中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年 第2期 No.2 1999



兰州山谷大气污染的物理机制与防治对策
胡隐樵　张 强
　　摘要：分析兰州的一些观测结果得到了这类山谷盆地日间和夜间大气逆温层形成的物理机制.由于山峰加热效应形成日间山谷强的脱地逆温层以及辐射冷却的山谷冷湖效应形成夜间强的逆温层.它们是造成这类特殊条件下的大气污染的根本原因.污染物吸收太阳辐射使上层空气加热,进一步加强了日间的逆温层.环境绿化能减小日间山峰加热效应和夜间辐射冷却造成的冷湖效应,以减弱逆温层减轻污染.所以环境绿化是一种增加环境容量,减轻污染的有效措施.
　　关键词：大气污染；大气环境；复杂地形；逆温层
　　中图分类号：X51 　　文献标识码：A 　　文章编号：1000-6923(1999)02-0119-04
Atmosphere pollution mechanism along with prevention and cure countermeasure of the Lanzhou hollow basin.
HU Yin-qiao　ZHANG Qiang 
(Lanzhou Plateau Atmospheric Physical Institute , Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science. 1999,19(2)：119～122
Abstract：The physical mechanism forming atmospheric inverse temperature layer in daytime and night is got by analyzing a number of observation results in hollow basin of Lanzhou City. A powerful inverse temperature layer breaking away background in hollow in daytime is formed due to mountain ridge heating effect；and a powerful inverse temperature layer in night is formed due to radiation cooling that forms hollow cold lake effect. They are essential causes of air pollution under these especial conditions. The inverse temperature layer is more emphasized due to heating superstratum air as a result of pollutant absorbing sunshine radiation in daytime. Environment afforestation lets up effect of mountain ridge heating in daytime and cold lake effect as a result of radiation cooling in night to relief pollution as a result of weakening inverse temperature layer. Therefore the environment afforestation is an effective step of increasing environmental capability and relieving pollution.
Key words：atmosphere pollution；atmosphere environment；complex landform；inverse temperature layer
　　复杂地形条件下的大气污染机制是一个复杂的问题.其大气污染理论和预测方法的研究工作仍不很充分.而许多污染极为严重的城市又是处于复杂地形的山地.为此,加强对复杂地形条件下大气污染问题的理论和预报方法研究是当务之急,应进一步提出防治复杂地形大气污染的可能手段和措施.为实现这一目标,首先须分析研究复杂地形条件下大气污染的机理；抓住其物理本质建立相应的物理模型；在此基础上建立其数学模式,深入开展污染预报的研究,提出防治污染对策.本文根据兰州的一些观测结果研究了复杂地形条件下大气污染的物理机理,针对兰州大气污染严重的一些特殊原因提出了防治对策.
1 山谷大气逆温层的形成机理
　　污染物在空气中的浓度,除污染源强度和风速大小以外,主要取决于大气本身的扩散稀释能力.而大气的扩散稀释能力又与大气温度层结密切相关.作为一个观测的实例,在图1中给出了污染物浓度与大气逆温层厚度和强度之间的简单实验关系[1].可见在污染源不变的情况下污染物随逆温层厚度和强度的增大非常明显.


图1 污染物浓度q与大气逆温层强度g (a)和厚度H (b)的关系[1]
Fig.1 The relationship between the pollutant consistency q with intensity g (a) and thickness H (b)of the atmospheric converse temperature
　　除了在特殊的天气条件下,如暖气团过境会产生大气逆温层外, 一般情况下,大气逆温层仅在夜间大气辐射冷却时出现,而且这种逆温层是贴地的,很少见有脱地逆温层和日间逆温层出现.但在复杂地形条件下,特别是山谷或盆地,不仅出现夜间贴地辐射逆温层,而且出现脱地逆温,甚至经常出现日间脱地逆温层,或日间的两层脱地逆温.
　　图2是利用1986年兰州冬季的一次大气边界层观测资料得到的边界层温度剖面图.图2表明,兰州盆地在11月14日和15日两天中温度层结就如上面所述情况,连读两天都维持两层脱地逆温,这种脱地逆温持续10天 之久,直至一次天气过程才消失.兰州大学在1989年12月在兰州盆地内进行的边界层观测也发现,兰州山谷盆地内在夜间出现脱地逆温和日间出现两层脱地逆温的频率是非常高的[2].




图2 1986年11月14～15日两天内兰州市边界层温度剖面
Fig.2 Temperature cutaway view of boundary layer on 14～15 November 1986 in Lanzhou City
细实线:等温线 粗实线:逆温层顶 点麻区:混合层 点虚线:逆温层底 地面锯齿:贴地逆温层
　　造成这种长时间维持日间逆温的物理机制是值得重视的.据作者研究,盆地内出现这种特殊边界层温度结构的重要原因是山谷盆地地形的影响.胡隐樵等人[3]的研究中发现山峰具有明显的加热效应.表1是1986年冬在兰州市区山谷和高于谷底625m处的山峰所观测到的温度递减率.可见山峰温度递减率γ’远大于山谷γ,是一种超绝热不稳定,而山谷更接近中性状态.

时间（h）γ’( oC/100m )γ( oC/100m)
0834
10-150
12-22-2
14-32-3
16-30-3
1808

表 1 1986年11月7～16日山谷和山峰温度递减率10天的平均值
Table 1 The decrease rate of averaged temperature for 10 days to be observed on 7～16 November 1986 over hollowand mountain ridge
　　造成这种现象的原因是山峰的加热效应所致.图3是山峰加热效应的一般原理图,并从图3得到山峰温度递减率同山谷温度逆减率的如下关系：


图3 山峰加热效应的一般原理
Fig.3 The general principle of heating effect of peakL:山峰水平高度
γ’=  +γ[ 1 + ] 
式中:H为山峰相对高度；h为山峰影响的大气层厚度；T0和T’0为山谷和山峰的地面温度；γ和γ为干绝热递减率和自由大气递减率.由图3可看出,由于山峰地表吸收太阳辐射被加热,其地表温度远高于周围空气温度(山谷按干绝热递减率γ达到的温度Ta ’),造成了超绝热温度递减率.张强等人[4]通过对山峰和河谷湍流通量的研究更进一步证实了山峰的加热效应.
　　白天山峰加热效应是产生日间脱地逆温层的主要原因,这是由于山峰加热效应,山顶温度势必要比山谷的高,其局地热力环流将山峰被加热空气输送到山谷上空,从而同山谷较低的温度形成日间的脱地逆温.山谷逆温比平原地区强的笫二个原因是夜间山坡辐射冷却空气下滑堆积山谷形成夜间逆温,人们称之为冷湖效应.这种冷湖效应现象早已被观测到[5],1986年兰州冬天的观测也证实这一现象[3].第三,由于山谷盆地内的长时间逆温使污染物不易扩散,大气污染物浓度较大,所形成的气溶胶在白天吸收太阳辐射加热上层空气,并削弱山谷地表太阳辐射,使山谷地表加热减弱,从而加强了日间脱地逆温,这就是气溶胶的加温效应,这种加温效应对逆温形成是笫二层次的,但气溶胶在空气中的堆积同逆温是一种正反馈过程.1980年冬沈志宝等[6]人在兰州盆地观测到这种尘埃加温效应,结果发现,兰州市冬季正午625m山谷气层对太阳辐射削弱率达41%,而对上层空气的加热率达5.8oC/d.
　　白天山峰加热效应、夜间山谷冷湖效应以及气溶胶的加温效应是造成山谷长时间维持逆温的三大主要原因,也是山谷城市污染比平原城市污染严重的基本物理原因.
2 复杂地形大气污染的物理机制
　　山谷城市大气污染有其特殊性,它的环境容量远小于平原城市,对污染物的稀释能力较弱[7].地形影响是产生这一特殊性的最主要原因.地形影响应包括其动力作用和热力作用,动力作用就是地形对气流的阻挡和摩擦效应；而地形的热力作用就是上述山峰加热效应、山谷冷湖效应和气溶胶加温效应.山峰加热效应和山谷冷湖效应是山谷日间和夜间脱地逆温层的根本原因,从而造成山谷严重的空气污染.以污染物为主的气溶胶与大气逆温层之间的正反馈效应加剧了大气的污染.
　　大气中的污染物主要通过平流输送,湍流扩散和干、湿沉降3种方式来清洗.但盆地的屏障效应使其低层大气的风速非常小,甚至静风,这限制了平流输送；地形热力效应造成长时间逆温抑制了湍流扩散能力.在干旱地区,不仅湿沉降过程较少,而且由于干燥、裸露的地表有很大的转换阻尼,从而使污染物的干沉降过程也很慢[8]；干旱地区裸露的地表太阳辐射加热和夜间辐射冷却都比有植被的地表强,这就进一步加强了上述山峰加热效应和山谷冷湖效应.
　　天气形势也是与大气污染物浓度密切相关的.天气形势不仅会影响到山谷盆地内的风速和温度层结,而且影响污染物的上升或下沉运动.事实上,兰州市山谷盆地的重污染就大都出现在特定的天气背景下.一些初步研究表明[9],兰州山谷在小高压后部控制时,不利于污染物扩散,气旋性切变控制时较有利于污染物扩散,而蒙古高压前沿或南部控制时最有利于污染物扩散.
　　综上所述,大气环境质量不仅受很多因子直接控制,而且也受几种因子相互作用的影响.同时,大气环境质量本身也对一些因子有反馈作用,从而造成大气环境质量同污染之间的非线性关系.要想建立一个山谷盆地的污染预报模式或对大气环境质量进行控制,就必须分析大气环境质量同各种控制因子之间的复杂的非线性过程.
3 治理山谷盆地大气污染的方法与措施
　　目前已提出的治理大气污染的主要方法是对污染源的限制与控制.包括工业发展的限制；高架烟囱排放；交通分流和限制；能源结构的管理等.这些措施无疑是公认有效的,但它往往同国家和地区的经济发展产生矛盾.
　　对于山地城市污染机理有许多特点不同于平原地区.造成山地城市环境容量远小于平原地区,同样的污染物排放量所造成的空气污染山地将远大于平原地区.针对山地城市特殊情况提出增大环境容量的一些其它防治污染的方法.例如开山通风,减小地形对气流的阻挡；人工降水增加湿沉降,洗涮空气尘埃,减小气溶胶的增温效应；绿化环境,减小日间山峰加热效应和夜间辐射冷却造成的冷湖效应,以抑制日间和夜间逆温层的发展,最终达到防治污染的目的.
　　应该指出,地形除了阻挡气流的屏障作用,更重要的是重山层迭的山地对气流的摩擦作用.开山通风虽可减小气流阻挡作用,而未能减小对气流的磨擦作用,该方法除了工程大外,其效果是可疑的.自然降水对气溶胶有洗涮作用是无疑的,但人工降水方法只能在水汽条件较好的湿润地区进行,对于干旱地区缺乏降水条件该方法并不适用,而且在具备降水条件的天气形势下污染一般较轻.从形成山谷城市污染严重的物理机理考虑,在上述防治污染的建议中,环境绿化是值得重视的.植被不仅能减小日间山峰地表辐射加热,而且能减小夜间地表辐射冷却,从而减小山峰加热效应和山谷冷湖效应；植被还具有吸收污染物,减小干沉降阻尼增加干沉降的功效,从而减少空气中的气溶胶,并进一步减小气溶胶加温效应.当然如兰州这样的山谷城市用环境绿化改造兰洲小气候,消除或减轻山谷长期维持逆温这种边界层结构,除了绿化盆地之外,还必须对兰州地区周围山地足够大的区域进行绿化.此外,由于城区密布的建筑,造成了严重的热岛效应,所以还应该强调进行城区的地面和立体绿化,以减小夜间冷湖效应,这样才能达到预期效果.
4 结语
　　山谷地形脱地逆温层的形成和山地的屏障效应共同构成了山谷或盆地大气污染的热力和动力原因.这种特殊效应在干旱地区表现尤为明显.各种影响大气污染的因子之间及其同大气环境质量之间存在着反馈过程和非线性相互作用.这表明盆地大气污染预报模式的建立要充分考虑这些非线性过程和特殊的因子.
　　山谷或盆地大气污染的防治措施,除一般性的限制和控制污染物排放外,还应根据山谷或盆地特殊的污染成因采取措施来增加大气环境容量.从形成山谷污染的物理机制考虑,环境绿化是最适宜的措施,它是通过改善生态环境和山地小气候达到在多个方面改善大气环境容量的目的.同时它还会有一定的生态效益和经济效益.
基金项目：中国科学院重大项目“大气污染预测的理论和方法研究”(K295-A1-403-2)；兰州分院院长择优基金资助项目
作者单位：胡隐樵　张强（中国科学院兰州高原大气物理研究所,甘肃 兰州 730000）
作者简介：胡隐樵(1938-),男,江西南昌人,中国科学院兰州高原大气物理研究所研究员,博士生导师,长期从事大气边界层物理、大气探测、气候变化和大气环境等领域研究工作.承担过国家自然科学基金重大项目“黑河地区地气相互作用观测实验研究”(获中国科学院自然科学奖一等奖)；“近地面层相似性理论和湍流通量观测方法研究”(获中国科学院自然科学奖三等奖)；现正主持国家自然科学基金重点项目“稀疏植被同大气的相互作用”和参加中国科学院重大项目“大气污染预报理论研究”等研究工作.发表论文60余篇.
收稿日期：1998-07-21
参考文献：
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