復雜地形多尺度氣流對城市大氣污染影響的研究進展

李霞，賈健

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002；3.烏魯木齊市氣象局，新疆烏魯木齊 830006）

復雜地形多尺度氣流對城市大氣污染影響的研究進展

李霞1，2，賈健3

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.中亞大氣科學研究中心，新疆烏魯木齊 830002；3.烏魯木齊市氣象局，新疆烏魯木齊 830006）

復雜地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地帶。復雜地形下的大氣污染傳輸、擴散機制是一個復雜的問題。本文依據城市地形地貌將復雜地形歸類為河谷地形、三面環山臨海地形、盆地地形、馬蹄型地形和峽口地形。結合國內外對這5類地形下城市污染物傳輸擴散及污染形成機制的研究成果，介紹了不同地理位置、不同復雜地形城市多尺度氣流相互或交替作用的特點及其對污染傳輸擴散的影響，期望能夠為其它復雜地形城市污染形成機制研究和大氣污染防治提供一些借鑒。

復雜地形；城市；多尺度氣流；大氣污染物；傳輸擴散

隨著我國經濟持續高速發展，工業化和城市化進程不斷加速，伴隨著城市人口的增長，機動車保有量暴增，能源大量集中消耗，道路等交通設施和污染物脫除技術嚴重滯后，導致城市和城市群區域大氣污染日趨嚴重[1]。人類生存環境面臨著前所未有的危機，因此大氣環境成為當前人類生存科學研究最為重要的組成部分[2]。環境污染作為一個重大的社會問題,是從產業革命開始的。歐美一些發達國家在20世紀30—60年代接連發生了一系列震驚世界的大氣污染事件，如1930年比利時馬斯河谷事件、1943年美國洛杉磯光化學煙霧事件、1948年美國多諾拉煙霧事件、1952年英國倫敦煙霧事件、1961年日本四日市哮喘事件等。這些重污染事件有的僅持續短短數日，但是瞬間就導致了數百上千人的死亡[3-5]。我國蘭州20世紀70年代出現了光化學煙霧污染[6]，80年代珠三角地區灰霾天氣顯著增加[7]，90年代末烏魯木齊躋身于世界十大污染城市[8]。2013年1月，罕見的連續高強度霾污染席卷了我國中東部地區，受影響人口約6億人[1]。無論是發生在歐美國家的重污染事件，還是當今國內的強霧霾事件，無疑都是自然界向人類社會敲響警鐘。

仔細梳理這些重大污染事件的成因，可見幾類因素起了關鍵性作用。第一，過量的大氣污染物排放無疑是首要原因。如“四日市哮喘事件”，全市大氣中SO2濃度超出標準5～6倍[4]。第二，合適的氣象條件。從比利時馬斯河谷煙霧事件到美國多諾拉煙霧事件、再到倫敦煙霧事件，大霧是比較普遍的天氣現象，同時倫敦近乎靜風，多諾拉空氣無垂直運動，三個城市上空一致呈現逆溫層結[5]。2013年1月京津冀霾污染過程期間，中東部偏北地區大氣異常穩定，空氣垂直運動弱，冷空氣過程少，濕度大，無降水，造成污染物積累疊加[1]。第三，特殊的地形助長了污染事件的發生。上述城市多數都處在復雜地形下，如馬斯河谷、多諾拉、蘭州都屬于河谷地形，洛杉磯、四日市、珠三角地區則處于三面環山臨海的海灣里，北京位于馬蹄型地形之中，烏魯木齊則處在峽口的開口處。復雜地形下墊面的非均勻性會對氣流運動和氣象條件產生動力和熱力的影響，引起局地環流，如山谷風、過山氣流、海陸風、城市熱島環流等，各種尺度運動非線性相互作用，對污染物的擴散傳輸影響很大，以至于擴散理論都難以闡釋清楚，往往需借助于大氣擴散實驗結果來闡述復雜因素[9]。鑒于復雜地形下的大氣污染機制仍是環境領域的一個重要研究課題，大氣污染理論和預測方法還需要進一步深入和完善，而我國許多污染極為嚴重的城市又都是處于復雜地形的山地、沿海地帶，因此加強對復雜地形條件下大氣污染問題研究仍是當務之急[10]，這無論在理論上還是實際應用上均有重要科學意義。

世界上污染嚴重的諸多城市先后開展了復雜地形條件下大氣污染的傳輸和擴散規律研究，抓住物理本質并建立了相應的物理模型，為大氣污染防治提供了有力支撐。本文將復雜地形歸為5類予以論述，分別是河谷地形、三面環山臨海地形、盆地地形、馬蹄型地形、峽口地形。

1 河谷地形

黃河自西向東穿過蘭州，由于南北受兩山夾峙，整個市區處在呈啞鈴型的河谷之中，因此蘭州屬于典型的河谷城市。從20世紀70年代以來，圍繞蘭州大氣環境問題的研究取得了豐富的成果。本文以蘭州為例，剖析河谷地形城市多尺度氣流在重污染形成中的作用。基于大量的野外觀測試驗和模擬研究表明：蘭州城市逆溫持續時間長，只有午后較短階段逆溫消失[11]；逆溫層較為深厚，最高可達800 m[12-13]。對于蘭州市逆溫形成的物理機制，胡隱樵等[10]總結了三大主要原因：白天山峰加熱效應、夜間冷湖效應以及氣溶膠的增溫效應。“山峰加熱效應”是指在山地地區，白天水平溫度差異驅動熱力環流將山頂上加熱的氣團輸送到谷地上空，谷地形成脫地逆溫的這種效應[10]。同時，重污染日白天的氣溶膠可以通過散射和吸收太陽輻射達到削弱到達谷底太陽輻射量的效果，這就是氣溶膠的增溫效應[14]。夜晚，山坡上由于地表向外的輻射冷卻導致山坡上的大氣降溫，產生下坡風將冷空氣輸入谷底，形成谷地逆溫，這就是冷湖效應[15-16]。張強等[17]進一步認為蘭州市白天和夜間的大氣逆溫層各有不同的形成機制。在受污染物氣溶膠明顯影響之前，夜間大氣逆溫層的形成主要靠地表輻射冷卻效應以及山谷地形和干旱環境下裸露地表形成的強下坡風作用；白天大氣逆溫層的形成主要靠太陽對地表加熱所形成的上坡風作用和山頂的強加熱效應以及大氣污染物對太陽輻射的吸收和削弱作用[18-21]。同時干旱環境下裸露地表使得地形作用更加明顯（圖1）。由此可見，山地地區的熱力環流對逆溫的形成和維持作用很大。

圖1 蘭州河谷地形形成白天大氣逆溫層的示意圖（摘自文獻[17]）

蘭州市這種特殊的近乎封閉的極端河谷地形另一方面起到了很好的屏障作用，阻擋了氣流流通，導致山谷地面靜風頻率比較高，市區一般很少超過2 m/s，平均值大約為1 m/s[22]。同時，河谷城市典型的風場特征為白天盛行谷風，夜間盛行山風[22-23]。從圖2可見，白天蘭州城關區由南北兩山和谷口向谷中輻合；夜間，城關區地面流場為輻合態勢，氣流由南北方向向盆地中心輻合。原因就是受南北兩山的夾峙作用，山風使氣流由山坡向河谷盆地下瀉，加上城市夜間的熱島效應，進一步增強了地面流場的輻合作用[22]。數值模擬再次表明蘭州冬季夜間為輻合流場、白天為輻散狀態。研究表明白天熱島環流抑制谷風環流，夜間則增強山風環流[23]，但是冬季夜間蘭州市區和山谷上空存在較厚的逆溫層，抑制了氣流的上升運動[24]。張強[25]分析得出蘭州市山谷氣流的Froude數通常在0.075～0.324，遠小于1，所以一般的天氣條件下冬天蘭州市山谷的地面氣流不可能沿山坡爬升，只能在山谷中回轉，因此地面污染物不易輸送出去。

2 三面環山臨海地形

圖2 蘭州城關區夜間（a）、白天（b）地面風場（摘自文獻[22]）

三面環山臨海地形，即三面都被山地環繞，一邊面朝大海，這種地形一般屬于典型的海洋性氣候。世界上此類地形污染較重的城市除了洛杉磯、四日市，還有希臘的雅典和我國珠江三角洲地區等。這類地形下會出現山谷風、海陸風以及城市熱島環流。在洛杉磯附近，由于海陸熱力差異和復雜地形的影響，加之逆溫層的籠罩，地面風場極其復雜。白天山脈附近的谷風驅動盆地空氣流動，并增強了海風[26-27]。來自盆地的氣流爬上山頂，通過垂直運動的混合，可上升到較高的高度，進而與高層氣流將盆地內空氣向外傳輸[27]。Lu等[28]概括了洛杉磯污染傳輸的物理模型（圖3），分為4個階段：（1）清晨大氣處于相對穩定期。海岸附近的大氣可分為3層結構，近地層為云系較多的海洋層，其上是由于大氣下沉絕熱增溫而形成的強逆溫層，逆溫層之上是自由大氣。（2）中午混合層發展期。上午下墊面因輻射加熱，形成湍流，加熱了陸地上海洋層內的較冷空氣，進而形成混合層。混合層通過不斷裹挾覆蓋其上的暖空氣而得以發展，此時邊界層的污染物混合較為均勻。由于海陸熱力差異、山谷熱力差異還在發展之中，因此海風和山坡上的上坡風還比較弱。（3）下午海風入侵內陸期。下午，海風發展強盛且向內陸挺進，海洋上的空氣由此入侵內陸。此時，近地層的污染物或通過海風環流抬升、對流，或進入到穩定層，進而空中出現了一層污染物匯聚層，即抬升的污染層。由此，海岸地區一部分抬升的污染物在逆溫層中積聚，另一部分污染物則對流進入到山頂上的自由大氣層之中。（4）夜晚混合層穩定期。夜晚邊界層趨于穩定，混合層內的暖空氣沿山坡上升進而禁錮在逆溫層內。洋面上的較冷氣團繼續推向內陸，導致內陸上空再一次形成海洋層，最初的3層結構再一次重建。整個沿岸地區都可見到抬升的污染層[28]。

圖3 在山地包圍的海岸平原地帶，強逆溫控制下的環流與輸送概念圖（摘自文獻[28]）

我國珠江三角洲地區下墊面復雜，羅平山脈是它西面和北面的界限，東側羅浮山區是三角洲的東界，類似倒置三角形。改革開放以來，珠江三角洲城市群空氣污染由局地污染演變成區域性空氣污染。在大量研究基礎上[29-32]，Wu等[33]建立了珠江三角洲地區夏秋兩類不同天氣條件下的污染概念模型（圖4），即暖季冷鋒前污染型（圖4a）和副熱帶氣旋下沉污染型（圖4b）。從圖4a可見，當北面入侵的冷空氣相對較弱，淺薄的冷空氣由北向南推進時，翻越南嶺山脈的冷空氣由于山脈地形作用使其楔入深厚的暖濕空氣下方，在邊界層內形成弱逆溫，此時風速較小，易造成珠三角地區區域性的空氣污染；圖4b則說明，當珠江三角洲地區上空受強下沉氣流（如臺風登陸前的下沉氣流）或持續時間長的下沉氣流（副熱帶高壓）控制時，容易形成大范圍的逆溫，出現靜小風，大氣擴散能力差，污染物無法向上擴散，而且在下沉氣流的作用下，較高高度上的污染物被下沉氣流帶到較低層累積，造成貼地層的空氣污染指數猛增，空氣質量變差甚至變得惡劣[33]。

圖4 在不同的天氣條件下珠江三角洲地區邊界層對重污染影響的物理模型修訂版（a）暖季冷鋒前污染型和（b）副熱帶氣旋下沉污染型（摘自文獻[33]）

3 盆地地形

盆地的主要特征是四周高、中部低，因盆狀得名。前文的蘭州、洛杉磯、雅典等地都有盆地之說。借鑒上文的分析，可以推斷影響盆地大氣污染的氣象條件中，逆溫形成機制和河谷城市蘭州類似；對于風場，除了考慮大范圍氣流影響以外，局地需要考慮山谷風、熱島環流。一般來說盆地有山口和外界相通，并不是完全封閉的，因此就會有另外的因素如山口風等影響盆地的邊界層結構及其環流。如果盆地距離海洋較近，影響因素就會更加復雜。世界上盆地出現污染的地區有我國的四川盆地[34]、尼泊爾首都加德滿都[35]、墨西哥首都墨西哥城[36-39]等。本文就以墨西哥城為例介紹盆地多尺度氣流運動的相互作用特點。

人口稠密的墨西哥城位于墨西哥盆地的西南部，盆地底部較為平坦，海拔2250 m。盆地三面山脊包圍，山脈高度不一，盆地北部有一個較為寬闊的開口，東南方有一個狹窄的Chalco山口，盆地底部相對深度大致為800～1000 m。由于高密度人口和污染排放源眾多，導致墨西哥城及其周邊地區成為世界上污染最嚴重的地區之一[40]。高海拔、四季高強度的日照條件促進了光化學反應，尤其是二次污染物O3的生成[37]。圍繞墨西哥城市污染研究先后開展了一系列觀測試驗，逐步完善了對高原盆地城市污染機理的理解。Whiteman等[36]發現墨西哥盆地與普通的盆地不同，即夜間沒有形成強逆溫，且也沒有谷風、山風的交替現象。盆地內部、上部的邊界層演變主要受區域性環流的驅動，即墨西哥高原和其周邊海洋冷氣團激發形成的環流。通過Chalco隘口的山口風涼爽、高濕，午后的這股氣流入侵到盆地內的低洼地帶，受到了平原—高原之間環流的影響，導致這股冷氣流減速。傍晚和夜間盆地的冷卻作用與白天太陽輻射加熱量相當，能夠快速插入盆地底層，造成了盆地內輻合上升運動[36]。Fast和Zhong[38]詳細分析了導致地面出現高濃度O3的地面風場，發現輻合區在墨西哥城內南北擺動。這是源于Chalco山口的山口風入侵盆地后，與源自北方墨西哥高原、裹挾大量污染物的偏北氣流遭遇的結果。Foy等[38-39]指出墨西哥城盆地內部環流型取決于兩類輻合帶的相互作用：一是來自太平洋海風和墨西哥灣海風較量中形成的輻合帶，另一個是南來的山口風與來自盆地的偏北氣流作用形成的輻合帶，并由此概括了3種高濃度O3發生的天氣模型，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高值區出現在墨西哥城南部城區，彼時下午一股較弱的山口風在東南部城區伴隨出現。O3北部型則指在強大的山口風和盆地西部、南部邊緣氣流的共同作用下，O3峰值區出現在偏北城區的狀況。冷涌型是指當日寒冷的偏北氣流橫掃盆地的狀況[38]。

圖5很好地闡釋了這3種污染類型高低空氣流的晝夜演變情況。在O3南部型日子里，東太平洋洋面被高壓系統控制，天氣系統和盆地內外熱力差異的影響都比較弱。夜晚生成的南風下泄氣流到白天讓路于源于墨西哥高原的西北氣流，下午盆地又被來自墨西哥海灣的東北氣流主導，導致O3向南部城區輸送，直到凌晨這種局面才發生轉變（圖5a）。在O3冷涌型日子里，天氣系統的影響很強，盆地環流則比較弱。白天盆地里盛行從墨西哥海灣吹來的東北風，夜晚則是被墨西哥高原/太平洋氣團導致的西北氣流代替。盡管這種狀況下為多云或降水天氣，但是高濃度O3仍然可以出現在市中心地帶。這一部分原因是由于大多數時間降水云團多是一簇一簇的團狀結構，較大的云團在盆地內部生成且游走于盆地，因此輻射仍然比較充足，導致光化學反應（圖5b）。副熱帶急流靠近墨西哥城的時候，容易發生O3北部型污染（圖5c）。清晨南風為主的下泄氣流讓道于從墨西哥高原下來的西北風。下午，風向發生轉變，由從Chalco山口入侵的山口風—南風氣流占據主導地位，占領了整個盆地的南部邊緣地帶，將O3高值區推向北部城區。由此可見，在墨西哥城內，O3的空間分布形態是由天氣背景、高原風、山口風、海灣氣流、下泄氣流在不同時間相互角逐、共同影響的結果[38]。

圖5 墨西哥盆地之O3南部型（a）、冷涌型（b）和北部型（c）的環流模型（摘自文獻[38]）

4 馬蹄型地形

馬蹄型地形與三面環山臨海地形極其類似，只是另一邊還是陸地。國內此類地形污染較為嚴重的城市有北京[41-51]、太原[52]等城市。近30 a來，對超大城市——北京大氣污染研究傾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。因此下面就以北京為例探討馬蹄型地形對城市污染輸送機制的影響。

北京地區西部是太行山余脈的西山，北部是燕山山脈的軍都山，兩山在南口關溝相交，形成一個向東南展開的半圓形大山彎，人們稱之為“北京彎”。北京平原的海拔高度在20～60 m，山地一般海拔1000～1500 m。北京的邊界層特點是：在夏季靜穩天氣下，大氣邊界層平均高度為600 m，且不易被有效突破，故不利于大氣污染物擴散[41]；秋季白天邊界層最大高度平均約1000 m，夜間穩定層高度在200～ 400 m之間。晴朗天氣里，白天城區邊界層溫度高于郊區。較低的邊界層高度和其頂部經常維持的強逆溫層阻斷了上下層氣流的聯系，有利于近地面大氣維持靜穩狀態和霧、霾天氣的出現[43]。冬季城市大氣邊界層結構在熱力特征上表現為夜間市區上空存在懸浮逆溫層及白天弱、夜間強的城市熱島效應等特征；在動力特征上表現為城市近地層大氣中的風速減小、湍流動能增強，并在夜間城市冠層頂處存在湍流動能的極大值以及城市近地層中明顯的平均動能向湍流動能轉化特征[43]。

作為世界級超大城市——北京，最為顯著的一個特點就是“城市熱島效應”，其使城市流場和大氣邊界層結構與城郊有明顯的差異,而“城市熱島”環流則會改變城市尺度甚至中尺度流場結構,進而影響污染物在城市大氣中的轉化和輸送。夏季北京熱島很強時，近地層風場會出現熱島環流和輻合現象，且風速較小（＜2 m/s），邊界層逆溫不僅強，逆溫頂較高[44]。冬季若320 m高度以下存在大氣逆溫，則有利于北京強熱島的形成和維持[44]。佟華等[46-47]研究證實邊界層風場受到熱島熱力作用和地形的動力作用的影響，導致城市近地層風場向強中心輻合。在山地—平原風、熱島強度和大氣穩定度作用相當的控制下，夏季的熱島環流促成城區風場輻合；其他季節主要受山地—平原風控制，即刮山地風時，北京城郊風場向城區輻合；刮平原風時，北京城區風場表現為輻散[48]。另外，馬蹄型地形作用還表現在山脈的“煙囪效應”[49]，即北京北邊山脈白天將低層的污染物抬升至2500～3500 m高空，在北京上空形成了第二污染層。從觀測分析[50]和數值模擬[51]均發現，太行山、燕山山前平原低壓匯聚帶是華北地區邊界層輸送匯流場的重要污染氣候特征，它對這一地區的多年環境質量有顯著影響，是在特殊的馬蹄型地形及中緯度天氣形勢背景條件下形成的。這類全年各季都經常出現邊界層風場輻合污染系統，即所謂的“污染物匯聚帶”（圖6）。在冬季受大陸強大冷高壓影響，持續時間可達6～7 d，邊界層輻合風場垂直伸展高度較低。夏季出現頻率少，持續時間短，輸送匯層厚度較高，受海上高壓邊緣影響，輸送通道長；暖濕平流輸送影響更為明顯，主要出現在燕山山麓，根據華北平原輸送匯的流場結構統計，全年大多數是由偏南和偏東南方向輸入風帶形成的輸送匯，從而對北京地區大氣污染物的積聚與輸運可產生重要影響。

5 峽口地形

圖6 華北平原1月和7月輸送匯及配置的流場圖（摘自文獻[50]）

峽口，在我國泛指峽谷之口。峽口城市（Gap Town），牛津地理學詞典的定義是坐落在通往丘陵地區關口的一個城市，非常利于作為交通樞紐[53]。維基百科定義峽口城市是位于山口入口處的一個居民定居點，從此山口可通過丘陵地區[54]。從定義可知，峽口地形既不同于盆地、也不同于河谷地形，峽口城市在山口的入口處，因此相對山體來說海拔較低。山口風（gap flow）是峽口地形常見的一種天氣現象。大部分山口風都表現為焚風屬性，焚風對大氣污染的輸送擴散影響更為特殊。

近十幾年來，國際上對焚風類型給出了新的分類標準：深厚型焚風（Deep foehn）、淺薄型焚風（shallow foehn）[55]，后者還包括三明治焚風（Sandwish foehn）[56-57]。深厚型焚風是指阿爾卑斯山迎風坡的冷氣團非常深厚，其垂直伸展高度超越了山脊，足以克服山脊的阻擋而沖向背風坡[58]。因此深厚型焚風深受垂直傳播的重力波的影響，山脊激發的重力波可以影響到所覆蓋的山谷內氣流運動，并導致強風暴[59]。淺薄型焚風具有一般焚風的所有屬性，在阿爾卑斯山表現為南風型焚風，一般只出現在少數非常縱深的山谷中（如Wipp山谷），迎風坡氣流主要通過穿越山谷到達背風坡[58]。“三明治”焚風是指背風坡焚風下沉過程中遭遇冷湖，若受適當的地形阻擋，焚風不僅不能驅動冷湖，反而被冷氣團抬升而穿行于冷湖之上，在冷暖氣團交界處（即焚風鋒面）焚風依然強勁；下游區大氣在垂直方向上可分為明顯的三層結構：高層被西風或西北風主導、中層為南風型焚風、下層為偏北風的冷氣團控制，三層氣流為非耦合狀態[57-58]。參照這些特征，可見新西蘭南阿爾卑斯山的Talapo湖區[59]、加拿大卡爾加里[60]、阿爾卑斯山的Wipp山谷[56-57]的有些焚風屬于三明治焚風。焚風表現形式不同，則對污染的影響也會存在區別。一方面，焚風本身是氣流，因此兼備對污染物的輸送作用。如南風型焚風將意大利波河盆地光化學產生的O3傳輸到了阿爾卑斯山的背風坡[61]。第二，深厚型焚風往往表現為下坡風暴，因此可以造成沙塵天氣，從而將沙塵和污染物傳輸到更遠地區[62]。第三，三明治焚風對污染的形成和上述焚風作用又有所不同。本文就以我國的峽口城市烏魯木齊為例，闡述焚風對大氣污染輸送的影響。

烏魯木齊背靠海拔平均4000 m的天山山脈，面向準噶爾盆地。天山東西向綿延2000多公里橫貫新疆，在烏魯木齊附近被一個寬度僅十幾公里的峽谷分開（下文稱中天山峽谷），峽谷南北兩端分別連接著吐魯番盆地和烏魯木齊河谷。冷空氣入侵新疆后東移至蒙古附近，冷高壓外圍的空氣回流至東疆南部地區，在大地形阻塞和南北向氣壓梯度力的共同作用下，氣流從中天山峽谷穿越、翻山，經過達坂城到達峽谷北端烏魯木齊，甚至下游昌吉、呼圖壁都會出現東南大風[64]，當地人稱之為烏魯木齊東南大風。結合國際上焚風研究[56-60，61]及新疆開展的東南大風研究成果[64-70]，可以確認烏魯木齊春秋季發生的東南大風是深厚型焚風，而冬半年經常在市區南郊出現的焚風是三明治焚風[69-70]。

李霞等通過對加密觀測站網、數值模擬診斷等數據的綜合分析，構建了峽口城市烏魯木齊冬季重污染的形成機制概念模型[69-70]。冬季烏魯木齊上空為高壓脊控制，海平面高壓中心位于薩彥嶺—蒙古國一帶，即東高西低態勢。冷高壓外圍的氣流回流至南疆吐魯番一帶，由此導致氣流穿越中天山峽谷入侵烏魯木齊。北疆準噶爾盆地冷氣團盤踞，大氣層結穩定。盡管下沉的淺薄型焚風氣流強勁，但是遭遇到烏魯木齊上空的穩定氣團后，這股暖氣流難以突破逆溫層，被冷氣團抬升，分為上下兩層（圖7）。近地層部分焚風氣流與盆地強大冷氣團的抗衡。市區內白天焚風氣流與谷風（也指準噶爾盆地冷氣團）相向對吹，在市區形成“微型鋒面”和輻合帶，造成污染物累積；夜間，焚風氣流衰退到城市南郊，“微型鋒面”和對應的氣流輻合帶位置由此南移，市區則維持小風—靜風，仍然不利于污染物的擴散。邊界層中上層的淺薄型焚風晝夜越過城市上空，這股暖氣流促使市區上空逆溫層更加深厚、逆溫增強、混合層高度下降，致使污染物向邊界層下層堆積。由此可見，淺薄型焚風的出現帶來了動力和熱力方面的雙重影響：改變了烏魯木齊局地流場、加強了大氣穩定度，最終造成冬季烏魯木齊重污染過程的頻繁發生。只有經歷較強的冷空氣入侵后，城市的空氣質量才有機會得以改善。

6 結論和討論

本文將復雜地形城市歸類為河谷地形、三面環山臨海地形、盆地地形、馬蹄型地形和峽口地形，通過對不同復雜地形城市的多尺度氣流運動的特點，闡述了它們對于污染物傳輸擴散的影響，可見每一類地形下的污染物傳輸擴散規律都是天氣背景、地形及其深受地形影響的氣象條件等綜合作用的結果。因此，每類地形下的多尺度氣流運動或者存在共性，如山地的山谷風、坡風，同時又由于即使同類地形但可能所處位置不同，如臨近海洋則會受到海陸風的影響，位于高原則會受到高原風的擾動等。正是這些看似紛繁復雜的多尺度氣流運動的交織、耦合作用，才會導致每類復雜地形下、不同地理位置的城市其上空污染物的輸送擴散規律如此紛繁復雜、特色鮮明，另一方面又遵循內在的規律。

目前我國大氣污染已經由單個城市演變為區域污染（如“三區九群”），且復合型污染日益加劇。大氣物理過程從多種尺度上控制著大氣污染的積累、輸送和轉化。而大氣污染物又通過影響光學—輻射特性、參與云霧形成從而再影響大氣物理過程。因此，今后針對復雜地形下大氣重污染過程生消機制的研究，尤其在污染物輸送、轉化規律方面，開展氣象過程和化學過程多參數的同步觀測非常重要，通過對觀測數據的詳盡分析可以反映區域邊界層結構的真實變化，且能夠呈現多尺度氣流的運動特點。同時還需要進一步提高空氣質量模式對于邊界層物理過程和化學過程的模擬再現能力，更精細地反映邊界層內物理過程、化學過程的演變規律。當然，研究不僅要考慮地形等非均勻下墊面因素對邊界層物理過程的動力、熱力影響，大氣邊界層特征及其與大氣污染物的相互作用機制將是重要的研究對象，由此才能最終揭示不同區域的重污染形成機理，為大氣污染治理和空氣質量預報提供科技支撐。

[1]王躍思，姚麗，劉子銳，等.京津冀大氣霾污染及控制策略思考[J].中國科學院院刊，2013，28（3）：353-363.

[2]徐祥德.城市化環境大氣污染模型動力學問題[J].應用氣象學報，2003，13（S）：1-12.

[3]世界著名空氣污染事件盤點：倫敦大霧曾死萬人[EB/ OL].[2013-10-4].http://news.sina.com.cn/w/sd/2013-01-13/162226024042.shtml.

[4]穆宏.史上最著名的空氣污染事件[EB/OL].[2013-10-4].http://www.mywtv.cn/knowledge/2012-04/26/content_521434.htm.

[5]自然之友.20世紀環境警示錄[M].北京：華夏出版社，2001.

[6]甘肅省環境保護研究所大氣化學組.蘭州西固地區光化學煙霧污染的初步探討[J].環境科學，1980，1（5）：24-30.

圖7 峽口城市烏魯木齊大氣污染形成的物理模型（a為平面示意圖，b為垂直剖面圖，摘自文獻[70]）

[7]吳兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等.珠江三角洲大氣灰霾導致能見度下降問題研究[J].氣象學報，2006，64（4）：510-517.

[8]李新琪，熱海提·涂爾遜.烏魯木齊市大氣環境容載力及污染防治對策研究[J].干旱區資源與環境，2001，15（3）：17-24.

[9]張錫福.我國山區和城市大氣污染的輸送和擴散規律的研究[J].環境科學，1979，4（4）：12-17.

[10]胡隱樵，張強.蘭州山谷城市大氣污染的物理機制與防治對策[J].中國環境科學，1999，19（2）：119-122.

[11]陳長和，黃建國，龍學著，等.冬季河谷城市上空邊界層特征分析[J].科學通報，1991，36（18）：1393-1396.

[12]周春紅.蘭州市空氣污染潛勢分析和污染數值預報模式的初步試驗研究[D].蘭州大學，1992.

[13]安興琴，陳玉春，呂世華.中尺度模式對冬季蘭州市低層風場和溫度場的數值模擬[J].高原氣象，2002，21（2）：186-192.

[14]沈志寶，王堯奇，季國良，等.太陽輻射在山谷城市污染大氣中的削弱[J].高原氣象，1982，1（4）：74-83.

[15]傅抱璞.山地氣候[M]].北京：科學出版社，1993.

[16]Whiteman C D.Mountain meteorology:fundamentals and applications[M].New York,Oxford University Press, 2000.

[17]張強，呂世華，張廣蔗.山谷城市大氣邊界層結構及輸送能力[J].高原氣象，2003，22（4）：1346-1353.

[18]王海嘯，陳長和.城市氣溶膠對邊界層熱量收支的影響[J].高原氣象，1994，13（4）：441-448.

[19]王海嘯，陳長和，黃建國.煙霧層的長波輻射效應以及對邊界層溫度層結的影響[J].大氣科學，1994，18（1）：22-29.

[20]蘇文穎，陳長和.氣溶膠吸收光學特性對低層大氣短波加熱率的影響[J].高原氣象，1997，16（4）：353-358.

[21]田文壽，陳長和，黃建國，等.蘭州冬季氣溶膠的短波加熱效應及其對混合層發展的影響[J].應用氣象學報，1997，8（3）：292-301.

[22]陳臻妹，王世紅.蘭州市風場特征分析[A].陳長和，黃建國，程麟生，等.復雜地形上大氣邊界層和大氣擴散規律的研究[C].北京：氣象出版社，1993.

[23]王瑾，張鐳，王騰姣，等.蘭州附近山谷典型日環流特征的對比分析[J].干旱氣象，2012，30（6）：169-177.

[24]李江林，陳玉春，呂世華，等.利用RAMS模式對山谷城市東西局地風場的數值模擬[J].高原氣象，2009，28（6）：1250-1259.

[25]張強.地形和逆溫層對蘭州市污染物輸送的影響[J].中國環境科學，2001，21（3）：230-234.

[26]Paul S,Thomas T W.Characteristics of Summertime Circulations and Pollutant Ventilation in the Los Angeles Basin[J].Journal of Applied Meteorology，1982，21：672-682.

[27]Brain L,Clifford F.Numerical Investigation of Mesoscale Circulations over the Los Angeles Basin.PartⅡ: Synoptic Influence and Pollutant Transport[J].Monthly Weather Review，1990，118：2162-2184.

[28]Lu R,Turco R P.Air Pollutant in a Costal Environment. Part I:Two-Dimesional Simulation of Sea-Breese and Mountain Effects[J].Journal of the Atmospheric Science，1994，51（15）：2285-2308.

[29]吳兌，廖國蓮，鄧雪嬌，等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究[J].應用氣象學報，2008，19（2）：1-9.

[30]張人文，范紹佳.珠江三角洲風場對空氣質量的影響[J].中山大學學報：自然科學版，2011，50（6）：130-134.

[31]范紹佳，王安宇，樊琦，等.珠江三角洲大氣邊界層概念模型的建立及其應用[J].熱帶氣象學報，2005，21（3）：286-292.

[32]范紹佳，王安宇，樊琦，等.珠江三角洲大氣邊界層特征及其概念模型[J].中國環境科學，2006，26（增刊）：4-6.

[33]Wu M,Wu D,Fan Q,et al.Observational studies of the meteorological characteristics associated with poor air quality over the Pearl River Delta in China[J].Atmos. Chem.Phys.,2013，13：10755-10766.

[34]劉源.四川省大氣污染概況及特點[J].重慶環境保護，1986，7（2）：46-48.

[35]Pandy K A,Prinn G R.Diurnal cycle of air pollution in the Kathmandu Valley,Nepal:Observations[J].Geophys. Res.,2009，114：1-19.

[36]Whiteman C D,Zhong S,Bian X,et al.Boundary layer evolution and regional-scale diurnal circulations over the Mexico Basin and Mexican plateau[J].Journal of Geophysical Research，2000，10：10081-10102.

[37]Fast J,Zhong S.Meteorological factors associated with inhomogeneous ozone concentrations within the Mexico Citybasin[J].JournalofGeophysicalResearch, 1998，103：18927-18946.

[38]Foy B De,Caetano E,Magana V,et al.Mexico City basin wind circulation during the MCMA-2003 field campaign [J].Atmos.Chem.Phys,2005，5：2267-2288.

[39]Foy B De,Clappier A,Molina L T,et al.Distinct wind convergence pattern in the Mexico City basin due to the interaction of the gap winds with the synoptic flow[J]. Atmos.Chem.Phys，2006，6：1249-1265.

[40]Air Quality-The 10 Most Polluted Cities in the World [EB/OL].http://www.infobarrel.com/Air Quality-The 10Most Polluted Cities in theWorld.

[41]王耀庭，李威，張小玲.北京城區夏季靜穩天氣下大氣邊界層與大氣污染的關系[J].環境科學研究，2012，25 （10）：1092-1098.

[42]游春華，蔡旭暉，宋宇，等.京津地區夏季大氣局地環流背景研究[J].北京大學學報：自然科學版，2006，42（6）：779-783.

[43]Hu x M,Liu S H,Wang Y C,et al.Numerieal Simulation of Wind Field and Temperature Field over Beijing Area in summer[J].Aeta Meteor Sinies，2005，19（1）：120-127.

[44]陳炯，王建捷.北京地區夏季邊界層結構日變化的高分辨模擬對比[J].應用氣象學報，2006，17（4）：403-411.

[45]陳朝暉，程水源，蘇福慶，等.北京地區一次重污染過程的大尺度天氣型分析[J].環境科學研究，2007，20（2）：99-105.

[46]佟華，桑建國.北京市海淀區大氣邊界層的數值模擬研究[J].應用氣象學報，2002，13（特刊）：51-60.

[47]佟華，劉輝志，桑建國，等.城市人為熱對北京熱環境的影響[J].氣候與環境研究，2004，9（3）：409-421.

[48]王喜全，王自發，龔艷幫，等.北京地區熱島環流對山地-平原風的調節作用[J].氣候與環境研究，2008，13（5）：639-644.

[49]Chen Y,Zhao C,Zhang Q,et al.Aircraft study of Mountain Chimney Effect of Beijing,China[J].Journal of Geophysical Research，2009，114:1-10.

[50]蘇福慶，任陣海，高慶先，等.北京及華北平原邊界層大氣中污染物的匯聚系統—邊界層輸送匯[J].環境科學研究，2004，17（1）：10-33.

[51]劉樹華，劉振鑫，李炬，等.京津冀地區不同季節大氣環流耦合效應的數值模擬[J].2009，中國科學D輯：地球科學，39（1）：88-98.

[52]苗愛梅.地形對太原市污染物稀釋擴散影響的模擬試驗[J].氣象學報，2004，62（1）：112-118.

[53]Mayhew S.A Dictionary of Geography[M].New York, Oxford University Press，2004.

[54]What are gap towns?[EB/OL].[2013-11-13].http://www. answers.com/topic/gap-town#ixzz2g4z7X8ka.

[55]Seibert R.South foehnstudies since the ALPEX experiment[J].Meteorol.Atmos.Phys.,1990，43：91-103.

[56]Vergeiner J，Mayr G J.Case study of the MAP-IOP “sandwich”foehn on 18th October 1999[J].MAP Newsl, 2000，13：36-37.

[57]Vergeiner J.South foehn studies and a new foehn classification scheme in the Wipp and Inn valley[D]. PhD thesis,University of Innsbruck,Austria,2004.

[58]Zangl,G.Deep and shallow fohn in the region of Innsbruck:typical features and semi-idealized numerical simulations[J].Meteorol.Atmos.Phys.,2003，83：237-261.

[59]McGowan,H A,Sturman A P,Kossmann M,et al. Observation of foehn onset in the Southern Alps[J]. NewZealand,Meteorol.Atmos.Phys.,2002，79：215-230.

[60]Nkemdirim L C，Leggat K.The effect of Chinook Weather on Urban Heat Islands and Air Pollution[J]. Water,Air and Soil Poll，1978，9：53-67.

[61]Seibert P,Feldmann H,Neiniger B.South foehn and ozone in the Eastern Alps-case study and climatological aspects[J].Atmos Environ.,2000，34：1379-1394.

[62]McGowan H A,Sturman P A,Owens F L.Aeolian dust transport and deposition by foehn winds in an alpine environment,LakeTekapo,NewZealand[J]. Geomorphology，1996，15（2）：135-146.

[63]Gohm A,Harnisch F,Vergeiner J,et al.Air pollution transport in an Alpine valley:results from airborne and ground-based observations[J].Boundary-Layer Meteorol., 2009，131：441-463.

[64]張家寶，蘇啟元，孫沈清，等.新疆短期天氣預報指導手冊[M].烏魯木齊：新疆人民出版社，1986.

[65]孟齊輝，呂斌，刁平.烏魯木齊地區東南大風分布規律的研究[J].新疆氣象，1995，18（1）：6-10.

[66]孟齊輝，呂斌，刁平.烏魯木齊東南大風與氣壓場演變的關系[J].新疆氣象，1996，19（1）：5-9.

[67]張利平.烏魯木齊國際機場20年東南大風天氣的統計特征分析[J].中國民航飛行學院學報，2007，18（2）：3-6.

[68]Li X,Xia X,Xin Y,et al.An Investigation of Boundary Layer Structure under the Influence of the Gap Wind in Urumqi，China，during Air Pollution Episode in Winter [J].Air&Waste Management Association,2012，62（1）：26-37.

[69]李霞.峽口城市烏魯木齊冬季重污染的機理研究[D].中國科學院，2013.

[70]Li X,Xia X,Wang L,et al.The role of foehn in the formation of heavy air pollution events in Urumqi,China [J].Geophys.Res.Atmos.,2015，120：5371-5384.

Research of the Influences of the Air Flows on Multiple Scales on the Transport and Diffusion Mechanisms of Urban Air Pollution over the Complex Terrains

LI Xia1，2，JIA Jian3
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Center of Central Asia Atmospheric Science Research，Urumqi 830002，China；3.Urumqi Meteorological Bureau，Urumqi 830006，China）

The term of the city over the complex terrain often lie in mountainous region,at foothill and in coastal area.It is a complicated issue for the mechanism of air pollution transport and diffusion over the complex terrains.According to the topography around the cities,the complex terrains are classified into five categories,which include the valley terrain,the costal terrain surrounded by hills on the other three sides,the basin terrain,the“U”shape terrain and the gorge terrain.On the basis of research results related to the transport and diffusion mechanisms of air pollutants overthe above-mentionedfivekinds ofcomplex terrains,the mutualactive characteristics of the multi-scale air flows and these flows’influences on the transport and diffusion of the local air pollutants were presented in this article,in order to give some guide for research on the formation mechanisms and the prevention and control of air pollution aimed to the other polluted cities over the complex terrains.

the complex terrains；cities；multi-scale air flows；air pollutants；transport and diffusion

X51

：A

1002-0799（2016）06-0001-10

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.001

2016-08-06；

2016-09-06

中國沙漠氣象科學研究基金（Sqj2011014），國家自然科學基金（41575011），中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（IDM201501）共同資助。

李霞（1969-），女，副研究員，主要從事大氣環境研究。E-mail：lixia@idm.cn

李霞，賈健.復雜地形多尺度氣流對城市大氣污染影響的研究進展[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（6）：1-10.