北京地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流對(duì)大氣污染的影響分析

1、北京地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流對(duì)大氣污染的影響分析陳洪灝（1） 李炬（2）（1）南京大學(xué)大氣科學(xué)系（2） 中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所 （北京，100089）摘要請(qǐng)根據(jù)文章重新提煉：關(guān)鍵詞： 北京地區(qū)；山谷風(fēng)環(huán)流；空氣污染1、 前言大氣中可吸入顆粒物一般而言是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10m 的懸浮顆粒物（PM10）。其中，空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5m 的細(xì)粒子PM2.5，因易于富集空氣中有毒重金屬、酸性氧化物、有機(jī)污染物、細(xì)菌和病毒等,對(duì)人體健康的危害遠(yuǎn)比空氣動(dòng)力學(xué)直徑在2.5m10m之間的粒子大。有研究表明，可吸入顆粒物在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)730天，輸送距離可以超過到幾百公里。國(guó)內(nèi)外大量流行病學(xué)和

2、毒理學(xué)研究所證實(shí)可吸入顆粒物對(duì)人類呼吸系統(tǒng)、心肺功能等的危害性。尤其是對(duì)于老人、兒童和已患心肺病者等敏感人群，具有較大風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，空氣中的顆粒物還降低了能見度，在酸沉降、氣候強(qiáng)迫、大氣化學(xué)成分循環(huán)等方面具有重要作用，對(duì)城市天氣和氣候也有重要影響。 首都北京，是我國(guó)的政治經(jīng)濟(jì)文化中心，也是一個(gè)人口超過千萬人的超大城市。約50%人口分布在占全市面積不足7%的市區(qū)內(nèi),市區(qū)人口稠密,燃料消耗量大。近年來，隨煙氣及汽車尾氣排放的PM10每年超過5 萬噸,另外城市建筑、市政等大量工程施工,物料堆放,地面裸露等產(chǎn)生的揚(yáng)塵也是PM10 的主要來源。市區(qū)每年無組織排放PM10總量大于9萬噸。不僅如此,由于地

3、處華北平原,冬春季干冷多風(fēng),北京PM10區(qū)域背景濃度很高。據(jù)北京市環(huán)保局公布的20042006年空氣質(zhì)量公報(bào)結(jié)果，北京市區(qū)內(nèi)PM10年平均濃度依次為151、144、162g·m-3，超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)4462%以上，空氣質(zhì)量超標(biāo)日中，首要污染物PM10的天數(shù)分別多達(dá)96%、98%和99%?？刂瓶晌腩w粒物污染是北京市目前乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)大氣污染防治工作重點(diǎn)。機(jī)動(dòng)車排放污染物已經(jīng)成為城市空氣污染的主要來源之一,相關(guān)研究已成為國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家關(guān)注熱點(diǎn)。Cantanho對(duì)巴西圣保羅的PM10源強(qiáng)分布作了研究, 得到結(jié)論為PM10的重要來源是汽車尾氣。L.Y.Chan等研究指出,機(jī)動(dòng)車

4、排放污染逐漸成為發(fā)達(dá)城市大氣污染的主要源。在廣州、珠海等地做了一系列的交通大氣污染觀測(cè)試驗(yàn)研究結(jié)果表明, PM10濃度主要來自不同交通工具的污染排放。而且與這些污染物有關(guān)的疾病發(fā)生率在總疾病發(fā)生率中占很大比重。隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量迅速增長(zhǎng)和,城市大氣污染類型正在由煤煙型向混合型和機(jī)動(dòng)車污染型轉(zhuǎn)化。北京機(jī)動(dòng)車保有量從2003年200萬輛，到2008年已突破350萬輛。機(jī)動(dòng)車尾氣的直接排放、以及排放物二次轉(zhuǎn)化形成的顆粒物已占到整個(gè)顆粒物排放相當(dāng)?shù)谋壤?。王英利用北京? 個(gè)國(guó)控點(diǎn)污染物濃度數(shù)據(jù),分析了北京各區(qū)域大氣污染分布與季節(jié)變化特征,發(fā)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車排放污染最明顯的季節(jié)與大氣污染最嚴(yán)

5、重的季節(jié)明顯重合,說明機(jī)動(dòng)車排放對(duì)北京市大氣污染貢獻(xiàn)的重要程度。許艷玲用中尺度氣象模式ARPS與空氣質(zhì)量模式CMAQ對(duì)北京空氣污染進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明交通揚(yáng)塵對(duì)北京市大氣PM10影響顯著。陳建華等對(duì)北京市交通路口大氣顆粒物與交通流量的關(guān)系進(jìn)行了研究，也印證了汽車尾氣對(duì)大氣顆粒物的顯著貢獻(xiàn)。氣象條件可以對(duì)可吸入顆粒物濃度空間分布、二次污染物的形成和轉(zhuǎn)化等產(chǎn)生重要影響。背景環(huán)流、局地中小尺度環(huán)流以及邊界層結(jié)構(gòu)、降水過程等，影響了大氣污染物的輸送、擴(kuò)散、二次轉(zhuǎn)化過程以及干濕沉降，進(jìn)而影響污染物濃度和空間分布。污染過程的形成總是伴隨著特定的天氣條件而產(chǎn)生，其終結(jié)往往也是由于降水、大風(fēng)等天氣的出現(xiàn)而

6、結(jié)束。有關(guān)北京地區(qū)氣象條件和污染物關(guān)系的工作比較多，比較有代表性的有：孟燕軍等對(duì)有利于和不利于污染物擴(kuò)散的天氣類型進(jìn)行了研究。王淑英等根據(jù)兩年多的污染物資料和和氣象要素觀測(cè)資料，分析了PM10大于等于4 級(jí)污染日年、季及隨不同天氣類型的變化特征,歸納了不同天氣類型PM10大于等于4 級(jí)污染日的氣象條件。蘇福慶分析了2000 2001 年采暖期重污染天氣型演變、垂直溫濕層結(jié)結(jié)構(gòu)及區(qū)域污染特征，分析結(jié)果表明：華北平原區(qū)域性同步污染現(xiàn)象受制于高空持續(xù)穩(wěn)定的西風(fēng)及低空各類穩(wěn)定的天氣型配置。北京地形復(fù)雜，城市位于容易造成污染物堆積的“北京灣”。具有日變化特征的中尺度山谷風(fēng)環(huán)流，會(huì)對(duì)污染物輸送、擴(kuò)散和累積

7、產(chǎn)生重要影響。研究不同季節(jié)、天氣條件下日變化山谷風(fēng)的特征和規(guī)律，以及環(huán)流對(duì)大氣可吸入顆粒物的影響和作用，具有重要科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。國(guó)際上對(duì)山谷風(fēng)的研究有很多，按研究對(duì)象可分為斜坡流（Slope Wind）、峽谷風(fēng)（Valley Wind）、橫跨山谷的風(fēng)（Cross-valley Wind）、山區(qū)-平原環(huán)流（Mountain-plain Circulation）和高原/盆地風(fēng)（plateau/Basin Wind）等。在斜坡流的研究中，科學(xué)家尋找一些相對(duì)簡(jiǎn)單的地形進(jìn)行觀測(cè)，并結(jié)合數(shù)值模式模擬進(jìn)行分析。但由于每個(gè)斜坡都有其獨(dú)特的特征（坡度、地表覆蓋、植被、朝向等），很難得到具有普遍適用性的結(jié)論。

8、因此，在研究過程中，都需要根據(jù)斜坡特征和實(shí)地情況來進(jìn)行具體觀測(cè)和分析。峽谷風(fēng)是指沿著山谷走向的氣流。這種沿山谷走向在白天和夜間方向相異的氣流，是由于谷地上方與同高度平原上方空氣存在氣壓梯度而形成，通常是閉合的環(huán)流。這方面的研究很多，如Hawkes 1947和 Whiteman 1986的研究。國(guó)外科學(xué)家還研究了斜坡風(fēng)和峽谷風(fēng)之間的關(guān)系、谷中逆溫層變化與斜坡風(fēng)和下谷風(fēng)關(guān)系、以及山谷中污染物的擴(kuò)散和輸送日變化。還有一種是橫跨山谷的風(fēng)，主要是山谷兩側(cè)不同朝向的坡地接收到的日照不同，因此而產(chǎn)生的橫跨山谷氣流。這樣的氣流會(huì)將谷底中央的污染物吹向山谷的某一側(cè)，甚至越過山脊邊緣（Bader & Wh

9、iteman 1989）。山區(qū)-平原環(huán)流與斜坡風(fēng)和峽谷風(fēng)相比尺度上更大。Reiter和Tang用850mb資料分析了美國(guó)中西部山區(qū)-平原之間環(huán)流。這些環(huán)流風(fēng)向不僅存在季節(jié)變化（所謂的“高原季風(fēng)”），而且也有日變化差異。更重要的意義在于，山區(qū)-平原之間環(huán)流不僅會(huì)帶來吹向山區(qū)的水汽，而且會(huì)造成污染物遠(yuǎn)距離輸送。高原/盆地風(fēng)系統(tǒng)則從高原或盆地的角度，研究上述幾種氣流以及它們之間的相互作用在高原或盆地形成的流場(chǎng)。比較有代表性關(guān)于高原風(fēng)的研究就是對(duì)墨西哥高原（Bossert 1997, Whiteman 2000）的研究，這其中包括研究地方風(fēng)系統(tǒng)如何影響墨西哥城的空氣污染。因?yàn)楦尤菀装l(fā)生空氣污染事件，

10、盆地風(fēng)系統(tǒng)、冷池以及對(duì)空氣污染影響也被學(xué)者廣泛關(guān)注和研究。北京地處太行山和燕山山脈交界，周邊地形地貌復(fù)雜多變。兩山相交形成的向東南方向展開的半圓形大山灣俗稱“北京灣”。北京市區(qū)就處于山灣環(huán)抱的平原，平原地區(qū)與山區(qū)海拔高差最大超過1800米。由于所處的特殊復(fù)雜地形以及隨之產(chǎn)生的山谷風(fēng)環(huán)流，不僅造成“北京灣”容易在本地污染排放和外來污染物輸送的共同影響下形成污染物的堆積，而且山谷風(fēng)環(huán)流可以導(dǎo)致污染物在“北京灣”內(nèi)往復(fù)輸送和累積。已有不少觀測(cè)資料分析、數(shù)值模擬的工作從不同角度討論和分析了北京地區(qū)日變化的山谷風(fēng)。這些工作大多基于對(duì)個(gè)例的觀測(cè)分析和模擬，缺乏用較長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析。李玉英對(duì)北京地區(qū)

11、的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為：在平穩(wěn)、小風(fēng)天氣形勢(shì)下，熱島環(huán)流和山谷環(huán)流會(huì)顯示出來。胡小明等分析了北京夏季和冬季風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，證實(shí)了夏季地面存在的日變化風(fēng)場(chǎng)，認(rèn)為而這種日變化風(fēng)場(chǎng)在冬季會(huì)不明顯。蔡旭暉用風(fēng)場(chǎng)診斷方法和觀測(cè)資料對(duì)北京低層大氣背景流動(dòng)情況進(jìn)行分析，也得到了類似的結(jié)果：秋冬多受強(qiáng)天氣系統(tǒng)影響,春夏更多表現(xiàn)出局地中尺度熱力環(huán)流特征。仲季芹用RAMS中尺度模式模擬了穩(wěn)定天氣條件下的邊界層環(huán)流，并討論了山谷風(fēng)環(huán)流和熱島環(huán)流之間的相互作用。劉樹華等用MM5模式模擬了京津冀地區(qū)不同季節(jié)溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)等邊界層特征量及其變化特征，并分析討論了該地區(qū)存在的山谷風(fēng)、海陸風(fēng)、熱島環(huán)流的耦合效應(yīng)。除上述研究外，

12、還有不少研究是從區(qū)域的角度來分析北京地區(qū)空氣污染與華北區(qū)域性流場(chǎng)輸送的關(guān)系。但在這些工作中，沒有對(duì)局地山谷風(fēng)環(huán)流對(duì)污染物的影響作用和機(jī)制進(jìn)行專門分析。蘇福慶等提出，太行山山前、燕山山前常年存在輸送匯。輸送匯及其擺動(dòng)常造成華北平原及北京地區(qū)區(qū)域大氣污染物匯聚，是形成重污染區(qū)的主要形式。在弱氣壓場(chǎng)或均壓場(chǎng)背景下，地方性山風(fēng)及山前串狀城市熱島群形成的熱動(dòng)力低壓環(huán)流，是輸送匯形成的主因。蘇福慶還對(duì)北京邊界層外來污染物輸送通道進(jìn)行了研究，指出：西南風(fēng)帶匯發(fā)生頻率占45%，東南風(fēng)帶匯占36%，東風(fēng)風(fēng)帶匯占19%。蔡旭暉對(duì)一次重污染過程個(gè)例用印痕方法進(jìn)行了分析，也揭示了北京西南方向的輸送通道。任陣海利用多臺(tái)

13、激光雷達(dá)對(duì)一次北京重污染過程進(jìn)行了觀測(cè)和分析，指出：除區(qū)域性大氣輸送匯對(duì)污染粒子分布產(chǎn)生影響外，地區(qū)尺度主導(dǎo)風(fēng)環(huán)境場(chǎng)中的靜風(fēng)匯和輸送匯的城市尺度擺動(dòng)時(shí)影響污染粒子濃度分布的重要原因。這種局地的流場(chǎng)正是山谷環(huán)流和熱島環(huán)流相互作用的體現(xiàn)。蔡旭暉等還用風(fēng)場(chǎng)診斷和隨機(jī)游走擴(kuò)散模擬的方法,分析北京城區(qū)污染物輸送擴(kuò)散作用對(duì)郊外清潔對(duì)照點(diǎn)(定陵站) 濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,從另一個(gè)側(cè)面說明了山谷風(fēng)可能的影響作用。2000年，北京出現(xiàn)了多次，大量，程度嚴(yán)重的沙塵活動(dòng)，北京的沙塵暴成為了婦幼皆知，街談巷議的熱點(diǎn)話題，甚至驚動(dòng)了黨中央，開始重拳治理，取得了一定的成效。隨著2008北京奧運(yùn)會(huì)的到來，環(huán)境治理工作愈發(fā)重要

14、，為了更進(jìn)一步提高北京的空氣質(zhì)量，北京市政府甚至提出了“單雙號(hào)限行”的政策限制機(jī)動(dòng)車的數(shù)量，但是從環(huán)保局的觀測(cè)數(shù)據(jù)上看，效果并沒有想象中的那么那么理想，依然出現(xiàn)了多次的重度污染過程。§1.北京地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流可與前面我提供的研究現(xiàn)狀合并大氣的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的，受到眾多的因素影響，但是大氣的運(yùn)動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)一些典型的周期事件，例如：以季節(jié)變換為周期的季風(fēng)風(fēng)系，對(duì)流層大氣環(huán)流的年際變化。在山谷地區(qū)，同樣也可以觀測(cè)到這樣周期性風(fēng)系特征，對(duì)局地的氣象條件產(chǎn)生影響，這種山地地區(qū)的以日為變化周期的周期性風(fēng)系就是山谷風(fēng)。§1.1 山谷風(fēng)的形成機(jī)理山谷風(fēng)的形成機(jī)理和海陸風(fēng)十分相似，都是由熱力效應(yīng)驅(qū)動(dòng)

15、的，如果山坡頂上空氣在初始條件下是平靜，無云的。白天，山頂吸收更多的太陽輻射熱量，因此，山頂?shù)目諝獗韧缓０蔚淖杂纱髿獾臏囟纫?。在較冷的自由大氣中的垂直氣壓梯度大于在山頂附近的較暖的空氣中的氣壓梯度。這意味著在給定山坡加熱影響高度上，氣壓變得高于遠(yuǎn)離山坡的點(diǎn)的氣壓。這種水平氣壓梯度力使空氣離開山坡流向氣壓更低的地方。山腳地區(qū)的空氣沿上坡上升補(bǔ)充，既是谷風(fēng)，谷地高空的空氣沿反方向流向谷地，叫反谷風(fēng)，并配合谷風(fēng)形成環(huán)流。 夜間，由于山坡上強(qiáng)烈的輻射冷卻，使山頂?shù)目諝庋杆倮鋮s，密度增大沿坡面下滑流入谷地，形成山風(fēng)，谷底的空氣因輻合而上升，并在谷地上空流動(dòng)成為反山風(fēng)，形成與白天完全相反的熱力環(huán)流。2

16、、 數(shù)據(jù)和資料本文的氣象數(shù)據(jù)來源于北京市116個(gè)各級(jí)自動(dòng)氣象站（AWS）2007年全年的逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，包括了風(fēng)速、風(fēng)向、降水量等因子，數(shù)據(jù)全部為2007年起試行的新型AWS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。在分析過程中，根據(jù)氣象站所處位置和等級(jí)選取以下站點(diǎn)作為上甸子（54421）基準(zhǔn)。上甸子大氣本底站隸屬于北京市氣象局，建立于1956年，是中國(guó)最早進(jìn)行大氣成分觀測(cè)的區(qū)域本底站，也是與世界氣象組織（WMO） 和相關(guān)國(guó)家進(jìn)行資料交換的全球站網(wǎng)站點(diǎn)之一，是全國(guó)三個(gè)區(qū)域大氣本底站之一.自正式開展氣象工作至今,該站一直擔(dān)負(fù)北京和華北地區(qū)氣 象觀測(cè)業(yè)務(wù)、氣象預(yù)報(bào)服務(wù)、農(nóng)業(yè)氣象基本站觀測(cè)和服務(wù)、大氣區(qū)域觀測(cè)等重要工作。中歐合作于

17、2006年10月在WMO/GAW北京上甸子區(qū)域本底站（也系科技部“北京上甸子大氣成分本底國(guó)家野外站”）建立了國(guó)內(nèi)首套鹵代溫室氣體現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)，是北京氣象數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)基準(zhǔn)站。另外選取輔助重點(diǎn)分析對(duì)象9個(gè)包括良鄉(xiāng)（A1314），天壇（A1016），香山（A1032），小湯山（A1041），昌平（54499），朝陽（54433），大興（54594），觀象臺(tái)（54511）以及懷柔（54419）。本文中用到的污染物濃度數(shù)據(jù)來自于北京市環(huán)保總局在北京建立的25個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站2003-2008年6年的逐日平均污染物濃度及API等級(jí)，用這些來反映北京市即時(shí)的污染狀況。3、 山谷風(fēng)環(huán)流的特征分析§

18、1.2 北京地區(qū)山谷風(fēng)的特點(diǎn)和研究的歷史背景 §1.2.1 北京的自然地理特征 北京市位于華北大平原上的西北，地處山地與平原的過渡地帶，全市的山地約占總面積62%，平原約占38%。山地分布北依軍都山，西靠太行山北尾，東北系燕山余支，東、南接冀北平原，成三面群山環(huán)抱之勢(shì)，形成一個(gè)背山面海的特殊地勢(shì)，俗稱“北京灣”。城區(qū)范圍地勢(shì)平坦，但其周圍郊區(qū)地形如上述的極為復(fù)雜，北面的燕山，西部毗鄰的太行山與市區(qū)產(chǎn)生較大高差影響較大。 § 北京的氣候氣象特征北京的氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)半干燥干旱季風(fēng)型大陸性氣候，主要具有以下特征：降水集中且降水強(qiáng)度大，主要集中在夏季，尤其以7、8月為主，降水

19、的情況也不均勻。風(fēng)向的日變化顯著，“北京灣”的特殊地形使山谷風(fēng)環(huán)流理論上存在，且平原（城區(qū)）地區(qū)應(yīng)為中午以及午后多為西南風(fēng)或者偏南風(fēng)，而在午夜轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。 § 北京的人文因子對(duì)氣象的影響北京作為中國(guó)的首都，政治、文化和國(guó)際交流中心，城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，城市面積不斷擴(kuò)大，人口激增，大量的自然植被被建筑物和公路代替，機(jī)動(dòng)車數(shù)目巨大。建筑以及瀝青路面改變了下墊面的條件，人類生產(chǎn)活動(dòng)和生活活動(dòng)提供了額外的熱源。這些也形成了“城市熱島效應(yīng)”，影響山谷風(fēng)的環(huán)流。由于建筑密集，有些高大建筑物之間還會(huì)有“狹管風(fēng)”；有些特殊建筑工地可能還會(huì)帶來小的渦流?？赡苡绊懽詣?dòng)氣象站的氣象數(shù)據(jù)。以2007的自動(dòng)氣象

20、站數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行研究。鑒于北京的復(fù)雜地形，很可能不同位置的山系對(duì)于山谷風(fēng)環(huán)流的作用不同，對(duì)把所有氣象站的數(shù)據(jù)放在一起分析過于復(fù)雜，結(jié)果的說明性也不好，為了使結(jié)果的代表性和可利用性，挑選出上甸子（54421號(hào)測(cè)站）的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。上甸子區(qū)域大氣本底站位于北京城區(qū)的東北方向，坐落在密云縣高嶺鎮(zhèn)的上甸子村，其東北側(cè)為山脈，根據(jù)這樣的地理形勢(shì)，我們可以預(yù)判出其山風(fēng)為東北向，谷風(fēng)為西南向 根據(jù)實(shí)際測(cè)站的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制風(fēng)玫瑰圖如下（圖1）(a) (b) (c)按我改的四季劃分重新繪圖 (d) (e)圖1：a為全年統(tǒng)計(jì)的風(fēng)玫瑰圖；b為夏季（6、7、8月）統(tǒng)計(jì)的風(fēng)玫瑰圖；c為冬季（12、1、2月）統(tǒng)計(jì)的

21、風(fēng)玫瑰圖；d為春季（3、4、5月）統(tǒng)計(jì)的風(fēng)玫瑰圖；e為秋季（9、10、11月）統(tǒng)計(jì)的風(fēng)玫瑰圖從圖1-a中，我們可以觀察到上甸子全年有兩個(gè)主導(dǎo)風(fēng)向，即西南風(fēng)和東北風(fēng)，這個(gè)和理論上山谷風(fēng)環(huán)流形成的主導(dǎo)風(fēng)向是相同的；圖1-b，1-c中分別為夏季、冬季的風(fēng)玫瑰圖，我們可以看到，夏季的主導(dǎo)風(fēng)向以西南風(fēng)為主，冬季主要以東北風(fēng)為主，盡管在夏冬兩級(jí)出現(xiàn)了季節(jié)的特異性現(xiàn)象，但是，風(fēng)的主要方向依然符合上甸子地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流的要求，而這種差異很可能與不同季節(jié)的主導(dǎo)系統(tǒng)的影響有關(guān)；圖1-d，1-e分別為春季秋季的風(fēng)玫瑰圖，春秋兩季是太陽輻射量開始變化，氣溫冷暖交替，天氣系統(tǒng)變化調(diào)整的重要時(shí)期，在這樣的大背景下，山谷風(fēng)依

22、然維持，使上甸子地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向分為兩支：西南、東北，與全年的風(fēng)玫瑰圖吻合。從對(duì)全年和不同季節(jié)的風(fēng)玫瑰圖的分析討論中可以看出，上甸子地區(qū)確實(shí)很大程度上受到了山谷風(fēng)環(huán)流的影響，且在基本地形約束下，分為西南風(fēng)、東北風(fēng)兩支，從山地構(gòu)成上分析，應(yīng)該為中午午后刮西南風(fēng)，在午夜轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。而在夏冬兩季，受到不同的大尺度天氣主導(dǎo)系統(tǒng)的影響，其中一個(gè)分支得到加強(qiáng)，而另一支相對(duì)減弱，形成季節(jié)性特點(diǎn)。以上數(shù)據(jù)盡管只是上甸子一個(gè)站點(diǎn)的，但是可以很大程度的反映出北京這一地區(qū)的山谷風(fēng)環(huán)流的特點(diǎn)。對(duì)其他站點(diǎn)用同樣的方法處理分析其結(jié)果也類似。當(dāng)然部分站點(diǎn)的數(shù)據(jù)中會(huì)有其自身的特點(diǎn)，如有一些數(shù)據(jù)中可以判斷出包含了城市熱島環(huán)流的作

23、用，對(duì)于這個(gè)問題中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院大氣所的楊禮榮、陳義珍等已經(jīng)做了比較詳盡的工作，發(fā)現(xiàn)白天，熱島環(huán)流對(duì)于上坡風(fēng)起抑制作用，而傍晚熱島環(huán)流對(duì)下坡風(fēng)起協(xié)同作用，這就使得個(gè)別站白天的風(fēng)向較弱或者與山谷風(fēng)方向相反，而午夜時(shí)較強(qiáng)。對(duì)于整體，北京地區(qū)站點(diǎn)的山谷風(fēng)環(huán)流比較明顯，以下面圖2風(fēng)場(chǎng)圖為例，在白天午后14時(shí)，北京的大部分測(cè)站刮得是上坡風(fēng)， 并且，位于西北部的山區(qū)的山谷風(fēng)效應(yīng)強(qiáng)烈，而東北部的相對(duì)較弱。而在次日的午夜1時(shí)，風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)變，變?yōu)橄缕嘛L(fēng)，并且部分位于山腳下的測(cè)站，風(fēng)速極大，這個(gè)現(xiàn)象很常見，普遍認(rèn)為與低空急流有關(guān)。當(dāng)然，也會(huì)有一些特例存在，在處理數(shù)據(jù)的過程中也看到了全天同一風(fēng)向，沒有山谷風(fēng)環(huán)流性

24、出現(xiàn)的情況，一般來說，出現(xiàn)在春初秋末以及冬季（從10月底到次年2月初）。這些過程一般為全天的偏北氣流，風(fēng)速也普遍較大，平均可以達(dá)到8m/s以上。通過觀察微波輻射計(jì)的氣壓變化數(shù)據(jù)和氣溫變化數(shù)據(jù)，可以看到強(qiáng)烈的變溫變壓，一般認(rèn)為，這些過程是由于大尺度系統(tǒng)侵襲（寒潮，冷鋒過境）導(dǎo)致山谷風(fēng)，熱島環(huán)流這種中尺度天氣系統(tǒng)的影響消失。這些過程暫不歸于討論范圍，但是同樣提醒我們?cè)谶M(jìn)行分析處理時(shí)，應(yīng)對(duì)于最大風(fēng)速進(jìn)行約束，選擇代表性過程。(a) (b)圖2：a為某日午后14時(shí)北京地區(qū)風(fēng)場(chǎng)圖；b為次日午夜1時(shí)北京地區(qū)風(fēng)場(chǎng)圖4、 可吸入顆粒物的累積和消散過程研究數(shù)據(jù)表明，北京大氣污染的主要污染物有可吸入顆粒物PM10

25、、PM2.5、CO2、CO、NOX、SO2、O3等，首要污染物是可吸入顆粒物。大氣質(zhì)量可達(dá)到五級(jí)的嚴(yán)重的污染日一周之內(nèi)出現(xiàn)了兩次。以可吸入顆粒物的濃度作為衡量北京環(huán)境污染程度的指標(biāo)進(jìn)行研究，依然以上甸子基準(zhǔn)站為代表，畫出該地區(qū)可吸入顆粒物濃度隨時(shí)間的變化曲線，如下圖3： (b)圖3：2007年5月份上墊子可吸入顆粒物濃度曲線可以看出，污染物的濃度曲線都呈現(xiàn)了準(zhǔn)周期震蕩的特征，組成一個(gè)個(gè)以數(shù)天為周期的獨(dú)立的污染過程，或者說，實(shí)際上污染實(shí)際上是從一個(gè)低值時(shí)刻開始，經(jīng)過一段時(shí)間的積累達(dá)到一個(gè)很高的水平，然后再由于某種沉降作用：系統(tǒng)過境的稀釋，對(duì)流行天氣的湍流干沉降或者降水過程的濕沉降再次回到一個(gè)較低

26、的水平。而這樣的過程，到底是怎樣的原因造成呢？會(huì)不會(huì)有一個(gè)外部源以一定的周期，向北京輸送污染污染物？為解決這一問題，我們對(duì)北京環(huán)保局架設(shè)的各個(gè)污染物監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了月平均，得到了污染物月平均值的分布場(chǎng)，仍然對(duì)應(yīng)觀察5月份情況。如圖4 (a)(b)圖4：a為北京地區(qū)5月份月平均可吸入顆粒物濃度場(chǎng); b為北京地區(qū)12月份月平均可吸入顆粒物濃度場(chǎng)圖4-a中，五角星為天安門位置，藍(lán)色折線從里到外依次為北京的二環(huán)路到五環(huán)路。我們可以看到北京的污染物高值區(qū)集中在北京的主要環(huán)線，而在東南，西南兩側(cè)有輻射狀的高值區(qū)，對(duì)應(yīng)地圖發(fā)現(xiàn)分別為京津塘高速公路和京石高速公路（北京-石家莊高速公路）。這說明，北京的空氣污

27、染主要并非是外部源的輸送，相反，北京自身就是一個(gè)污染源，以主要的交通環(huán)線為排放的核心，這也就間接地說明了車輛的尾氣排放是北京大氣污染的主要貢獻(xiàn)因子，因此，北京市政府提供的現(xiàn)行方案也就不無道理。在其他幾個(gè)月（2、3、4、6、7、8、9月）的圖中，污染物的濃度場(chǎng)分布基本相同。而從圖4-b中觀察到，污染物的高值區(qū)不再集中在環(huán)線附近，而是從東北方，西南方兩個(gè)角輸送進(jìn)北京，即有了外部源的輸送，但是量值比較小，加之冬季由于大尺度影響，風(fēng)速大，因此整體的污染水平比較低。因此，北京的主要污染依然是自身的車輛排放使污染物累積形成的污染。在10、11月的濃度分布圖中同樣觀察到相似的分布狀態(tài)。5、 山谷風(fēng)環(huán)流與可吸

28、入顆粒物污染的關(guān)系探討 既然可以把污染看成一個(gè)一個(gè)的小過程的組合，我們不妨拿出一個(gè)典型的過程進(jìn)行討論，考慮到冬季受到大尺度天氣系統(tǒng)的影響，應(yīng)盡量選取夏季的過程進(jìn)行討論。利用北京市環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)檢索到在2007年6月6日到6月9日出現(xiàn)了一次嚴(yán)重的污染過程。從上面圖3中也可看出，6號(hào)之前，污染物濃度是很低的，但是，六號(hào)開始，逐漸上升，最終污染物濃度幾乎達(dá)到300。選取這一過程進(jìn)行分析，繪制風(fēng)速風(fēng)向圖。從站點(diǎn)上，進(jìn)行了站點(diǎn)周邊環(huán)境的勘察，對(duì)于有些選址不合適（如周邊有高大建筑物，或有可能存在污染源）的點(diǎn)進(jìn)行了剔除，再把站點(diǎn)分為兩組，平原，山地，對(duì)比分析。下面例舉了上甸子，昌平，良鄉(xiāng)，香山四個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)

29、向圖，其中，上甸子和香山作為山地組的代表，昌平和懷柔作為平原組的代表。除去上甸子，其他三個(gè)站點(diǎn)的地理信息如下：昌平區(qū)位于北京市西北郊，其西北部為太行山脈，南與朝陽、海淀區(qū)等城區(qū)地區(qū)毗鄰。香山位于北京郊區(qū)西山東麓，距離市區(qū)25公里，山勢(shì)比較陡峭。而相對(duì)來說，香山和良鄉(xiāng)環(huán)境更近似城市，昌平上甸子更近乎郊區(qū)，因此，挑選這四個(gè)站點(diǎn)是具有代表性的。(a) (b) (c) (d)圖5：07年6月6日9日風(fēng)速風(fēng)向圖：a為上甸子 b為昌平 c為懷柔 d為香山 從上面圖中可以看出四個(gè)站點(diǎn)情況看到明顯的日變化周期性的循環(huán)，且突變點(diǎn)都在中午前后。作為郊區(qū)-山區(qū)代表，位于北京東北部山區(qū)的上甸子，不論是風(fēng)向還是風(fēng)速，都

30、呈現(xiàn)出日變化，午夜到清晨刮東北風(fēng)，風(fēng)速較小，在12m/s左右；中午到傍晚刮西南風(fēng)，風(fēng)速較大，約為57m/s ，這樣的變化是相當(dāng)理想的山谷風(fēng)環(huán)流了，作為郊區(qū)-平原的代表，昌平日變化也不錯(cuò)，山地在其西北部，圖中風(fēng)向?yàn)槲缫沟角宄抗挝鞅憋L(fēng)，即山風(fēng)、下坡風(fēng)，中午到傍晚刮谷風(fēng)、上坡風(fēng)，也和山谷風(fēng)環(huán)流的要求十分吻合，而風(fēng)速上也呈現(xiàn)出與上甸子相似的特點(diǎn)，只是不是那么明顯，刮山風(fēng)時(shí)風(fēng)速較小，約1-2m/s，刮谷風(fēng)時(shí)，風(fēng)速略大，約3-4m/s。香山站代表了山地-城區(qū)，風(fēng)向日變化明顯，風(fēng)速普遍偏小，盡管依然看出谷風(fēng)比山風(fēng)平均要大，但是風(fēng)速波動(dòng)性與紊亂性增強(qiáng)。香山位于北京西側(cè)略偏北，圖中，午夜到臨晨刮的是西北風(fēng)，山風(fēng)

31、，風(fēng)速普遍低于1m/s，日出到傍晚刮的是東南風(fēng)，谷風(fēng)，風(fēng)速可以達(dá)到2-3m/s。最后看城區(qū)-平原的代表，良鄉(xiāng)。良鄉(xiāng)近些年的開發(fā)程度越來越高，發(fā)展迅猛。從圖中我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)站的變化規(guī)律是最弱的。西北部是太行山脈的良鄉(xiāng)，午夜到臨晨大約50%刮山風(fēng)，即6號(hào)，8號(hào)。在9號(hào)1-3時(shí)，7號(hào)的這段時(shí)間都在刮東北風(fēng)。從日出到傍晚，6號(hào)，8號(hào)刮的是東南風(fēng)，7號(hào)9號(hào)刮的是東南風(fēng)和西南風(fēng)。就是說考慮太行山系的影響，只有6號(hào)與8號(hào)的數(shù)據(jù)體現(xiàn)出了山谷風(fēng)環(huán)流，那么，7號(hào)，9號(hào)是怎樣的環(huán)流？重新分析了北京的地理狀況，我認(rèn)為，良鄉(xiāng)處于平原城區(qū)，并不是離某一個(gè)山系特別的近，因此可能受到多山系的影響。即太行山系、軍都山以及燕山山系

32、。6號(hào)、8號(hào)太行山系產(chǎn)生的山谷風(fēng)環(huán)流影響較為明顯而7號(hào)9號(hào)受軍都山，燕山山系影響較大，因此，在這4天體現(xiàn)了不同的環(huán)流特征。至于，這三個(gè)環(huán)流系統(tǒng)的權(quán)重到底由什么決定，依然有待研究。同時(shí)，從風(fēng)速上看，良鄉(xiāng)地區(qū)的風(fēng)速脈動(dòng)很大，沒有明顯的日變化特征，或者說出現(xiàn)了跨日的風(fēng)速變化周期。初步分析認(rèn)為這是由于城區(qū)受到了人類活動(dòng)的很多干擾，外部條件對(duì)風(fēng)速的影響大，同時(shí)城市熱島效應(yīng)可能對(duì)風(fēng)速起到非線性的作用，最終導(dǎo)致風(fēng)速的特點(diǎn)混亂的結(jié)果。綜上所述：6月的6號(hào)到9號(hào)四天，北京有比較穩(wěn)定的山谷風(fēng)環(huán)流，處于郊區(qū)的站點(diǎn)的風(fēng)速較大，城區(qū)的普遍較小，山區(qū)平原都出現(xiàn)了明顯的風(fēng)向日變化，盡管城區(qū)個(gè)別站影響復(fù)雜，但總體上，山谷風(fēng)環(huán)

33、流的形態(tài)明顯。而在這四天內(nèi)，北京的污染指數(shù)步步攀升，形成一個(gè)重度的污染過程。因此，我認(rèn)為實(shí)際上是，污染物在日出到傍晚，借助谷風(fēng)的作用從城區(qū)被運(yùn)送到山地，而在午夜到臨晨，又從山區(qū)被運(yùn)送回到城區(qū)，沒有沉降和平流擴(kuò)散輸送掉，而是在北京地區(qū)周而復(fù)始的循環(huán)累積最終達(dá)到很高的污染水平。而10號(hào)后的污染物濃度下降到很低，觀察微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)，如圖六圖6：6月10號(hào)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)圖不建議用微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)看地面氣壓、氣溫?？紤]AWS觀測(cè)。微波輻射計(jì)主要用作大氣層結(jié)狀況分析 我們觀察10號(hào)的氣溫氣壓會(huì)發(fā)現(xiàn)氣壓迅速下降，氣溫迅速上升。由于溫度的上升，適度相對(duì)迅速變小，這些體現(xiàn)出，應(yīng)該有一個(gè)暖平流或暖鋒經(jīng)過北京地區(qū)，

34、這種平流的輸送作用終于使得積累了4天之久的污染物被運(yùn)送出去，是污染濃度回到到一個(gè)低值。6、 結(jié)論 從上面的分析中我們可以總結(jié)出如下的結(jié)論：北京地區(qū)受到當(dāng)?shù)氐匦蔚挠绊懹斜容^典型的山谷風(fēng)環(huán)流，這會(huì)為污染物積累提供條件，使污染物不能被輸送走，而是累積在本地。因此，每一次重度的污染都可能不是由于瞬時(shí)的大量源排放，而是一個(gè)幾天的累積循環(huán)的結(jié)果。北京地區(qū)的污染除了冬季少量是由外部源輸送造成，其余大部分是自身的排放作用引起，而山谷風(fēng)環(huán)流這種中尺度的協(xié)同促使污染的爆發(fā)。因此，特別提出以下建議：（1） 繼續(xù)加強(qiáng)車輛減排的政策，鼓勵(lì)市民乘坐公共交通工具，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行限行，幫助減少北京本地的污染源排放量。（2） 在減

35、少源排放的同時(shí)，人性化的關(guān)注氣象要素的狀況，進(jìn)行星期內(nèi)的污染氣象預(yù)報(bào)，并根據(jù)污染預(yù)報(bào)的結(jié)果制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，在大氣形勢(shì)穩(wěn)定，容易形成逆溫，容易出現(xiàn)典型山谷風(fēng)環(huán)流的日子適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)交通限行，而在即將出現(xiàn)降雨或有大尺度系統(tǒng)即將過境的日子，相對(duì)放放寬政策。參考文獻(xiàn)【1】 Bader, D. C., and C. D. Whiteman, 1989: Numerical simulation of cross-during the morning transition period. J. Appl. Meteor., 28, 652-664.【2】 Banta, R. M.: 1984, Dayti

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