综述 第10卷第6期 沙漠与绿洲气象 2016年12月 Desert and Oasis Meteorology 李霞,贾健复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展团沙漠与绿洲气象,2016.106):1-10 di:10.3969sn1002-0799201606001 复杂地形多尺度气流对城市大气污染 影响的研究进展 李霞·2,贾健 (1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐83002;2.中亚大气科学研究中心,新疆鸟鲁木齐830002 3乌鲁木齐市气象局,新疆鸟鲁木齐830006) 摘要:复杂地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地带。复杂地形下的大气污染传输、扩散 机制是一个复杂的问题。本文依据城市地形地貌将复杂地形归类为河谷地形、三面环山临海地 形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形。结合国内外对这5类地形下城市污染物传输扩散及污染 形成机制的研究成果,介绍了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的 特点及其对污染传输扩散的影响,期望能够为其它复杂地形城市污染形成机制硏究和大气污染 防治提供一些借鉴。 关键词:复杂地形;城市;多尺度气流;大气污染物;传输扩散 中图分类号:X51 文献标识码:A 文章编号:1002-0799(2016)06-0001-10 随着我国经济持续高速发展,工业化和城市化年1月,罕见的连续高强度霾污染席卷了我国中东 进程不断加速,伴随着城市人口的增长,机动车保有部地区,受影响人口约6亿人。无论是发生在欧美 量暴增,能源大量集中消耗,道路等交通设施和污染国家的重污染事件,还是当今国内的强雾霾事件,无 物脱除技术严重滞后,导致城市和城市群区域大气疑都是自然界向人类社会敲响警钟。 污染日趋严重。人类生存环境面临着前所未有的 仔细梳理这些重大污染事件的成因,可见几类 危机,因此大气环境成为当前人类生存科学研究最因素起了关键性作用。第一,过量的大气污染物排放 为重要的组成部分。环境污染作为一个重大的社无疑是首要原因。如“四日市哮喘事件”,全市大气中 会问题,是从产业革命开始的。欧美一些发达国家SO2浓度超出标准5-6倍。第二,合适的气象条 在20世纪3060年代接连发生了一系列震惊世界件。从比利时马斯河谷烟雾事件到美国多诺拉烟雾 的大气污染事件,如1930年比利时马斯河谷事件、事件、再到伦敦烟雾事件,大雾是比较普遍的天气现 1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件、1948年美国多象,同时伦敦近乎静风,多诺拉空气无垂直运动,三 诺拉烟雾事件、1952年英国伦敦烟雾事件、1961年个城市上空一致呈现逆温层结門。2013年1月京津 日本四日市哮喘事件等。这些重污染事件有的仅持冀霾污染过程期间,中东部偏北地区大气异常稳定, 续短短数日,但是瞬间就导致了数百上千人的死空气垂直运动弱,冷空气过程少,湿度大,无降水,造 亡我国兰州20世纪70年代出现了光化学烟雾成污染物积累叠加叫。第三,特殊的地形助长了污染 污染,80年代珠三角地区灰霾天气显著增加叨,90事件的发生。上述城市多数都处在复杂地形下,如马 年代末乌鲁木齐跻身于世界十大污染城市阍。2013斯河谷、多诺拉、兰州都属于河谷地形,洛杉矶、四日 市、珠三角地区则处于三面环山临海的海湾里,北京 收稿日期:2016-08-06;修回日期:2016-09-06 位于马蹄型地形之中,乌鲁木齐则处在峡口的开口 基金项目:中国沙漠气象科学研究基金(Sq201014,国家自然科学处。复杂地形下垫面的非均匀性会对气流运动和气 基金(41575011),中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 项目(IDM201501)共同资助 象条件产生动力和热力的影响,引起局地环流,如山 作者简介:李霞(1969-),女,副研究员,主要从事大气环境研究。E 谷风、过山气流、海陆风、城市热岛环流等,各种尺度 mail: lixia@idmcn 动非线性相互作用,对污染物的扩散传输影响很
沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 综 述 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 复杂地形多尺度气流对城市大气污染 影响的研究进展 李 霞1，2，贾 健 3 （1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830006） 摘 要：复杂地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地带。复杂地形下的大气污染传输、扩散 机制是一个复杂的问题。本文依据城市地形地貌将复杂地形归类为河谷地形、三面环山临海地 形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形。结合国内外对这 5 类地形下城市污染物传输扩散及污染 形成机制的研究成果，介绍了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的 特点及其对污染传输扩散的影响，期望能够为其它复杂地形城市污染形成机制研究和大气污染 防治提供一些借鉴。 关键词：复杂地形；城市；多尺度气流；大气污染物；传输扩散 中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1002-0799（2016）06-0001-10 李霞，贾健.复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：1-10. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.001 收稿日期：2016-08-06；修回日期：2016-09-06 基金项目：中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2011014），国家自然科学 基金（41575011），中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 项目（IDM201501）共同资助。 作者简介：李霞（1969-），女，副研究员，主要从事大气环境研究。Email：lixia@idm.cn 随着我国经济持续高速发展，工业化和城市化 进程不断加速，伴随着城市人口的增长，机动车保有 量暴增，能源大量集中消耗，道路等交通设施和污染 物脱除技术严重滞后，导致城市和城市群区域大气 污染日趋严重[1]。人类生存环境面临着前所未有的 危机，因此大气环境成为当前人类生存科学研究最 为重要的组成部分[2]。环境污染作为一个重大的社 会问题, 是从产业革命开始的。欧美一些发达国家 在 20 世纪 30—60 年代接连发生了一系列震惊世界 的大气污染事件，如 1930 年比利时马斯河谷事件、 1943 年美国洛杉矶光化学烟雾事件、1948 年美国多 诺拉烟雾事件、1952 年英国伦敦烟雾事件、1961 年 日本四日市哮喘事件等。这些重污染事件有的仅持 续短短数日，但是瞬间就导致了数百上千人的死 亡[3-5]。我国兰州 20 世纪 70 年代出现了光化学烟雾 污染[6]，80 年代珠三角地区灰霾天气显著增加[7]，90 年代末乌鲁木齐跻身于世界十大污染城市[8]。2013 年 1 月，罕见的连续高强度霾污染席卷了我国中东 部地区，受影响人口约 6 亿人[1]。无论是发生在欧美 国家的重污染事件，还是当今国内的强雾霾事件，无 疑都是自然界向人类社会敲响警钟。 仔细梳理这些重大污染事件的成因，可见几类 因素起了关键性作用。第一，过量的大气污染物排放 无疑是首要原因。如“四日市哮喘事件”，全市大气中 SO2 浓度超出标准 5耀6 倍[4]。 第二，合适的气象条 件。从比利时马斯河谷烟雾事件到美国多诺拉烟雾 事件、再到伦敦烟雾事件，大雾是比较普遍的天气现 象，同时伦敦近乎静风，多诺拉空气无垂直运动，三 个城市上空一致呈现逆温层结[5]。2013 年 1 月京津 冀霾污染过程期间，中东部偏北地区大气异常稳定， 空气垂直运动弱，冷空气过程少，湿度大，无降水，造 成污染物积累叠加[1]。第三，特殊的地形助长了污染 事件的发生。上述城市多数都处在复杂地形下，如马 斯河谷、多诺拉、兰州都属于河谷地形，洛杉矶、四日 市、珠三角地区则处于三面环山临海的海湾里，北京 位于马蹄型地形之中，乌鲁木齐则处在峡口的开口 处。复杂地形下垫面的非均匀性会对气流运动和气 象条件产生动力和热力的影响，引起局地环流，如山 谷风、过山气流、海陆风、城市热岛环流等，各种尺度 运动非线性相互作用，对污染物的扩散传输影响很 1
综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 大,以至于扩散理论都难以阐释清楚,往往需借助于 边界层顶逆温 高度 大气扩散实验结果来阐述复杂因素門。鉴于复杂地 山顶加热 山顶加热 形下的大气污染机制仍是环境领域的一个重要研究 课题,大气污染理论和预测方法还需要进一步深入 和完善,而我国许多污染极为严重的城市又都是处 于复杂地形的山地、沿海地带,因此加强对复杂地形 大气逆温层 条件下大气污染问题研究仍是当务之急,这无论 在理论上还是实际应用上均有重要科学意义。 上坡风 上坡风 世界上污染严重的诸多城市先后开展了复杂地 形条件下大气污染的传输和扩散规律研究,抓住物 理本质并建立了相应的物理模型,为大气污染防治 位温 提供了有力支撑。本文将复杂地形归为5类予以论图1兰州河谷地形形成白天大气逆温层的示意图 述,分别是河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形 (摘自文献[17]) 马蹄型地形、峡口地形。 兰州市这种特殊的近乎封闭的极端河谷地形另 1河谷地形 方面起到了很好的屏障作用,阻挡了气流流通,导 黄河自西向东穿过兰州,由于南北受两山夹峙,致山谷地面静风频率比较高,市区一般很少超过 整个市区处在呈哑铃型的河谷之中,因此兰州属于2ms,平均值大约为1m/s四。同时,河谷城市典型 典型的河谷城市。从20世纪70年代以来,围绕兰州的风场特征为白天盛行谷风,夜间盛行山风。从 大气环境问题的研究取得了丰富的成果。本文以兰图2可见,白天兰州城关区由南北两山和谷口向谷 州为例,剖析河谷地形城市多尺度气流在重污染形中辐合;夜间,城关区地面流场为辐合态势,气流由 成中的作用。基于大量的野外观测试验和模拟研究南北方向向盆地中心辐合。原因就是受南北两山的 表明:兰州城市逆温持续时间长,只有午后较短阶段夹峙作用,山风使气流由山坡向河谷盆地下泻,加上 逆温消失;逆温层较为深厚,最高可达800m。城市夜间的热岛效应,进一步增强了地面流场的辐 对于兰州市逆温形成的物理机制,胡隐樵等总结合作用四。数值模拟再次表明兰州冬季夜间为辐合 了三大主要原因:白天山峰加热效应、夜间冷湖效应流场、白天为辐散状态。研究表明白天热岛环流抑制 以及气溶胶的增温效应。“山峰加热效应”是指在山谷风环流,夜间则增强山风环流,但是冬季夜间兰 地地区,白天水平温度差异驱动热力环流将山顶上州市区和山谷上空存在较厚的逆温层,抑制了气流 加热的气团输送到谷地上空,谷地形成脱地逆温的的上升运动。张强四分析得出兰州市山谷气流的 这种效应。同时,重污染日白天的气溶胶可以通过 Froude数通常在00750.324,远小于1,所以一般 散射和吸收太阳辐射达到削弱到达谷底太阳辐射量的天气条件下冬天兰州市山谷的地面气流不可能沿 的效果,这就是气溶胶的增温效应。夜晚,山坡上山坡爬升,只能在山谷中回转,因此地面污染物不易 由于地表向外的辐射冷却导致山坡上的大气降温,输送出去 产生下坡风将冷空气输入谷底,形成谷地逆温,这就 是冷湖效应1。张强等进一步认为兰州市白天和2三面环山临海地形 夜间的大气逆温层各有不同的形成机制。在受污染 三面环山临海地形,即三面都被山地环绕,一边 物气溶胶明显影响之前,夜间大气逆温层的形成主面朝大海,这种地形一般属于典型的海洋性气候。世 要靠地表辐射冷却效应以及山谷地形和干旱环境下界上此类地形污染较重的城市除了洛杉矶、四日市, 裸露地表形成的强下坡风作用;白天大气逆温层的还有希腊的雅典和我国珠江三角洲地区等。这类地 形成主要靠太阳对地表加热所形成的上坡风作用和形下会出现山谷风、海陆风以及城市热岛环流。在洛 山顶的强加热效应以及大气污染物对太阳辐射的吸杉矶附近,由于海陆热力差异和复杂地形的影响,加 收和削弱作用。同时干旱环境下裸露地表使得之逆温层的笼罩,地面风场极其复杂。白天山脉附近 地形作用更加明显(图1)。由此可见,山地地区的热的谷风驱动盆地空气流动,并增强了海风P。来自 力环流对逆温的形成和维持作用很大。 盆地的气流爬上山顶,通过垂直运动的混合,可上升
沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 综 述 大，以至于扩散理论都难以阐释清楚，往往需借助于 大气扩散实验结果来阐述复杂因素[9]。鉴于复杂地 形下的大气污染机制仍是环境领域的一个重要研究 课题，大气污染理论和预测方法还需要进一步深入 和完善，而我国许多污染极为严重的城市又都是处 于复杂地形的山地、沿海地带，因此加强对复杂地形 条件下大气污染问题研究仍是当务之急[10]，这无论 在理论上还是实际应用上均有重要科学意义。 世界上污染严重的诸多城市先后开展了复杂地 形条件下大气污染的传输和扩散规律研究，抓住物 理本质并建立了相应的物理模型，为大气污染防治 提供了有力支撑。本文将复杂地形归为 5 类予以论 述，分别是河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形、 马蹄型地形、峡口地形。 1 河谷地形 黄河自西向东穿过兰州，由于南北受两山夹峙， 整个市区处在呈哑铃型的河谷之中，因此兰州属于 典型的河谷城市。从 20 世纪 70 年代以来，围绕兰州 大气环境问题的研究取得了丰富的成果。本文以兰 州为例，剖析河谷地形城市多尺度气流在重污染形 成中的作用。基于大量的野外观测试验和模拟研究 表明：兰州城市逆温持续时间长，只有午后较短阶段 逆温消失[11]；逆温层较为深厚，最高可达 800 m[12-13]。 对于兰州市逆温形成的物理机制，胡隐樵等[10]总结 了三大主要原因：白天山峰加热效应、夜间冷湖效应 以及气溶胶的增温效应。“山峰加热效应”是指在山 地地区，白天水平温度差异驱动热力环流将山顶上 加热的气团输送到谷地上空，谷地形成脱地逆温的 这种效应[10]。同时，重污染日白天的气溶胶可以通过 散射和吸收太阳辐射达到削弱到达谷底太阳辐射量 的效果，这就是气溶胶的增温效应[14]。夜晚，山坡上 由于地表向外的辐射冷却导致山坡上的大气降温， 产生下坡风将冷空气输入谷底，形成谷地逆温，这就 是冷湖效应[15-16]。张强等[17]进一步认为兰州市白天和 夜间的大气逆温层各有不同的形成机制。在受污染 物气溶胶明显影响之前，夜间大气逆温层的形成主 要靠地表辐射冷却效应以及山谷地形和干旱环境下 裸露地表形成的强下坡风作用；白天大气逆温层的 形成主要靠太阳对地表加热所形成的上坡风作用和 山顶的强加热效应以及大气污染物对太阳辐射的吸 收和削弱作用[18-21]。同时干旱环境下裸露地表使得 地形作用更加明显（图 1）。由此可见，山地地区的热 力环流对逆温的形成和维持作用很大。 图 1 兰州河谷地形形成白天大气逆温层的示意图 （摘自文献[17]） 兰州市这种特殊的近乎封闭的极端河谷地形另 一方面起到了很好的屏障作用，阻挡了气流流通，导 致山谷地面静风频率比较高，市区一般很少超过 2 m/s，平均值大约为 1 m/s[22]。同时，河谷城市典型 的风场特征为白天盛行谷风，夜间盛行山风[22-23]。从 图 2 可见，白天兰州城关区由南北两山和谷口向谷 中辐合；夜间，城关区地面流场为辐合态势，气流由 南北方向向盆地中心辐合。原因就是受南北两山的 夹峙作用，山风使气流由山坡向河谷盆地下泻，加上 城市夜间的热岛效应，进一步增强了地面流场的辐 合作用[22]。数值模拟再次表明兰州冬季夜间为辐合 流场、白天为辐散状态。研究表明白天热岛环流抑制 谷风环流，夜间则增强山风环流[23]，但是冬季夜间兰 州市区和山谷上空存在较厚的逆温层，抑制了气流 的上升运动[24]。张强[25]分析得出兰州市山谷气流的 Froude 数通常在 0.075~0.324，远小于 1，所以一般 的天气条件下冬天兰州市山谷的地面气流不可能沿 山坡爬升，只能在山谷中回转，因此地面污染物不易 输送出去。 2 三面环山临海地形 三面环山临海地形，即三面都被山地环绕，一边 面朝大海，这种地形一般属于典型的海洋性气候。世 界上此类地形污染较重的城市除了洛杉矶、四日市， 还有希腊的雅典和我国珠江三角洲地区等。这类地 形下会出现山谷风、海陆风以及城市热岛环流。在洛 杉矶附近，由于海陆热力差异和复杂地形的影响，加 之逆温层的笼罩，地面风场极其复杂。白天山脉附近 的谷风驱动盆地空气流动，并增强了海风[26-27]。来自 盆地的气流爬上山顶，通过垂直运动的混合，可上升 2
李霞等:复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 图2兰州城关区夜间(a)、白天(b)地面风场(摘自文献[22]) 到较高的高度,进而与高层气流将盆地内空气向外力差异、山谷热力差异还在发展之中,因此海风和山 传输回。凵u等圖概括了洛杉矶污染传输的物理模型坡上的上坡风还比较弱。(3)下午海风入侵内陆期。 (图3),分为4个阶段:(1)清晨大气处于相对稳定下午,海风发展强盛且向内陆挺进,海洋上的空气由 期。海岸附近的大气可分为3层结构,近地层为云系此入侵内陆。此时,近地层的污染物或通过海风环流 较多的海洋层,其上是由于大气下沉绝热增温而形抬升、对流,或进入到稳定层,进而空中出现了一层 成的强逆温层,逆温层之上是自由大气。(2)中午混污染物汇聚层,即抬升的污染层。由此,海岸地区 合层发展期。上午下垫面因辐射加热,形成湍流,加部分抬升的污染物在逆温层中积聚,另一部分污染 热了陆地上海洋层内的较冷空气,进而形成混合层。物则对流进入到山顶上的自由大气层之中。(4)夜晚 混合层通过不断裏挟覆盖其上的暖空气而得以发混合层稳定期。夜晚边界层趋于稳定,混合层内的暖 展,此时边界层的污染物混合较为均匀。由于海陆热空气沿山坡上升进而禁锢在逆温层内。洋面上的较 冷气团继续推向内陆,导致内陆上空再一次形成海 Early Moming 洋层,最初的3层结构再一次重建。整个沿岸地区都 可见到抬升的污染层P。 我国珠江三角洲地区下垫面复杂,罗平山脉是 Inversion layer 它西面和北面的界限,东侧罗浮山区是三角洲的东 界,类似倒置三角形。改革开放以来,珠江三角洲城 Noon, Mixed Layer Growth 市群空气污染由局地污染演变成区域性空气污染。 Free atmosphere 在大量研究基础上國3,№u等國建立了珠江三角洲 地区夏秋两类不同天气条件下的污染概念模型(图 4),即暖季冷锋前污染型(图4a)和副热带气旋下沉 Marine layer 污染型(图4b)。从图4a可见,当北面入侵的冷空气 Aftermoon, Sea-breeze Inland Intrusion 相对较弱,浅薄的冷空气由北向南推进时,翻越南岭 Free atmosphere 山脉的冷空气由于山脉地形作用使其楔入深厚的暖 Inversion layer 湿空气下方,在边界层内形成弱逆温,此时风速较 小,易造成珠三角地区区域性的空气污染;图4b则 说明,当珠江三角洲地区上空受强下沉气流(如台风 Evening, Mixed Layer Stabilizition 登陆前的下沉气流)或持续时间长的下沉气流(副热 Free atmosphere 带高压)控制时,容易形成大范围的逆温,出现静小 风,大气扩散能力差,污染物无法向上扩散,而且在 Inversion layer 下沉气流的作用下,较高高度上的污染物被下沉气 流带到较低层累积,造成贴地层的空气污染指数猛 图3在山地包围的海岸平原地带,强逆温控制下增,空气质量变差甚至变得恶劣。 的环流与输送概念图(摘自文献[28])
李霞等：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 到较高的高度，进而与高层气流将盆地内空气向外 传输[27]。Lu 等[28]概括了洛杉矶污染传输的物理模型 （图 3），分为 4 个阶段：（1）清晨大气处于相对稳定 期。海岸附近的大气可分为 3 层结构，近地层为云系 较多的海洋层，其上是由于大气下沉绝热增温而形 成的强逆温层，逆温层之上是自由大气。（2）中午混 合层发展期。上午下垫面因辐射加热，形成湍流，加 热了陆地上海洋层内的较冷空气，进而形成混合层。 混合层通过不断裹挟覆盖其上的暖空气而得以发 展，此时边界层的污染物混合较为均匀。由于海陆热 力差异、山谷热力差异还在发展之中，因此海风和山 坡上的上坡风还比较弱。（3）下午海风入侵内陆期。 下午，海风发展强盛且向内陆挺进，海洋上的空气由 此入侵内陆。此时，近地层的污染物或通过海风环流 抬升、对流，或进入到稳定层，进而空中出现了一层 污染物汇聚层，即抬升的污染层。由此，海岸地区一 部分抬升的污染物在逆温层中积聚，另一部分污染 物则对流进入到山顶上的自由大气层之中。（4）夜晚 混合层稳定期。夜晚边界层趋于稳定，混合层内的暖 空气沿山坡上升进而禁锢在逆温层内。洋面上的较 冷气团继续推向内陆，导致内陆上空再一次形成海 洋层，最初的 3 层结构再一次重建。整个沿岸地区都 可见到抬升的污染层[28]。 我国珠江三角洲地区下垫面复杂，罗平山脉是 它西面和北面的界限，东侧罗浮山区是三角洲的东 界，类似倒置三角形。改革开放以来，珠江三角洲城 市群空气污染由局地污染演变成区域性空气污染。 在大量研究基础上[29-32]，Wu 等[33]建立了珠江三角洲 地区夏秋两类不同天气条件下的污染概念模型（图 4），即暖季冷锋前污染型（图 4a）和副热带气旋下沉 污染型（图 4b）。从图 4a 可见，当北面入侵的冷空气 相对较弱，浅薄的冷空气由北向南推进时，翻越南岭 山脉的冷空气由于山脉地形作用使其楔入深厚的暖 湿空气下方，在边界层内形成弱逆温，此时风速较 小，易造成珠三角地区区域性的空气污染；图 4b 则 说明，当珠江三角洲地区上空受强下沉气流（如台风 登陆前的下沉气流）或持续时间长的下沉气流（副热 带高压）控制时，容易形成大范围的逆温，出现静小 风，大气扩散能力差，污染物无法向上扩散，而且在 下沉气流的作用下，较高高度上的污染物被下沉气 流带到较低层累积，造成贴地层的空气污染指数猛 增，空气质量变差甚至变得恶劣[33]。 图 2 兰州城关区夜间（a）、白天（b）地面风场（摘自文献[22]） 图 3 在山地包围的海岸平原地带，强逆温控制下 的环流与输送概念图（摘自文献[28]） 3
综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 气流减速。傍晚和夜间盆地的冷却作用与白天太阳 辐射加热量相当,能够快速插入盆地底层,造成了盆 地内辐合上升运动。Fast和 Zhong详细分析了导 致地面出现高浓度O3的地面风场,发现辐合区在墨 西哥城内南北摆动。这是源于 Chalco山口的山口风 入侵盆地后,与源自北方墨西哥高原、裹挟大量污染 物的偏北气流遭遇的结果。Foy等鷗指出墨西哥城 盆地内部环流型取决于两类辐合带的相互作用 是来自太平洋海风和墨西哥湾海风较量中形成的辐 图4在不同的天气条件下珠江三角洲地区边界层合带,另一个是南来的山口风与来自盆地的偏北气 对重污染影响的物理模型修订版(a)暖季冷锋前污流作用形成的辐合带,并由此概括了3种高浓度O 染型和(b)副热带气旋下沉污染型(摘自文献〖33]发生的天气模型,即O3南部型(O3-Sσut)O3北部 型(O3-Noth)、冷涌型( Cold Surge)。其中,O3南部型 3盆地地形 是指O3高值区出现在墨西哥城南部城区,彼时下午 盆地的主要特征是四周高、中部低,因盆状得一股较弱的山口风在东南部城区伴随出现。O3北部 名。前文的兰州、洛杉矶、雅典等地都有盆地之说。借型则指在强大的山口风和盆地西部、南部边缘气流 鉴上文的分析,可以推断影响盆地大气污染的气象的共同作用下,O3峰值区出现在偏北城区的状 条件中,逆温形成机制和河谷城市兰州类似;对于风况。冷涌型是指当日寒冷的偏北气流横扫盆地的 场,除了考虑大范围气流影响以外,局地需要考虑山状况。 谷风、热岛环流。一般来说盆地有山口和外界相通, 图5很好地阐释了这3种污染类型高低空气流 并不是完全封闭的,因此就会有另外的因素如山口的昼夜演变情况。在O3南部型日子里,东太平洋洋 风等影响盆地的边界层结构及其环流。如果盆地距面被高压系统控制,天气系统和盆地内外热力差异 离海洋较近,影响因素就会更加复杂。世界上盆地出的影响都比较弱。夜晚生成的南风下泄气流到白天 现污染的地区有我国的四川盆地、尼泊尔首都加让路于源于墨西哥高原的西北气流,下午盆地又被 德满都門、墨西哥首都墨西哥城到等。本文就以墨来自墨西哥海湾的东北气流主导,导致O3向南部城 西哥城为例介绍盆地多尺度气流运动的相互作用特区输送,直到凌晨这种局面才发生转变(图5a)。在 O3冷涌型日子里,天气系统的影响很强,盆地环流 人口稠密的墨西哥城位于墨西哥盆地的西南则比较弱。白天盆地里盛行从墨西哥海湾吹来的东 部,盆地底部较为平坦,海拔2250m。盆地三面山脊北风,夜晚则是被墨西哥高原/平洋气团导致的西 包围,山脉高度不一,盆地北部有一个较为宽阔的开北气流代替。尽管这种状况下为多云或降水天气,但 口,东南方有一个狭窄的 Chalco山口,盆地底部相是高浓度O3仍然可以出现在市中心地带。这一部分 对深度大致为800-1000m。由于高密度人口和污染原因是由于大多数时间降水云团多是一簇一簇的团 排放源众多,导致墨西哥城及其周边地区成为世界状结构,较大的云团在盆地内部生成且游走于盆地 上污染最严重的地区之一。高海拔、四季高强度的因此辐射仍然比较充足,导致光化学反应(图5b) 日照条件促进了光化学反应,尤其是二次污染物O3副热带急流靠近墨西哥城的时候,容易发生O3北部 的生成甽。围绕墨西哥城市污染硏究先后开展了一型污染(图5c)。清晨南风为主的下泄气流让道于从 系列观测试验,逐步完善了对高原盆地城市污染机墨西哥高原下来的西北风。下午,风向发生转变,由 理的理解。 Whiteman等发现墨西哥盆地与普通的从 Chalco山口入侵的山口风一南风气流占据主导 盆地不同,即夜间没有形成强逆温,且也没有谷风、地位,占领了整个盆地的南部边缘地带,将O3高值 山风的交替现象。盆地内部、上部的边界层演变主要区推向北部城区。由此可见,在墨西哥城内,O3的空 受区域性环流的驱动,即墨西哥高原和其周边海洋间分布形态是由天气背景、高原风、山口风、海湾气 冷气团激发形成的环流。通过 Chalco隘口的山口风流、下泄气流在不同时间相互角逐、共同影响的结 凉爽、高湿,午后的这股气流入侵到盆地内的低洼地果 带,受到了平原一高原之间环流的影响,导致这股冷
沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 综 述 图 4 在不同的天气条件下珠江三角洲地区边界层 对重污染影响的物理模型修订版（a）暖季冷锋前污 染型和（b）副热带气旋下沉污染型（摘自文献[33]） 3 盆地地形 盆地的主要特征是四周高、中部低，因盆状得 名。前文的兰州、洛杉矶、雅典等地都有盆地之说。借 鉴上文的分析，可以推断影响盆地大气污染的气象 条件中，逆温形成机制和河谷城市兰州类似；对于风 场，除了考虑大范围气流影响以外，局地需要考虑山 谷风、热岛环流。一般来说盆地有山口和外界相通， 并不是完全封闭的，因此就会有另外的因素如山口 风等影响盆地的边界层结构及其环流。如果盆地距 离海洋较近，影响因素就会更加复杂。世界上盆地出 现污染的地区有我国的四川盆地[34]、尼泊尔首都加 德满都[35]、墨西哥首都墨西哥城[36-39]等。本文就以墨 西哥城为例介绍盆地多尺度气流运动的相互作用特 点。 人口稠密的墨西哥城位于墨西哥盆地的西南 部，盆地底部较为平坦，海拔 2250 m。盆地三面山脊 包围，山脉高度不一，盆地北部有一个较为宽阔的开 口，东南方有一个狭窄的 Chalco 山口，盆地底部相 对深度大致为 800~1000 m。由于高密度人口和污染 排放源众多，导致墨西哥城及其周边地区成为世界 上污染最严重的地区之一[40]。高海拔、四季高强度的 日照条件促进了光化学反应，尤其是二次污染物 O3 的生成[37]。围绕墨西哥城市污染研究先后开展了一 系列观测试验，逐步完善了对高原盆地城市污染机 理的理解。Whiteman 等[36]发现墨西哥盆地与普通的 盆地不同，即夜间没有形成强逆温，且也没有谷风、 山风的交替现象。盆地内部、上部的边界层演变主要 受区域性环流的驱动，即墨西哥高原和其周边海洋 冷气团激发形成的环流。通过 Chalco 隘口的山口风 凉爽、高湿，午后的这股气流入侵到盆地内的低洼地 带，受到了平原—高原之间环流的影响，导致这股冷 气流减速。傍晚和夜间盆地的冷却作用与白天太阳 辐射加热量相当，能够快速插入盆地底层，造成了盆 地内辐合上升运动[36]。Fast 和 Zhong[38]详细分析了导 致地面出现高浓度 O3 的地面风场，发现辐合区在墨 西哥城内南北摆动。这是源于 Chalco 山口的山口风 入侵盆地后，与源自北方墨西哥高原、裹挟大量污染 物的偏北气流遭遇的结果。Foy 等[38-39]指出墨西哥城 盆地内部环流型取决于两类辐合带的相互作用：一 是来自太平洋海风和墨西哥湾海风较量中形成的辐 合带，另一个是南来的山口风与来自盆地的偏北气 流作用形成的辐合带，并由此概括了 3 种高浓度 O3 发生的天气模型，即 O3 南部型（O3-South）、O3 北部 型（O3-North）、冷涌型（Cold Surge）。其中，O3 南部型 是指 O3 高值区出现在墨西哥城南部城区，彼时下午 一股较弱的山口风在东南部城区伴随出现。O3 北部 型则指在强大的山口风和盆地西部、南部边缘气流 的共同作用下，O3 峰值区出 现 在偏北城区的状 况。冷涌型是指当日寒冷的偏北气流横扫盆地的 状况[38]。 图 5 很好地阐释了这 3 种污染类型高低空气流 的昼夜演变情况。在 O3 南部型日子里，东太平洋洋 面被高压系统控制，天气系统和盆地内外热力差异 的影响都比较弱。夜晚生成的南风下泄气流到白天 让路于源于墨西哥高原的西北气流，下午盆地又被 来自墨西哥海湾的东北气流主导，导致 O3 向南部城 区输送，直到凌晨这种局面才发生转变（图 5a）。在 O3 冷涌型日子里，天气系统的影响很强，盆地环流 则比较弱。白天盆地里盛行从墨西哥海湾吹来的东 北风，夜晚则是被墨西哥高原/太平洋气团导致的西 北气流代替。尽管这种状况下为多云或降水天气，但 是高浓度 O3 仍然可以出现在市中心地带。这一部分 原因是由于大多数时间降水云团多是一簇一簇的团 状结构，较大的云团在盆地内部生成且游走于盆地， 因此辐射仍然比较充足，导致光化学反应（图 5b）。 副热带急流靠近墨西哥城的时候，容易发生 O3 北部 型污染（图 5c）。清晨南风为主的下泄气流让道于从 墨西哥高原下来的西北风。下午，风向发生转变，由 从 Chalco 山口入侵的山口风—南风气流占据主导 地位，占领了整个盆地的南部边缘地带，将 O3 高值 区推向北部城区。由此可见，在墨西哥城内，O3 的空 间分布形态是由天气背景、高原风、山口风、海湾气 流、下泄气流在不同时间相互角逐、共同影响的结 果[38]。 4
李霞等:复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 图5墨西哥盆地之O3南部型(a)、冷涌型(b)和北部型(c)的环流模型(摘自文献[38]) 4马蹄型地形 象,且风速较小(<2ms),边界层逆温不仅强,逆温 马蹄型地形与三面环山临海地形极其类似,只顶较高。冬季若320m高度以下存在大气逆温,则 是另一边还是陆地。国内此类地形污染较为严重的有利于北京强热岛的形成和维持佟华等·研究 城市有北京5、太原叫等城市。近30a来,对超大证实边界层风场受到热岛热力作用和地形的动力作 城市—北京大气污染研究倾注了大量的科研力用的影响,导致城市近地层风场向强中心辐合。在山 量,取得的科研成果和研究水平居世界前沿。因此下地一平原风、热岛强度和大气稳定度作用相当的控 面就以北京为例探讨马蹄型地形对城市污染输送机制下,夏季的热岛环流促成城区风场辐合;其他季节 制的影响。 主要受山地—平原风控制,即刮山地风时,北京城郊 北京地区西部是太行山余脉的西山,北部是燕风场向城区辐合;刮平原风时,北京城区风场表现为 山山脉的军都山,两山在南口关沟相交,形成一个向辐散。另外,马蹄型地形作用还表现在山脉的“烟 东南展开的半圆形大山弯,人们称之为“北京弯”。北囱效应”,即北京北边山脉白天将低层的污染物抬 京平原的海拔高度在20-60m,山地一般海拔升至2500-3500m高空,在北京上空形成了第二污 1000-1500m。北京的边界层特点是:在夏季静稳天染层。从观测分析國和数值模拟門均发现,太行山 气下,大气边界层平均高度为600m,且不易被有效燕山山前平原低压汇聚带是华北地区边界层输送汇 突破,故不利于大气污染物扩散;秋季白天边界层流场的重要污染气候特征,它对这一地区的多年环 最大高度平均约1000m,夜间稳定层高度在200-境质量有显著影响,是在特殊的马蹄型地形及中纬 400m之间。晴朗天气里,白天城区边界层温度高于度天气形势背景条件下形成的。这类全年各季都经 郊区。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强逆常岀现边界层风场辐合污染系统,即所谓的“污染物 温层阻断了上下层气流的联系,有利于近地面大气汇聚带”(图6)。在冬季受大陆强大冷高压影响,持 维持静稳状态和雾、霾天气的出现。冬季城市大气续时间可达6~7d,边界层辐合风场垂直伸展高度 边界层结构在热力特征上表现为夜间市区上空存在较低。夏季出现频率少,持续时间短,输送汇层厚度 悬浮逆温层及白天弱、夜间强的城市热岛效应等特较高,受海上髙压边缘影响,输送通道长;暖湿平流 征;在动力特征上表现为城市近地层大气中的风速输送影响更为明显,主要出现在燕山山麓,根据华北 减小、湍流动能增强,并在夜间城市冠层顶处存在湍平原输送汇的流场结构统计,全年大多数是由偏南 流动能的极大值以及城市近地层中明显的平均动能和偏东南方向输入风带形成的输送汇,从而对北京 向湍流动能转化特征。 地区大气污染物的积聚与输运可产生重要影响。 作为世界级超大城市——北京,最为显著的一 个特点就是“城市热岛效应”,其使城市流场和大气5峡口地形 边界层结构与城郊有明显的差异,而“城市热岛”环 峡口,在我国泛指峡谷之口。峡口城市(Gap 流则会改变城市尺度甚至中尺度流场结构,进而影Town),牛津地理学词典的定义是坐落在通往丘陵 响污染物在城市大气中的转化和输送。夏季北京热地区关口的一个城市,非常利于作为交通枢纽。维 岛很强时,近地层风场会出现热岛环流和辐合现基百科定义峡口城市是位于山口人口处的- 5
4 马蹄型地形 马蹄型地形与三面环山临海地形极其类似，只 是另一边还是陆地。国内此类地形污染较为严重的 城市有北京[41-51]、太原[52]等城市。近 30 a 来，对超大 城市——北京大气污染研究倾注了大量的科研力 量，取得的科研成果和研究水平居世界前沿。因此下 面就以北京为例探讨马蹄型地形对城市污染输送机 制的影响。 北京地区西部是太行山余脉的西山，北部是燕 山山脉的军都山，两山在南口关沟相交，形成一个向 东南展开的半圆形大山弯，人们称之为“北京弯”。北 京平原的海拔高度在 20~60 m，山地一般海拔 1000~1500 m。北京的边界层特点是：在夏季静稳天 气下，大气边界层平均高度为 600 m，且不易被有效 突破，故不利于大气污染物扩散[41]；秋季白天边界层 最大高度平均约 1000 m，夜间稳定层高度在 200~ 400 m 之间。晴朗天气里，白天城区边界层温度高于 郊区。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强逆 温层阻断了上下层气流的联系，有利于近地面大气 维持静稳状态和雾、霾天气的出现[43]。冬季城市大气 边界层结构在热力特征上表现为夜间市区上空存在 悬浮逆温层及白天弱、夜间强的城市热岛效应等特 征；在动力特征上表现为城市近地层大气中的风速 减小、湍流动能增强，并在夜间城市冠层顶处存在湍 流动能的极大值以及城市近地层中明显的平均动能 向湍流动能转化特征[43]。 作为世界级超大城市——北京，最为显著的一 个特点就是“城市热岛效应”，其使城市流场和大气 边界层结构与城郊有明显的差异, 而“城市热岛”环 流则会改变城市尺度甚至中尺度流场结构, 进而影 响污染物在城市大气中的转化和输送。夏季北京热 岛很强时，近地层风场会出现热岛环流和辐合现 象，且风速较小（约2 m/s），边界层逆温不仅强，逆温 顶较高[44]。冬季若 320 m 高度以下存在大气逆温，则 有利于北京强热岛的形成和维持[44]。佟华等[46-47]研究 证实边界层风场受到热岛热力作用和地形的动力作 用的影响，导致城市近地层风场向强中心辐合。在山 地—平原风、热岛强度和大气稳定度作用相当的控 制下，夏季的热岛环流促成城区风场辐合；其他季节 主要受山地—平原风控制，即刮山地风时，北京城郊 风场向城区辐合；刮平原风时，北京城区风场表现为 辐散[48]。另外，马蹄型地形作用还表现在山脉的“烟 囱效应”[49]，即北京北边山脉白天将低层的污染物抬 升至 2500耀3500 m 高空，在北京上空形成了第二污 染层。从观测分析[50]和数值模拟[51]均发现，太行山、 燕山山前平原低压汇聚带是华北地区边界层输送汇 流场的重要污染气候特征，它对这一地区的多年环 境质量有显著影响，是在特殊的马蹄型地形及中纬 度天气形势背景条件下形成的。这类全年各季都经 常出现边界层风场辐合污染系统，即所谓的“污染物 汇聚带”（图 6）。在冬季受大陆强大冷高压影响，持 续时间可达 6耀7 d，边界层辐合风场垂直伸展高度 较低。夏季出现频率少，持续时间短，输送汇层厚度 较高，受海上高压边缘影响，输送通道长；暖湿平流 输送影响更为明显，主要出现在燕山山麓，根据华北 平原输送汇的流场结构统计，全年大多数是由偏南 和偏东南方向输入风带形成的输送汇，从而对北京 地区大气污染物的积聚与输运可产生重要影响。 5 峡口地形 峡口，在我国泛指峡谷之口。峡口城市（Gap Town），牛津地理学词典的定义是坐落在通往丘陵 地区关口的一个城市，非常利于作为交通枢纽[53]。维 基百科定义峡口城市是位于山口入口处的一个居民 图 5 墨西哥盆地之 O3 南部型（a）、冷涌型（b）和北部型（c）的环流模型（摘自文献[38]） 李霞等：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 a b c 5