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- 54 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