浅析城市大气风场与污染物

梁霄

摘 要：城市的空气质量与人的生活密切相关，民用、工业过程排放的污染物是造成城市大气污染的主要因素。城市下垫面的基本特征是干、热、粗，其复杂性导致城市的风环境及污染物扩散变得非常复杂。探讨复杂下垫面情况下的大气流动及污染物扩散的机理和规律，对改善人们的生活环境有重要意义。

关键词：非均匀下垫面 大气扩散 湍流 城市热岛

环境与发展是当今世界共同关注的重大问题，酸雨、对流层臭氧的增加和平流层臭氧的减少所引起的全球化学系统的改变、大面积森林的毁坏和荒漠化引起的生态环境不平衡，温室气体积累造成全球气候的变化，是21世纪人类面临的四大环境问题。目前我国经济正处于高速发展期，如能源、交通规模的扩大、城市人口的膨胀、大型工业开发区的发展造成大气污染已不在是一个工厂范围的局部污染问题，环境污染物的排放总量不断增加，污染范围继续扩大，大气污染问题口趋严重。

1 大气污染

大气污染是指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。大气污染是由大气污染源、大气圈和受影响对象组成，将三者作为一个整体，称它们为大气污染系统。

2 大气污染物的分类、危害和影响

大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的那些物质。按其物理形态和化学成分可分为以下几类：

（1）颗粒污染物。指以固体或液体微粒形式存在于空气介质中分散体，自分子大小到大于l0um粒径，有飘尘，降尘等，统称总悬浮微粒（TSP）。（2）碳氧化物。主要是二氧化碳、一氧化碳等气体污染物。（3）氮氧化物。主要是二氧化氮、一氧化氮等气体污染物以及由此可能产生的二次污染物。（4）硫化物。主要是二氧化硫，这是迄今被认为最主要的空气污染物。此外还有如硫化氢等气体污染物以及由二氧化硫化学转化成的硫酸盐等酸性污染物。（5）卤化物。主要有氟化氢、氯气和氯化氢等气体污染物。（6）碳氢化合物。主要包括烷烃、烯烃和芳烃类复杂多样的含碳和氢的有机化合物。（7）氧化剂。主要是指在空气中具有高度氧化性质的一些化合物，如臭氧及其它过氧化物。（8）放射性物质。另外，按照不同情况和研究目的，可以从不同角度对空气污染源进行分类，如按人类活动内容分类、按污染物排放方式分类、按污染源排放位置分类、按污染物排放口分类等。大气是人类赖以生存的基本条件，大气中有害物质通过呼吸道吸入，也可以随饮用水、饮食以及体表接触三个途径侵入人体。大气中污染物种类很多对人体造成的危害各不相同。污染源、污染物以及对人类及其生存环境造成危害与影响，这是构成空气污染问题的基本要素。

3 影响空气污染物的主要因子

大气对污染物的扩散稀释能力随着气象条件的不同而发生巨大变化，污染物向四周散布的速率越高，单位时间参与同污染物混合的空气就越多，也就表明大气的扩散稀释能力越强，污染物质就会很快被稀释到人類可以接受的程度，不致造成污染危害。影响空气污染物扩散的主要因子主要有：

（1）大气边界层结构。空气污染物排放进入大气层，其活动决定于各种尺度大气过程，首先是受到大气边界层湍流活动支配。大气边界层是直接受到地表影响最强烈的垂直气层，它占有整个空气质量的10%，其厚度随天气条件、地表特征而变，一般在1 km - 2km。在这一层里，气流受地面摩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其通量的支配。按动力学特征，常把大气边界层分为三层：贴地层、近地层（通量层），上部摩擦层（Ekman层）。大气边界层与人类活动的关系最为密切、最直接，空气污染问题亦主要发生在这一层中。

（2）风和湍流。空气相对于地面的水平运动的气流称为风，它有方向和大小。排放到大气中的污染物在风的作用下，会被输送到其它地区，风速愈大，单位时间内污染物被输送的距离愈远，混入的空气量愈多，污染物浓度愈低，所以风不但对污染物进行水平输运，而且有稀释冲淡的作用。同时污染物总是分布在污染源的下风方，于是在考虑风速和风向对污染物浓度的影响时，常引入污染系数的概念。

湍流是一种不规则运动，其特征是时空随机变量。由机械或动力作用生成的是机械湍流，如近地面风切变，地表非均一性和粗糙度均可产生这种机械湍流活动。由各种热力因子的热力作用诱发形成的湍流称热力湍流，如太阳加热地表导致热对流泡向上运动，地表受热不均匀或气层不稳定等都可引起热力湍流。一般情况下，大气湍流的强弱取决于热力和动力两种因子。在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，而在中性层结情况下动力因子往往起主要作用。

研究湍流时，把它作为一种叠加在平均风之上的脉动化，由一系列不规则的涡旋运动组成，这种涡旋称湍涡。边界层内最大的湍涡尺度大约和边界层的厚度相当，最小湍涡的尺度只有几个毫米，大湍涡的强度最大，因它是由空气的平均运动动能通过湍流摩擦作用转变来的，小湍涡的能量来自大湍涡，或者说大湍涡将能量传递给小湍涡，小湍涡将能量传递给更小的湍涡，最后由分子粘性的耗散作用，将湍能转变成热能，这一过程称为能量耗散。

大气总是处于不停息的湍流运动之中，排放到大气中的污染物质，在湍流涡旋的作用下散布开来。大气湍流运动的方向和速度都是极不规则的，具有随机性，并会造成流场中各部分之间的混合和交换。

（3）气温与大气稳定度。大气湍流结构与大气层温度分布密切相关，所以在研究大气扩散时，气层的稳定度是很重要的因素。当气层处于不稳定层结时，会促使湍流运动的发展，使大气扩散稀释能力加强，反之大气处于稳定层结时，会对湍流起抑制作用，减弱大气的扩散能力。

（4）辐射与云。太阳辐射是地球大气的主要能量来源，地面和大气层一方面吸收太阳辐射，另一方面不断地放出辐射能。地面及大气的热状况、温度分布和变化，制约着大气运动状态，影响着云与降水的形成，对空气污染起着一定作用。在晴朗的白天，太阳辐射首先加热了地面，近地层的温度升高，使大气处于不稳定状态，夜间地面辐射失去热量，使近地层气温下降，形成逆温，大气稳定。

云对太阳辐射有反射作用，它的存在会减少到达地面的太阳直接辐射，同时云层又加强大气逆辐射，减小地面的有效辐射。

（5）天气形势。一般情况下，在低气压控制时，空气有上升运动，云量较多，如果风速再稍大，大气多为中性或不稳定状态，有利于污染物的扩散。相反在高气压控制下，一般天气晴朗，风速较小并伴有空气下沉运动，往往在几百米或1000 - 2000m的高度上形成下沉逆温，抑制湍流的向上发展。另外，像降水、雾等对空气污染状况也有影响。降水对清除大气中的污染物质起着重要作用，由于有些污染气体能溶解在水中或者与水起化学反应，颗粒污染物与雨滴碰撞可附着在雨滴上并随着降水带到地面，所以降水可以迁移空气污染物。雾是悬浮在大气近面层的小水滴或小冰晶，可以清洗空气中的一些粒子污染物或气体污染物。由于雾是在近地面气层非常稳定条件下产生的，这种条件下，空气污染物不易扩散，所以雾的出现可能会造成不利的地面空气污染状况。

（6）下垫面条件。地形和下垫面的非均匀性，对气流运动和气象条件会产生动力和热力的影响，从而改变空气污染物的扩散条件，例如城市上空的热岛效应和粗糙度效应，有利于污染物的扩散，但在一些建筑物背后局地气流的分流和滞留则会使污染物积聚。由于地形的影响会使地表受热不均匀，从而形成山谷风，以及由于地表性质不均匀形成的海陆风和湖陆风等，都会改变大气流场和温度场分布，从而影响空气污染物散布。

参考文献

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