北京地区山谷风环流对大气污染的影响分析

北京地区山谷风环流对大气污染的影响分析

陈洪灏

（1）

李炬

（2）

（1）南京大学大气科学系

（2） 中国气象局北京城市气象研究所 （北京，100089）

摘要：

关键词： 北京地区；山谷风环流；空气污染

1、 前言

大气中可吸入颗粒物一般而言是指空气动力学直径小于或等于10μm 的悬浮颗粒物（PM10）。其中，空气动力学直径小于或等于2.5μm 的细粒子PM2.5，因易于富集空气中有毒重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等,对人体健康的危害远比空气动力学直径在2.5μm～10μm之间的粒子大。有研究表明，可吸入颗粒物在大气中停留时间长达7～30天，输送距离可以超过到几百公里。国内外大量流行病学和毒理学研究所证实可吸入颗粒物对人类呼吸系统、心肺功能等的危害性。尤其是对于老人、儿童和已患心肺病者等敏感人群，具有较大风险。不仅如此，空气中的颗粒物还降低了能见度，在酸沉降、气候强迫、大气化学成分循环等方面具有重要作用，对城市天气和气候也有重要影响。

首都北京，是我国的政治经济文化中心，也是一个人口超过千万人的超大城市。约50%人口分布在占全市面积不足7%的市区内,市区人口稠密,燃料消耗量大。近年来，随烟气及汽车尾气排放的PM10每年超过5 万吨,另外城市建筑、市政等大量工程施工,物料堆放,地面裸露等产生的扬尘也是PM10 的主要来源。市区每年无组织排放PM10总量大于9万吨。不仅如此,由于地处华北平原,冬春季干冷多风,北京PM10区域背景浓度很高。据北京市环保局公布的2004～2006年空气质量公报结果，北京市区内PM10年平均浓度依次为151、144、162μg·m-3，超过国家二级标准44～62%以上，空气质量超标日中，首要污染物PM10的天数分别多达96%、98%和99%。控制可吸入颗粒物污染是北京市目前乃至今后相当长一段时间内大气污染防治工作重点。机动车排放污染物已经成为城市空气污染的主要来源之一,相关研究已成为国内外许多科学家关注热点。Cantanho对巴西圣保罗的PM10源强分布作了研究, 得到结论为PM10的重要来源是汽车尾气。L.Y.Chan等研究指出,机动车排放污染逐渐成为发达城市大气污染的主要源。在广州、珠海等地做了一系列的交通大气污染观测试验研究结果表明, PM10浓度主要来自不同交通工具的污染排放。而且与这些污染物有关的疾病发生率在总疾病发生率中占很大比重。随着城市化进程的加快，我国机动车保有量迅速增长和,城市大气污染类型正在由煤烟型向混合型和机动车污染型转化。北京机动车保有量从2003年200万辆，到2008年已突破350万辆。机动车尾气的直接排放、以及排放物二次转化形成的颗粒物已占到整个颗粒物排放相当的比例。王英利用北京市8 个国控点污染物浓度数据,分析了北京各区域大气污染分布与季节变化特征,发现机动车排放污染最明显的季节与大气污染最严重的季节明显重合,说明机动车排放对北京市大气污染贡献的重要程度。许艳

玲用中尺度气象模式ARPS与空气质量模式CMAQ对北京空气污染进行了数值模拟，结果表明交通扬尘对北京市大气PM10影响显著。陈建华等对北京市交通路口大气颗粒物与交通流量的关系进行了研究，也印证了汽车尾气对大气颗粒物的显著贡献。

气象条件可以对可吸入颗粒物浓度空间分布、二次污染物的形成和转化等产生重要影响。背景环流、局地中小尺度环流以及边界层结构、降水过程等，影响了大气污染物的输送、扩散、二次转化过程以及干湿沉降，进而影响污染物浓度和空间分布。污染过程的形成总是伴随着特定的天气条件而产生，其终结往往也是由于降水、大风等天气的出现而结束。有关北京地区气象条件和污染物关系的工作比较多，比较有代表性的有：孟燕军等对有利于和不利于污染物扩散的天气类型进行了研究。王淑英等根据两年多的污染物资料和和气象要素观测资料，分析了PM10大于等于4 级污染日年、季及随不同天气类型的变化特征,归纳了不同天气类型PM10大于等于4 级污染日的气象条件。苏福庆分析了2000 —2001 年采暖期重污染天气型演变、垂直温湿层结结构及区域污染特征，分析结果表明：华北平原区域性同步污染现象受制于高空持续稳定的西风及低空各类稳定的天气型配置。

北京地形复杂，城市位于容易造成污染物堆积的“北京湾”。具有日变化特征的中尺度山谷风环流，会对污染物输送、扩散和累积产生重要影响。研究不同季节、天气条件下日变化山谷风的特征和规律，以及环流对大气可吸入颗粒物的影响和作用，具有重要科学价值和应用前景。国际上对山谷风的研究有很多，按研究对象可分为斜坡流（Slope Wind）、峡谷风（Valley Wind）、横跨山谷的风（Cross-valley Wind）、山区-平原环流（Mountain-plain Circulation）和高原/盆地风（plateau/Basin Wind）等。在斜坡流的研究中，科学家寻找一些相对简单的地形进行观测，并结合数值模式模拟进行分析。但由于每个斜坡都有其独特的特征（坡度、地表覆盖、植被、朝向等），很难得到具有普遍适用性的结论。因此，在研究过程中，都需要根据斜坡特征和实地情况来进行具体观测和分析。峡谷风是指沿着山谷走向的气流。这种沿山谷走向在白天和夜间方向相异的气流，是由于谷地上方与同高度平原上方空气存在气压梯度而形成，通常是闭合的环流。这方面的研究很多，如Hawkes 1947和 Whiteman 1986的研究。国外科学家还研究了斜坡风和峡谷风之间的关系、谷中逆温层变化与斜坡风和下谷风关系、以及山谷中污染物的扩散和输送日变化。还有一种是横跨山谷的风，主要是山谷两侧不同朝向的坡地接收到的日照不同，因此而产生的横跨山谷气流。这样的气流会将谷底中央的污染物吹向山谷的某一侧，甚至越过山脊边缘（Bader & Whiteman 1989）。山区-平原环流与斜坡风和峡谷风相比尺度上更大。Reiter和Tang用850mb资料分析了美国中西部山区-平原之间环流。这些环流风向不仅存在季节变化（所谓的“高原季风”），而且也有日变化差异。更重要的意义在于，山区-平原之间环流不仅会带来吹向山区的水汽，而且会造成污染物远距离输送。高原/盆地风系统则从高原或盆地的角度，研究上述几种气流以及它们之间的相互作用在高原或盆地形成的流场。比较有代表性关于高原风的研究就是对墨西哥高原（Bossert 1997, Whiteman 2000）的研究，这其中包括研究地方风系统如何影响墨西哥城的空气污染。因为更加容易发生空气污染事件，盆地风系统、冷池以及对空气污染影响也被学者广泛关注和研究。

北京地处太行山和燕山山脉交界，周边地形地貌复杂多变。两山相交形成的向东南方向展开的半圆形大山湾俗称“北京湾”。北京市区就处于山湾环抱的平原，平原地区与山区海拔高差最大超过1800米。由于所处的特殊复杂地形以及随之产生的山谷风环流，不仅造成“北京湾”容易在本地污染排放和外来污染物输送的共同影响下形成污染物的堆积，而且山

谷风环流可以导致污染物在“北京湾”内往复输送和累积。已有不少观测资料分析、数值模拟的工作从不同角度讨论和分析了北京地区日变化的山谷风。这些工作大多基于对个例的观测分析和模拟，缺乏用较长时间观测资料的统计分析。李玉英对北京地区的流场进行了分析，认为：在平稳、小风天气形势下，热岛环流和山谷环流会显示出来。胡小明等分析了北京夏季和冬季风场和温度场，证实了夏季地面存在的日变化风场，认为而这种日变化风场在冬季会不明显。蔡旭晖用风场诊断方法和观测资料对北京低层大气背景流动情况进行分析，也得到了类似的结果：秋冬多受强天气系统影响,春夏更多表现出局地中尺度热力环流特征。仲季芹用RAMS中尺度模式模拟了稳定天气条件下的边界层环流，并讨论了山谷风环流和热岛环流之间的相互作用。刘树华等用MM5模式模拟了京津冀地区不同季节温度场和风速场等边界层特征量及其变化特征，并分析讨论了该地区存在的山谷风、海陆风、热岛环流的耦合效应。

除上述研究外，还有不少研究是从区域的角度来分析北京地区空气污染与华北区域性流场输送的关系。但在这些工作中，没有对局地山谷风环流对污染物的影响作用和机制进行专门分析。苏福庆等提出，太行山山前、燕山山前常年存在输送汇。输送汇及其摆动常造成华北平原及北京地区区域大气污染物汇聚，是形成重污染区的主要形式。在弱气压场或均压场背景下，地方性山风及山前串状城市热岛群形成的热动力低压环流，是输送汇形成的主因。苏福庆还对北京边界层外来污染物输送通道进行了研究，指出：西南风带汇发生频率占45%，东南风带汇占36%，东风风带汇占19%。蔡旭晖对一次重污染过程个例用印痕方法进行了分析，也揭示了北京西南方向的输送通道。任阵海利用多台激光雷达对一次北京重污染过程进行了观测和分析，指出：除区域性大气输送汇对污染粒子分布产生影响外，地区尺度主导风环境场中的静风汇和输送汇的城市尺度摆动时影响污染粒子浓度分布的重要原因。这种局地的流场正是山谷环流和热岛环流相互作用的体现。蔡旭晖等还用风场诊断和随机游走扩散模拟的方法,分析北京城区污染物输送扩散作用对郊外清洁对照点(定陵站) 浓度监测结果的影响,从另一个侧面说明了山谷风可能的影响作用。

2000年，北京出现了多次，大量，程度严重的沙尘活动，北京的沙尘暴成为了妇幼皆知，街谈巷议的热点话题，甚至惊动了党中央，开始重拳治理，取得了一定的成效。随着2008北京奥运会的到来，环境治理工作愈发重要，为了更进一步提高北京的空气质量，北京市政府甚至提出了“单双号限行”的政策限制机动车的数量，但是从环保局的观测数据上看，效果并没有想象中的那么那么理想，依然出现了多次的重度污染过程。

§1.北京地区山谷风环流

大气的运动是复杂的，受到众多的因素影响，但是大气的运动也会出现一些典型的周期事件，例如：以季节变换为周期的季风风系，对流层大气环流的年际变化。在山谷地区，同样也可以观测到这样周期性风系特征，对局地的气象条件产生影响，这种山地地区的以日为变化周期的周期性风系就是山谷风。

§1.1 山谷风的形成机理

山谷风的形成机理和海陆风十分相似，都是由热力效应驱动的，如果山坡顶上空气在初

始条件下是平静，无云的。白天，山顶吸收更多的太阳辐射热量，因此，山顶的空气比同一海拔的自由大气的温度要高。在较冷的自由大气中的垂直气压梯度大于在山顶附近的较暖的

空气中的气压梯度。这意味着在给定山坡加热影响高度上，气压变得高于远离山坡的点的气压。这种水平气压梯度力使空气离开山坡流向气压更低的地方。山脚地区的空气沿上坡上升补充，既是谷风，谷地高空的空气沿反方向流向谷地，叫反谷风，并配合谷风形成环流。 夜间，由于山坡上强烈的辐射冷却，使山顶的空气迅速冷却，密度增大沿坡面下滑流入谷地，形成山风，谷底的空气因辐合而上升，并在谷地上空流动成为反山风，形成与白天完全相反的热力环流。

2、

数据和资料

本文的气象数据来源于北京市116个各级自动气象站（AWS）2007年全年的逐小时气象数据，包括了风速、风向、降水量等因子，数据全部为2007年起试行的新型AWS数据标准。在分析过程中，根据气象站所处位置和等级选取以下站点作为上甸子（54421）基准。上甸子大气本底站隶属于北京市气象局，建立于1956年，是中国最早进行大气成分观测的区域本底站，也是与世界气象组织（WMO） 和相关国家进行资料交换的全球站网站点之一，是全国三个区域大气本底站之一.自正式开展气象工作至今,该站一直担负北京和华北地区气 象观测业务、气象预报服务、农业气象基本站观测和服务、大气区域观测等重要工作。中欧合作于2006年10月在WMO/GAW北京上甸子区域本底站（也系科技部“北京上甸子大气成分本底国家野外站”）建立了国内首套卤代温室气体现场连续观测系统，是北京气象数据与环境数据基准站。另外选取辅助重点分析对象9个包括良乡（A1314），天坛（A1016），香山（A1032），小汤山（A1041），昌平（54499），朝阳（54433），大兴（54594），观象台（54511）以及怀柔（54419）。

本文中用到的污染物浓度数据来自于北京市环保总局在北京建立的25个环境监测站2003-2008年6年的逐日平均污染物浓度及API等级，用这些来反映北京市即时的污染状况。 3、

山谷风环流的特征分析

§1.2 北京地区山谷风的特点和研究的历史背景 §1.2.1 北京的自然地理特征

北京市位于华北大平原上的西北，地处山地与平原的过渡地带，全市的山地约占总面积62%，平原约占38%。山地分布北依军都山，西靠太行山北尾，东北系燕山余支，东、南接冀北平原，成三面群山环抱之势，形成一个背山面海的特殊地势，俗称“北京湾”。城区范围地势平坦，但其周围郊区地形如上述的极为复杂，北面的燕山，西部毗邻的太行山与市区产生较大高差影响较大。

§1.2.2 北京的气候气象特征

北京的气候属于暖温带半湿润半干燥干旱季风型大陆性气候，主要具有以下特征：降水集中且降水强度大，主要集中在夏季，尤其以7、8月为主，降水的情况也不均匀。风向的日变化显著，“北京湾”的特殊地形使山谷风环流理论上存在，且平原（城区）地区应为中午以及午后多为西南风或者偏南风，而在午夜转为偏北风。

§1.2.3 北京的人文因子对气象的影响

北京作为中国的首都，政治、文化和国际交流中心，城市建设突飞猛进，城市面积不断扩大，人口激增，大量的自然植被被建筑物和公路代替，机动车数目巨大。建筑以及沥青路面改变了下垫面的条件，人类生产活动和生活活动提供了额外的热源。这些也形成了“城市热岛效应”，影响山谷风的环流。

由于建筑密集，有些高大建筑物之间还会有“狭管风”；有些特殊建筑工地可能还会带来小的涡流。可能影响自动气象站的气象数据。

以2007的自动气象站数据为代表进行研究。鉴于北京的复杂地形，很可能不同位置的