城市的低空气温分布特征及其对大气污染物扩散的影响毛恒青百.docx
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城市的低空气温分布特征及其对大气污染物扩散的影响毛恒青百
城市的低空气温分布特征及其对大气污染物扩散的影响
毛恒青 朱 蓉
（国家气象中心,北京100081 （气象科学研究院,北京100081
摘要 本文从城市热岛和城市逆温两个相互联系的不同侧面,分析城市低空气温的分布特征,并结合城市实际污染分布特征,讨论这种局地城市小气候效应对城市大气污染的形成以及对大气污染物扩散的影响,认为热岛效应以及由此引起的对低空温度层结和局地风场影响等的小气候效应是形成城市大气污染分布特征的主要气象原因。
关键词 城市热岛 逆温 大气污染
12-15
1 引言
对于局地大气污染,在不考虑污染源本身因素的情况下,大气的扩散能力直接影响着大气污染的扩散和稀释,而不同的污染气象特征又决定了大气的扩散能力[1],恶劣的气象特征可以造成严重的局地空气污染。
城市空气污染的特点与城市污染源的分布和污染气象条件有关,也是由城市本身的特点决定的[2]
。
随着城市的不断发展,高大的建筑物增加了下垫面的粗糙度;密集的工业区和高密度人口的生产生活以及大量机动车辆的运转都成为人工的热源;污浊的空气改变了城市的太阳辐射收支;同时市区用沥青和混凝土覆盖的面积百分率很大,这些地方通常不透水,且其反射率和热容量使入射辐射转化并储存为感热的能力较强;城市植被少,蒸发耗热少等等。
这都对城市局地小气候有很大影响,形成特殊的污染气象特征。
为了解城市污染气象特征及其与大气污染的关系,以济南和柳州的常规气象资料及短期边界层资料,进行的分析和讨论,并比较南北方城市间的差别。
2 城市热岛
本文用市区和郊区的气温之差表示热岛强度,济南以济南气象台、小辛庄气象站的温差表示,柳州分别以柳州市气象台与柳州市沙塘气象站和柳江气象站的温差表示。
2.1 城市热岛的季节变化
图1是柳州市城市热岛的季节变化。
从图1可以看出,热岛强度随季节有明显的变化规律,在9月~12月间,热岛强度较均差70.9℃,2月~6月热岛强度最弱,平均最低温
差在0.4℃以下,其它月份接近年平均值,在0.5℃左右。
月平均气温表示的热岛强度较弱,最大温差不到0.6℃,2月~6月仅在0.2℃左右,年平均为0.3℃。
（空白为月平均气温差,黑色为月平均最低气温差图1 柳州市城市热岛的季节变化（1969年~1985年
图2是由济南气象台与小辛庄站30年的月平均气温之差表示的城市热岛季节变化规律。
可以看出,济南的热岛强度明显比柳州市强,年温差比柳州市的大,且随季节的变化规律与柳州有所不同。
冬季较强,在9月~1月间,热岛强度在1.0℃以上,其中11月和1月平均温差达1.3℃,年平均热岛强度0.8℃。
夏季热岛强度较弱,春季各日热岛强度在0.7℃~0.8℃,而夏季各日热岛强度较弱,其中7月的热岛强度仅有0.1℃。
平均最
31
1997年6月
URBANENVIRONMENT&URBANECOLOGY
June. 1997
低年温差别较大,年平均最低气温温差达2.4℃。
同样也比较了平均最高气温的城郊差别,其差别均不明显
。
图2 济南市城市热岛的季节变化（1951年~1980年
2.2 城市热岛的日变化
图3为热岛强度日变化。
在这两次个例中,冬季1月份的热岛强度日变化表现为两峰一谷,在早晨8:
00左右最大,达到3.6℃,次
大值在日落以后的傍晚,20:
00左右热岛强度为2.5℃~3.0℃,在中午前后热岛强度最弱,14:
00仅为1.5℃。
而春季4月热岛强度的日变化为单峰型,最大值出现在深夜,在所给个例的两天中,其强度最大值出现在夜间2:
00左右,分别为1.2℃和3.0℃,同样中午前后城市热岛最不明显,14:
00的强度分别为0.4℃和0.3℃。
对比两条曲线可知,冬季热岛强度明显比春季大。
同样分析了夏、秋两季的热岛日变化,其变化规律与春季相同。
柳州市的热岛日变化各季也均为单峰型。
济南冬季热岛强度日变化呈双峰型的原因,与济南冬季需要大量的燃煤取暖有关。
在傍晚,城市居民集中的生活燃煤（气及取暖燃煤等,排放大量的热量,减缓城市近地层的冷却,与快速降温的农村近地层相比,加大了城郊的温差。
清晨,经过一夜的冷却降温,乡村寺
天的生产生活作准备,上班前的交通高峰,早
饭前后大量集中的生活燃料的燃烧等等,使低空气温很快回升,城郊温差达到一天中的最大
值。
（a1985年1月19日20:
00~20日20:
00
（b1985年410日20:
00~12日20:
00
图3 济南市热岛强度日变化
3 城市逆温特征
3.1 辐射逆温 从图4可以看出,傍晚,由于日落地面失去了太阳的短波辐射来源,而本身向大气持续的放射长波辐射,辐射收支转为负值,使地面剧烈的降温冷却,到27日22:
00近地层出现逆温。
地面的继续降温,逆温层逐渐升高,强度不断加强,次日凌晨逆温强度最大,28日4:
00的逆温强度为4.7℃/250m,而近地层强度达2.2℃/50m,逆温层顶的高度为250m。
早晨,
地面接受太阳短波辐射而升温,到28日早晨7:
00地面气温已高于上部,逆温层开始从地面破坏,逆温层顶抬升到350m,近地层大气变为不稳定状态,形成了辐射逆温消散过程中的“脱地逆温”。
表1是200m以下各层气温的变化值,从27日19:
00到28日4:
00,地面气温从19.1℃降到11℃,气温的落差达8.1℃,上面各层气温的降低较地面慢,200m处仅降温
32
城市环境与城市生态 10卷2期 1997年
3.6℃。
而28日4:
00~7:
00地面气温升高了0.6℃,但上面各层气温仍在降低
。
图4 柳州市1995年2月27日~28日辐射逆温演变过程表1 近地面各规定层气温的变化 ℃
高度（m19:
00~
22:
00
22:
00~
01:
00
01:
00~
04:
00
04:
00~
07:
00
07:
00~10:
00
200-0.2-1.0-2.4-1.30.7150-0.8-0.7-3.0-1.20.4100-1.2-1.4-2.8-1.70.950-2.0-1.8-2.9-0.91.9地面-3.1-2.0-3.00.62.63.2 脱地逆温
从图5可见,对比几次脱地逆温,逆温强度夏季较冬季强,逆温层底夏季稍高于冬季,且逆温层的厚度也是夏季较大,分析其原因,与柳州市8月的热岛强度较2月大有关。
城市近地层脱地逆温的形成,与城市热岛有关。
晚上存在辐射逆温时,当空气从乡村移到城市上空,由于热岛效应,构成城市低空的脱地逆温。
在城市上风向边缘地带,低层混合层很薄,加热,混合层不断升高,到城市的下风向边缘处达到最大。
4 城市热岛和逆温对大气污染的影响4.1 逆温对城市大气污染物扩散的影响4.1.1 “熏烟型”污染
表2是由熏烟模式计算得出的轴线浓度与无熏烟时轴线浓度的对比。
由表2可以看出,当发生熏烟时,地面浓度比稳定条件下增大几个数量级、尤其是在近距离,地面的熏烟浓度很高,这是造成早晨城市或工业区污染源周围地区严重污染的一个主要原因。
此过程时间较短,随着地面的不断加热,混合层向上迅速发展,随逆温层彻底破坏,熏烟过程结束。
4.1.2 逆温层对污染物的反射
由表3看出,由于逆温层底的反射作用,33
城市环境与城市生态 10卷2期 1997年
的增大倍数随距离增加,在5000m处分别比无反射时增大了55%和76%,在万m处是无反射情况下的2.5倍以上。
有效源高为200m较150m的倍数增大,这是由于200m高的污染源离逆温层底较近。
表2 熏烟与无熏烟时的轴线浓度的对比 mg/m3
距离（m
浓 度熏烟时无熏烟时10000.98570.000020000.54440.000130000.36900.001740000.27560.008150000.21790.012160000.17890.029070000.15090.038680000.12990.046490000.11360.052210000
0.1007
0.0562
注:
E类稳定度,源强105mg/s,源高150m,
风速 30m/s
表3 反射时轴线浓度与无反射时对比 mg/m3
距离有效源高=150m
有效源高=200m（km无反射浓度
反射浓度比值无反射浓度反射浓度比值10.07690.07601.000.00700.00701.0020.20220.20651.020.10330.11851.1530.15310.17801.160.11130.15611.4040.10780.14621.360.08930.14241.5950.07820.12161.550.06900.12111.7660.05890.10371.760.05390.10361.9270.04590.09041.970.04290.09042.1180.03680.08022.180.03490.08022.3090.03010.07202.390.02890.07192.4910
0.0252
0.0652
2.59
0.0243
0.0650
2.67
注:
C类稳定度,源强为105mg/s,风速3.0mg/s
4.2 城市热岛对大气污染物扩散的影响
城市热岛能小范围的改变局地风场,在城市上空形成类似于海风的闭合环流[3]
。
热岛环流的存在,市区将经受多次污染。
因为环流在下沉过程中,从城区输送出去的污染物随气流回到近地层,然后由流向市区的空气携带,再次进入市区,并在市中心（热岛中心处辐合,加大地面浓度,而上升气流又将把污染物带到空中向四周辐散。
环流对城市起着循环污染的作用
。
图5 柳州市脱地逆温时的温度廊线
4.3 大气污染分布特征
济南市大气污染的时空变化规律具有明
显的特点[4]。
大气污染浓度一年中以冬季最高,夏季较低。
冬季污染浓度的日变化为双峰型,早晨8:
00~9:
00浓度最大,随后慢慢减小,中午前后达最小值,然后又增大,在傍晚20:
00左右达到次大值。
而夏季的日变化呈
单峰型,以早晨最大,中午最小,其它时间变化平稳。
这一变化规律与热岛强度的日变化
规律一致。
而污染物的水平（地域分布,则以市中心浓度较高,向城市的边缘减小,尤其是在市区地势较低的天桥地区浓度最高。
由此可见,城市大气污染的变化规律和分布特点,与污染气象特征密切相关,污染浓
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城市环境与城市生态 10卷2期 1997年
度的变化与热岛强度及逆温生消等的规律一致,城市大气污染是污染物排放规律和污染气象特征相互作用的结果。
一方面热岛效应以及由此引起的对低空温度层结和局地风场影响等的小气候效应,使得城区夜晚和早晨经常遭受各种高度污染源的封闭型污染、熏烟型污染以及循环污染的危害,污染浓度和热岛强度具有相同的时间变化规律。
另一方面,污染物的排放与热量的排放具有同时性,尤其是冬季燃煤量的增加,既增加了污染物的排放量,同时也释放出大量的热量,污染源本身就是形成热岛的主要原因,两者相互作用的结果加重城市污染。
5 结语
根据以上对城市热岛和城市逆温及大气污染特征的对比分析,可以看出:
5.1 城市人为热源的作用,形成了城市热岛。
北方城市热岛强度冬季最大,夏季最弱,9月~2月比3月~8月明显;一天中,在中午前后最弱,而夜间气温最低时热岛强度最大;冬季日变化呈双峰型,其余季节为单峰型。
南方城市热岛强度较北方弱,其中9月~12月明显,2月~6月最弱,其日变化为单峰型。
5.2 由于热岛的存在,一方面影响低空温度层结,使城市存在近地层的脱地逆温,另一方
面形成热岛环流。
5.3 城市热岛和逆温对城市大气污染有很大影响,使得城区遭受各种高度污染源的封闭型污染、熏烟型污染以及循环污染的危害。
因而,应采取集中供热,减少低架无组织排放源,尽量抬高污染源的排放高度,将污染物直接排入低混合层上面的稳定气层中,减轻城市的污染危害。
5.4 城市大气污染物与热量排放的同时性,使城市热岛以及由此而形成的小气候效应,更加重了城市的局地污染。
参考文献
1 毛恒青.气象条件对大气污染物扩散的影响.山东气
象,1991;4:
9~13
2 李宗恺等,空气污染气象学原理及应用,北京:
气象出版
社,1985:
397~406
3 RolandB.Stull.赵长新译·边界层气象学导论·北京:
气象出版社,1991:
680~681
4 李爱贞·济南市SO2污染特征·山东师大学报,1987;
2（2
作者简介:
毛恒青 男,1962年4月出生。
理学硕士,工程师。
1983年毕业于南京大学气象系气候专业。
先后多次承担大中型建设项目的大气环境影响评价工作,同时开展气候分析、气候应用、气候资源开发、气候预测等研究工作,曾发表研究论文6篇。
THEDISTRIBUTIONOFTHELOWLEVELAIRTEMPERATUREINCITYANDITSINFLUENCE
ONTHEDIFFUSIONOFAIRPOLLUTANT
MaoHengqing
（NationalMeterorologicalCenter,Beijing100081
ZhuRong
（AcademyofMeterorologicalScience,Beijing100081
Abstract Thedistributionofthelowlevelairtemperatureincitywasanalysedbydis-cussingheatislandandinversion.Consideringthedistributionoftheairpollutantincity,theinfluenceofthemicroclimateontheformingofairpollutionandthediffusionofairpollutantwasstudied.Itisindicatedthatthemajormeterorologicalfactorwhichcauseairpollutionistheheatislandeffectincityanditsimpactonthestructureoflowlevelairtemperatureandthelocalwindfield.
Keywords theheatislandincity inversion airpollution
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城市环境与城市生态 10卷2期 1997年
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