淺析城市大氣風場與污染物

梁霄

摘 要：城市的空氣質量與人的生活密切相關，民用、工業過程排放的污染物是造成城市大氣污染的主要因素。城市下墊面的基本特征是干、熱、粗，其復雜性導致城市的風環境及污染物擴散變得非常復雜。探討復雜下墊面情況下的大氣流動及污染物擴散的機理和規律，對改善人們的生活環境有重要意義。

關鍵詞：非均勻下墊面 大氣擴散 湍流 城市熱島

環境與發展是當今世界共同關注的重大問題，酸雨、對流層臭氧的增加和平流層臭氧的減少所引起的全球化學系統的改變、大面積森林的毀壞和荒漠化引起的生態環境不平衡，溫室氣體積累造成全球氣候的變化，是21世紀人類面臨的四大環境問題。目前我國經濟正處于高速發展期，如能源、交通規模的擴大、城市人口的膨脹、大型工業開發區的發展造成大氣污染已不在是一個工廠范圍的局部污染問題，環境污染物的排放總量不斷增加，污染范圍繼續擴大，大氣污染問題口趨嚴重。

1 大氣污染

大氣污染是指由于人類活動或自然過程引起某些物質介入大氣中，呈現出足夠的濃度，達到足夠的時間，并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環境。大氣污染是由大氣污染源、大氣圈和受影響對象組成，將三者作為一個整體，稱它們為大氣污染系統。

2 大氣污染物的分類、危害和影響

大氣污染物是指由于人類活動或自然過程排入大氣的并對人或環境產生有害影響的那些物質。按其物理形態和化學成分可分為以下幾類：

（1）顆粒污染物。指以固體或液體微粒形式存在于空氣介質中分散體，自分子大小到大于l0um粒徑，有飄塵，降塵等，統稱總懸浮微粒（TSP）。（2）碳氧化物。主要是二氧化碳、一氧化碳等氣體污染物。（3）氮氧化物。主要是二氧化氮、一氧化氮等氣體污染物以及由此可能產生的二次污染物。（4）硫化物。主要是二氧化硫，這是迄今被認為最主要的空氣污染物。此外還有如硫化氫等氣體污染物以及由二氧化硫化學轉化成的硫酸鹽等酸性污染物。（5）鹵化物。主要有氟化氫、氯氣和氯化氫等氣體污染物。（6）碳氫化合物。主要包括烷烴、烯烴和芳烴類復雜多樣的含碳和氫的有機化合物。（7）氧化劑。主要是指在空氣中具有高度氧化性質的一些化合物，如臭氧及其它過氧化物。（8）放射性物質。另外，按照不同情況和研究目的，可以從不同角度對空氣污染源進行分類，如按人類活動內容分類、按污染物排放方式分類、按污染源排放位置分類、按污染物排放口分類等。大氣是人類賴以生存的基本條件，大氣中有害物質通過呼吸道吸入，也可以隨飲用水、飲食以及體表接觸三個途徑侵入人體。大氣中污染物種類很多對人體造成的危害各不相同。污染源、污染物以及對人類及其生存環境造成危害與影響，這是構成空氣污染問題的基本要素。

3 影響空氣污染物的主要因子

大氣對污染物的擴散稀釋能力隨著氣象條件的不同而發生巨大變化，污染物向四周散布的速率越高，單位時間參與同污染物混合的空氣就越多，也就表明大氣的擴散稀釋能力越強，污染物質就會很快被稀釋到人類可以接受的程度，不致造成污染危害。影響空氣污染物擴散的主要因子主要有：

（1）大氣邊界層結構。空氣污染物排放進入大氣層，其活動決定于各種尺度大氣過程，首先是受到大氣邊界層湍流活動支配。大氣邊界層是直接受到地表影響最強烈的垂直氣層，它占有整個空氣質量的10%，其厚度隨天氣條件、地表特征而變，一般在1 km - 2km。在這一層里，氣流受地面摩擦力和下墊面地形地物的影響，并受這一層里的動量、熱量、水汽和其它物質的輸送及其通量的支配。按動力學特征，常把大氣邊界層分為三層：貼地層、近地層（通量層），上部摩擦層（Ekman層）。大氣邊界層與人類活動的關系最為密切、最直接，空氣污染問題亦主要發生在這一層中。

（2）風和湍流。空氣相對于地面的水平運動的氣流稱為風，它有方向和大小。排放到大氣中的污染物在風的作用下，會被輸送到其它地區，風速愈大，單位時間內污染物被輸送的距離愈遠，混入的空氣量愈多，污染物濃度愈低，所以風不但對污染物進行水平輸運，而且有稀釋沖淡的作用。同時污染物總是分布在污染源的下風方，于是在考慮風速和風向對污染物濃度的影響時，常引入污染系數的概念。

湍流是一種不規則運動，其特征是時空隨機變量。由機械或動力作用生成的是機械湍流，如近地面風切變，地表非均一性和粗糙度均可產生這種機械湍流活動。由各種熱力因子的熱力作用誘發形成的湍流稱熱力湍流，如太陽加熱地表導致熱對流泡向上運動，地表受熱不均勻或氣層不穩定等都可引起熱力湍流。一般情況下，大氣湍流的強弱取決于熱力和動力兩種因子。在氣溫垂直分布呈強遞減時，熱力因子起主要作用，而在中性層結情況下動力因子往往起主要作用。

研究湍流時，把它作為一種疊加在平均風之上的脈動化，由一系列不規則的渦旋運動組成，這種渦旋稱湍渦。邊界層內最大的湍渦尺度大約和邊界層的厚度相當，最小湍渦的尺度只有幾個毫米，大湍渦的強度最大，因它是由空氣的平均運動動能通過湍流摩擦作用轉變來的，小湍渦的能量來自大湍渦，或者說大湍渦將能量傳遞給小湍渦，小湍渦將能量傳遞給更小的湍渦，最后由分子粘性的耗散作用，將湍能轉變成熱能，這一過程稱為能量耗散。

大氣總是處于不停息的湍流運動之中，排放到大氣中的污染物質，在湍流渦旋的作用下散布開來。大氣湍流運動的方向和速度都是極不規則的，具有隨機性，并會造成流場中各部分之間的混合和交換。

（3）氣溫與大氣穩定度。大氣湍流結構與大氣層溫度分布密切相關，所以在研究大氣擴散時，氣層的穩定度是很重要的因素。當氣層處于不穩定層結時，會促使湍流運動的發展，使大氣擴散稀釋能力加強，反之大氣處于穩定層結時，會對湍流起抑制作用，減弱大氣的擴散能力。

（4）輻射與云。太陽輻射是地球大氣的主要能量來源，地面和大氣層一方面吸收太陽輻射，另一方面不斷地放出輻射能。地面及大氣的熱狀況、溫度分布和變化，制約著大氣運動狀態，影響著云與降水的形成，對空氣污染起著一定作用。在晴朗的白天，太陽輻射首先加熱了地面，近地層的溫度升高，使大氣處于不穩定狀態，夜間地面輻射失去熱量，使近地層氣溫下降，形成逆溫，大氣穩定。

云對太陽輻射有反射作用，它的存在會減少到達地面的太陽直接輻射，同時云層又加強大氣逆輻射，減小地面的有效輻射。

（5）天氣形勢。一般情況下，在低氣壓控制時，空氣有上升運動，云量較多，如果風速再稍大，大氣多為中性或不穩定狀態，有利于污染物的擴散。相反在高氣壓控制下，一般天氣晴朗，風速較小并伴有空氣下沉運動，往往在幾百米或1000 - 2000m的高度上形成下沉逆溫，抑制湍流的向上發展。另外，像降水、霧等對空氣污染狀況也有影響。降水對清除大氣中的污染物質起著重要作用，由于有些污染氣體能溶解在水中或者與水起化學反應，顆粒污染物與雨滴碰撞可附著在雨滴上并隨著降水帶到地面，所以降水可以遷移空氣污染物。霧是懸浮在大氣近面層的小水滴或小冰晶，可以清洗空氣中的一些粒子污染物或氣體污染物。由于霧是在近地面氣層非常穩定條件下產生的，這種條件下，空氣污染物不易擴散，所以霧的出現可能會造成不利的地面空氣污染狀況。

（6）下墊面條件。地形和下墊面的非均勻性，對氣流運動和氣象條件會產生動力和熱力的影響，從而改變空氣污染物的擴散條件，例如城市上空的熱島效應和粗糙度效應，有利于污染物的擴散，但在一些建筑物背后局地氣流的分流和滯留則會使污染物積聚。由于地形的影響會使地表受熱不均勻，從而形成山谷風，以及由于地表性質不均勻形成的海陸風和湖陸風等，都會改變大氣流場和溫度場分布，從而影響空氣污染物散布。

參考文獻

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