《污染氣象學(xué)》課件：第四章1

第四章

城市、山區(qū)和水域附近擴(kuò)散蘭州，兩邊都是山第三章大氣擴(kuò)散估算

-----平坦,均勻地形,某一平均風(fēng)的下風(fēng)向濃度

第四章

城市、山區(qū)和水域附近擴(kuò)散

§4.1城市大氣擴(kuò)散

§4.2城市多源高斯模式

§4.3山區(qū)大氣擴(kuò)散

§4.4水域附近大氣擴(kuò)散

非均勻和復(fù)雜下墊面§4.1城市大氣擴(kuò)散

城市大氣邊界層

城市面積不斷擴(kuò)大,使得城市邊界層影響日益重要,并且隨著城市向高空發(fā)展,城市邊界層更加復(fù)雜,城市冠層的輸送,建筑物阻力和尾流湍流,多重反射,粗糙度的確定以及日益普及的空調(diào)和汽車(chē)的熱源效應(yīng)的影響等,都是當(dāng)今的難點(diǎn)問(wèn)題。

城市效應(yīng)

城市不同因子的反照率城市區(qū)別于鄉(xiāng)村的主要特點(diǎn)

-----下墊面粗糙，建筑物和人口密集，工商業(yè)集中。城市下墊面粗糙-------決定其地面動(dòng)力學(xué)粗糙度增大，地面熱容量和熱釋放量也都比鄉(xiāng)村明顯增加。于是，改變了城市邊界層的氣象條件。污染物的擴(kuò)散規(guī)律也與鄉(xiāng)村不同城市人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，交通繁忙，造成城市空氣污染排放具有多源、多樣性和密集型的特點(diǎn)，污染影響程度較深，危害較大。因此，對(duì)城市環(huán)境空氣質(zhì)量管理應(yīng)有較高的要求。所有這些都使得對(duì)城市大氣擴(kuò)散規(guī)律的認(rèn)識(shí)和研究顯得尤其重要。

城市邊界層研究主要有三種方法:1、外場(chǎng)觀測(cè)（地面監(jiān)測(cè)站、氣象觀測(cè)塔、低空探空及雷達(dá)和衛(wèi)星遙感）

2、實(shí)驗(yàn)室研究（風(fēng)洞試驗(yàn)和水槽試驗(yàn)）

3、數(shù)值模擬（中尺度模式MM5、RAMS、ARPS

等，城市邊界層模式等）一、城市邊界層與空氣污染氣象學(xué)特征熱島效應(yīng)

城市熱島效應(yīng)----城市氣溫比周?chē)r(nóng)村高的現(xiàn)象。成因：熱源排放（城市工業(yè)和居民的生產(chǎn)和生活釋放熱量大增。據(jù)估算，此種熱能的散發(fā)量可與太陽(yáng)輻射熱能相當(dāng)）熱容量大（城市地面為建筑物覆蓋，熱容量大，同時(shí)，城市地面水域少，相變耗熱少。于是，熱量大部份以湍流輸送方式給大氣層，極大地改變了城區(qū)熱力狀況）城市大氣污染物吸收地面長(zhǎng)波輻射，產(chǎn)生溫室效應(yīng)等。

熱島效應(yīng)的強(qiáng)度與城市規(guī)模、性質(zhì)、工業(yè)發(fā)展水平、地理及氣象條件等因素有關(guān)。

經(jīng)典城市邊界層模型2.城市混合層

城市特殊的熱力性質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生“城市混合層”。白天：城市，鄉(xiāng)村的溫度層結(jié)都是遞減的，僅城市緊靠地面的一層遞減得更快（左圖）。夜間：鄉(xiāng)村由于輻射冷卻在近地層形成逆溫層。但當(dāng)鄉(xiāng)村空氣移動(dòng)到相對(duì)溫暖和下墊面粗糙的城市上空時(shí)，下層空氣被重新加熱而形成一薄層混合層，其上部仍維持從鄉(xiāng)村移行過(guò)來(lái)的逆溫。（中圖）-----城市混合層?；旌蠈雍穸纫话銥閹资椎綆装倜字g。可用干絕熱曲線上升法確定城市混合層厚度（右圖）：以城郊?xì)庀笳镜拿咳兆罡邭鉁豑max加上城鄉(xiāng)溫差?T作為地面氣溫作一條干絕熱線，與清晨7時(shí)探空曲線的交點(diǎn)的高度為日最高混合層厚度L2；以城郊最低氣溫Tmin加上城鄉(xiāng)溫差?T按同法可得日最低混合層厚度L1。3.城市風(fēng)場(chǎng)和湍流(1)風(fēng)場(chǎng)在晴朗平穩(wěn)的天氣下可形成從周?chē)r(nóng)村吹向城市的局地風(fēng)，稱(chēng)為“城市風(fēng)”。這種風(fēng)可將郊區(qū)工廠的污染物帶到市中心，使污染濃度升高。出現(xiàn)地區(qū)性靜風(fēng)時(shí)，城市風(fēng)非常明顯。有和風(fēng)時(shí)，只在城市背風(fēng)部分出現(xiàn)城市風(fēng)。城市熱島效應(yīng)，風(fēng)速減小，但是湍流增強(qiáng)減小平均風(fēng)速，(市區(qū)比郊區(qū)小30%-40%)降低風(fēng)速梯度（下圖）使風(fēng)向擺動(dòng)增大（一般在±300左右擺動(dòng)）城市下墊面較大的粗糙度：(2)湍流風(fēng)速的冪效應(yīng)（200m以下），200m以上為定值

水平尺度劃分中尺度（整個(gè)城市）

101km局地尺度（地表類(lèi)型相似的一個(gè)區(qū)域）

100km

微尺度（建筑物、樹(shù)木、街道、花園等）

100~102m

城市邊界層尺度城市近地層垂直尺度

城市冠層（UCL）高度與城市下墊面粗糙元的平均高度相當(dāng)——ZH

粗糙子層（RSL）地表單個(gè)粗糙元形成的擾動(dòng)（湍流渦旋）在垂直方向混合作用下所能達(dá)到的高度——blendingheightZr

慣性子層（ISL）在這一層里已不含有單個(gè)粗糙元的微尺度信息，它反映的是上游局地尺度（源區(qū)域）的平均狀況空氣動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)

Zd——零平面位移高度

Z0——粗糙度二、城市空氣污染特征城市空氣污染特征由氣象條件及污染物排放條件決定

各種城市空氣污染源1.氣象條件煙流自鄉(xiāng)村進(jìn)入城市時(shí)，垂直擴(kuò)散明顯增強(qiáng)，污染物迅速上下混合，地面濃度增高。

晴朗白天：城鄉(xiāng)受太陽(yáng)輻射加熱，氣溫隨高度分布都呈遞減不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，城鄉(xiāng)的空氣污染物散布狀況基本相似。

夜間：鄉(xiāng)間由于輻射冷卻，近地面層常常形成輻射逆溫層。但是城區(qū)，由于存在熱島效應(yīng)，當(dāng)鄉(xiāng)間較冷的氣流流進(jìn)相對(duì)較暖的城區(qū)上空時(shí)，下層空氣被重新加熱而形成混合層，其上方仍維持逆溫。這就是夜間城市混合層。這種情況下，城區(qū)積聚的空氣污染物往往會(huì)被對(duì)流混合帶向地面，形成城市特有的混合層熏煙擴(kuò)散，有可能給夜間的城區(qū)造成地面高濃度。城市尺度大氣環(huán)流特征研究夜間邊界層

山谷城市大氣大氣邊界層特征和大氣污染形成機(jī)理研究2.排放條件

污染物濃度日變化：一是氣象條件日變化二是人為活動(dòng)日變化所致。

城市污染源：孤立高架點(diǎn)源工業(yè)用矮小煙囪面源排放—居民生活源交通流動(dòng)源分布不均勻

各種城市空氣污染源氣象條件日變化清晨，日出后逆溫層逐漸破壞抬升，形成下部對(duì)流混合，上部逆溫覆蓋，擴(kuò)散受抑，空氣污染物被夾卷向下或被封閉反射，增加地面污染物濃度。因此，通常在上午8點(diǎn)鐘左右會(huì)出現(xiàn)城市污染物濃度的峰值，這與逆溫破壞和抬升的時(shí)間有關(guān)系。廣州2003年11月2日廣州2003年11月3日

廣州2003年嚴(yán)重灰霾事件人為活動(dòng)日變化例：北京市so2地面濃度日變化圖：兩個(gè)峰值：08時(shí)：日出后，人們的生產(chǎn)與生活活動(dòng)加劇，污染物排放量大增。18～20時(shí)：近日落時(shí)，湍流活動(dòng)逐漸減弱，而生活燃燒量增加，所以會(huì)出現(xiàn)第二次峰值。PRD10月綜合觀測(cè)總體設(shè)計(jì)和測(cè)量站點(diǎn)分布矩形：垂直：斷面：16個(gè)地面常規(guī)站2個(gè)超級(jí)站:廣州市區(qū)、新墾(空氣質(zhì)量和邊界層)航測(cè)2004年9月25－11月5日B2點(diǎn)B1點(diǎn)A點(diǎn)

番禺測(cè)點(diǎn)

新墾基線測(cè)風(fēng)及低空探空B點(diǎn)A點(diǎn)

小球基線測(cè)風(fēng)低空探空廣州市區(qū)主要污染物的演變污染物濃度存在比較明顯的變化趨勢(shì)存在兩個(gè)污染比較嚴(yán)重的時(shí)段，各具特征一次污染物表現(xiàn)出雙峰雙谷的特征鄉(xiāng)村地區(qū)：新墾主要污染物的演變污染物濃度趨勢(shì)比省站相對(duì)平穩(wěn)O3污染嚴(yán)重一次污染物雙峰雙谷，PM2.5下午峰值源區(qū)域（sourcearea）

觀測(cè)代表性要求測(cè)量高度應(yīng)處于慣性子層當(dāng)中，而粗糙子層高度與“源區(qū)域”的上游邊界（不同地表類(lèi)型分界處）有關(guān)，其高度/長(zhǎng)度比率受穩(wěn)定度影響。Oke認(rèn)為城市典型值為1:100

如ZH=10m，則至少Zr