也随着向外界膨涨，一旦逆温消失，混合层整个占领了空域，那么泡状结构即刻破坏成通道式向上扩散，这称之为无形高架源。正是这些高架源把人类排放的污染物质输送到广大空间。 2、SO2穿透逆温层的分析 过去在边界层的研究中，有关的扩散理论都是假定污染物不能穿透逆温层，而在逆温层底大量堆积的情况下进行模拟计算的。韩玺山等人研究发现，冬季不但在逆温层里面呈均匀分布而且还能穿透逆温层（参照图5）。研究个例以1984年12月18日早08时10分至08时50分为例，航测飞行F线，即从沈阳于洪区横穿铁西工业区、和平区一直到浑河结束，这次飞行观测了日出后逆温开始抬升阶段的垂直浓度变化。此时市中心及郊区都有两层逆温，市中心第一层在100m，第二层在300~400m，而郊区相应抬高些。垂直浓度高中心从第一层的顶到第二层顶浓度都在450ppb，而郊区浓度最高值主要集中在第二层的底和顶，其值为300~350ppb，在200m高度以下浓度只有100ppb。在逆温层以上SO2的浓度是3级标准的2~3倍。
图3 F线SO2垂直浓度剖面 上图1984年12月18日，14h 下图1984年12月18日，08h 为了证实上述结论的成立，从污染源、温度场、航测照片及热对流混合层的高度变化等方面进行分析。 经普查沈阳市全市共有70m以上的烟囱占全市总数的0.1%。全市年排硫量9.2×104吨，而冶炼厂两根110m烟囱排硫量只占1.7×104吨，其它新建的高架源未投产。故高架源直接穿逆温层的可能性应排除。 从12月27日08时及19日10时的风场剖面图（图6、图7）可以看出，在全市区低空50m内，由于城市热岛混合层的存在致使污染物在此层汇集。但到了市内即和平大街一带主要汇集在100~150m上空，这时经计算在市区从100m到500m这一层内多辐合区，即有大量的污染物随着上升气流被输送到高空。在08~10时，随着逆温层的抬升，在250~300m处形成了一个SE向的水平输送带。
图4 N线SO2垂直浓度剖面
图5 SO2垂直浓度与温度廓线比较 3、螺旋状烟团的发现 从航测照片上发现，在早晨存在逆温时，高架源烟道成带状向下风向拉长可延伸到几至十几公里。这就证明在这种气象条件下，高架烟气抬升的可能性很小。另又发现烟团成螺旋性扰动，并有一定的方向性。螺旋状烟团的发现证明了城市边界层的上界面具有较强的扰动力，同时对泡状污染烟云学说也是一有力证明。 综上所述，烟团本身在受一种爆发性湍流的影响，可在某一瞬间冲破逆温层向高空输送。 四、 边界层流场和大气污染的基本特征 污染物在大气中输送和扩散与边界层内的流场结构密切相关，因此搞清其流场结构特征对城市规划、建筑设计、评价大气环境至关重要。1995年张波等（7）人结合成都市的个例，研究探讨了其边界层流场结构特征及其与大气污染的关系。
图6 热岛环流剖面（1984年12月27日，08h）
图7 热岛环流剖面（1984年12月19日，10h） 1、资料来源及客观分析方法 分析所采用的资料主要有： （1） 1987年1月10日至21日成都市区内5个站（光华村、冶金监测站、南站肿瘤医院、热电厂、市人大）。1989年7月至1990年3月市内光华村、五石村、畜牧所逐时EL电接风资料。 （2） 1987年1月4~21日、1990年2月27日至3月9日每日8~12次双纬仪小球测风资料。 （3） 1983~1987年1、4、7、10月，每月5天，每天4~8次TSP、SO2浓度资料。 流场的客观分析方法是采用Wendell反平方内插法。将成都市划分为12´12km网格，格距为1km，计算公式为： 风矢量的东西分量 风矢量的南北分量 2、TSP、SO2浓度分布特征 成都市大气污染类型是灰尘及SO2为代表的煤烟型污染。因此，分析用1983年至1987年12个监测点资料，分别统计其年、季、日及冬季城区空间分布特征。由统计结果可知，1983-1987年TSP、SO2除1985年稍高外，其它各年基本稳定。其平均浓度有明显的季、日变化。冬季高、夏季低、春秋介于中间。TSP除夏季未超标外，其它各季全部超标。日变化为明显的“驼峰”状，最高值在09时左右。最低值大约出现在15时。给出成都冬季TSP、SO2的空间分布特征，其高浓度区基本一致，出现在市区东、东南侧，其轴线是东北-西南向。TSP几乎全区超标，SO2 高值区也超标。 3、地面风场结构特征制约污染物扩散 资料统计结果表明地面风速存在明显的日变化，一般白天大于夜间，午后达最大值，冬季平均风速小于2.0米/秒，最多风向为NNE，一般吹偏N风时风速较大，偏S风时风速较小。图8是成都合成风分布图，它基本可以反映成都市市内风场的特点，从图8可见市区东南侧略呈气旋式弯曲，且为小风速区，说明该区为一弱辐合区，不利于污染物扩散，风速与污染物浓度呈较好的反相关。极不利于污染物扩散的地面风速临界值为≤1.5米/秒。应该特别注意减少该区的废气排放。 4、流场对大气污染浓度的影响 污染物在空间的分布除与排放源的位置有关外，还与流场密切相关。风速的大小决定污染物输送的快慢程度，而风向则决定污染物输送的方向。当地面风为SW风时，大于0.15 mg/m3，高浓度区向东北方向伸展，当吹偏NE风时，大于偏SE、偏NW风频率偏高度变化0.15 mg/m3，高浓度区向西南方伸展，风速与SO2浓度呈较明显的反相关。从风速与浓度的点聚图来分析，当TSP、SO2浓度超过二级国标时，风速小于1.5米/秒的频率分别占96%、92%。这说明成都高浓度污染出现在小风时（小于1.5米/秒）。因此在早、晚小风时段极容易出现SO2、TSP的有害堆积。 图10 成都合成风分布特征 五、 城市边界层逆温与大气污染的关系 研究城市上空边界层内的逆温特性，对了解城市气候、揭示城市大气污染规律等具有重要的意义。 本分析对逆温的分析，除考虑到气温随高度增加而上升的情况外，把等温也算作逆温。并将底部连接着地表的逆温称为接地逆温；底部未连接地表，而悬浮在某一高度上的逆温称为悬浮逆温；把低空逆温作为两种逆温的合称。对于同时出现二层以上的多层逆温，只取最低层进行分析。 刘攸弘等人从广州气象站（距市中心仅6里）1971-1980年10年每日07时与19时的原始探空曲线上，选取地面至1千米间的逆温数据，利用气候统计的方法分析它的表现形式、时空变化、强度及其成因等特征；并利用1975-1980年在广州市区所测SO2的日平均浓度资料，分析低空逆温对城市大气污染的影响。 低空逆温的观测点，虽然位于广州市边缘；然而观测到的接地逆温进行分析。逆温对市区大气污染的恶化有十分密切关系，负面影响非常明显。以大气中的污染物SO2为例，从6年共115天的污染监测结果，与相应日逆温出现情况（见表3），对比分析表明每当有接地逆温存在，市区SO2浓度就升高，在早晚都有接地逆温时，日平均浓度则更高。在只出现悬浮逆温时，其浓度和没有逆温时的日平均浓度相近。此外，还发现当地接地逆浊强度大于1.0ºC/100米时，市区SO2日平均浓度就超标，并可将该特征作为市区污染程度可能被恶化的预告指标。 表3 1975-1980年监测日全市SO2日平均浓度与逆温情况
此外，为了探索吉林市逆温层特征及其对大气污染的影响，“吉林市大气污染与综合防治的研究”科研协作组1980年9月24日至28日，1981年4月7日至11日，在市区南、北两地同步进行了低空探测。内容包括近地层风场测试，低空大气逆温测试以及低空大气SO2采样。使用的仪器有低空探空仪、测风经纬仪、地面及高空大气采样器、阿斯曼通风干湿表及手持风向风速表等。低空大气SO2采样是借助于系留气球进行的。同步观测时间每天日出前、日落后、午间共三次。根据同步观测资料，并参照市内各监测点的地面污染及风场观测资料和当地气象站多年地面风资料，对吉林市逆温层特征进行分析并探讨了它们对大气污染的影响。 吉林市近地层大气逆温大部分出现在日落以后、日出以前，尤其是无云的夜晚。每天傍晚当夕阳西下时，地面便开始冷却，由于近地层大气冷却是由地表逐渐向上传递的，因此，由于辐射冷却，上层空气温度往往高于下层，出现了逆温。此时大气是相对稳定的，逆温层像盖子一样阻碍了垂直运动的发展，使得地面污染物难以上升扩散稀释，随着时间推移，逆温层逐渐抬高加厚，烟雾也随之抬高，因此，晚间十时以后地面污染浓度反而更小，但待第二天太阳出来时，近地层逆温首先遭到破坏，由于热力对流作用，使得在逆温层下部积蓄一宿的污染物大部分又返回地面，出现所谓的“下喷型”烟雾，因此每天早上近地层的污染浓度最大。这和科研协作组观测到的情况一致。 从根据观测资料制作的逆温和大气污染关系表（表4），可明显看出有逆温时近地层大气污染浓度高，且逆温强度越大，污染物浓度越高。 表4 逆温与污染浓度的关系
六、 冷锋天气大气边界层内氮氧化物的观测研究 刘毅等（9）利用北京325m气象塔作为高空平台，于1997年10月观测到一次冷锋过程大气边界层内氮氧化物（NOX）体积分数的变化，研究了NOX 体积分数与气象要素之间的关系，着重讨论了冷锋过境前后NOX的体积分数变化及其输送过程的关系。 1、 观测 （1）观测时间与场地 针对1997年10月22-27日冷锋天气过程，利用北京325m气象铁塔，从1997年10月22日至31日进行了大气边境层NOX体积分数的连续观测。气象塔位于北京市正北的三环路与四环路之间，距三环路1km，观测塔东面200m处为南北走向的八达岭高速公路，北面50m处为东西走向的北土城西路。气象观测塔共设置15个观测平台，每层提供风速、风向、温度及湿度连续观测。本研究在280m观测平台放置一台NOX观测仪。仪器放在防雨罩内。进气管为聚四乙烯材料，管路上连接聚四氟乙烯过滤器，滤膜为美国产的Teflon膜。 （2）观测仪器与方法 NOX观测采用美国Thermo Electron公司最新生产的C系列，增加存储功能的自动连续观测仪，仪器的基本参数见表5。 2、 观测结果及分析研究 （1）冷锋过境NOX体积分数变化 根据冷锋经过北京的时间，选择1997年10月22日11:30-23日02:30 NOX的观测资料，进行10min平均，可以得到如图9所示塔层280m高度上10min平均NO及NOX体积分数值。在11:30-15:30期间，280m高度上NO体积分数比较低，最大体积分数仅为5×10-9，平均分数为3.3×10-9；而同期NO2 最大体积分数达38.0×10-9，平均体积分数达32.6×10-9，NO2/NO的比值平均为11.1。280m高度上NO2/NO的比值高于1997年10月13至15日在气象塔低层10m处的观测值6.1。其主要原因是，城市中人为源排放的NOX最初主要是以NO的形式进入低层大气中，NO在向上扩散过程中很快发生下列光化学反应，特别是在午后O3体积分数高的条件下，大部分NO反应（1）转化成NO2，同时NO也可能被诸如HO2等自由基氧化生成NO2，较快的化学转化，使NO2体积分数明显高于NO。 NO + O3 ® NO2 + O2 （1） NO + HO2 ® NO2 + OH （2） NO2 + hv（λ> 0.25mm）® NO + O(3P) (3) O(3P) + O2 + M ® O3 + m (4) 在17:30-20:30期间虽然冷锋已进入北京市区，但风速还较低，NO体积分数已很低，NO2仍维持一定的体积分数，之后随着冷空气主体的到达，NO2体积分数迅速减小到2×10-9以下。 表5 观测仪器基本参数
（2）冷锋过程中NOX体积分数与气象要素的关系 根据冷锋前后风速、气温和相对湿度的变化可以确定本次天气过程结束的时间为26日00时，利用23日00:00至30日10:50期间的NOX资料，对冷锋过程中和过后的NOX体积分数分别进行统计，统计结果如表6所示。冷锋天气过程之后NO和NO2的体积分数及其日变化均有不同程度的增加。 为了进一步分析气象条件对NOX体积分数的影响，结合风速、气温和相对湿度对23日00:00至30日10:50期间NOX体积分数资料进行相关分析，所用资料均为10min平均值，样本数为1074，计算结果如表7所示。从表7看到280m的NO2体积分数与风速呈一定程度的负相关，表明小风不利于扩散的条件有利于NO2在大气边界层内累积形成高体积分数；在冷锋天气过程中280m的NO体积分数很低，与气象要素相关系数均比较小，与风速之间的负相关可能也同小风不利于污染物扩散有关。
图9 1997年10月22-23日280m高度NOX体积分数变化 表6 冷锋天气过程中和过程后NOX的体积分数（10-9）
表7 NOX体积分数与气象要素之间相关系数
由于采样地点位于北京市的北部，向北接近北京郊区，向南是北京城区，风向不同可以反映出不同来源气团的影响。根据NOX资料做不同风向的平均，得到图10的计算结果。从图10中可见，NO主要分布在东南风方向，NO2分布在南风至东南风范围内，这反映了城区排放的污染物对观测地点的影响；还可以看出在风速较高的方向上NOX的体积分数较低，说明扩散过程对污染物体积分数的影响。
图10 280m高度NO（圆实线，单位：10-9）体积分数随风向的分布 综上所述，北京大气边界层中下层NOX体积分数与风向、风速密切相关，在冷锋过程中及以后几天内，小风和偏南风对应着高体积分数的NOX。 参考文献 （1）阮贤舜等，吉林市近地层风场与逆温层特征及其对大气污染的影响，城市气候与城市规划，科学出版社，1985年 （2）刘攸弘等，广州低空逆温气候特征及其与大气污染的关系，城市气候与城市规划，科学出版社，1985年 （3）向可宗，广东边界层气象条件及其对大气污染的影响，热带气象，1986年第3期 （4）韩玺山等，沈阳市边界层气候的若干特征，地理科学，1988年第3期 （5）蒋维楣等，空气污染气象学教程，气象出版社，1993年 （6）蒋维楣等，边界层气象学基础，南京大学出版社，1994年 （7）张波等，成都市边界层流场和大气污染的基本特征，四川气象，1995年第3期 （8）刘立忠等，南京近郊地区初冬大气边界层风、温场的探测和分析，气象科学，1998年第1期 （9）刘毅等，冷锋天气大气边界层内臭氧及氮氧化物的观测研究，大气科学，2000年第24卷第2期 |
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