淺析城市大氣風(fēng)場與污染物

梁霄

摘 要：城市的空氣質(zhì)量與人的生活密切相關(guān)，民用、工業(yè)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(fù)雜性導(dǎo)致城市的風(fēng)環(huán)境及污染物擴(kuò)散變得非常復(fù)雜。探討復(fù)雜下墊面情況下的大氣流動(dòng)及污染物擴(kuò)散的機(jī)理和規(guī)律，對(duì)改善人們的生活環(huán)境有重要意義。

關(guān)鍵詞：非均勻下墊面 大氣擴(kuò)散 湍流 城市熱島

環(huán)境與發(fā)展是當(dāng)今世界共同關(guān)注的重大問題，酸雨、對(duì)流層臭氧的增加和平流層臭氧的減少所引起的全球化學(xué)系統(tǒng)的改變、大面積森林的毀壞和荒漠化引起的生態(tài)環(huán)境不平衡，溫室氣體積累造成全球氣候的變化，是21世紀(jì)人類面臨的四大環(huán)境問題。目前我國經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展期，如能源、交通規(guī)模的擴(kuò)大、城市人口的膨脹、大型工業(yè)開發(fā)區(qū)的發(fā)展造成大氣污染已不在是一個(gè)工廠范圍的局部污染問題，環(huán)境污染物的排放總量不斷增加，污染范圍繼續(xù)擴(kuò)大，大氣污染問題口趨嚴(yán)重。

1 大氣污染

大氣污染是指由于人類活動(dòng)或自然過程引起某些物質(zhì)介入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到足夠的時(shí)間，并因此而危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環(huán)境。大氣污染是由大氣污染源、大氣圈和受影響對(duì)象組成，將三者作為一個(gè)整體，稱它們?yōu)榇髿馕廴鞠到y(tǒng)。

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(dòng)或自然過程排入大氣的并對(duì)人或環(huán)境產(chǎn)生有害影響的那些物質(zhì)。按其物理形態(tài)和化學(xué)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(zhì)中分散體，自分子大小到大于l0um粒徑，有飄塵，降塵等，統(tǒng)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(chǎn)生的二次污染物。（4）硫化物。主要是二氧化硫，這是迄今被認(rèn)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(xué)轉(zhuǎn)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?xì)浠衔铩Ｖ饕ㄍ闊N、烯烴和芳烴類復(fù)雜多樣的含碳和氫的有機(jī)化合物。（7）氧化劑。主要是指在空氣中具有高度氧化性質(zhì)的一些化合物，如臭氧及其它過氧化物。（8）放射性物質(zhì)。另外，按照不同情況和研究目的，可以從不同角度對(duì)空氣污染源進(jìn)行分類，如按人類活動(dòng)內(nèi)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(zhì)通過呼吸道吸入，也可以隨飲用水、飲食以及體表接觸三個(gè)途徑侵入人體。大氣中污染物種類很多對(duì)人體造成的危害各不相同。污染源、污染物以及對(duì)人類及其生存環(huán)境造成危害與影響，這是構(gòu)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(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力隨著氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化，污染物向四周散布的速率越高，單位時(shí)間參與同污染物混合的空氣就越多，也就表明大氣的擴(kuò)散稀釋能力越強(qiáng)，污染物質(zhì)就會(huì)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(kuò)散的主要因子主要有：

（1）大氣邊界層結(jié)構(gòu)。空氣污染物排放進(jìn)入大氣層，其活動(dòng)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(dòng)支配。大氣邊界層是直接受到地表影響最強(qiáng)烈的垂直氣層，它占有整個(gè)空氣質(zhì)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(dòng)量、熱量、水汽和其它物質(zhì)的輸送及其通量的支配。按動(dòng)力學(xué)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(dòng)的關(guān)系最為密切、最直接，空氣污染問題亦主要發(fā)生在這一層中。

（2）風(fēng)和湍流。空氣相對(duì)于地面的水平運(yùn)動(dòng)的氣流稱為風(fēng)，它有方向和大小。排放到大氣中的污染物在風(fēng)的作用下，會(huì)被輸送到其它地區(qū)，風(fēng)速愈大，單位時(shí)間內(nèi)污染物被輸送的距離愈遠(yuǎn)，混入的空氣量愈多，污染物濃度愈低，所以風(fēng)不但對(duì)污染物進(jìn)行水平輸運(yùn)，而且有稀釋沖淡的作用。同時(shí)污染物總是分布在污染源的下風(fēng)方，于是在考慮風(fēng)速和風(fēng)向?qū)ξ廴疚餄舛鹊挠绊憰r(shí)，常引入污染系數(shù)的概念。

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

研究湍流時(shí)，把它作為一種疊加在平均風(fēng)之上的脈動(dòng)化，由一系列不規(guī)則的渦旋運(yùn)動(dòng)組成，這種渦旋稱湍渦。邊界層內(nèi)最大的湍渦尺度大約和邊界層的厚度相當(dāng)，最小湍渦的尺度只有幾個(gè)毫米，大湍渦的強(qiáng)度最大，因它是由空氣的平均運(yùn)動(dòng)動(dòng)能通過湍流摩擦作用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)之中，排放到大氣中的污染物質(zhì)，在湍流渦旋的作用下散布開來。大氣湍流運(yùn)動(dòng)的方向和速度都是極不規(guī)則的，具有隨機(jī)性，并會(huì)造成流場中各部分之間的混合和交換。

（3）氣溫與大氣穩(wěn)定度。大氣湍流結(jié)構(gòu)與大氣層溫度分布密切相關(guān)，所以在研究大氣擴(kuò)散時(shí)，氣層的穩(wěn)定度是很重要的因素。當(dāng)氣層處于不穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，會(huì)促使湍流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，使大氣擴(kuò)散稀釋能力加強(qiáng)，反之大氣處于穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，會(huì)對(duì)湍流起抑制作用，減弱大氣的擴(kuò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，影響著云與降水的形成，對(duì)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(wěn)定狀態(tài)，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(wěn)定。

云對(duì)太陽輻射有反射作用，它的存在會(huì)減少到達(dá)地面的太陽直接輻射，同時(shí)云層又加強(qiáng)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(shí)，空氣有上升運(yùn)動(dòng)，云量較多，如果風(fēng)速再稍大，大氣多為中性或不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于污染物的擴(kuò)散。相反在高氣壓控制下，一般天氣晴朗，風(fēng)速較小并伴有空氣下沉運(yùn)動(dòng)，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(fā)展。另外，像降水、霧等對(duì)空氣污染狀況也有影響。降水對(duì)清除大氣中的污染物質(zhì)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(xué)反應(yīng)，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(wěn)定條件下產(chǎn)生的，這種條件下，空氣污染物不易擴(kuò)散，所以霧的出現(xiàn)可能會(huì)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(duì)氣流運(yùn)動(dòng)和氣象條件會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力和熱力的影響，從而改變空氣污染物的擴(kuò)散條件，例如城市上空的熱島效應(yīng)和粗糙度效應(yīng)，有利于污染物的擴(kuò)散，但在一些建筑物背后局地氣流的分流和滯留則會(huì)使污染物積聚。由于地形的影響會(huì)使地表受熱不均勻，從而形成山谷風(fēng)，以及由于地表性質(zhì)不均勻形成的海陸風(fēng)和湖陸風(fēng)等，都會(huì)改變大氣流場和溫度場分布，從而影響空氣污染物散布。

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