我國城市大氣邊界層與大氣污染的若干研究
張慶陽 張沅
一、序言
大氣邊界層是直接受地表影響最強烈的垂直氣層，它占有整個空氣質(zhì)量的十分之一，其厚度隨天氣條件、地表特征而變，一般在1~2000米。在大氣邊界層里，氣流受地面磨擦力和下墊面地形、地物的影響，并受這一層里的動量、熱量、水汽和其它物質(zhì)的輸送及通量的支配。
大氣邊界層與人類活動的關(guān)系最密切、最直接，大氣污染物的散布與其密切相關(guān)，大氣污染問題也主要發(fā)生在這一層。
城區(qū)對于周圍的鄉(xiāng)村而言，形成了一個獨特的下墊面，從而使其上方的邊界層特性與周圍鄉(xiāng)村不同，形成特殊的城市邊界層。
近幾十年來，由于城市大氣污染日益嚴重和人類活動對天氣、氣候的影響有關(guān)，人們愈加關(guān)注城市對環(huán)境和天氣、氣候的影響，從而推動了城市大氣邊界層的研究。城市大氣邊界層的研究不僅具有重要的理論意義，也是邊界層氣象學的重要課題之一，具有很高實用價值，如城市氣候的研究、城市規(guī)劃和工業(yè)布局、環(huán)境保護等應用問題都必須以此做為理論基礎?，F(xiàn)將我國城市大氣邊界層與大氣污染若干研究綜述如下。
二、邊界層氣象條件及其對大氣污染的影響
城市大氣污染主要受兩方面因素的制約，一是工業(yè)污染源的排放量及排放特性；二是邊界層污染氣象條件。早在50年代初薩頓等人就已指出風向決定了污染物的主要輸送方向，而風速則在很大程度上代表著大氣水平輸送能力的強弱，二者對污染濃度分布有重要影響。據(jù)此，結(jié)合不同方位風向頻率和平均風速提出了污染系數(shù)概念，并在大氣環(huán)境影響評價中得到了較廣泛的應用。但國外污染氣象條件的分析研究工作主要著重于中高緯地區(qū)，1986年我國向可宗等（3）對廣東省一些主要城市大氣污染氣象條件進行分析，研究了低緯大氣污染的一些問題。
1、 城市污染系數(shù)與長期平均污染濃度分布的關(guān)系
風向即表示污染物的輸送方向，不同方位的風頻或風玫瑰圖對于一個地方平均污染分面狀況有很大影響，尤其是強污染源區(qū)之主導風向下風方，是污染物的主要輸送通道，容易形成較嚴重的污染。故一般考慮城市布局應對此格外注意。許多研究還表明風速對平均污染強度有重要的影響，于是規(guī)定污染系數(shù)為：
（1）
Pi即定義的污染系數(shù)；¦i為某方位風頻，ūi 為該方位平均風速。近年來對污染系數(shù)雖有些新定義，但（1）式仍在廣泛應用。如果對（求落地濃度的）高斯煙羽模式：
就橫風方向即y方向積分，并假定下風向扇形區(qū)以外的濃度為零；再除以弧線長度2px/n（x為下風距離，n為一周所劃分的扇形數(shù)），可以得到風向較穩(wěn)定情況下，下風方扇形區(qū)平均濃度
如果求長期平均狀況，風向并不總保持在某一方位，則某一方位下風方扇形區(qū)平均污染濃度還需乘以該方位的風頻¦i，即：
或
圖1 a.汕頭污染系數(shù)（實線）和1982年SO2年平均濃度分布（虛線）（mg/m3）圖
b.韶關(guān)污染系數(shù)（實線）和1982年NOx年平均濃度分布（虛線）（mg/m3）圖
圖1分別給出了汕頭、韶關(guān)兩市污染系數(shù)分布和實測的SO2或NOx平均濃度分布。從圖1可以看出二者有很好的對應關(guān)系，例如：汕頭最大污染系數(shù)區(qū)出現(xiàn)在偏東北（NNE~ENE）方位的下風方即西南象限，而SO2年平均高值濃度區(qū)也出現(xiàn)在城市西南區(qū)小公園附近；SO2污染年平均最大值為0.11mg/m3 。又如韶關(guān)最大和次大污染系數(shù)分別出現(xiàn)在北和西北方位的下風方，即在偏南及東南象限，而其NOx年平均污染濃度也以偏南和東南區(qū)最高。其它城市如：廣州、深圳等城市，也有類似對應關(guān)系。
這表明在廣東省估算長期平均污染濃度時，污染系數(shù)是一項不可忽視的重要因素。在上述研究中未分析靜風的影響，如要計算某一地點的平均濃度則還須考慮到靜風的影響。
2、與大氣擴散直接有關(guān)的一些氣象條件
（1）風向脈動方差對大氣污染的影響
圖2是廣州不同季節(jié)不同時刻風向脈動方差（實線）及相應的SO2平均濃度變化曲線（虛線）及廣州荔灣區(qū)SO2 平均濃度（點劃線），從中可以看出二者有明顯的反相關(guān)，即脈動方差愈大，污染濃度愈小，而且從時間演變來看，風向脈動方差和穩(wěn)定度變化也大體上相對應。夜至清晨隨著近地面的輻射降溫，穩(wěn)定度增大，風向脈動方差變小，此時段污染濃度一般較高，如廣州5~8時風向脈動方差（82~83年）平均僅8.9º，而早上8時平均SO2濃度則為0.15 mg/m3，是全天污染較嚴重的時段；其中荔灣區(qū)8時SO2平均污染濃度達到了0.22 mg/m3。到午后14時，隨穩(wěn)定度的減小風向脈動方差明顯增大，平均為16.6º，而相應的廣州平均SO2污染濃度則減小為0.09 mg/m3是全天最小的；表明脈動方差與大氣擴散強度有直接關(guān)系。
圖2 廣州平均風向脈動方差（實線）和相應的SO2平均濃度（mg/m3細虛線）以及
荔灣區(qū)SO2平均污染濃度（長虛線）。說明：所用資料是1982-1983年
每季代表月15-18日各時平均
（2）混合層厚度及通風系數(shù)與污染濃度的關(guān)系
表1為廣東省部分有污染監(jiān)測的城市的混合層厚度及通風系數(shù)，其中有的城市是根據(jù)鄰近探空內(nèi)插求得；為了便于了解其對污染的影響，還列出了各市一月、七月SO2平均污染的影響。從中可以看出二者與污染濃度有明顯的相關(guān)。
通風指數(shù)是指混合層厚度乘以混合層內(nèi)的平均風速，很明顯它在一定程度上表示了大氣污染物的向外傳輸能力或大氣自凈能力?；旌蠈雍穸葎t表示湍流垂直擴散的主要空間，穩(wěn)定度愈大混合層愈薄，近地面有強逆溫出現(xiàn)時，混合層厚度幾乎近于零，故逆溫層對擴散的影響也能間接通過混合層的作用反映出來。一月份由于混合層厚度明顯降低，且華南冬季平均風速不大，從而使此時期通風量比夏季明顯小很多，并導致污染濃度較高，即二者呈反相關(guān)。如汕頭一月和七月的通風量分別為2996米/秒，和4269米/秒，而對應的平均SO2污染濃度則分別為0.09 mg/m3及0.04 mg/m3。
表1 廣東一些主要城市混合層厚度，通風系數(shù)及SO2污染濃度
| 項目 城市 | 一月 | 七月 | ||||
| 混合厚度（米） | 通風系數(shù) （米2/秒） | 污染濃度（mg/m3） | 混合層厚度（米） | 通風系數(shù) （米2/秒） | 污染濃度（mg/m3） | |
| 廣州 | 735 | 3072 | 0.09 | 921 | 4934 | 0.05 |
| 汕頭 | 627 | 2996 | 0.09 | 777 | 4269 | 0.04 |
| 茂名 | 661 | 3469 | 0.03 | 697 | 3733 | 0.01 |
| 佛山 | 718 | 3109 | 0.09 | 867 | 4643 | 0.03 |
| 肇慶 | 667 | 3030 | 0.04 | 840 | 4285 | 0.02 |
| 江門 | 701 | 3145 | 0.02 | 813 | 4351 | 0.02 |
| 梅縣 | 799 | 3596 | 0.08 | 931 | 4289 | 0.04 |
| 潮州 | 670 | 3146 | 0.04 | 816 | 4279 | 0.02 |
| ?？?/span> | 604 | 4001 | 0.04 | 744 | 4132 | 0.02 |
*由于江門污染濃度相當小故季節(jié)變化表現(xiàn)得不明顯
（3）最大落地濃度計算方程
令
或
經(jīng)驗分析表明，式中比例系數(shù)F主要依賴于風向脈動方差的大小而變化，故將其近似定作：
b1、b0 為回歸系數(shù)。湛江化工廠SO2排放率為183公斤/小時=50.8克/秒，源有效高度90米（h=70米；Δh=20米1）），通過不同風速
顯然，由于地形等條件的差異，不同城市的b1、b0值也不相同。通過（7）、（8）式能較方便地估計不同氣象條件下之最大地面污染濃度。表2 是湛江化工廠附近地區(qū)不同穩(wěn)定度條件下的最大濃度估算結(jié)果與實側(cè)最大值對照，二者十分相近。表明上述方法有一定的實用價值。
表2 湛江化工廠附近SO2最大地面污染濃度（即最大落地濃度）計算結(jié)果
與實測值對照（1979）
| 日期 | 時間 | 風 | 穩(wěn)定度分類 | 對應s（θ）值（°） | 最大落地濃度計算值（mg/m3） | 實測值（mg/m3） |
| 11月1日 | 9時30分 | NNW/3 | D | 10° | 0.210 | 0.240 |
| 10月24日 | 14時 | SE/3 | C | 15° | 0.144 | 0.146 |
| 11月6日 | 7時30分 | NNW/3.9 | C | 15° | 0.111 | 0.165 |
| 10月30日 | 15時25分 | SE/4 | B | 22° | 0.082 | 0.084 |
注）上表風項目中英文字母表示風向，數(shù)字表示風速，單位是米/秒。
1）采用霍蘭德公式估算通常是在近中性條件下得出的。
通過上述廣東省邊界層有關(guān)氣象資料的統(tǒng)計分析并對照一些主要城市的污染監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)某些氣象條件對污染濃度分布及污染的嚴重程度有著十分重要的作用，主要是污染系數(shù)、風脈沖方差、混合層、通風量以及近地層風的輸送與擴散，從而對一次污染深度或短期平均狀況有明顯的作用。經(jīng)分析和統(tǒng)計所確定的最大深度計算方程能較方便地確定強污染源附近之最大落地濃度。
三、 大氣邊界層中污染物分布特征
韓璽山（4）在對沈陽市熱島垂直結(jié)構(gòu)、熱島環(huán)流及熱島混合層分析基礎上，首次發(fā)現(xiàn)在城市邊界層中存在污染物呈泡狀結(jié)構(gòu)、SO2穿透逆溫層、螺旋狀煙團。
1、主要污染物在空中成泡狀結(jié)構(gòu)
遼寧省環(huán)保所在對空中污染物的航測中發(fā)現(xiàn)，在城市邊界層的作用下城市污染物在空中呈泡狀結(jié)構(gòu)。這個泡隨著逆溫層的生消而變化，當逆溫層在沈陽市中心某一高度發(fā)生時，它的下面就是泡狀物的頂部（見圖3、圖4）。圖3、4證明了熱島混合層頂抑制了湍流的發(fā)展，使污染物在逆溫層下面累積，由于地面由郊區(qū)不斷向市區(qū)輻合，這樣就形成了泡狀煙團。隨著逆溫層的逐漸抬高，混合層也在發(fā)展，泡狀煙團也隨著向外界膨漲，一旦逆溫消失，混合層整個占領(lǐng)了空域，那么泡狀結(jié)構(gòu)即刻破壞成通道式向上擴散，這稱之為無形高架源。正是這些高架源把人類排放的污染物質(zhì)輸送到廣大空間。
2、SO2穿透逆溫層的分析
過去在邊界層的研究中，有關(guān)的擴散理論都是假定污染物不能穿透逆溫層，而在逆溫層底大量堆積的情況下進行模擬計算的。韓璽山等人研究發(fā)現(xiàn)，冬季不但在逆溫層里面呈均勻分布而且還能穿透逆溫層（參照圖5）。研究個例以1984年12月18日早08時10分至08時50分為例，航測飛行F線，即從沈陽于洪區(qū)橫穿鐵西工業(yè)區(qū)、和平區(qū)一直到渾河結(jié)束，這次飛行觀測了日出后逆溫開始抬升階段的垂直濃度變化。此時市中心及郊區(qū)都有兩層逆溫，市中心第一層在100m，第二層在300~400m，而郊區(qū)相應抬高些。垂直濃度高中心從第一層的頂?shù)降诙禹敐舛榷荚?/span>450ppb，而郊區(qū)濃度最高值主要集中在第二層的底和頂，其值為300~350ppb，在200m高度以下濃度只有100ppb。在逆溫層以上SO2的濃度是3級標準的2~3倍。
圖3 F線SO2垂直濃度剖面
上圖1984年12月18日，14h
下圖1984年12月18日，08h
為了證實上述結(jié)論的成立，從污染源、溫度場、航測照片及熱對流混合層的高度變化等方面進行分析。
經(jīng)普查沈陽市全市共有70m以上的煙囪占全市總數(shù)的0.1%。全市年排硫量9.2×104噸，而冶煉廠兩根110m煙囪排硫量只占1.7×104噸，其它新建的高架源未投產(chǎn)。故高架源直接穿逆溫層的可能性應排除。
從12月27日08時及19日10時的風場剖面圖（圖6、圖7）可以看出，在全市區(qū)低空50m內(nèi)，由于城市熱島混合層的存在致使污染物在此層匯集。但到了市內(nèi)即和平大街一帶主要匯集在100~150m上空，這時經(jīng)計算在市區(qū)從100m到500m這一層內(nèi)多輻合區(qū)，即有大量的污染物隨著上升氣流被輸送到高空。在08~10時，隨著逆溫層的抬升，在250~300m處形成了一個SE向的水平輸送帶。
圖4 N線SO2垂直濃度剖面
圖5 SO2垂直濃度與溫度廓線比較
3、螺旋狀煙團的發(fā)現(xiàn)
從航測照片上發(fā)現(xiàn)，在早晨存在逆溫時，高架源煙道成帶狀向下風向拉長可延伸到幾至十幾公里。這就證明在這種氣象條件下，高架煙氣抬升的可能性很小。另又發(fā)現(xiàn)煙團成螺旋性擾動，并有一定的方向性。螺旋狀煙團的發(fā)現(xiàn)證明了城市邊界層的上界面具有較強的擾動力，同時對泡狀污染煙云學說也是一有力證明。
綜上所述，煙團本身在受一種爆發(fā)性湍流的影響，可在某一瞬間沖破逆溫層向高空輸送。
四、 邊界層流場和大氣污染的基本特征
污染物在大氣中輸送和擴散與邊界層內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此搞清其流場結(jié)構(gòu)特征對城市規(guī)劃、建筑設計、評價大氣環(huán)境至關(guān)重要。1995年張波等（7）人結(jié)合成都市的個例，研究探討了其邊界層流場結(jié)構(gòu)特征及其與大氣污染的關(guān)系。
圖6 熱島環(huán)流剖面（1984年12月27日，08h）
圖7 熱島環(huán)流剖面（1984年12月19日，10h）
1、資料來源及客觀分析方法
分析所采用的資料主要有：
（1） 1987年1月10日至21日成都市區(qū)內(nèi)5個站（光華村、冶金監(jiān)測站、南站腫瘤醫(yī)院、熱電廠、市人大）。1989年7月至1990年3月市內(nèi)光華村、五石村、畜牧所逐時EL電接風資料。
（2） 1987年1月4~21日、1990年2月27日至3月9日每日8~12次雙緯儀小球測風資料。
（3） 1983~1987年1、4、7、10月，每月5天，每天4~8次TSP、SO2濃度資料。
流場的客觀分析方法是采用Wendell反平方內(nèi)插法。將成都市劃分為12´12km網(wǎng)格，格距為1km，計算公式為：
風矢量的東西分量
風矢量的南北分量
2、TSP、SO2濃度分布特征
成都市大氣污染類型是灰塵及SO2為代表的煤煙型污染。因此，分析用1983年至1987年12個監(jiān)測點資料，分別統(tǒng)計其年、季、日及冬季城區(qū)空間分布特征。由統(tǒng)計結(jié)果可知，1983-1987年TSP、SO2除1985年稍高外，其它各年基本穩(wěn)定。其平均濃度有明顯的季、日變化。冬季高、夏季低、春秋介于中間。TSP除夏季未超標外，其它各季全部超標。日變化為明顯的“駝峰”狀，最高值在09時左右。最低值大約出現(xiàn)在15時。給出成都冬季TSP、SO2的空間分布特征，其高濃度區(qū)基本一致，出現(xiàn)在市區(qū)東、東南側(cè)，其軸線是東北-西南向。TSP幾乎全區(qū)超標，SO2 高值區(qū)也超標。
3、地面風場結(jié)構(gòu)特征制約污染物擴散
資料統(tǒng)計結(jié)果表明地面風速存在明顯的日變化，一般白天大于夜間，午后達最大值，冬季平均風速小于2.0米/秒，最多風向為NNE，一般吹偏N風時風速較大，偏S風時風速較小。圖8是成都合成風分布圖，它基本可以反映成都市市內(nèi)風場的特點，從圖8可見市區(qū)東南側(cè)略呈氣旋式彎曲，且為小風速區(qū)，說明該區(qū)為一弱輻合區(qū)，不利于污染物擴散，風速與污染物濃度呈較好的反相關(guān)。極不利于污染物擴散的地面風速臨界值為≤1.5米/秒。應該特別注意減少該區(qū)的廢氣排放。
4、流場對大氣污染濃度的影響
污染物在空間的分布除與排放源的位置有關(guān)外，還與流場密切相關(guān)。風速的大小決定污染物輸送的快慢程度，而風向則決定污染物輸送的方向。當?shù)孛骘L為SW風時，大于0.15 mg/m3，高濃度區(qū)向東北方向伸展，當吹偏NE風時，大于偏SE、偏NW風頻率偏高度變化0.15 mg/m3，高濃度區(qū)向西南方伸展，風速與SO2濃度呈較明顯的反相關(guān)。從風速與濃度的點聚圖來分析，當TSP、SO2濃度超過二級國標時，風速小于1.5米/秒的頻率分別占96%、92%。這說明成都高濃度污染出現(xiàn)在小風時（小于1.5米/秒）。因此在早、晚小風時段極容易出現(xiàn)SO2、TSP的有害堆積。
圖10 成都合成風分布特征
五、 城市邊界層逆溫與大氣污染的關(guān)系
研究城市上空邊界層內(nèi)的逆溫特性，對了解城市氣候、揭示城市大氣污染規(guī)律等具有重要的意義。
本分析對逆溫的分析，除考慮到氣溫隨高度增加而上升的情況外，把等溫也算作逆溫。并將底部連接著地表的逆溫稱為接地逆溫；底部未連接地表，而懸浮在某一高度上的逆溫稱為懸浮逆溫；把低空逆溫作為兩種逆溫的合稱。對于同時出現(xiàn)二層以上的多層逆溫，只取最低層進行分析。
劉攸弘等人從廣州氣象站（距市中心僅6里）1971-1980年10年每日07時與19時的原始探空曲線上，選取地面至1千米間的逆溫數(shù)據(jù)，利用氣候統(tǒng)計的方法分析它的表現(xiàn)形式、時空變化、強度及其成因等特征；并利用1975-1980年在廣州市區(qū)所測SO2的日平均濃度資料，分析低空逆溫對城市大氣污染的影響。
低空逆溫的觀測點，雖然位于廣州市邊緣；然而觀測到的接地逆溫進行分析。逆溫對市區(qū)大氣污染的惡化有十分密切關(guān)系，負面影響非常明顯。以大氣中的污染物SO2為例，從6年共115天的污染監(jiān)測結(jié)果，與相應日逆溫出現(xiàn)情況（見表3），對比分析表明每當有接地逆溫存在，市區(qū)SO2濃度就升高，在早晚都有接地逆溫時，日平均濃度則更高。在只出現(xiàn)懸浮逆溫時，其濃度和沒有逆溫時的日平均濃度相近。此外，還發(fā)現(xiàn)當?shù)亟拥啬鏉釓姸却笥?/span>1.0ºC/100米時，市區(qū)SO2日平均濃度就超標，并可將該特征作為市區(qū)污染程度可能被惡化的預告指標。
表3 1975-1980年監(jiān)測日全市SO2日平均濃度與逆溫情況
| 代號 | 分類 | 逆溫情況 | 出現(xiàn)日數(shù) （天） | 日平均濃度 （毫克/米3） | 超標日數(shù) （天） | 最大日平均濃度（毫克/米3） | 最大濃度出現(xiàn)日期 |
| 1 | 單一型 | 接地逆溫 | 44 | 0.097 | 6 | 0.205 | 1976年12月11日 |
| 懸浮逆溫 | 27 | 0.080 | 0 | 0.124 | 1978年5月23日 | ||
| 2 | 混合 | 混合逆溫 | 17 | 0.095 | 3 | 0.174 | 1978年11月25日 |
| 3 | 無 | 沒有逆溫 | 27 | 0.085 | 0 | 0.129 | 1979年5月23日 |
| 其中早晚全有接地逆溫 | 16 | 0.122 | 4 | 0.205 | 1976年12月11日 | ||
此外，為了探索吉林市逆溫層特征及其對大氣污染的影響，“吉林市大氣污染與綜合防治的研究”科研協(xié)作組1980年9月24日至28日，1981年4月7日至11日，在市區(qū)南、北兩地同步進行了低空探測。內(nèi)容包括近地層風場測試，低空大氣逆溫測試以及低空大氣SO2采樣。使用的儀器有低空探空儀、測風經(jīng)緯儀、地面及高空大氣采樣器、阿斯曼通風干濕表及手持風向風速表等。低空大氣SO2采樣是借助于系留氣球進行的。同步觀測時間每天日出前、日落后、午間共三次。根據(jù)同步觀測資料，并參照市內(nèi)各監(jiān)測點的地面污染及風場觀測資料和當?shù)貧庀笳径嗄甑孛骘L資料，對吉林市逆溫層特征進行分析并探討了它們對大氣污染的影響。
吉林市近地層大氣逆溫大部分出現(xiàn)在日落以后、日出以前，尤其是無云的夜晚。每天傍晚當夕陽西下時，地面便開始冷卻，由于近地層大氣冷卻是由地表逐漸向上傳遞的，因此，由于輻射冷卻，上層空氣溫度往往高于下層，出現(xiàn)了逆溫。此時大氣是相對穩(wěn)定的，逆溫層像蓋子一樣阻礙了垂直運動的發(fā)展，使得地面污染物難以上升擴散稀釋，隨著時間推移，逆溫層逐漸抬高加厚，煙霧也隨之抬高，因此，晚間十時以后地面污染濃度反而更小，但待第二天太陽出來時，近地層逆溫首先遭到破壞，由于熱力對流作用，使得在逆溫層下部積蓄一宿的污染物大部分又返回地面，出現(xiàn)所謂的“下噴型”煙霧，因此每天早上近地層的污染濃度最大。這和科研協(xié)作組觀測到的情況一致。
從根據(jù)觀測資料制作的逆溫和大氣污染關(guān)系表（表4），可明顯看出有逆溫時近地層大氣污染濃度高，且逆溫強度越大，污染物濃度越高。
表4 逆溫與污染濃度的關(guān)系
| 時間 | 逆溫層頂高度（米） | 逆溫層厚度（米） | 逆溫強度（℃/米） | 污染濃度（SO2） （毫克/米3） | ||
| 地面 | 40米 | 80米 | ||||
| 1981年4月7日6時30分 | 180 | 120 | 0.03 | 0.213 | 0.105 | 0.015 |
| 1981年4月10日6時30分 | 143 | 104 | 0.02 | 0.118 | 0.117 | 0.000 |
六、 冷鋒天氣大氣邊界層內(nèi)氮氧化物的觀測研究
劉毅等（9）利用北京325m氣象塔作為高空平臺，于1997年10月觀測到一次冷鋒過程大氣邊界層內(nèi)氮氧化物（NOX）體積分數(shù)的變化，研究了NOX 體積分數(shù)與氣象要素之間的關(guān)系，著重討論了冷鋒過境前后NOX的體積分數(shù)變化及其輸送過程的關(guān)系。
1、 觀測
（1）觀測時間與場地
針對1997年10月22-27日冷鋒天氣過程，利用北京325m氣象鐵塔，從1997年10月22日至31日進行了大氣邊境層NOX體積分數(shù)的連續(xù)觀測。氣象塔位于北京市正北的三環(huán)路與四環(huán)路之間，距三環(huán)路1km，觀測塔東面200m處為南北走向的八達嶺高速公路，北面50m處為東西走向的北土城西路。氣象觀測塔共設置15個觀測平臺，每層提供風速、風向、溫度及濕度連續(xù)觀測。本研究在280m觀測平臺放置一臺NOX觀測儀。儀器放在防雨罩內(nèi)。進氣管為聚四乙烯材料，管路上連接聚四氟乙烯過濾器，濾膜為美國產(chǎn)的Teflon膜。
（2）觀測儀器與方法
NOX觀測采用美國Thermo Electron公司最新生產(chǎn)的C系列，增加存儲功能的自動連續(xù)觀測儀，儀器的基本參數(shù)見表5。
2、 觀測結(jié)果及分析研究
（1）冷鋒過境NOX體積分數(shù)變化
根據(jù)冷鋒經(jīng)過北京的時間，選擇1997年10月22日11:30-23日02:30 NOX的觀測資料，進行10min平均，可以得到如圖9所示塔層280m高度上10min平均NO及NOX體積分數(shù)值。在11:30-15:30期間，280m高度上NO體積分數(shù)比較低，最大體積分數(shù)僅為5×10-9，平均分數(shù)為3.3×10-9；而同期NO2 最大體積分數(shù)達38.0×10-9，平均體積分數(shù)達32.6×10-9，NO2/NO的比值平均為11.1。280m高度上NO2/NO的比值高于1997年10月13至15日在氣象塔低層10m處的觀測值6.1。其主要原因是，城市中人為源排放的NOX最初主要是以NO的形式進入低層大氣中，NO在向上擴散過程中很快發(fā)生下列光化學反應，特別是在午后O3體積分數(shù)高的條件下，大部分NO反應（1）轉(zhuǎn)化成NO2，同時NO也可能被諸如HO2等自由基氧化生成NO2，較快的化學轉(zhuǎn)化，使NO2體積分數(shù)明顯高于NO。
NO + O3 ® NO2 + O2 （1）
NO + HO2 ® NO2 + OH （2）
NO2 + hv（λ> 0.25mm）® NO + O(3P) (3)
O(3P) + O2 + M ® O3 + m (4)
在17:30-20:30期間雖然冷鋒已進入北京市區(qū)，但風速還較低，NO體積分數(shù)已很低，NO2仍維持一定的體積分數(shù)，之后隨著冷空氣主體的到達，NO2體積分數(shù)迅速減小到2×10-9以下。
表5 觀測儀器基本參數(shù)
| 被測物 | NOX(NO+NO2) |
| 型號 | Model42C |
| 測量原理 | 化學發(fā)光 |
| 檢測下限 | 0.05×10-9 |
| 精度 | 0.05×10-9 |
| 零點飄移 | 可忽略 |
| 工作量程 | 100×10-9 |
| 采樣平均時間 | 1min |
（2）冷鋒過程中NOX體積分數(shù)與氣象要素的關(guān)系
根據(jù)冷鋒前后風速、氣溫和相對濕度的變化可以確定本次天氣過程結(jié)束的時間為26日00時，利用23日00:00至30日10:50期間的NOX資料，對冷鋒過程中和過后的NOX體積分數(shù)分別進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。冷鋒天氣過程之后NO和NO2的體積分數(shù)及其日變化均有不同程度的增加。
為了進一步分析氣象條件對NOX體積分數(shù)的影響，結(jié)合風速、氣溫和相對濕度對23日00:00至30日10:50期間NOX體積分數(shù)資料進行相關(guān)分析，所用資料均為10min平均值，樣本數(shù)為1074，計算結(jié)果如表7所示。從表7看到280m的NO2體積分數(shù)與風速呈一定程度的負相關(guān)，表明小風不利于擴散的條件有利于NO2在大氣邊界層內(nèi)累積形成高體積分數(shù)；在冷鋒天氣過程中280m的NO體積分數(shù)很低，與氣象要素相關(guān)系數(shù)均比較小，與風速之間的負相關(guān)可能也同小風不利于污染物擴散有關(guān)。
圖9 1997年10月22-23日280m高度NOX體積分數(shù)變化
表6 冷鋒天氣過程中和過程后NOX的體積分數(shù)（10-9）
| | 過程中 | 過程后 | ||||
| 平均值 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 最大值 | 最小值 | |
| 280m處的NO2體積分數(shù) | 0.8 | 4.0 | 0.2 | 1.1 | 10.0 | 0.1 |
| 280m處的NO體積分數(shù) | 0.2 | 2.0 | 0.04 | 0.26 | 10.0 | 0.1 |
表7 NOX體積分數(shù)與氣象要素之間相關(guān)系數(shù)
| | NO（280m） | NO2（280m） |
| 風速（32m） | 0.04 | -0.24 |
| 風速（280m） | -0.2 | -0.39 |
| 風速差（280m-32m） | -0.27 | -0.27 |
| 溫度（32m） | 0.06 | 0.04 |
| 溫度（280m） | -0.05 | 0.09 |
| 溫度差（32m-280m） | 0.24 | -0.11 |
| 濕度（32m） | -0.08 | 0.16 |
| 濕度（280m） | 0.04 | 0.16 |
由于采樣地點位于北京市的北部，向北接近北京郊區(qū)，向南是北京城區(qū)，風向不同可以反映出不同來源氣團的影響。根據(jù)NOX資料做不同風向的平均，得到圖10的計算結(jié)果。從圖10中可見，NO主要分布在東南風方向，NO2分布在南風至東南風范圍內(nèi)，這反映了城區(qū)排放的污染物對觀測地點的影響；還可以看出在風速較高的方向上NOX的體積分數(shù)較低，說明擴散過程對污染物體積分數(shù)的影響。
圖10 280m高度NO（圓實線，單位：10-9）體積分數(shù)隨風向的分布
綜上所述，北京大氣邊界層中下層NOX體積分數(shù)與風向、風速密切相關(guān)，在冷鋒過程中及以后幾天內(nèi)，小風和偏南風對應著高體積分數(shù)的NOX。
參考文獻
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