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