上海地区高污染条件下气象场与环境空气质量的数值模拟分析

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1、第一章引言城市“五岛”效应(混浊岛、热岛、干岛、湿岛、雨岛)是城市气候的主要特征。城市混浊岛效应主要表现为城市大气中污染物比郊区多，因此凝结核、低云量比郊区多，导致太阳直接辐射削弱，散射辐射增强，大气混浊度增大，能见度降低。城市热岛效应主要是城市气温经常比四周郊区要高，尤其是在晴朗无风的天气状况下，城郊温差(即热岛强度)更大。城市热岛的形成有多种因素，其中下垫面因素、人为热和温室气体排放是人类活动影响的主要方面。而热岛强度与城市的地理纬度、海陆位置、地形起伏、城市规模、人口密度、能源消耗量、建筑物密度、天气形势

2、、气象条件等有着密切的关系。城市干岛效应，是指城市相对湿度明显小于郊区，它的形成与下垫面因素和天气条件有关。白天在太阳照射下，由于城区绿地面积较小，通过下垫面蒸散过程进入低层空气中的水汽量要小于郊区。此外，城区由于下垫面粗糙度大且伴有热岛效应，机械湍流和热力湍流都比郊区强，通过湍流的垂直交换，城区低层水汽向上层空气的输送量比郊区多，这就导致了城区近地面的水汽压小于郊区，形成“城市干岛”。到了夜晚，风速减小，空气层结稳定，郊区降温快，饱和水汽压减小，大量水汽凝结成露水；而城区因有热岛效应．其凝露量远比郊区少，加之

3、夜晚湍流弱．与上层空气问的水汽交换量变小，城区近地面的水汽压会高于郊区，出现“城市湿岛”。城市雨岛效应是指在城市及其下风方向降水会有增多的趋势，当大气中的s02和N02较多时，会经过一系列化学反应形成硫酸和硝酸，再通过成雨过程和冲刷过程形成“酸雨”降落，危害非常大。[Io-I+]城市与郊区环流是城市大气流场的重要特征。在大范围气压梯度较小的天气形势下，尤其是晴夜，由于城市热岛的存在，在城区会形成一个弱低压中心．出现上升气流；到一定高度上空气又流向郊区，在郊区下沉；郊区近地面的空气则向热岛中心辐合，流入城市，最终

4、形成一个热岛环流，又称城市风系。这种风系的存在有利于城市本身排放的污染物集聚在城市上空形成尘盖，并造成城市污染物的重复污染，也有利于城区低云和局部对流雨的形成。[Iol城市地区由于下垫面粗糙度大，有降低平均风速的效应，城市小风频率明显增加。“在城市覆盖层内部，因街道走向、宽度、两侧建筑物的高度、形式和朝向不同，各地方所获得的太阳辐射能就有明显的差异，在盛行风微弱或无风时会产生局地热力环流。州lo】当盛行风吹过鳞次栉比、参差不齐的建筑物时，由于阻障效应易引起气流的升降、涡动和绕流，增强湍流混合，在下风向出现气流下

5、沉的尾流区。此外，市区街道对气流存在着引导作用，造成街谷狭管风效应，使风的局地变化变得极为复杂。1311．2城市环境空气质量城市大气污染问题是I+I前各国面临的普遍问题之一。城市大气污染最早始于上海地区高污染条件下气象场及环境空气质量的数值模拟研究18世纪产业革命期间，伴随着煤的使用而产生。至20世纪四五十年代，洛衫矾烟雾事件和伦敦烟雾事件的发生标志着城市大气污染日趋严重。城市中的大气污染物主要来源于工业生产、生活燃烧、采暖锅炉、废物焚化、交通运输等，主要物种包括s02、NOx、CO、PM、TSP等。目前我国是

6、世界上大气污染最严重的国家之一。[14-161我国的城市大气污染具有以下一些特征：①我国城市大气污染以煤烟型为主。[17-2q目前我国的能源结构仍然以煤为主，2004年煤炭消费占总能源消费的71．3l％。而排入大气的污染物中，70％的烟尘、87％的s02、67％的N仉来源于燃煤。【14，矧根据《中国环境状况公报》【231，2005年，全国二氧化硫排放量为2549．3万吨(其中，工业排放量为2168．4万吨，生活排放量为380．9万吨)；烟尘排放量为1182．5万吨(其中，工业排放量为948．9万吨，生活排放量为

7、233．6万吨)。在我国，大气中总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物浓度较高，是影响我国城市空气的首要污染物。在可比城市中，40．5％的城市颗粒物超过二级标准，5．5％超过三级标准。同时，S02的污染依然较为严重，二氧化硫污染控制区内的62个城市中，超过二级标准的城市占54．9％，超过三级标准的占21．O％。此外，我国城市中的硫酸型酸雨污染非常严重。2005年，全国696个市《县)中，降水pH年均值小于5．6的城市有267个，占38．4％。全国酸雨区域主要分布在长江以南，四川、云南以东，较重的酸雨区域主要分布在浙江、江西

8、、湖南、广西西北部和广东珠江三角洲地区。②部分大中城市出现煤烟和机动车尾气混合型污染。2005年，在所有统计城市中，广州、北京、宁波、上海、杭州、南京、成都、武汉等大城市二氧化氮浓度相对较高。这主要是由于在这些城市中，机动车保有量持续快速增长，自上世纪80年代以来，北京、广州、上海等城市机动车保有量年均增长分别保持在16．4％、16．5％、13A％，由于我国机动车的单车排放因子较高，使