第四章 不同地形的大气污染扩散

项
目
二氧化硫 北方 （mg／ 南方 m3） 氮氧化物 北方 （mg／ 南方 m3） 颗粒物 （mg／ m3） 降尘 （t/km2· 月） 北方 南方 北方 南方
城市空气污染的另一个特点是浓度的空间分 布很不均匀，对SO2和漂尘这类很普遍的污 染物质也是如此。浓度分布不均匀的根本原 因是污染源分布不均匀，而浓度的大小与所 处位置有关。面源造成的污染浓度主要决定 于上风向几百米范围内的面源强度；点源的 污染范围较窄，短距离内地面浓度可改变几 个数量级。
2．风场特征
①山区风场的第一个显著特点就是其风向、风速的 山区风场的第一个显著特点就是其风向、 水平分布极不规则。 水平分布极不规则。
山区风场和大范围盛行风场可能有很大差别，局地环流和地 形的作用使山区邻近点的风向常常很不一致，当梯度风较强 时，不同地点的风向相关程度高一些，梯度风较小时各点风 向更加不规则。风速也是如此，迎风坡、背风坡、山顶和山 腰两侧的风速都有明显差别。一般山顶和山腰两侧流线密集， 风速较大；迎风坡下部气流受阻，风速减弱。而在背风坡， 流线很快辐散，风速急剧减小。在山的背风面和地形闭塞的 山坳和凹地常出现静风区。
③山区逆温的另一个特点是“多中心”，沟 谷越深，坡越陡，地形越复杂，就越易形成 多个逆温中心。逆温强度的垂直分布也不均 匀，一般随高度减弱。
2．风场特征
山区地形复杂，地表面受热不均匀引起局地环流。 典型的如山谷风环流或更小尺度的局地环流，地形 的起伏改变了低层气流的路径和速度分布。因此山 区实际的风场是在某盛行风的背景下加上述两个方 面因素叠加的结果，所以山区流场的空间结构复杂， 时间变化明显。
总的来说，城市边界层的风场、温度场的分 布和变化规律比平坦的乡村复杂，不同城市 也有明显差异。城市近地层的风速减小，湍 流增强，温度层结更不稳定，扩散稀释速率 白天明显增快，夜间有逆温层顶盖，污染不 易散开。
二、城市污染源
城市几乎包含了所有类型的污染源。 通常是根据城市污染源的特点以及研究目的 和方法制定适当的分类。国外有些城市按燃 料消耗、工业、商业活动、交通运输及灰化 炉等项分类，每一项再分若干项。 从研究大气扩散角度看，最终要求得到三 种类型污染源的资料。
“城市热岛”形成的条件
无云、小风的夜晚，冬季强于夏季 . 表（5-1）北京城区与郊区气温差（℃）（1985年） ）北京城区与郊区气温差（ ）（ 年 季节 温度（℃） 日平均气温 最高气温 最低气温 春季 1.4 1.1 2.2 夏季 1.3 1.1 0.6 秋季 1.6 0.5 1.7 冬季 1.2 0.4 2.7
287 276 1.4 1.0
279 266 32 5 0.4
0.5 0.3 0.5 0.5 0.7 1.1 0.8
该市处于金沙江河谷两岸，地形陡峭，山高谷深，境内的相对高差一般都 是在500～600米以上。表（5－3）中的逆温顶高是指逆温层顶至观测起始点 的相对高度差，该观测点的位置较高，如果从江面算起，则逆温层的厚度应 再增加150米左右。表中的数据都是多年平均值，如果按极值看，强逆温厚 度可达600～800米，强度达4·C／100米以上。从上表中也可以看出，山区逆 温有明显的季节变化，各项指标都是冬季高于夏季。
3．城市污染浓度的日变化 城市近地层温度层结与周围农村不同，形成了不同的空 气污染日变化特征。在乡村，夜间逆温层内的铅直交换十 分微弱，对高架源的污染源来说，近地面是清洁的。而城 市，许多低矮的污染源处在夜间浅薄的混合层内，这一层 风速通常亦较小，所以夜间近地面浓度比农村高。见图 （5－6）。
图（5-6） 夜间乡村、城市中高架源扩散示意图
这说明冬季热岛效应比夏季强，并且夜间或 清晨日出前热岛效应显著。最高气温的差值 全年相对于最低气温差来说一般是小的，亦 即白天热岛效应不明显。
城市气温的铅直分布与周围农村不相同
这Hale Waihona Puke 影响城市大气扩散的一个重要因素从图中可以看出白天，城市和乡村近地面气温较高，温度层结 是超绝热的，形成一个深厚的混合层。日落之后，乡村近地面 气温渐渐下降，逐步形成由地面向上发展的逆温层，稳定气层 的厚度可达数百米。但是，当空气移到相对粗糙和暖和的城市 上空以后，从下部向上加热，近地面重新改变成超绝热或中性 的温度层结，形成一个薄的混合层，上部则仍维持从乡村移行 过来的逆温，构成了城市上空特有的上部逆温。
城市热岛效应的温度分布特征可归纳如下：
①城市热岛的强度和城市的大小，每天的时间以及气象条件 有关，大城市的热岛强度较强，同一城市夜间比白天强，无 风的晴夜强度最大。 ②城市上空很少出现夜间地面逆温，而是有一层或多层上 部逆温；乡村地区却经常出现从地面向上发展的逆温，较少 出现上部逆温。 ③乡村气温的昼夜变化是很有规律的，但城市温度变化规 律就不太明显。 ④热岛中心向下风向偏移，它直接影响的上限在50～400 米范围内，有时可接近一千米。
②由于山区地形对太阳辐射的阻挡，逆温形 成时间比平原早，消散时间比平原迟。山区 逆温的生消与局地地形有关。地形陡峭，相 对高差大的山区，全年逆温天数多，强度大， 逆温层深厚，持续时间也长。就季节差异来 说，一天之中山区逆温持续时间冬季比夏季 长，逆温强度也是冬季最强，夏季最弱。
渡口市07时逆温状况
—、山区的气侯特征 、
1．温度场特征
①由于地形作用，辐射逆温大为增强，夜间山坡冷却较快， 冷空气沿山坡下滑，在谷地堆积，山谷凹地风速较小，湍流 微弱，逆温发展比平原快，厚度厚，强度大。见图（5－9） 美国多诺拉谷地逆温。 相反，在山顶和坡地，因风 速较大，湍流较强，加上冷 空气下滑换来较暖空气上升， 因此夜间冷却比平原和山谷 地带和缓，因而山顶和坡地 上空逆温也较弱。
1．弧立高耸源： 即高架连续点源。要了解污染物的成分、性质、源强和 源强随时间的变化、源的位置、高度和抬升高度（计算抬 升高度需要的源参数）。这类污染源的排放量通常都比较 大，在空气污染分析中应逐个考虑。 2．低矮分散源 它包括居民燃烧源。这类源的排放量很小，但数量很多， 在分析计算中不可能作为单独的点源逐个考虑，通常当成 面源处理。通过污染调查，应当得出城市面源强度的分布 和它的时间变化。 3．活动源 主要是汽车交通工具的污染排放。常作为专门的空气污染 问题进行研究。
“热岛”形成的原因是城市固有特点造成 的
地面粗糙大，近地面层风速比农村要小，一般低 20～30％ 城市地面反射率一般比农村小10％，故城市接受太 阳辐射能量比同样大面积农村多。 城市上空气溶胶等污染物质多，导致有效辐射减少。 城市雨水能及时由地下排走，地面蒸发耗热比农村 少 加上人为的热源，最终导致城市边界层热层结的改 变。
（二）气象资料的获取及处理 1．风 （1）地面（10m高处）风向风速的统计 （2）风速随高度的变化 2．逆温层分布 3．大气稳定度状况 4．混合层厚度 （三）空气污染物浓度的监测与分析 （四）建立扩散模式和计算公式 （五）模式计算精度与可能产生误差分析
第二节 山区空气污染扩散 我国山地、丘陵约占全国总面积的2／3以上， 大部分农田、森林分布在这些地区，许多工 矿企业和城市集镇位于山区、丘陵地带。随 着经济的发展，在这类地区还将建设更多的 工矿企业，因此研究这类地区的大气污染扩 散具有实际意义。
1 月份 出现天数 28.3 逆温顶高 375 （米） 逆温强度 1.4 （℃/100） 25.2 28. 3 285 1.5 21.3 14.8 7.2 264 0.7 7.5 5.8 11. 17. 19. 28. 215. 5 7 5 2 3 29 8 348 405 416 318 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年
第四章 不同地形的大气污染扩散
第一节 城市空气污染扩散
城市区别于乡村的特点是： ①城市建筑增加了下垫面的粗糙度； ②城市的生产和生活使它成为人工热源； ③城市污浊的空气改变了辐射收支； ④城市下垫面植被少，干燥，蒸发消耗热量 较少。城市的特点改变了城市边界层的气象 条件，污染物的扩散规律也与农村不完全相 同。
4．城市污染的年变化 城市污染有明显的季节变化。以SO2和飘尘 来说，一般冬季浓度最高，春、秋次之，夏 季最低；春季和秋季污染浓度的相对变化比 较大。这些变化都是与污染物排放量以及气 象条件变化的特征相吻合。见表（5－2）南 北方大气污染季节变化比较。
表（5－2） 南北方大气污染季节变化比较 － ） 春 0.090 0.091 0.047 0.040 0.788 0.466 43.88 20.60 夏 0.044 0.061 0.036 0.031 0.561 0.381 30.11 15.97 秋 0.094 0.083 0.057 0.038 0.702 0.381 31.61 15.64 冬 0.236 0.155 0.076 0.047 1.080 0.681 41.58 18.67
三、城市空气污染特征
城市下垫面、气象条件和污染的特殊条件形成了城市 大气扩散和空气污染的特征。
1．城市的大气扩散速率明显增大 国内外的观测均表明，在相同天气条件下， 城市扩散参数比乡村大，相当于帕斯圭尔扩 散曲线向不稳定方向提高1～2级。
三、城市空气污染特征
2．城市扩散包含两种主要运动尺度。 这是它的另一重要特点。一种是城市中尺度 （几公里至几十公里）的扩散，一般的城市 扩散模式主要描写这种尺度的扩散过程。另 一种是城市微尺度扩散，由街道和建筑物的 动力效应引起的。仅仅模拟前一种扩散，就 不能描绘微尺度扩散影响，无法解释某些局 部的浓度变化和空气污染现象。
一、城市气候特征
1．“热岛”效应 ． 热岛”
首先，城市的气温与周围农村不同，工业和家庭消 耗大量燃料，使城市成为一个巨大的热源，大城市 的热释放量可以与接受的太阳辐射能相比拟。例如 柏林每年人工热源释放的热量相当于直接太阳辐射 能的1／3左右。由于城市净热量收入比周围农村多， 气温比较高。根据统计中等以上的城市的年平均温 度比周围农村高1℃左右，这就是所谓的“城市热 城市热 岛效应”。 岛效应
①从00点－04点，此时薄的夜间混合层虽然不利于扩散， 但地面浓度很低。这是由于许多生产活动暂时停止，污染 物排放量大为减少之故。这一段时间内气象条件没有明显 变化，污染物浓度改变不大。 ②黎明前后，城市活动逐渐增加，污染排放量越来越大， 但湍流混合强度增大不多，所以地面浓度上升，到08点左 右达最大值。 ③此后因混合层向上发展，风速加大，但污染排放量不 再进一步增加，污染浓度减小，到午后混合充分发展时降 到白天的最低值。 ④接近日落时，混合层高度开始降低，风速逐渐减小。 此时，郊区近地面开始形成稳定气层，城市则逐渐形成薄 的混合层，地面浓度再一次增加。成为第二个高峰——次 高峰，直到城市的生产和生活开始减少为止。 ⑤随着污染物排放量的减少，污染浓度下降到最低点， 整个周期从凌晨前后又重新开始。
2．动力效应
热岛改变了温度场，当然也会影响到风场，首先。是热 岛环流，它的作用在晴朗无风的天气最强。此时在近地面 形成一种从周围乡村吹向城市的特殊局地风称为“城市 风”。气流在城市中心辐合上升，通常在300～500米高 度向四周辐散。见图（5－3）城郊之间的环流。
城市下垫面对流场的动力效应是影响城市气象条件的另一 个重要因素，首先是在整个城区增加了地面粗糙，空气流 经粗糙的城市表面时会产生更多的湍流，水平和铅直湍流 交换强度都比平坦的乡村大得多，进而改变了风随高度的 分布状况。
四、城市多源扩散模式
城市多源扩散模式的应用主要是对城市区域 或大工业区进行空气污染物分布的模拟处理， 它对城市空气污染管理与控制具有重要意义。
进行这类模式操作一般包括以下五个组成部分 （—）污染源的调查与编目 1．污染源的调查 （1）确定污染源的性质 它包括确定高架点源、线源和面源的原则 标准 （2）对三种污染源调查及资料搜集 2．污染源的编目
日出后的一个短时间内，混合层发展到源高附近，可形成 漫烟型污染，地面污染浓度较高，即下面为湍流扩散，上 面仍有顶盖，阻止扩散到高空去。城市、乡村都有类似情 况。见图（5－7）早晨和中午中高架源扩散示意图。
城市空气污染实际的日变化是气象条件与污染物排放率 日变化的综合结果。一些城市的空气污染监测表明，地面 浓度常出现两个高峰值。日出之后一个高峰，傍晚以后常 出现次高峰。日变化的典型过程如下。见（图5-8）北京 市工业区二氧化硫浓度日变化。