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

1、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 12-151 引言对于局地大气污染 , 在不考虑污

2、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 ;

3、 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

4、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

5、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. 70. 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311997年 6月URB AN ENV IRONM EN T &URBAN ECOLOGY 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.

6、 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. 53. 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

7、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 。 (a 1985年 1月 19日 2

8、0:0020日 20:00 (b 1985年 410日 20:0012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

9、, 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 4:007:00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 2

10、7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 (m 19:0022:0022:0001:0001:0004:0004:0007:0007:00 10:00200-0. 2-1. 0-2. 4-1. 30. 7 150-0. 8-0. 7-3. 0-1. 20. 4 100-1. 2-1. 4-2. 8-1. 70. 9 50-2. 0-1. 8-2. 9-0. 91. 9地面 -3. 1-2. 0-3. 00. 62. 6 3. 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

11、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

12、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

13、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. 0522100000. 10070. 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 =1

14、50m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. 97

15、0. 04290. 09042. 1180. 03680. 08022. 180. 03490. 08022. 3090. 03010. 07202. 390. 02890. 07192. 49100. 02520. 06522. 590. 02430. 06502. 67注 :C 类稳定度 , 源强为 105mg /s,风速 3. 0mg /s4. 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

16、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 8:009:00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

17、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34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

18、 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

19、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

20、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; 4:9132 李宗恺等 , 空气污染气象学原理及应用 , 北京 :气象出版社 , 1985:3974063 Roland B. Stull. 赵长新译 边界层气象学导论 北京 :气象出版社 , 1991:6806814 李爱贞 济南市 SO 2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

21、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 。THE DISTRIBUTION OF THE LOW LEVEL AIR TEMPERATURE IN CITY AND ITS IN FLUENCEO N THE DIFFUSIO N OF AIR POLLUTANTMao Hengqing(National M etero rological Center, Beijing100081Zhu Rong(Academy of Metero rological Science , Beijing 100081Abstract The distrib

22、ution of the lo w level air tem perature in city was analy sed by dis-cussing heat isla nd and inv ersion . Considering the distributio n o f the air polluta nt in city , the influence of the micro clima te on the forming o f air pollutio n a nd the diffusio n of air po llutant w as studied . It is indicated that the major metero rological facto r w hich cause air pollution is the hea t island effect in city a nd its im pact on the structure of lo w lev el air tem perature and the local w ind field.Key words the hea t island in city inv ersio n air pollution35城市环境与城市生态 10卷 2期 1997年