城市生态学(5.2.2)--城市大气环境

第二节 城市大气环境

一．城市大气

大气环境主要是指与人类生活密切相关的大气圈。地球的大气圈由围绕地球，高达几公里至几十公里的范围内的各种气体混合组成。由于地球引力的作用，大气密度随高度的增加而减少，并逐步过渡到宇宙空间与星际气体物质相连接。

大气圈按气体物质的组成比例是否一致可分为均质层和非均质层（图5-1）。

从地表向上大约80公里或85公里的高度，大气的化学组成按其体积成分比例基本上是一致的，称为均质层，包括对流层，平流层和中间层。均质层里有地球生物赖于生存的干洁大气，即除水汽以外的纯净空气，其主要成分见表5-1所示。

表5-1干洁空气的主要成分

气体种类 分子式 空气中的含量（%）

按体积 按质量

氮 N2 78.09 75.52

氧 O2 20.95 23.15

氩 Ar 0.93 1.28

二氧化碳 CO2 0.03 0.05

臭 氧 O3 0.000001 —

（引自于志熙，1992 ）

对流层：大气最下层为对流层，其下界为地表，其上界在距地表约8-18公里处，夏季比冬季略高。对流层对人类和生物的影响最大，它提供人类及生物生存所必须的碳、氢、氧、氮等元素，这层大气有垂直对流与水平运动，含有杂质，并集中了地球大气总质量的74%以及几乎全部水汽。产生一系列复杂的气候变化，直接影响着人类的生产和生活。而人类的生活和生产活动也反作用于对流层，使大气空气质量发生变化。在对流层上面，有1-2公里的过渡层，称为对流顶层。

图5-1 大气圈的结构

（引自于志熙，1992）

平流层：对流顶层至50-55公里的范围为平流层。这是一个强大的逆温层，垂直运动微弱，气流平稳，水汽和尘埃极少，除偶有贝母云、夜光云外，没有雨、雪、冰雹、雷暴、寒潮、台风等复杂的天气现象。在平流层内，距地表25~50公里处有一圈臭氧层。它能吸收太阳紫外线和宇宙射线，使地球上的人类和其它生物避免受到有害的辐射，成为人类的“保护伞”。

中间层：自平流层顶到80~85公里是中间层。在地球表面上大约85公里以上的大气层为非均质层，由4种气体层所组成，即氮分子层、氢原子层、氦原子层和氪原子层。

热层：从中间顶层以上进入非均质层，气流急剧上升，温度最高可达1100~16500C。这是太阳辐射中的紫外线被该层大气中的氧原子强烈吸收的结果。从85公里到800公里的

气层中，大气密度很小，氧分子和部分氮分子在太阳紫外线辐射作用下分解电离为原子并处于高度电离状态，故称电离层。电离层所反射无线电波，在无线电通讯中有重要意义。

由于城市的形成，城市化、工业化进展的加快，在城市或城市群中由于人类对资源开发利用的强度大，人口密集，其空气的组成成分和其它地域有较大的不同，主要是增加了多种有害成分。因此就形成了城市大气环境。城市大气环境是人类利用和改造自然环境创造出来的高度人工化的城市环境和大气自然环境等诸要素的结合，根据城市地域组织的功能与地域、气象、污染源等诸要素的不同，可以把城市大气环境划分为不同的功能区。城市某区域的大气环境功能是指该区域空间的大气污染物保持某种浓度范围的能力，是对该区域进行开发利用大气环境可能的承载能力。

二．城市大气污染

（一）概述

人类生存完全依赖于空气，一个人一天大约需要1公斤食物，2公斤水和13公斤的空气，而这13公斤空气的体积为1万升。一个人可以7天不进食，5天不饮水，但大脑缺氧8分钟，就会死亡。一个城市环境、空气质量的好坏与居民身体的健康是息息相关的。

空气是一种气体混合物，其主要成分是：氮78.09%，氧20.94%，氩0.93%，二氧化碳0 .03%。

所谓大气污染(air pollution) 是指大气中污染物质的浓度达到有害的程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人和物造成危害的现象。大气污染由污染源、大气圈和受影响者三个环节组成。

大气污染造成的公害事件时有发生。例如1930年比利时发生马斯河事件，主要污染物是二氧化硫和氟化物，数十人死亡。二十世纪40年代初期，伦敦的光化学烟雾，主要污染物是二氧化硫和粉尘，大气中二氧化硫的浓度达到1.34ppm，超出卫生标准的几十倍，粉尘浓度达4.46毫克/立方米，持续时间达4~5天，造成数千人死亡。其危害之严重、死亡人数之多，使世界震惊。在二十世纪50、60年代，随着世界各国工业突飞猛进，大小公害事件也此起彼伏，层出不穷，从而引起各国的重视。70年代以后，各国加强了城市大气的治理，公害事件才得以减少。

（二）空气污染源与污染物

空气污染源分点源和面源。空气污染点源是指集中在一点或可当作一个点的小范围内向空气排放污染物的污染源。它是大气污染物来源之一，工业污染源大多为空气污染点源。空气污染面源是指一个面积大小不可忽略的范围内向空气排放污染物的污染源。如居民普遍使用的取暖锅炉、炊事炉灶等。郊区农业生产过程中排放空气污染物的农田和林场等也属于空气污染面源。其数量大，分布面广，一般较难控制。城市大气污染物除了小部分来自自然源外，主要来源于人类生产和生活活动。城市中大气污染物的来源有两种：一为固定源，二为流动源。

固定源是指污染物从固定地点排出，如各种类型的工厂、火电厂、钢铁厂等。流动源主要指汽车、火车、轮船、飞机，它们与工厂相比虽然是小型的、分散的、流动的，但数量庞大，活动频繁，排出的污染物也是不容忽视的。中国国产汽油车，如北京吉普车废气排放值为：一氧化碳79 .41克/公斤、碳氢化合物4.61克/公斤、氮氧化物0.92克/公斤。

城市的污染物种类很多，已经产生危害或已为人们所注意的有100种左右。主要污染物如表5-2所示。

颗粒状污染物有许多种，按照习惯可划分为：

1．降尘——直径大于10微米的微粒，在空气中很容易自然沉降。

2．飘尘——直径小于10微米的微粒，它在大气中长时间飘浮而不易沉降下来。飘尘中，粒径在0.25-10微米之间的均称为云尘。

3．粉尘——工业生产中由于物料的破碎、筛分、堆放、转运或其他机械处理而产生的直径介于1~100微米之间的固体微粒，其化学组成相当复杂，有镉、铬、铜、铁、锰、钛、锌等，还有许多非金属氧化物、各种盐类及有机化合物。

表5-2洁净空气与污染空气中气体污染物的含量（p p m）

污染 物 洁 净 空 气 污染 空 气

二氧化硫10-3-10-2 0.02-2

二氧化碳 310-330 350-700

一氧化碳 <1 5-200

二氧化氮 10-3-10-2 10-2-10-1

碳氢化合物 <1 1-2

（引自董雅文，1993）

4．烟尘——由于燃烧、熔融、蒸发、升华、冷凝等过程所形成的固态或液态悬浮微粒，其粒径多大于1微米。

5．烟雾——其原意是空气中的煤烟和自然界的雾相结合的产物，推而广之，人们把环境中类似上述产物的现象通称为烟雾。比较典型的烟雾有两种：（1）伦敦型，煤尘、二氧化硫和雾相混合并伴有化学反应产生的烟雾。（2）洛杉矶型，汽车排气和氮氧化合物通过光化学反应形成的烟雾。

6．烟气——含有粉尘、烟雾及有害有毒气体成分的废气。

据统计，上述颗粒状污染物约占整个大气污染物的10%，其余90%全部为气态污染物。 气态污染物的种类也很多，按其成分分为无机气体污染物和有机气体污染物两部分，前者最多。

气态污染物最主要的有：

1．硫氧化物

大多数是二氧化硫，部分是三氧化硫。来自含硫的化石燃料燃烧的废气，它们和固体微粒结合有特别的危险性。全世界每年向大气中排放二氧化硫1.5亿吨，中国每年向大气中排放二氧化硫1800万吨，超过世界平均数近1倍。

2．氮氧化物

主要是一氧化氮和二氧化氮，它们是在高温条件下，氮和空气中的氧化合生成的，因此，以高温燃烧过程为特点的汽车发动机和以矿物燃料为动力的发电站都容易生成氮氧化物。

3．碳氢化物

含有碳原子和氢原子的物质，主要是化石燃料不完全燃烧的产物。

4．碳的氧化物

一氧化碳是一种无色、无味、无臭的气体，可使人眩晕、昏迷，甚至可降低血液中的输氧能力而引起死亡。是碳氢化合物不完全燃烧的产物，80%的来源是汽车尾气排放。

5．微粒

如上所述，微粒有尘、烟、雾3种。大于1微米的固体物质为尘，小于1微米的固体微粒为烟，液体微粒为雾。大于10微米的固体微粒由于重力作用可以降落到地面，又称降尘。小于10微米的固体物质能在大气中飘浮较长时间，如粒径1微米的可在空气中飘浮20-100天，小于0.1微米的甚至可飘浮5-10年，这类称作飘尘。自然界的火山爆发、森林火灾