《沙漠与绿洲气象》：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展

综述 第10卷第6期 沙漠与绿洲气象 2016年12月 Desert and Oasis Meteorology 李霞,贾健复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展团沙漠与绿洲气象,2016.106):1-10 di:10.3969sn1002-0799201606001 复杂地形多尺度气流对城市大气污染 影响的研究进展 李霞·2,贾健 (1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐83002;2.中亚大气科学研究中心,新疆鸟鲁木齐830002 3乌鲁木齐市气象局,新疆鸟鲁木齐830006) 摘要:复杂地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地带。复杂地形下的大气污染传输、扩散 机制是一个复杂的问题。本文依据城市地形地貌将复杂地形归类为河谷地形、三面环山临海地 形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形。结合国内外对这5类地形下城市污染物传输扩散及污染 形成机制的研究成果,介绍了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的 特点及其对污染传输扩散的影响,期望能够为其它复杂地形城市污染形成机制硏究和大气污染 防治提供一些借鉴。 关键词:复杂地形;城市;多尺度气流;大气污染物;传输扩散 中图分类号:X51 文献标识码:A 文章编号:1002-0799(2016)06-0001-10 随着我国经济持续高速发展,工业化和城市化年1月,罕见的连续高强度霾污染席卷了我国中东 进程不断加速,伴随着城市人口的增长,机动车保有部地区,受影响人口约6亿人。无论是发生在欧美 量暴增,能源大量集中消耗,道路等交通设施和污染国家的重污染事件,还是当今国内的强雾霾事件,无 物脱除技术严重滞后,导致城市和城市群区域大气疑都是自然界向人类社会敲响警钟。 污染日趋严重。人类生存环境面临着前所未有的 仔细梳理这些重大污染事件的成因,可见几类 危机,因此大气环境成为当前人类生存科学研究最因素起了关键性作用。第一,过量的大气污染物排放 为重要的组成部分。环境污染作为一个重大的社无疑是首要原因。如“四日市哮喘事件”,全市大气中 会问题,是从产业革命开始的。欧美一些发达国家SO2浓度超出标准5-6倍。第二,合适的气象条 在20世纪3060年代接连发生了一系列震惊世界件。从比利时马斯河谷烟雾事件到美国多诺拉烟雾 的大气污染事件,如1930年比利时马斯河谷事件、事件、再到伦敦烟雾事件,大雾是比较普遍的天气现 1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件、1948年美国多象,同时伦敦近乎静风,多诺拉空气无垂直运动,三 诺拉烟雾事件、1952年英国伦敦烟雾事件、1961年个城市上空一致呈现逆温层结門。2013年1月京津 日本四日市哮喘事件等。这些重污染事件有的仅持冀霾污染过程期间,中东部偏北地区大气异常稳定, 续短短数日,但是瞬间就导致了数百上千人的死空气垂直运动弱,冷空气过程少,湿度大,无降水,造 亡我国兰州20世纪70年代出现了光化学烟雾成污染物积累叠加叫。第三,特殊的地形助长了污染 污染,80年代珠三角地区灰霾天气显著增加叨,90事件的发生。上述城市多数都处在复杂地形下,如马 年代末乌鲁木齐跻身于世界十大污染城市阍。2013斯河谷、多诺拉、兰州都属于河谷地形,洛杉矶、四日 市、珠三角地区则处于三面环山临海的海湾里,北京 收稿日期:2016-08-06;修回日期:2016-09-06 位于马蹄型地形之中,乌鲁木齐则处在峡口的开口 基金项目:中国沙漠气象科学研究基金(Sq201014,国家自然科学处。复杂地形下垫面的非均匀性会对气流运动和气 基金(41575011),中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 项目(IDM201501)共同资助 象条件产生动力和热力的影响,引起局地环流,如山 作者简介:李霞(1969-),女,副研究员,主要从事大气环境研究。E 谷风、过山气流、海陆风、城市热岛环流等,各种尺度 mail: lixia@idmcn 动非线性相互作用,对污染物的扩散传输影响很

沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 综 述 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 复杂地形多尺度气流对城市大气污染 影响的研究进展 李 霞1，2，贾 健 3 （1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐 830002； 3.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830006） 摘 要：复杂地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地带。复杂地形下的大气污染传输、扩散 机制是一个复杂的问题。本文依据城市地形地貌将复杂地形归类为河谷地形、三面环山临海地 形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形。结合国内外对这 5 类地形下城市污染物传输扩散及污染 形成机制的研究成果，介绍了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的 特点及其对污染传输扩散的影响，期望能够为其它复杂地形城市污染形成机制研究和大气污染 防治提供一些借鉴。 关键词：复杂地形；城市；多尺度气流；大气污染物；传输扩散 中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1002-0799（2016）06-0001-10 李霞，贾健.复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：1-10. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.001 收稿日期：2016-08-06；修回日期：2016-09-06 基金项目：中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2011014），国家自然科学 基金（41575011），中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 项目（IDM201501）共同资助。 作者简介：李霞（1969-），女，副研究员，主要从事大气环境研究。E￾mail：lixia@idm.cn 随着我国经济持续高速发展，工业化和城市化 进程不断加速，伴随着城市人口的增长，机动车保有 量暴增，能源大量集中消耗，道路等交通设施和污染 物脱除技术严重滞后，导致城市和城市群区域大气 污染日趋严重[1]。人类生存环境面临着前所未有的 危机，因此大气环境成为当前人类生存科学研究最 为重要的组成部分[2]。环境污染作为一个重大的社 会问题, 是从产业革命开始的。欧美一些发达国家 在 20 世纪 30—60 年代接连发生了一系列震惊世界 的大气污染事件，如 1930 年比利时马斯河谷事件、 1943 年美国洛杉矶光化学烟雾事件、1948 年美国多 诺拉烟雾事件、1952 年英国伦敦烟雾事件、1961 年 日本四日市哮喘事件等。这些重污染事件有的仅持 续短短数日，但是瞬间就导致了数百上千人的死 亡[3-5]。我国兰州 20 世纪 70 年代出现了光化学烟雾 污染[6]，80 年代珠三角地区灰霾天气显著增加[7]，90 年代末乌鲁木齐跻身于世界十大污染城市[8]。2013 年 1 月，罕见的连续高强度霾污染席卷了我国中东 部地区，受影响人口约 6 亿人[1]。无论是发生在欧美 国家的重污染事件，还是当今国内的强雾霾事件，无 疑都是自然界向人类社会敲响警钟。 仔细梳理这些重大污染事件的成因，可见几类 因素起了关键性作用。第一，过量的大气污染物排放 无疑是首要原因。如“四日市哮喘事件”，全市大气中 SO2 浓度超出标准 5耀6 倍[4]。 第二，合适的气象条 件。从比利时马斯河谷烟雾事件到美国多诺拉烟雾 事件、再到伦敦烟雾事件，大雾是比较普遍的天气现 象，同时伦敦近乎静风，多诺拉空气无垂直运动，三 个城市上空一致呈现逆温层结[5]。2013 年 1 月京津 冀霾污染过程期间，中东部偏北地区大气异常稳定， 空气垂直运动弱，冷空气过程少，湿度大，无降水，造 成污染物积累叠加[1]。第三，特殊的地形助长了污染 事件的发生。上述城市多数都处在复杂地形下，如马 斯河谷、多诺拉、兰州都属于河谷地形，洛杉矶、四日 市、珠三角地区则处于三面环山临海的海湾里，北京 位于马蹄型地形之中，乌鲁木齐则处在峡口的开口 处。复杂地形下垫面的非均匀性会对气流运动和气 象条件产生动力和热力的影响，引起局地环流，如山 谷风、过山气流、海陆风、城市热岛环流等，各种尺度 运动非线性相互作用，对污染物的扩散传输影响很 1

综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 大,以至于扩散理论都难以阐释清楚,往往需借助于 边界层顶逆温 高度 大气扩散实验结果来阐述复杂因素門。鉴于复杂地 山顶加热 山顶加热 形下的大气污染机制仍是环境领域的一个重要研究 课题,大气污染理论和预测方法还需要进一步深入 和完善,而我国许多污染极为严重的城市又都是处 于复杂地形的山地、沿海地带,因此加强对复杂地形 大气逆温层 条件下大气污染问题研究仍是当务之急,这无论 在理论上还是实际应用上均有重要科学意义。 上坡风 上坡风 世界上污染严重的诸多城市先后开展了复杂地 形条件下大气污染的传输和扩散规律研究,抓住物 理本质并建立了相应的物理模型,为大气污染防治 位温 提供了有力支撑。本文将复杂地形归为5类予以论图1兰州河谷地形形成白天大气逆温层的示意图 述,分别是河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形 (摘自文献[17]) 马蹄型地形、峡口地形。 兰州市这种特殊的近乎封闭的极端河谷地形另 1河谷地形 方面起到了很好的屏障作用,阻挡了气流流通,导 黄河自西向东穿过兰州,由于南北受两山夹峙,致山谷地面静风频率比较高,市区一般很少超过 整个市区处在呈哑铃型的河谷之中,因此兰州属于2ms,平均值大约为1m/s四。同时,河谷城市典型 典型的河谷城市。从20世纪70年代以来,围绕兰州的风场特征为白天盛行谷风,夜间盛行山风。从 大气环境问题的研究取得了丰富的成果。本文以兰图2可见,白天兰州城关区由南北两山和谷口向谷 州为例,剖析河谷地形城市多尺度气流在重污染形中辐合;夜间,城关区地面流场为辐合态势,气流由 成中的作用。基于大量的野外观测试验和模拟研究南北方向向盆地中心辐合。原因就是受南北两山的 表明:兰州城市逆温持续时间长,只有午后较短阶段夹峙作用,山风使气流由山坡向河谷盆地下泻,加上 逆温消失;逆温层较为深厚,最高可达800m。城市夜间的热岛效应,进一步增强了地面流场的辐 对于兰州市逆温形成的物理机制,胡隐樵等总结合作用四。数值模拟再次表明兰州冬季夜间为辐合 了三大主要原因:白天山峰加热效应、夜间冷湖效应流场、白天为辐散状态。研究表明白天热岛环流抑制 以及气溶胶的增温效应。“山峰加热效应”是指在山谷风环流,夜间则增强山风环流,但是冬季夜间兰 地地区,白天水平温度差异驱动热力环流将山顶上州市区和山谷上空存在较厚的逆温层,抑制了气流 加热的气团输送到谷地上空,谷地形成脱地逆温的的上升运动。张强四分析得出兰州市山谷气流的 这种效应。同时,重污染日白天的气溶胶可以通过 Froude数通常在00750.324,远小于1,所以一般 散射和吸收太阳辐射达到削弱到达谷底太阳辐射量的天气条件下冬天兰州市山谷的地面气流不可能沿 的效果,这就是气溶胶的增温效应。夜晚,山坡上山坡爬升,只能在山谷中回转,因此地面污染物不易 由于地表向外的辐射冷却导致山坡上的大气降温,输送出去 产生下坡风将冷空气输入谷底,形成谷地逆温,这就 是冷湖效应1。张强等进一步认为兰州市白天和2三面环山临海地形 夜间的大气逆温层各有不同的形成机制。在受污染 三面环山临海地形,即三面都被山地环绕,一边 物气溶胶明显影响之前,夜间大气逆温层的形成主面朝大海,这种地形一般属于典型的海洋性气候。世 要靠地表辐射冷却效应以及山谷地形和干旱环境下界上此类地形污染较重的城市除了洛杉矶、四日市, 裸露地表形成的强下坡风作用;白天大气逆温层的还有希腊的雅典和我国珠江三角洲地区等。这类地 形成主要靠太阳对地表加热所形成的上坡风作用和形下会出现山谷风、海陆风以及城市热岛环流。在洛 山顶的强加热效应以及大气污染物对太阳辐射的吸杉矶附近,由于海陆热力差异和复杂地形的影响,加 收和削弱作用。同时干旱环境下裸露地表使得之逆温层的笼罩,地面风场极其复杂。白天山脉附近 地形作用更加明显(图1)。由此可见,山地地区的热的谷风驱动盆地空气流动,并增强了海风P。来自 力环流对逆温的形成和维持作用很大。 盆地的气流爬上山顶,通过垂直运动的混合,可上升

沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 综 述 大，以至于扩散理论都难以阐释清楚，往往需借助于 大气扩散实验结果来阐述复杂因素[9]。鉴于复杂地 形下的大气污染机制仍是环境领域的一个重要研究 课题，大气污染理论和预测方法还需要进一步深入 和完善，而我国许多污染极为严重的城市又都是处 于复杂地形的山地、沿海地带，因此加强对复杂地形 条件下大气污染问题研究仍是当务之急[10]，这无论 在理论上还是实际应用上均有重要科学意义。 世界上污染严重的诸多城市先后开展了复杂地 形条件下大气污染的传输和扩散规律研究，抓住物 理本质并建立了相应的物理模型，为大气污染防治 提供了有力支撑。本文将复杂地形归为 5 类予以论 述，分别是河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形、 马蹄型地形、峡口地形。 1 河谷地形 黄河自西向东穿过兰州，由于南北受两山夹峙， 整个市区处在呈哑铃型的河谷之中，因此兰州属于 典型的河谷城市。从 20 世纪 70 年代以来，围绕兰州 大气环境问题的研究取得了丰富的成果。本文以兰 州为例，剖析河谷地形城市多尺度气流在重污染形 成中的作用。基于大量的野外观测试验和模拟研究 表明：兰州城市逆温持续时间长，只有午后较短阶段 逆温消失[11]；逆温层较为深厚，最高可达 800 m[12-13]。 对于兰州市逆温形成的物理机制，胡隐樵等[10]总结 了三大主要原因：白天山峰加热效应、夜间冷湖效应 以及气溶胶的增温效应。“山峰加热效应”是指在山 地地区，白天水平温度差异驱动热力环流将山顶上 加热的气团输送到谷地上空，谷地形成脱地逆温的 这种效应[10]。同时，重污染日白天的气溶胶可以通过 散射和吸收太阳辐射达到削弱到达谷底太阳辐射量 的效果，这就是气溶胶的增温效应[14]。夜晚，山坡上 由于地表向外的辐射冷却导致山坡上的大气降温， 产生下坡风将冷空气输入谷底，形成谷地逆温，这就 是冷湖效应[15-16]。张强等[17]进一步认为兰州市白天和 夜间的大气逆温层各有不同的形成机制。在受污染 物气溶胶明显影响之前，夜间大气逆温层的形成主 要靠地表辐射冷却效应以及山谷地形和干旱环境下 裸露地表形成的强下坡风作用；白天大气逆温层的 形成主要靠太阳对地表加热所形成的上坡风作用和 山顶的强加热效应以及大气污染物对太阳辐射的吸 收和削弱作用[18-21]。同时干旱环境下裸露地表使得 地形作用更加明显（图 1）。由此可见，山地地区的热 力环流对逆温的形成和维持作用很大。 图 1 兰州河谷地形形成白天大气逆温层的示意图 （摘自文献[17]） 兰州市这种特殊的近乎封闭的极端河谷地形另 一方面起到了很好的屏障作用，阻挡了气流流通，导 致山谷地面静风频率比较高，市区一般很少超过 2 m/s，平均值大约为 1 m/s[22]。同时，河谷城市典型 的风场特征为白天盛行谷风，夜间盛行山风[22-23]。从 图 2 可见，白天兰州城关区由南北两山和谷口向谷 中辐合；夜间，城关区地面流场为辐合态势，气流由 南北方向向盆地中心辐合。原因就是受南北两山的 夹峙作用，山风使气流由山坡向河谷盆地下泻，加上 城市夜间的热岛效应，进一步增强了地面流场的辐 合作用[22]。数值模拟再次表明兰州冬季夜间为辐合 流场、白天为辐散状态。研究表明白天热岛环流抑制 谷风环流，夜间则增强山风环流[23]，但是冬季夜间兰 州市区和山谷上空存在较厚的逆温层，抑制了气流 的上升运动[24]。张强[25]分析得出兰州市山谷气流的 Froude 数通常在 0.075~0.324，远小于 1，所以一般 的天气条件下冬天兰州市山谷的地面气流不可能沿 山坡爬升，只能在山谷中回转，因此地面污染物不易 输送出去。 2 三面环山临海地形 三面环山临海地形，即三面都被山地环绕，一边 面朝大海，这种地形一般属于典型的海洋性气候。世 界上此类地形污染较重的城市除了洛杉矶、四日市， 还有希腊的雅典和我国珠江三角洲地区等。这类地 形下会出现山谷风、海陆风以及城市热岛环流。在洛 杉矶附近，由于海陆热力差异和复杂地形的影响，加 之逆温层的笼罩，地面风场极其复杂。白天山脉附近 的谷风驱动盆地空气流动，并增强了海风[26-27]。来自 盆地的气流爬上山顶，通过垂直运动的混合，可上升 2

李霞等:复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 图2兰州城关区夜间(a)、白天(b)地面风场(摘自文献[22]) 到较高的高度,进而与高层气流将盆地内空气向外力差异、山谷热力差异还在发展之中,因此海风和山 传输回。凵u等圖概括了洛杉矶污染传输的物理模型坡上的上坡风还比较弱。(3)下午海风入侵内陆期。 (图3),分为4个阶段:(1)清晨大气处于相对稳定下午,海风发展强盛且向内陆挺进,海洋上的空气由 期。海岸附近的大气可分为3层结构,近地层为云系此入侵内陆。此时,近地层的污染物或通过海风环流 较多的海洋层,其上是由于大气下沉绝热增温而形抬升、对流,或进入到稳定层,进而空中出现了一层 成的强逆温层,逆温层之上是自由大气。(2)中午混污染物汇聚层,即抬升的污染层。由此,海岸地区 合层发展期。上午下垫面因辐射加热,形成湍流,加部分抬升的污染物在逆温层中积聚,另一部分污染 热了陆地上海洋层内的较冷空气,进而形成混合层。物则对流进入到山顶上的自由大气层之中。(4)夜晚 混合层通过不断裏挟覆盖其上的暖空气而得以发混合层稳定期。夜晚边界层趋于稳定,混合层内的暖 展,此时边界层的污染物混合较为均匀。由于海陆热空气沿山坡上升进而禁锢在逆温层内。洋面上的较 冷气团继续推向内陆,导致内陆上空再一次形成海 Early Moming 洋层,最初的3层结构再一次重建。整个沿岸地区都 可见到抬升的污染层P。 我国珠江三角洲地区下垫面复杂,罗平山脉是 Inversion layer 它西面和北面的界限,东侧罗浮山区是三角洲的东 界,类似倒置三角形。改革开放以来,珠江三角洲城 Noon, Mixed Layer Growth 市群空气污染由局地污染演变成区域性空气污染。 Free atmosphere 在大量研究基础上國3,№u等國建立了珠江三角洲 地区夏秋两类不同天气条件下的污染概念模型(图 4),即暖季冷锋前污染型(图4a)和副热带气旋下沉 Marine layer 污染型(图4b)。从图4a可见,当北面入侵的冷空气 Aftermoon, Sea-breeze Inland Intrusion 相对较弱,浅薄的冷空气由北向南推进时,翻越南岭 Free atmosphere 山脉的冷空气由于山脉地形作用使其楔入深厚的暖 Inversion layer 湿空气下方,在边界层内形成弱逆温,此时风速较 小,易造成珠三角地区区域性的空气污染;图4b则 说明,当珠江三角洲地区上空受强下沉气流(如台风 Evening, Mixed Layer Stabilizition 登陆前的下沉气流)或持续时间长的下沉气流(副热 Free atmosphere 带高压)控制时,容易形成大范围的逆温,出现静小 风,大气扩散能力差,污染物无法向上扩散,而且在 Inversion layer 下沉气流的作用下,较高高度上的污染物被下沉气 流带到较低层累积,造成贴地层的空气污染指数猛 图3在山地包围的海岸平原地带,强逆温控制下增,空气质量变差甚至变得恶劣。 的环流与输送概念图(摘自文献[28])

李霞等：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 到较高的高度，进而与高层气流将盆地内空气向外 传输[27]。Lu 等[28]概括了洛杉矶污染传输的物理模型 （图 3），分为 4 个阶段：（1）清晨大气处于相对稳定 期。海岸附近的大气可分为 3 层结构，近地层为云系 较多的海洋层，其上是由于大气下沉绝热增温而形 成的强逆温层，逆温层之上是自由大气。（2）中午混 合层发展期。上午下垫面因辐射加热，形成湍流，加 热了陆地上海洋层内的较冷空气，进而形成混合层。 混合层通过不断裹挟覆盖其上的暖空气而得以发 展，此时边界层的污染物混合较为均匀。由于海陆热 力差异、山谷热力差异还在发展之中，因此海风和山 坡上的上坡风还比较弱。（3）下午海风入侵内陆期。 下午，海风发展强盛且向内陆挺进，海洋上的空气由 此入侵内陆。此时，近地层的污染物或通过海风环流 抬升、对流，或进入到稳定层，进而空中出现了一层 污染物汇聚层，即抬升的污染层。由此，海岸地区一 部分抬升的污染物在逆温层中积聚，另一部分污染 物则对流进入到山顶上的自由大气层之中。（4）夜晚 混合层稳定期。夜晚边界层趋于稳定，混合层内的暖 空气沿山坡上升进而禁锢在逆温层内。洋面上的较 冷气团继续推向内陆，导致内陆上空再一次形成海 洋层，最初的 3 层结构再一次重建。整个沿岸地区都 可见到抬升的污染层[28]。 我国珠江三角洲地区下垫面复杂，罗平山脉是 它西面和北面的界限，东侧罗浮山区是三角洲的东 界，类似倒置三角形。改革开放以来，珠江三角洲城 市群空气污染由局地污染演变成区域性空气污染。 在大量研究基础上[29-32]，Wu 等[33]建立了珠江三角洲 地区夏秋两类不同天气条件下的污染概念模型（图 4），即暖季冷锋前污染型（图 4a）和副热带气旋下沉 污染型（图 4b）。从图 4a 可见，当北面入侵的冷空气 相对较弱，浅薄的冷空气由北向南推进时，翻越南岭 山脉的冷空气由于山脉地形作用使其楔入深厚的暖 湿空气下方，在边界层内形成弱逆温，此时风速较 小，易造成珠三角地区区域性的空气污染；图 4b 则 说明，当珠江三角洲地区上空受强下沉气流（如台风 登陆前的下沉气流）或持续时间长的下沉气流（副热 带高压）控制时，容易形成大范围的逆温，出现静小 风，大气扩散能力差，污染物无法向上扩散，而且在 下沉气流的作用下，较高高度上的污染物被下沉气 流带到较低层累积，造成贴地层的空气污染指数猛 增，空气质量变差甚至变得恶劣[33]。 图 2 兰州城关区夜间（a）、白天（b）地面风场（摘自文献[22]） 图 3 在山地包围的海岸平原地带，强逆温控制下 的环流与输送概念图（摘自文献[28]） 3

综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 气流减速。傍晚和夜间盆地的冷却作用与白天太阳 辐射加热量相当,能够快速插入盆地底层,造成了盆 地内辐合上升运动。Fast和 Zhong详细分析了导 致地面出现高浓度O3的地面风场,发现辐合区在墨 西哥城内南北摆动。这是源于 Chalco山口的山口风 入侵盆地后,与源自北方墨西哥高原、裹挟大量污染 物的偏北气流遭遇的结果。Foy等鷗指出墨西哥城 盆地内部环流型取决于两类辐合带的相互作用 是来自太平洋海风和墨西哥湾海风较量中形成的辐 图4在不同的天气条件下珠江三角洲地区边界层合带,另一个是南来的山口风与来自盆地的偏北气 对重污染影响的物理模型修订版(a)暖季冷锋前污流作用形成的辐合带,并由此概括了3种高浓度O 染型和(b)副热带气旋下沉污染型(摘自文献〖33]发生的天气模型,即O3南部型(O3-Sσut)O3北部 型(O3-Noth)、冷涌型( Cold Surge)。其中,O3南部型 3盆地地形 是指O3高值区出现在墨西哥城南部城区,彼时下午 盆地的主要特征是四周高、中部低,因盆状得一股较弱的山口风在东南部城区伴随出现。O3北部 名。前文的兰州、洛杉矶、雅典等地都有盆地之说。借型则指在强大的山口风和盆地西部、南部边缘气流 鉴上文的分析,可以推断影响盆地大气污染的气象的共同作用下,O3峰值区出现在偏北城区的状 条件中,逆温形成机制和河谷城市兰州类似;对于风况。冷涌型是指当日寒冷的偏北气流横扫盆地的 场,除了考虑大范围气流影响以外,局地需要考虑山状况。 谷风、热岛环流。一般来说盆地有山口和外界相通, 图5很好地阐释了这3种污染类型高低空气流 并不是完全封闭的,因此就会有另外的因素如山口的昼夜演变情况。在O3南部型日子里,东太平洋洋 风等影响盆地的边界层结构及其环流。如果盆地距面被高压系统控制,天气系统和盆地内外热力差异 离海洋较近,影响因素就会更加复杂。世界上盆地出的影响都比较弱。夜晚生成的南风下泄气流到白天 现污染的地区有我国的四川盆地、尼泊尔首都加让路于源于墨西哥高原的西北气流,下午盆地又被 德满都門、墨西哥首都墨西哥城到等。本文就以墨来自墨西哥海湾的东北气流主导,导致O3向南部城 西哥城为例介绍盆地多尺度气流运动的相互作用特区输送,直到凌晨这种局面才发生转变(图5a)。在 O3冷涌型日子里,天气系统的影响很强,盆地环流 人口稠密的墨西哥城位于墨西哥盆地的西南则比较弱。白天盆地里盛行从墨西哥海湾吹来的东 部,盆地底部较为平坦,海拔2250m。盆地三面山脊北风,夜晚则是被墨西哥高原/平洋气团导致的西 包围,山脉高度不一,盆地北部有一个较为宽阔的开北气流代替。尽管这种状况下为多云或降水天气,但 口,东南方有一个狭窄的 Chalco山口,盆地底部相是高浓度O3仍然可以出现在市中心地带。这一部分 对深度大致为800-1000m。由于高密度人口和污染原因是由于大多数时间降水云团多是一簇一簇的团 排放源众多,导致墨西哥城及其周边地区成为世界状结构,较大的云团在盆地内部生成且游走于盆地 上污染最严重的地区之一。高海拔、四季高强度的因此辐射仍然比较充足,导致光化学反应(图5b) 日照条件促进了光化学反应,尤其是二次污染物O3副热带急流靠近墨西哥城的时候,容易发生O3北部 的生成甽。围绕墨西哥城市污染硏究先后开展了一型污染(图5c)。清晨南风为主的下泄气流让道于从 系列观测试验,逐步完善了对高原盆地城市污染机墨西哥高原下来的西北风。下午,风向发生转变,由 理的理解。 Whiteman等发现墨西哥盆地与普通的从 Chalco山口入侵的山口风一南风气流占据主导 盆地不同,即夜间没有形成强逆温,且也没有谷风、地位,占领了整个盆地的南部边缘地带,将O3高值 山风的交替现象。盆地内部、上部的边界层演变主要区推向北部城区。由此可见,在墨西哥城内,O3的空 受区域性环流的驱动,即墨西哥高原和其周边海洋间分布形态是由天气背景、高原风、山口风、海湾气 冷气团激发形成的环流。通过 Chalco隘口的山口风流、下泄气流在不同时间相互角逐、共同影响的结 凉爽、高湿,午后的这股气流入侵到盆地内的低洼地果 带,受到了平原一高原之间环流的影响,导致这股冷

沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 综 述 图 4 在不同的天气条件下珠江三角洲地区边界层 对重污染影响的物理模型修订版（a）暖季冷锋前污 染型和（b）副热带气旋下沉污染型（摘自文献[33]） 3 盆地地形 盆地的主要特征是四周高、中部低，因盆状得 名。前文的兰州、洛杉矶、雅典等地都有盆地之说。借 鉴上文的分析，可以推断影响盆地大气污染的气象 条件中，逆温形成机制和河谷城市兰州类似；对于风 场，除了考虑大范围气流影响以外，局地需要考虑山 谷风、热岛环流。一般来说盆地有山口和外界相通， 并不是完全封闭的，因此就会有另外的因素如山口 风等影响盆地的边界层结构及其环流。如果盆地距 离海洋较近，影响因素就会更加复杂。世界上盆地出 现污染的地区有我国的四川盆地[34]、尼泊尔首都加 德满都[35]、墨西哥首都墨西哥城[36-39]等。本文就以墨 西哥城为例介绍盆地多尺度气流运动的相互作用特 点。 人口稠密的墨西哥城位于墨西哥盆地的西南 部，盆地底部较为平坦，海拔 2250 m。盆地三面山脊 包围，山脉高度不一，盆地北部有一个较为宽阔的开 口，东南方有一个狭窄的 Chalco 山口，盆地底部相 对深度大致为 800~1000 m。由于高密度人口和污染 排放源众多，导致墨西哥城及其周边地区成为世界 上污染最严重的地区之一[40]。高海拔、四季高强度的 日照条件促进了光化学反应，尤其是二次污染物 O3 的生成[37]。围绕墨西哥城市污染研究先后开展了一 系列观测试验，逐步完善了对高原盆地城市污染机 理的理解。Whiteman 等[36]发现墨西哥盆地与普通的 盆地不同，即夜间没有形成强逆温，且也没有谷风、 山风的交替现象。盆地内部、上部的边界层演变主要 受区域性环流的驱动，即墨西哥高原和其周边海洋 冷气团激发形成的环流。通过 Chalco 隘口的山口风 凉爽、高湿，午后的这股气流入侵到盆地内的低洼地 带，受到了平原—高原之间环流的影响，导致这股冷 气流减速。傍晚和夜间盆地的冷却作用与白天太阳 辐射加热量相当，能够快速插入盆地底层，造成了盆 地内辐合上升运动[36]。Fast 和 Zhong[38]详细分析了导 致地面出现高浓度 O3 的地面风场，发现辐合区在墨 西哥城内南北摆动。这是源于 Chalco 山口的山口风 入侵盆地后，与源自北方墨西哥高原、裹挟大量污染 物的偏北气流遭遇的结果。Foy 等[38-39]指出墨西哥城 盆地内部环流型取决于两类辐合带的相互作用：一 是来自太平洋海风和墨西哥湾海风较量中形成的辐 合带，另一个是南来的山口风与来自盆地的偏北气 流作用形成的辐合带，并由此概括了 3 种高浓度 O3 发生的天气模型，即 O3 南部型（O3-South）、O3 北部 型（O3-North）、冷涌型（Cold Surge）。其中，O3 南部型 是指 O3 高值区出现在墨西哥城南部城区，彼时下午 一股较弱的山口风在东南部城区伴随出现。O3 北部 型则指在强大的山口风和盆地西部、南部边缘气流 的共同作用下，O3 峰值区出 现 在偏北城区的状 况。冷涌型是指当日寒冷的偏北气流横扫盆地的 状况[38]。 图 5 很好地阐释了这 3 种污染类型高低空气流 的昼夜演变情况。在 O3 南部型日子里，东太平洋洋 面被高压系统控制，天气系统和盆地内外热力差异 的影响都比较弱。夜晚生成的南风下泄气流到白天 让路于源于墨西哥高原的西北气流，下午盆地又被 来自墨西哥海湾的东北气流主导，导致 O3 向南部城 区输送，直到凌晨这种局面才发生转变（图 5a）。在 O3 冷涌型日子里，天气系统的影响很强，盆地环流 则比较弱。白天盆地里盛行从墨西哥海湾吹来的东 北风，夜晚则是被墨西哥高原/太平洋气团导致的西 北气流代替。尽管这种状况下为多云或降水天气，但 是高浓度 O3 仍然可以出现在市中心地带。这一部分 原因是由于大多数时间降水云团多是一簇一簇的团 状结构，较大的云团在盆地内部生成且游走于盆地， 因此辐射仍然比较充足，导致光化学反应（图 5b）。 副热带急流靠近墨西哥城的时候，容易发生 O3 北部 型污染（图 5c）。清晨南风为主的下泄气流让道于从 墨西哥高原下来的西北风。下午，风向发生转变，由 从 Chalco 山口入侵的山口风—南风气流占据主导 地位，占领了整个盆地的南部边缘地带，将 O3 高值 区推向北部城区。由此可见，在墨西哥城内，O3 的空 间分布形态是由天气背景、高原风、山口风、海湾气 流、下泄气流在不同时间相互角逐、共同影响的结 果[38]。 4

李霞等:复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 图5墨西哥盆地之O3南部型(a)、冷涌型(b)和北部型(c)的环流模型(摘自文献[38]) 4马蹄型地形 象,且风速较小(<2ms),边界层逆温不仅强,逆温 马蹄型地形与三面环山临海地形极其类似,只顶较高。冬季若320m高度以下存在大气逆温,则 是另一边还是陆地。国内此类地形污染较为严重的有利于北京强热岛的形成和维持佟华等·研究 城市有北京5、太原叫等城市。近30a来,对超大证实边界层风场受到热岛热力作用和地形的动力作 城市—北京大气污染研究倾注了大量的科研力用的影响,导致城市近地层风场向强中心辐合。在山 量,取得的科研成果和研究水平居世界前沿。因此下地一平原风、热岛强度和大气稳定度作用相当的控 面就以北京为例探讨马蹄型地形对城市污染输送机制下,夏季的热岛环流促成城区风场辐合;其他季节 制的影响。 主要受山地—平原风控制,即刮山地风时,北京城郊 北京地区西部是太行山余脉的西山,北部是燕风场向城区辐合;刮平原风时,北京城区风场表现为 山山脉的军都山,两山在南口关沟相交,形成一个向辐散。另外,马蹄型地形作用还表现在山脉的“烟 东南展开的半圆形大山弯,人们称之为“北京弯”。北囱效应”,即北京北边山脉白天将低层的污染物抬 京平原的海拔高度在20-60m,山地一般海拔升至2500-3500m高空,在北京上空形成了第二污 1000-1500m。北京的边界层特点是:在夏季静稳天染层。从观测分析國和数值模拟門均发现,太行山 气下,大气边界层平均高度为600m,且不易被有效燕山山前平原低压汇聚带是华北地区边界层输送汇 突破,故不利于大气污染物扩散;秋季白天边界层流场的重要污染气候特征,它对这一地区的多年环 最大高度平均约1000m,夜间稳定层高度在200-境质量有显著影响,是在特殊的马蹄型地形及中纬 400m之间。晴朗天气里,白天城区边界层温度高于度天气形势背景条件下形成的。这类全年各季都经 郊区。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强逆常岀现边界层风场辐合污染系统,即所谓的“污染物 温层阻断了上下层气流的联系,有利于近地面大气汇聚带”(图6)。在冬季受大陆强大冷高压影响,持 维持静稳状态和雾、霾天气的出现。冬季城市大气续时间可达6~7d,边界层辐合风场垂直伸展高度 边界层结构在热力特征上表现为夜间市区上空存在较低。夏季出现频率少,持续时间短,输送汇层厚度 悬浮逆温层及白天弱、夜间强的城市热岛效应等特较高,受海上髙压边缘影响,输送通道长;暖湿平流 征;在动力特征上表现为城市近地层大气中的风速输送影响更为明显,主要出现在燕山山麓,根据华北 减小、湍流动能增强,并在夜间城市冠层顶处存在湍平原输送汇的流场结构统计,全年大多数是由偏南 流动能的极大值以及城市近地层中明显的平均动能和偏东南方向输入风带形成的输送汇,从而对北京 向湍流动能转化特征。 地区大气污染物的积聚与输运可产生重要影响。 作为世界级超大城市——北京,最为显著的一 个特点就是“城市热岛效应”,其使城市流场和大气5峡口地形 边界层结构与城郊有明显的差异,而“城市热岛”环 峡口,在我国泛指峡谷之口。峡口城市(Gap 流则会改变城市尺度甚至中尺度流场结构,进而影Town),牛津地理学词典的定义是坐落在通往丘陵 响污染物在城市大气中的转化和输送。夏季北京热地区关口的一个城市,非常利于作为交通枢纽。维 岛很强时,近地层风场会出现热岛环流和辐合现基百科定义峡口城市是位于山口人口处的- 5

4 马蹄型地形 马蹄型地形与三面环山临海地形极其类似，只 是另一边还是陆地。国内此类地形污染较为严重的 城市有北京[41-51]、太原[52]等城市。近 30 a 来，对超大 城市——北京大气污染研究倾注了大量的科研力 量，取得的科研成果和研究水平居世界前沿。因此下 面就以北京为例探讨马蹄型地形对城市污染输送机 制的影响。 北京地区西部是太行山余脉的西山，北部是燕 山山脉的军都山，两山在南口关沟相交，形成一个向 东南展开的半圆形大山弯，人们称之为“北京弯”。北 京平原的海拔高度在 20~60 m，山地一般海拔 1000~1500 m。北京的边界层特点是：在夏季静稳天 气下，大气边界层平均高度为 600 m，且不易被有效 突破，故不利于大气污染物扩散[41]；秋季白天边界层 最大高度平均约 1000 m，夜间稳定层高度在 200~ 400 m 之间。晴朗天气里，白天城区边界层温度高于 郊区。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强逆 温层阻断了上下层气流的联系，有利于近地面大气 维持静稳状态和雾、霾天气的出现[43]。冬季城市大气 边界层结构在热力特征上表现为夜间市区上空存在 悬浮逆温层及白天弱、夜间强的城市热岛效应等特 征；在动力特征上表现为城市近地层大气中的风速 减小、湍流动能增强，并在夜间城市冠层顶处存在湍 流动能的极大值以及城市近地层中明显的平均动能 向湍流动能转化特征[43]。 作为世界级超大城市——北京，最为显著的一 个特点就是“城市热岛效应”，其使城市流场和大气 边界层结构与城郊有明显的差异, 而“城市热岛”环 流则会改变城市尺度甚至中尺度流场结构, 进而影 响污染物在城市大气中的转化和输送。夏季北京热 岛很强时，近地层风场会出现热岛环流和辐合现 象，且风速较小（约2 m/s），边界层逆温不仅强，逆温 顶较高[44]。冬季若 320 m 高度以下存在大气逆温，则 有利于北京强热岛的形成和维持[44]。佟华等[46-47]研究 证实边界层风场受到热岛热力作用和地形的动力作 用的影响，导致城市近地层风场向强中心辐合。在山 地—平原风、热岛强度和大气稳定度作用相当的控 制下，夏季的热岛环流促成城区风场辐合；其他季节 主要受山地—平原风控制，即刮山地风时，北京城郊 风场向城区辐合；刮平原风时，北京城区风场表现为 辐散[48]。另外，马蹄型地形作用还表现在山脉的“烟 囱效应”[49]，即北京北边山脉白天将低层的污染物抬 升至 2500耀3500 m 高空，在北京上空形成了第二污 染层。从观测分析[50]和数值模拟[51]均发现，太行山、 燕山山前平原低压汇聚带是华北地区边界层输送汇 流场的重要污染气候特征，它对这一地区的多年环 境质量有显著影响，是在特殊的马蹄型地形及中纬 度天气形势背景条件下形成的。这类全年各季都经 常出现边界层风场辐合污染系统，即所谓的“污染物 汇聚带”（图 6）。在冬季受大陆强大冷高压影响，持 续时间可达 6耀7 d，边界层辐合风场垂直伸展高度 较低。夏季出现频率少，持续时间短，输送汇层厚度 较高，受海上高压边缘影响，输送通道长；暖湿平流 输送影响更为明显，主要出现在燕山山麓，根据华北 平原输送汇的流场结构统计，全年大多数是由偏南 和偏东南方向输入风带形成的输送汇，从而对北京 地区大气污染物的积聚与输运可产生重要影响。 5 峡口地形 峡口，在我国泛指峡谷之口。峡口城市（Gap Town），牛津地理学词典的定义是坐落在通往丘陵 地区关口的一个城市，非常利于作为交通枢纽[53]。维 基百科定义峡口城市是位于山口入口处的一个居民 图 5 墨西哥盆地之 O3 南部型（a）、冷涌型（b）和北部型（c）的环流模型（摘自文献[38]） 李霞等：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 a b c 5

综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 图6华北平原1月和7月输送汇及配置的流场图(摘自文献50]) 定居点,从此山口可通过丘陵地区。从定义可知,用。如南风型焚风将意大利波河盆地光化学产生的 峡口地形既不同于盆地、也不同于河谷地形,峡口城O3传输到了阿尔卑斯山的背风坡吲。第二,深厚型焚 市在山口的入口处,因此相对山体来说海拔较低。山风往往表现为下坡风暴,因此可以造成沙尘天气,从 口风( gap flow)是峡口地形常见的一种天气现象。大而将沙尘和污染物传输到更远地区。第三,三明治 部分山口风都表现为焚风属性,焚风对大气污染的焚风对污染的形成和上述焚风作用又有所不同。本 输送扩散影响更为特殊。 文就以我国的峡口城市乌鲁木齐为例,阐述焚风对 近十几年来,国际上对焚风类型给出了新的分大气污染输送的影响。 类标准:深厚型焚风( Deep foehn)、浅薄型焚风 乌鲁木齐背靠海拔平均4000m的天山山脉 ( shallow foehn)阏,后者还包括三明治焚风( Sandwish面向准噶尔盆地。天山东西向绵延200多公里横贯 foehn)5。深厚型焚风是指阿尔卑斯山迎风坡的冷新疆,在乌鲁木齐附近被一个宽度仅十几公里的峡 气团非常深厚,其垂直伸展高度超越了山脊,足以克谷分开(下文称中天山峡谷),峡谷南北两端分别连 服山脊的阻挡而冲向背风坡剛。因此深厚型焚风深接着吐鲁番盆地和乌鲁木齐河谷。冷空气入侵新疆 受垂直传播的重力波的影响,山脊激发的重力波可后东移至蒙古附近,冷高压外围的空气回流至东疆 以影响到所覆盖的山谷内气流运动,并导致强风南部地区,在大地形阻塞和南北向气压梯度力的共 暴門。浅薄型焚风具有一般焚风的所有属性,在阿尔同作用下,气流从中天山峡谷穿越、翻山,经过达坂 卑斯山表现为南风型焚风,一般只出现在少数非常城到达峡谷北端乌鲁木齐,甚至下游昌吉、呼图壁都 纵深的山谷中(如wipp山谷),迎风坡气流主要通会出现东南大风,当地人称之为乌鲁木齐东南大 过穿越山谷到达背风坡。“三明治”焚风是指背风风。结合国际上焚风研究6及新疆开展的东南大 坡焚风下沉过程中遭遇冷湖,若受适当的地形阻挡,风研究成果-,可以确认乌鲁木齐春秋季发生的 焚风不仅不能驱动冷湖,反而被冷气团抬升而穿行东南大风是深厚型焚风,而冬半年经常在市区南郊 于冷湖之上,在冷暖气团交界处(即焚风锋面)焚风出现的焚风是三明治焚风η。 依然强劲;下游区大气在垂直方向上可分为明显的 李霞等通过对加密观测站网、数值模拟诊断等 三层结构:高层被西风或西北风主导、中层为南风型数据的综合分析,构建了峡口城市乌鲁木齐冬季重 焚风、下层为偏北风的冷气团控制,三层气流为非耦污染的形成机制概念模型6。冬季乌鲁木齐上空 合状态阳。参照这些特征,可见新西兰南阿尔卑斯为高压脊控制,海平面高压中心位于萨彦岭一蒙古 山的 Talapo湖区例、加拿大卡尔加里阿尔卑斯国一带,即东高西低态势。冷高压外围的气流回流至 的wpp山谷昑的有些焚风属于三明治焚风。焚风南疆吐鲁番一带,由此导致气流穿越中天山峡谷入 表现形式不同,则对污染的影响也会存在区别。一方侵乌鲁木齐。北疆准噶尔盆地冷气团盘踞,大气层结 面,焚风本身是气流,因此兼备对污染物的输送作稳定。尽管下沉的浅薄型焚风气流强劲,但是遭遇到

沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 综 述 定居点，从此山口可通过丘陵地区[54]。从定义可知， 峡口地形既不同于盆地、也不同于河谷地形，峡口城 市在山口的入口处，因此相对山体来说海拔较低。山 口风（gap flow）是峡口地形常见的一种天气现象。大 部分山口风都表现为焚风属性，焚风对大气污染的 输送扩散影响更为特殊。 近十几年来，国际上对焚风类型给出了新的分 类标准：深厚型焚风（Deep foehn）、浅薄型焚风 （shallow foehn）[55]，后者还包括三明治焚风（Sandwish foehn）[56-57]。深厚型焚风是指阿尔卑斯山迎风坡的冷 气团非常深厚，其垂直伸展高度超越了山脊，足以克 服山脊的阻挡而冲向背风坡[58]。因此深厚型焚风深 受垂直传播的重力波的影响，山脊激发的重力波可 以影响到所覆盖的山谷内气流运动，并导致强风 暴[59]。浅薄型焚风具有一般焚风的所有属性，在阿尔 卑斯山表现为南风型焚风，一般只出现在少数非常 纵深的山谷中（如 Wipp 山谷），迎风坡气流主要通 过穿越山谷到达背风坡[58]。“三明治”焚风是指背风 坡焚风下沉过程中遭遇冷湖，若受适当的地形阻挡， 焚风不仅不能驱动冷湖，反而被冷气团抬升而穿行 于冷湖之上，在冷暖气团交界处（即焚风锋面）焚风 依然强劲；下游区大气在垂直方向上可分为明显的 三层结构：高层被西风或西北风主导、中层为南风型 焚风、下层为偏北风的冷气团控制，三层气流为非耦 合状态[57-58]。参照这些特征，可见新西兰南阿尔卑斯 山的 Talapo 湖区[59]、加拿大卡尔加里[60]、阿尔卑斯山 的 Wipp 山谷[56-57]的有些焚风属于三明治焚风。焚风 表现形式不同，则对污染的影响也会存在区别。一方 面，焚风本身是气流，因此兼备对污染物的输送作 用。如南风型焚风将意大利波河盆地光化学产生的 O3 传输到了阿尔卑斯山的背风坡[61]。第二，深厚型焚 风往往表现为下坡风暴，因此可以造成沙尘天气，从 而将沙尘和污染物传输到更远地区[62]。第三，三明治 焚风对污染的形成和上述焚风作用又有所不同。本 文就以我国的峡口城市乌鲁木齐为例，阐述焚风对 大气污染输送的影响。 乌鲁木齐背靠海拔平均 4000 m 的天山山脉， 面向准噶尔盆地。天山东西向绵延 2000 多公里横贯 新疆，在乌鲁木齐附近被一个宽度仅十几公里的峡 谷分开（下文称中天山峡谷），峡谷南北两端分别连 接着吐鲁番盆地和乌鲁木齐河谷。冷空气入侵新疆 后东移至蒙古附近，冷高压外围的空气回流至东疆 南部地区，在大地形阻塞和南北向气压梯度力的共 同作用下，气流从中天山峡谷穿越、翻山，经过达坂 城到达峡谷北端乌鲁木齐，甚至下游昌吉、呼图壁都 会出现东南大风[64]，当地人称之为乌鲁木齐东南大 风。结合国际上焚风研究[56-60，61]及新疆开展的东南大 风研究成果[64-70]，可以确认乌鲁木齐春秋季发生的 东南大风是深厚型焚风，而冬半年经常在市区南郊 出现的焚风是三明治焚风[69-70]。 李霞等通过对加密观测站网、数值模拟诊断等 数据的综合分析，构建了峡口城市乌鲁木齐冬季重 污染的形成机制概念模型[69-70]。冬季乌鲁木齐上空 为高压脊控制，海平面高压中心位于萨彦岭—蒙古 国一带，即东高西低态势。冷高压外围的气流回流至 南疆吐鲁番一带，由此导致气流穿越中天山峡谷入 侵乌鲁木齐。北疆准噶尔盆地冷气团盘踞，大气层结 稳定。尽管下沉的浅薄型焚风气流强劲，但是遭遇到 图 6 华北平原 1 月和 7 月输送汇及配置的流场图（摘自文献[50]） 6

李霞等:复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 乌鲁木齐上空的稳定气团后,这股暖气流难以突破 目前我国大气污染已经由单个城市演变为区域 逆温层,被冷气团抬升,分为上下两层(图7)。近地污染(如“三区九群”),且复合型污染日益加剧。大气 层部分焚风气流与盆地强大冷气团的抗衡。市区内物理过程从多种尺度上控制着大气污染的积累、输 白天焚风气流与谷风(也指准噶尔盆地冷气团)相向送和转化。而大气污染物又通过影响光学—辐射特 对吹,在市区形成“微型锋面”和辐合带,造成污染物性、参与云雾形成从而再影响大气物理过程。因此 累积;夜间,焚风气流衰退到城市南郊,微型锋面”今后针对复杂地形下大气重污染过程生消机制的硏 和对应的气流辐合带位置由此南移,市区则维持小究,尤其在污染物输送、转化规律方面,开展气象过 风一静风,仍然不利于污染物的扩散。边界层中上层程和化学过程多参数的同步观测非常重要,通过对 的浅薄型焚风昼夜越过城市上空,这股暖气流促使观测数据的详尽分析可以反映区域边界层结构的真 市区上空逆温层更加深厚、逆温增强、混合层高度下实变化,且能够呈现多尺度气流的运动特点。同时还 降,致使污染物向边界层下层堆积。由此可见,浅薄需要进一步提高空气质量模式对于边界层物理过程 型焚风的出现带来了动力和热力方面的双重影响:和化学过程的模拟再现能力,更精细地反映边界层 改变了乌鲁木齐局地流场、加强了大气稳定度,最终内物理过程、化学过程的演变规律。当然,研究不仅 造成冬季乌鲁木齐重污染过程的频繁发生。只有经要考虑地形等非均匀下垫面因素对边界层物理过程 历较强的冷空气入侵后,城市的空气质量才有机会的动力、热力影响,大气边界层特征及其与大气污染 得以改善。 物的相互作用机制将是重要的研究对象,由此才能 最终揭示不同区域的重污染形成机理,为大气污染 6结论和讨论 治理和空气质量预报提供科技支撑。 本文将复杂地形城市归类为河谷地形、三面环参考文献 山临海地形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形,通卬王跃思,姚丽,刈子锐,等.京津冀大气霾污染及控制策略 过对不同复杂地形城市的多尺度气流运动的特点,思考中国科学院院刊201328(3):353-363 阐述了它们对于污染物传输扩散的影响,可见每一团2徐祥德城市化环境大气污染模型动力学向题应用气 类地形下的污染物传输扩散规律都是天气背景、地 象学报,2003,13S):1-12 形及其深受地形影响的气象条件等综合作用的结 3]世界著名空气污染事件盘点:伦敦大雾曾死万人[EB 果。因此,每类地形下的多尺度气流运动或者存在共 Ol].[2013-10-4]http://news.sina.com.cn/w/sd/2013-01 13/162226024042 shame. 性,如山地的山谷风坡风,同时又由于即使同类地4穆宏史上最著名的空气污染事件[BoL2013-10-4 形但可能所处位置不同,如临近海洋则会受到海陆 http://www.mywtv.cn/knowledge/2012-04/26/content 风的影响,位于高原则会受到高原风的扰动等。正是 521434htm 这些看似纷繁复杂的多尺度气流运动的交织、耦合[]自然之友20世纪环境警示录M.北京:华夏出版社 作用,才会导致每类复杂地形下、不同地理位置的城 2001 市其上空污染物的输送扩散规律如此纷繁复杂、特]甘肃省环境保护研究所大气化学组。兰州西固地区光化 色鲜明,另一方面又遵循内在的规律。 学烟雾污染的初步探讨[环境科学,1980,1(5):24-30 图7峡口城市乌鲁木齐大气污染形成的物理模型(a为平面示意图,b为垂直剖面图,摘自文献[70])

乌鲁木齐上空的稳定气团后，这股暖气流难以突破 逆温层，被冷气团抬升，分为上下两层（图 7）。近地 层部分焚风气流与盆地强大冷气团的抗衡。市区内 白天焚风气流与谷风（也指准噶尔盆地冷气团）相向 对吹，在市区形成“微型锋面”和辐合带，造成污染物 累积；夜间，焚风气流衰退到城市南郊，“微型锋面” 和对应的气流辐合带位置由此南移，市区则维持小 风—静风，仍然不利于污染物的扩散。边界层中上层 的浅薄型焚风昼夜越过城市上空，这股暖气流促使 市区上空逆温层更加深厚、逆温增强、混合层高度下 降，致使污染物向边界层下层堆积。由此可见，浅薄 型焚风的出现带来了动力和热力方面的双重影响： 改变了乌鲁木齐局地流场、加强了大气稳定度，最终 造成冬季乌鲁木齐重污染过程的频繁发生。只有经 历较强的冷空气入侵后，城市的空气质量才有机会 得以改善。 6 结论和讨论 本文将复杂地形城市归类为河谷地形、三面环 山临海地形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形，通 过对不同复杂地形城市的多尺度气流运动的特点， 阐述了它们对于污染物传输扩散的影响，可见每一 类地形下的污染物传输扩散规律都是天气背景、地 形及其深受地形影响的气象条件等综合作用的结 果。因此，每类地形下的多尺度气流运动或者存在共 性，如山地的山谷风、坡风，同时又由于即使同类地 形但可能所处位置不同，如临近海洋则会受到海陆 风的影响，位于高原则会受到高原风的扰动等。正是 这些看似纷繁复杂的多尺度气流运动的交织、耦合 作用，才会导致每类复杂地形下、不同地理位置的城 市其上空污染物的输送扩散规律如此纷繁复杂、特 色鲜明，另一方面又遵循内在的规律。 目前我国大气污染已经由单个城市演变为区域 污染（如“三区九群”），且复合型污染日益加剧。大气 物理过程从多种尺度上控制着大气污染的积累、输 送和转化。而大气污染物又通过影响光学—辐射特 性、参与云雾形成从而再影响大气物理过程。因此， 今后针对复杂地形下大气重污染过程生消机制的研 究，尤其在污染物输送、转化规律方面，开展气象过 程和化学过程多参数的同步观测非常重要，通过对 观测数据的详尽分析可以反映区域边界层结构的真 实变化，且能够呈现多尺度气流的运动特点。同时还 需要进一步提高空气质量模式对于边界层物理过程 和化学过程的模拟再现能力，更精细地反映边界层 内物理过程、化学过程的演变规律。当然，研究不仅 要考虑地形等非均匀下垫面因素对边界层物理过程 的动力、热力影响，大气边界层特征及其与大气污染 物的相互作用机制将是重要的研究对象，由此才能 最终揭示不同区域的重污染形成机理，为大气污染 治理和空气质量预报提供科技支撑。 参考文献： [1] 王跃思，姚丽，刘子锐，等援京津冀大气霾污染及控制策略 思考[J]援中国科学院院刊，2013，28（3）：353-363援 [2] 徐祥德援城市化环境大气污染模型动力学问题[J]援应用气 象学报，2003，13（S）：1-12援 [3] 世 界著 名空气 污染 事件盘 点： 伦敦 大雾 曾死 万 人[EB/ OL]援 [2013 -10 -4].http://news.sina.com.cn/w/sd/2013 -01 - 13/162226024042.shtml. [4] 穆宏援史上最著名的空气污染事件[EB/OL]援[2013-10-4]. http://www.mywtv.cn/knowledge/2012-04/26/content_ 521434.htm. [5] 自然之友援20 世纪环境警示录 [M]援 北京：华夏出版社， 2001援 [6] 甘肃省环境保护研究所大气化学组援 兰州西固地区光化 学烟雾污染的初步探讨[J]援环境科学，1980，1（5）：24-30援 图 7 峡口城市乌鲁木齐大气污染形成的物理模型（a 为平面示意图，b 为垂直剖面图，摘自文献[70]） 李霞等：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 7

综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 刀吴兑,毕雪岩,邓雪娇等珠江三角洲大气灰霾导致能见[2刀 Brain L, Clifford F. Numerical Investigation of Mesoscale 度下降问题研究门气象学报,2006,64(4):510-517 over the Los [8]李新琪,热海提·涂尔逊.乌鲁木齐市大气环境容载力及 Synoptic Influence and Pollutant Transport []. Monthly 污染防治对策研究[干旱区资源与环境,2001,15(3) Weather review,1990,118:2162-2184 17-24. [28] Lu R, Turco P. Air Pollutant in a Costal Environment. 9]张锡福.我国山区和城市大气污染的输送和扩散规律的 Part I: Two-Dimesional Simulation of Sea-Breese and 研究[环境科学,1979,4(4):12-17 ntain Effects []Journal of the Atmospheric Science 10胡隐樵,张强.兰州山谷城市大气污染的物理机制与 4,51(15):2285-2308 治对策中国环境科学,1999,192):119-122. 29吴兑,廖国莲,邓雪娇,等.珠江三角洲霾天气的近地层 ]陈长和,黄建国,龙学著,等冬季河谷城市上空边界层 输送条件研究[应用气象学报,2008,19(2):1-9 特征分析[科学通报,1991,36(18):1393-139 30张人文,范绍佳珠江三角洲风场对空气质量的影响 12]周春红兰州市空气污染潜势分析和污染数值预报模式 中山大学学报:自然科学版,2011506:130-134 的初步试验研究[D兰州大学,1992 31]范绍佳,王安宇,樊琦,等珠江三角洲大气边界层概念 [3]安兴琴,陈玉春,吕世华中尺度模式对冬季兰州市低层 模型的建立及其应用[热带气象学报,2005,21(3): 风场和温度场的数值模拟[高原气象,2002,21(2) 286-292 186-192 32]范绍佳,王安宇,樊琦,等珠江三角洲大气边界层特征 [14]沈志宝,王尧奇,季国良,等太阳辐射在山谷城市污染 及其概念模型[中国环境科学,2006,26(增刊):4-6. 大气中的削弱高原气象,1982,1(4):74-8 33 Wu M, Wu D, Fan Q, et al. Observational studies of the [15]傅抱璞山地气候[M北京:科学出版社,1993 meteorological characteristics associated with poor air [16] Whiteman C D Mountain meteorology: fundamentals and quality over the Pearl River Delta in China [] Atmos applications [M]. New York, Oxford University Press, chem.Phys.2013,13:10755-10766. 000 34]刘源四川省大气污染概况及特点[重庆环境保护, [1刀]张强,吕世华,张广蔗山谷城市大气边界层结构及输送 1986,7(2):46-48 能力门高原气象,2003,22(4):1346-1353 35] Pandy K A, PrinnG R. Diurnal cycle of air pollution in [18]王海啸,陈长和城市气溶胶对边界层热量收支的影响 the Kathmandu Valley, Nepal: Observations [] Geophys 门高原气象,1994,134):441-448 Res.2009,114:1-19 19王海啸陈长和,黄建国烟雾层的长波辐射效应以及对36] Whiteman C d, Zhong S, Bian x,eta. Boundary layer 边界层温度层结的影响[大气科学,1994,18(1):22 evolution and regional-scale diurnal circulations over the Mexico Basin and Mexican plateau [] Journal of [20]苏文颖陈长和气溶胶吸收光学特性对低层大气短波 Geophysical Research, 2000. 10: 10081-10102 加热率的影响[高原气象,1997,16(4):353-358 [37] Fast J, Zhong S. Meteorological factors associated with [21]田文寿,陈长和,黄建国,等兰州冬季气溶胶的短波加 inhomogeneous ozone concentrations within the Mexico 热效应及其对混合层发展的影响[应用气象学报, Journal of Geophysical Research, 1997,8(3):292-301 1998,103:18927-18946. [22陈臻妹,王世红.兰州市风场特征分析[A陈长和,黄建阝38] Foy B De, Caetano E, Magana,etal. Mexico City basin 国,程麟生,等复杂地形上大气边界层和大气扩散规律 wind circulation during the MCMA-2003 field campaig 的研究心C北京:气象出版社,1993 U]. Atmos. Chem. Phys, 2005, 5: 2267-2288 [23]王瑾,张镭,王腾姣,等.兰州附近山谷典型日环流特征〖39 Foy B De, Clappier A, Molina L,etal. Distinct wind 的对比分析[干旱气象,2012,306):169-1 convergence pattern in the Mexico City basin due to the [24]李江林,陈玉春,吕世华,等利用RAMS模式对山谷城 interaction of the gap winds with the synoptic flow [] 市东西局地风场的数值模拟高原气象,2009,28(6):Atms. Chem. Phys,2006,6:1249-1265 1250-1259 40 Air Quality-The 10 Most Polluted Cities in the World [25]张强地形和逆温层对兰州市污染物输送的影响[中 B/ol].http://ww.infobarrel.com/airQuality-the10 国环境科学,2001,21(3):230-234. Most polluted cites in the world [26]Paus, Thomas T w. Characteristics of summertime[41]王耀庭,李威,张小玲北京城区夏季静稳天气下大气边 Circulations and Pollutant Ventilation in the Los Angeles 界层与大气污染的关系[环境科学研究,2012,25 Basin []. Journal of Applied Meteorology, 1982, 21: 672 (10):1092-1098 42]游春华,蔡旭晖,宋宇,等京津地区夏季大气局地环流

沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 综 述 [7] 吴兑，毕雪岩，邓雪娇，等援珠江三角洲大气灰霾导致能见 度下降问题研究[J]援气象学报，2006，64（4）：510-517援 [8] 李新琪，热海提·涂尔逊援乌鲁木齐市大气环境容载力及 污染防治 对策研究[J]援干旱区资 源与环境，2001，15（3）： 17-24援 [9] 张锡福援 我国山区和城市大气污染的输送和扩散规律的 研究[J]援环境科学，1979，4（4）：12-17援 [10] 胡隐樵，张强援兰州山谷城市大气污染的物理机制与防 治对策[J]援中国环境科学，1999，19（2）：119-122援 [11] 陈长和，黄建国，龙学著，等援冬季河谷城市上空边界层 特征分析[J]援科学通报，1991，36（18）：1393-1396援 [12] 周春红援兰州市空气污染潜势分析和污染数值预报模式 的初步试验研究[D]援兰州大学，1992援 [13] 安兴琴，陈玉春，吕世华援中尺度模式对冬季兰州市低层 风场和温度场的数值模拟 [J]援 高原气象，2002，21（2）： 186-192援 [14] 沈志宝，王尧奇，季国良，等援太阳辐射在山谷城市污染 大气中的削弱[J]援高原气象，1982，1（4）：74-83援 [15] 傅抱璞援山地气候[M]]援北京：科学出版社，1993援 [16] Whiteman C D.Mountain meteorology: fundamentals and applications [M]. New York, Oxford University Press, 2000. [17] 张强，吕世华，张广蔗援山谷城市大气边界层结构及输送 能力[J]援高原气象，2003，22（4）：1346-1353援 [18] 王海啸，陈长和援城市气溶胶对边界层热量收支的影响 [J]援高原气象，1994，13（4）：441-448援 [19] 王海啸，陈长和，黄建国援烟雾层的长波辐射效应以及对 边界层温度 层结的影响 [J]援大气 科学，1994，18（1）：22- 29援 [20] 苏文颖，陈长和援气溶胶吸收光学特性对低层大气短波 加热率的影响[J]援高原气象，1997，16（4）：353-358援 [21] 田文寿，陈长和，黄建国，等援兰州冬季气溶胶的短波加 热效应及其对混合层发展的 影响 [J]援 应用 气象学报， 1997，8（3）：292-301援 [22] 陈臻妹，王世红援兰州市风场特征分析[A]援陈 长和，黄建 国，程麟生，等援复杂地形上大气边界层和大气扩散规律 的研究[C]援北京：气象出版社，1993援 [23] 王瑾，张镭，王腾姣，等援兰州附近山谷典型日环流特征 的对比分析[J]援干旱气象，2012，30（6）：169-177援 [24] 李江林，陈玉春，吕世华，等援利用 RAMS 模式对山谷城 市东西局地风场的数值模拟[J]援高原气象，2009，28（6）： 1250-1259援 [25] 张 强援地形 和逆温层对 兰州市污 染物 输送的 影响 [J]援中 国环境科学，2001，21（3）：230-234援 [26] Paul S, Thomas T W. Characteristics of Summertime Circulations and Pollutant Ventilation in the Los Angeles Basin [J]. Journal of Applied Meteorology，1982，21：672- 682. [27] Brain L, Clifford F. Numerical Investigation of Mesoscale Circulations over the Los Angeles Basin. Part 域 : Synoptic Influence and Pollutant Transport [J]. Monthly Weather Review，1990，118：2162-2184. [28] Lu R, Turco R P. Air Pollutant in a Costal Environment. Part I: Two -Dimesional Simulation of Sea -Breese and Mountain Effects [J].Journal of the Atmospheric Science， 1994，51（15）：2285-2308. [29] 吴兑，廖国莲，邓雪娇，等 援珠江三角洲霾天气的近地层 输送条件研究[J]援应用气象学报，2008，19（2）：1-9援 [30] 张人文，范绍佳援珠江三角洲风场对空气质量的影响[J]援 中山大学学报：自然科学版，2011，50（6）：130-134援 [31] 范绍佳，王安宇，樊琦，等援珠江三角洲大气边界层概念 模型的建立及其应用 [J]援 热带气象学报，2005，21（3）： 286-292援 [32] 范绍佳，王安宇，樊琦，等援珠江三角洲大气边界层特征 及其概念模型[J]援中国环境科学，2006，26（增刊）：4-6援 [33] Wu M, Wu D, Fan Q, et al. Observational studies of the meteorological characteristics associated with poor air quality over the Pearl River Delta in China [J]. Atmos. Chem. Phys., 2013，13：10755-10766. [34] 刘源 援四 川 省大 气 污染 概况 及 特 点 [J]援重庆 环境保 护， 1986，7（2）：46-48援 [35] Pandy K A, Prinn G R. Diurnal cycle of air pollution in the Kathmandu Valley, Nepal: Observations [J]. Geophys. Res., 2009，114：1-19. [36] Whiteman C D, Zhong S, Bian X, et al. Boundary layer evolution and regional-scale diurnal circulations over the Mexico Basin and Mexican plateau [J]. Journal of Geophysical Research，2000，10：10081-10102. [37] Fast J, Zhong S. Meteorological factors associated with inhomogeneous ozone concentrations within the Mexico City basin [J]. Journal of Geophysical Research, 1998，103：18927-18946. [38] Foy B De, Caetano E, Magana V, et al. Mexico City basin wind circulation during the MCMA-2003 field campaign [J]. Atmos. Chem. Phys, 2005，5：2267-2288. [39] Foy B De, Clappier A, Molina L T, et al. Distinct wind convergence pattern in the Mexico City basin due to the interaction of the gap winds with the synoptic flow [J]. Atmos. Chem. Phys，2006，6：1249-1265. [40] Air Quality-The 10 Most Polluted Cities in the World [EB/OL]. http://www.infobarrel.com/Air Quality -The 10 Most Polluted Cities in the World. [41] 王耀庭，李威，张小玲援北京城区夏季静稳天气下大气边 界 层 与 大 气污染的 关 系 [J]援 环 境 科 学 研究 ，2012，25 （10）：1092-1098援 [42] 游春华，蔡旭晖，宋宇，等援京津地区夏季大气局地环流 8

李霞等:复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 背景研究[北京大学学报:自然科学版,2006,42(6) PhD thesis, University of Innsbruck, Austria, 2004 region of [43 Hu x M, Liu S H, Wang Y C, et al. Numerieal Simulation Innsbruck: typical features and semi -idealized numerical of Wind Field and Temperature Field over Beijing Area simulations []. Meteorol. Atmos. Phys., 2003, 83: 237 in summer []. Aeta Meteor Sinies, 2005, 19(1): 120 127 59 McGowan, H A, Sturman A P, Kossmann M, et al [44陈炯,王建捷北京地区夏季边界层结构日变化的高分 Observation of foehn onset in the Southen Alps p] 辨模拟对比[应用气象学报,2006,17(4):403-411 NewZealand, Meteorol. Atmos. Phys., 2002, 79: 215-230 45]陈朝晖,程水源,苏福庆,等北京地区一次重污染过程60] Nkemdirim L C, Leggat K. The effect of Chinook 的大尺度天气型分析[.环境科学研究,2007,20(2) Weather on Urban Heat Islands and Air Pollution U 99-105 Water, Air and soil Poll. 1978.9: 53-67. [46佟华,桑建国北京市海淀区大气边界层的数值模拟研61] Seibert P, Feldmann H, Neiniger B. South foehn and 究[应用气象学报,2002,13(特刊):51-60. ozone in the Eastern Alps-case study and climatological [4刀佟华,刘辉志,桑建国,等城市人为热对北京热环境的 aspects []. Atmos Environ., 2000, 34: 1379-1394 影响[气候与环境研究,2004,9(3):409-421 [62 McGowan H A, Sturman P A, Owens F L Aeolian dust [48]王喜全,王自发,龚艳帮,等北京地区热岛环流对山地 transport and deposition by foehn winds in an alpine 平原风的调节作用[]气候与环境研究,2008,13(5) environment, Lake Teka New Zealand 639-644 Geomorphology,1996,15(2):135-146 [49 Chen Y, Zhao C, Zhang Q, et al. Aircraft study of [63] Gohm A, Harnisch F, Vergeiner J, et al. Air pollution Mountain Chimney Effect of Beijing, China []. Journal of transport in an Alpine valley: results from airborme and Geophysical Research. 2009. 114: 1-10 ground-based observations [] Boundary-Layer Meteorol 50苏福庆,任阵海,高庆先,等北京及华北平原边界层大 2009,131:441-463 气中污染物的汇聚系统一边界层输送汇卩环境科学硏[64]张家宝,苏启元,孙沈清,等新疆短期天气预报指导手 究,2004,17(1):10-33 册M乌鲁木齐:新疆人民出版社,1986 5]刘树华,刘振鑫,李炬,等京津冀地区不同季节大气环{65]孟齐辉,吕斌,刁平乌鲁木齐地区东南大风分布规律的 流耦合效应的数值模拟凹2009,中国科学D辑:地球 研究新疆气象,1995,18(1):6-10 科学,39(1):88-98 66孟齐辉,吕斌,刁平乌鲁木齐东南大风与气压场演变的 52]苗爱梅地形对太原市污染物稀释扩散影响的模拟试验 关系[新疆气象,1996,19(1):5-9 气象学报,2004,62(1):112-118 67张利平.乌鲁木齐国际机场20年东南大风天气的统计 [53 Mayhew S. A Dictionary of Geography [M]. New York, 特征分析[中国民航飞行学院学报,2007,18(2):3-6. Oxford University Press, 2004 [68] Li X, Xia X, Xin Y, et al. An Investigation of Boundary [54]whataregaptowns[eB/ol].[2013-11-13].http://www Layer Structure under the Influence of the Gap Wind in answers. com/topic/gap-townt#iXZZ2g4z7X8ka Urumqi, China, during Air Pollution Episode in Winter 155 Seibert R. South foehn studies since the ALPEX []. Air& Waste Management Association, 2012, 62(1) experiment [] Meteorol. Atmos. Phys., 1990. 43: 91-103 26-37 56] Vergeiner J, Mayr G J. Case study of the MAP-|OP[69李霞峡口城市乌鲁木齐冬季重污染的机理研究圓中 sandwich foehn on 18th October 1999 []. MAP Newsl 国科学院,2013. 2000.13:36-37. 70] Li X, Xia X, Wang L, et al. The role of foehn in 57 Vergeiner J. South foehn studies and a new foehn formation of heavy air pollution events in Urumqi, chi classification scheme in the Wipp and Inn valley [D [. Geophys.Res.Amos,2015,120:5371-5384

背景研 究[J]援北京 大学学报：自然科 学版，2006，42（6）： 779-783援 [43] Hu x M, Liu S H,Wang Y C, et al. Numerieal Simulation of Wind Field and Temperature Field over Beijing Area in summer [J]. Aeta Meteor Sinies，2005，19 （1）：120- 127. [44] 陈炯，王建捷援北京地区夏季边界层结构日变化的高 分 辨模拟对比[J]援应用气象学报，2006，17（4）：403-411援 [45] 陈朝晖，程水源，苏福庆，等援北京地区一次重污染过程 的大尺度天气型分析 [J]援 环境科学研究，2007，20（2）： 99-105援 [46] 佟华，桑建国援北京市海淀区大气边界层的数值模拟 研 究[J]援应用气象学报，2002，13（特刊）：51-60援 [47] 佟华，刘辉志，桑建国，等援城市人为热对北京热环境的 影响[J]援气候与环境研究，2004，9（3）：409-421援 [48] 王喜全，王自发，龚艳帮，等援北京地区热岛环流对山地- 平原风的调节作用 [J]援 气候与环境研究，2008，13（5）： 639-644援 [49] Chen Y, Zhao C, Zhang Q, et al. Aircraft study of Mountain Chimney Effect of Beijing, China [J]. Journal of Geophysical Research，2009，114:1-10. [50] 苏福庆，任阵海，高庆先，等援北京及华北平原边界层大 气中污染物的汇聚系统—边界层输送汇[J]援环境科学研 究，2004，17（1）：10-33援 [51] 刘树华，刘振鑫，李炬，等援京津冀地区不同季节大气环 流耦 合效 应的数 值模 拟[J]援2009，中国科学 D 辑 ：地 球 科学，39（1）：88-98援 [52] 苗爱梅援地形对太原市污染物稀释扩散影响的模拟试验 [J]援气象学报，2004，62（1）：112-118援 [53] Mayhew S. A Dictionary of Geography [M]. New York, Oxford University Press，2004. [54] What are gap towns? [EB/OL]. [2013-11-13]. http://www. answers.com/topic/gap-town#ixzz2g4z7X8ka. [55] Seibert R. South foehn studies since the ALPEX experiment [J]. Meteorol. Atmos. Phys., 1990，43：91-103. [56] Vergeiner J，Mayr G J. Case study of the MAP -IOP “sandwich”foehn on 18th October 1999 [J]. MAP Newsl, 2000，13：36-37. [57] Vergeiner J. South foehn studies and a new foehn classification scheme in the Wipp and Inn valley [D]. PhD thesis, University of Innsbruck, Austria, 2004. [58] Zangl, G. Deep and shallow fohn in the region of Innsbruck: typical features and semi-idealized numerical simulations [J]. Meteorol. Atmos. Phys., 2003，83：237 - 261. [59] McGowan, H A, Sturman A P, Kossmann M, et al. Observation of foehn onset in the Southern Alps [J]. NewZealand, Meteorol. Atmos. Phys., 2002，79：215-230. [60] Nkemdirim L C， Leggat K. The effect of Chinook Weather on Urban Heat Islands and Air Pollution [J]. Water, Air and Soil Poll，1978，9：53-67. [61] Seibert P, Feldmann H, Neiniger B. South foehn and ozone in the Eastern Alps-case study and climatological aspects [J]. Atmos Environ., 2000，34：1379-1394. [62] McGowan H A, Sturman P A, Owens F L. Aeolian dust transport and deposition by foehn winds in an alpine environment, Lake Tekapo, New Zealand [J]. Geomorphology，1996，15（2）：135-146. [63] Gohm A, Harnisch F, Vergeiner J, et al. Air pollution transport in an Alpine valley: results from airborne and ground-based observations [J]. Boundary-Layer Meteorol., 2009，131：441-463. [64] 张家宝，苏启元，孙沈清，等援新疆短期天气预报指导手 册[M]援乌鲁木齐：新疆人民出版社，1986援 [65] 孟齐辉，吕斌，刁平援乌鲁木齐地区东南大风分布规律的 研究[J]援新疆气象，1995，18（1）：6-10援 [66] 孟齐辉，吕斌，刁平援乌鲁木齐东南大风与气压场演变的 关系[J]援新疆气象，1996，19（1）：5-9援 [67] 张利平援 乌鲁木齐国际机场 20 年东南大风天气的统计 特征分析[J]援中国民航飞行学院学报，2007，18（2）：3-6援 [68] Li X, Xia X, Xin Y, et al. An Investigation of Boundary Layer Structure under the Influence of the Gap Wind in Urumqi，China，during Air Pollution Episode in Winter [J]. Air & Waste Management Association, 2012，62（1）： 26-37. [69] 李霞援峡口城市乌鲁木齐冬季重污 染的机理研 究[D]援中 国科学院，2013援 [70] Li X, Xia X, Wang L , et al. The role of foehn in the formation of heavy air pollution events in Urumqi, China [J]. Geophys. Res. Atmos., 2015，120：5371-5384. 李霞等：复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展 9

综述 沙漠与绿洲气象 第10卷第6期 Desert and Oasis Meteorology 2016年12月 Research of the Influences of the air flows on Multiple scales on the Transport and Diffusion Mechanisms of Urban Air Pollution over the Complex Terrains LXia·2,JAJa (1. Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Urumqi 830002, China 2. Center of Central Asia Atmospheric Science Research, Urumqi 830002, China Urumqi meteorological Bureau, Urumqi 830006, China Abstract The term of the city over the complex terrain often lie in mountainous region, at foothill and in coastal area. It is a complicated issue for the mechanism of air pollution transport and diffusion over the complex terrains. According to the topography around the cities, the complex terrains are classified into five categories, which include the valley terrain, the costal terrain surrounded by hills on the other three sides, the basin terrain, the"U shape terrain and the gorge terrain. On the basis of research results related to the transport and diffusion mechanisms of air pollutants over the above-mentioned five kinds of complex terrains, the mutual active characteristics of the multi-scale air flows and these flows influences on the transport and diffusion of the local air pollutants were presented in this article, in order to give some guide for research on the formation mechanisms and the prevention and control of air pollution aimed to the other polluted cities over the complex terrains Key words the complex terrains; cities; multi-scale air flows; air pollutants; transport and diffusion

沙 漠 与 绿 洲 气 象 Desert and Oasis Meteorology 第 10 卷 第 6 期 2016 年 12 月 Research of the Influences of the Air Flows on Multiple Scales on the Transport and Diffusion Mechanisms of Urban Air Pollution over the Complex Terrains LI Xia1，2，JIA Jian3 （1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China； 2.Center of Central Asia Atmospheric Science Research，Urumqi 830002，China； 3.Urumqi Meteorological Bureau，Urumqi 830006，China） Abstract The term of the city over the complex terrain often lie in mountainous region, at foothill and in coastal area. It is a complicated issue for the mechanism of air pollution transport and diffusion over the complex terrains. According to the topography around the cities, the complex terrains are classified into five categories, which include the valley terrain, the costal terrain surrounded by hills on the other three sides, the basin terrain, the “U”shape terrain and the gorge terrain. On the basis of research results related to the transport and diffusion mechanisms of air pollutants over the above -mentioned five kinds of complex terrains, the mutual active characteristics of the multi-scale air flows and these flows’influences on the transport and diffusion of the local air pollutants were presented in this article, in order to give some guide for research on the formation mechanisms and the prevention and control of air pollution aimed to the other polluted cities over the complex terrains. Key words the complex terrains；cities；multi-scale air flows；air pollutants；transport and diffusion 综 述 10