1、 第四章 城市、山区和水域附近扩散兰州，两边都是山兰州，两边都是山第三章 大气扩散估算 -平坦,均匀地形,某一平均风的下风向浓度 第四章 城市、山区和水域附近扩散 4.1 城市大气扩散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山区大气扩散 4.4 水域附近大气扩散 非均匀和复杂下垫面非均匀和复杂下垫面4.1 城市大气扩散 城市大气边界层 城市面积不断扩大,使得城市边界层影响日益重要,并且随着城市向高空发展,城市边界层更加复杂,城市冠层的输送,建筑物阻力和尾流湍流,多重反射,粗糙度的确定以及日益普及的空调和汽车的热源效应的影响等,都是当今的难点问题。 城市效应 城市不同因子的反照率城市区别于乡村的主要
2、特点城市区别于乡村的主要特点 -下垫面粗糙，建筑物和人口密集，工商业集中下垫面粗糙，建筑物和人口密集，工商业集中。n城市下垫面粗糙-决定其地面动力学粗糙度增大，地面热容量和热释放量也都比乡村明显增加。于是，改变了城市边界层的气象条件。污染物的扩散规律也与乡村不同n城市人口密集，工业发达，交通繁忙，造成城市空气污染排放具有多源、多样性和密集型多源、多样性和密集型的特点，污染影响程度较深，危害较大。因此，对城市环境空气质量管理应有较高的要求。n所有这些都使得对城市大气扩散规律的认识和研究显得尤其重要。 城市边界层研究主要有三种方法: 1、外场观测 （地面监测站、气象观测塔、低空探空及雷达和 卫星遥
3、感） 2、实验室研究（风洞试验和水槽试验 ） 3、 数值模拟 （中尺度模式MM5、RAMS、ARPS 等， 城市边界层模式等）一、城市边界层与空气污染气象学特征1.热岛效应 城市热岛效应城市热岛效应-城市气温比周围农村高的现象。城市气温比周围农村高的现象。成因：n热源排放（城市工业和居民的生产和生活释放热量大增。据估算，此种热能的散发量可与太阳辐射热能相当 ）n热容量大（城市地面为建筑物覆盖，热容量大，同时，城市地面水域少，相变耗热少。于是，热量大部份以湍流输送方式给大气层，极大地改变了城区热力状况）n城市大气污染物吸收地面长波辐射，产生温室效应等。 热岛效应的强度与城市规模、性质、工业发展水
4、平、地理及气象条件等因素有关。 经典城市边界层模型2. 城市混合层n城市特殊的热力性质，会产生“城市混合层”。n白天：城市，乡村的温度层结都是递减的，仅城市紧靠地面的一层递减得更快（左图）。n夜间：乡村由于辐射冷却在近地层形成逆温层。但当乡村空气移动到相对温暖和下垫面粗糙的城市上空时，下层空气被重新加热而形成一薄层混合层，其上部仍维持从乡村移行过来的逆温。（中图）-城市混合层。n混合层厚度一般为几十米到几百米之间。n可用干绝热曲线上升法确定城市混合层厚度（右图） ：以城郊气象站的每日最高气温Tmax加上城乡温差T作为地面气温作一条干绝热线，与清晨7时探空曲线的交点的高度为日最高混合层厚度L2；
5、以城郊最低气温Tmin加上城乡温差 T按同法可得日最低混合层厚度L1。3. 城市风场和湍流(1)风场 在晴朗平稳的天气下可形成从周围农村吹向城市的局地风，称为“城市风”。这种风可将郊区工厂的污染物带到市中心，使污染浓度升高。 出现地区性静风时，城市风非常明显。有和风时，只在城市背风部分出现城市风。城市热岛效应，风速减小，但是湍流增强n减小平均风速，(市区比郊区小30%-40%)n降低风速梯度（下图）n使风向摆动增大（一般在300左右摆动）n城市下垫面较大的粗糙度：(2)湍流风速的幂效应（200m以下），200m以上为定值 水平尺度划分水平尺度划分l中尺度（整个城市）中尺度（整个城市） 101
6、kml局地尺度（地表类型相局地尺度（地表类型相似的一个区域）似的一个区域） 100 kml 微尺度（建筑物、树微尺度（建筑物、树木、街道、花园等）木、街道、花园等） 100 102 m 城市边界层尺度城市近地层垂直尺度l 城市冠层（UCL） 高度与城市下垫面粗糙元的平均高度相当 ZHl 粗糙子层（RSL） 地表单个粗糙元形成的扰动（湍流涡旋）在垂直方向混合作用下所能达到的高度 blending height Zrl 惯性子层（ISL） 在这一层里已不含有单个粗糙元的微尺度信息，它反映的是上游局地尺度（源区域）的平均状况l 空气动力学特征参数 Zd 零平面位移高度 Z0 粗糙度二、城市空气污染特
7、征n城市空气污染特征由气象条件及污染物排放条件决定 各种城市空气污染源1.气象条件n烟流自乡村进入城市时，垂直扩散明显增强，污染物迅速上下混合，地面浓度增高。 晴朗白天：城乡受太阳辐射加热，气温随高度分布都呈递减不稳定状态，因此，城乡的空气污染物散布状况基本相似。 夜间：乡间由于辐射冷却，近地面层常常形成辐射逆温层。但是城区，由于存在热岛效应，当乡间较冷的气流流进相对较暖的城区上空时，下层空气被重新加热而形成混合层，其上方仍维持逆温。这就是夜间城市混合层。这种情况下，城区积聚的空气污染物往往会被对流混合带向地面，形成城市特有的混合层熏烟扩散，有可能给夜间的城区造成地面高浓度。城市尺度大气环流特
8、征研究夜间边界层 山谷城市大气大气边界层特征和大气污染形成机理研究山谷城市大气大气边界层特征和大气污染形成机理研究2.排放条件 污染物浓度日变化：一是气象条件日变化 二是人为活动日变化所致。 城市污染源：孤立高架点源 工业用矮小烟囱 面源排放居民生活源 交通流动源分布不均匀 各种城市空气污染源气象条件日变化n清晨，日出后逆温层逐渐破坏抬升，形成下部对流混合，上部逆温覆盖，扩散受抑，空气污染物被夹卷向下或被封闭反射，增加地面污染物浓度。n因此，通常在上午8点钟左右会出现城市污染物浓度的峰值，这与逆温破坏和抬升的时间有关系。广州广州 2003年年 11月月2日日广州广州 2003年年 11月月3日
9、日 广州2003年严重灰霾事件人为活动日变化n例：北京市so2地面浓度日变化图：n两个峰值：n08时：日出后，人们的生产与生活活动加剧，污染物排放量大增。n1820时：近日落时，湍流活动逐渐减弱，而生活燃烧量增加，所以会出现第二次峰值。LegendRegionalUrban SupersiteTotal: 16 sitesLegendRegionalUrban SupersiteTotal: 16 sitesPRD10月综合观测总体设计和测月综合观测总体设计和测量站点分布量站点分布矩形：矩形：垂直：垂直：断面：断面：1. 16 个地面常规站个地面常规站2. 2 个超级站个超级站: 广州市区、新
10、垦广州市区、新垦(空气质空气质量和边界层量和边界层)3. 航测航测4. 2004年年9月月2511月月5日日B2点B1点A点 番禺测点 新垦基线测风及低空探新垦基线测风及低空探空空B点A 点 小球基线测风低空探空广州市区主要污染物的演变广州市区主要污染物的演变050100150200250300PM2.5(ug/m3)0100200300400500SO2, NO(ppb)0123456CO(ppm)NO(ppb)SO2(ppb)CO(ppm)05010015010-0310-0510-0710-0910-1110-1310-1510-1710-1910-2110-2310-2510-2710
11、-2910-3111-0211-04日期O3(ppb)0100200300400500NOy(ppb)O3(ppb)NOy(ppb)p 污染物浓度存在比较明显的变化趋势污染物浓度存在比较明显的变化趋势p 存在两个污染比较严重的时段，各具特征存在两个污染比较严重的时段，各具特征p 一次污染物表现出双峰双谷的特征一次污染物表现出双峰双谷的特征乡村地区：新垦主要污染物的演变乡村地区：新垦主要污染物的演变050100150200250300PM2.5(ug/m3)05010015020010-0210-0410-0610-0810-1010-1210-1410-1610-1810-2010-2210-
12、2410-2610-2810-3011-0111-0311-05日期O3, NOy(ppb)O3(ppb)NOy(ppb)050100150200SO2, NO(ppb)01234CO(ppm)NO(ppb)SO2(ppb)CO(ppm)p 污染物浓度趋势比省站相对平稳污染物浓度趋势比省站相对平稳p O3污染严重污染严重p 一次污染物一次污染物双峰双谷，双峰双谷，PM2.5下午峰值下午峰值源区域源区域（source areasource area） 观测代表性要求测量高度应处于惯性子层当中，而粗糙子层高度与“源区域”的上游边界（不同地表类型分界处）有关，其高度/长度比率受稳定度影响。Oke认为城市典型值为1:100 如ZH=10m，则至少Zr=20m，Zd=7m，则fetch=100(Zr-Zd)，约为1.3km 局地尺度上游边界至少应距离观测点1.3km远，否则观测结果代表的不是该局地尺度状况印痕与源区域印痕与源区域-footprint and source area(Schmid 1994)“印痕印痕”的本质：的本质：- 时间反向的扩散过程！时间反向的扩散过程！ ? 讨论
