城市边界层大气扩散规律的研究

第�卷第�期�!�年∀月环境科学学报#∃%#&∃∋()’∗∋#(∃∋+∃,−&%#)%∋#(./�0�,入10�−#+∃��,�!�城市边界层大气扩散规律的研究张锡福邹孝恒贾新媛杨锦德2中国科学院大气物理研究所3摘在北京北郊气象铁塔2∀456高3的�786高度上释放平衡气球,用双经纬仪定位的方法得到拉格朗日表示法的风速脉动资料0分析了气球运行轨迹特征以及地形风与热岛环流叠合的复合环流0用相继释放的两个气球的轨迹计算了水平扩散参数勺0发现扩散曲线在一公里左右发生转折,这反映了城市和郊区两种边界层特征0以一公里为界,将所得湍流资料分成前后两段,每段资料用滑动平均方法计算勺0计算出来的属于城市和郊区边界层的两条勺随距离而变的曲线有明显的不同0若将两段资料合并则可计算一公里以远的勺0无论两段资料的个数相同或不相同,得到的内随距离变化均具有一公里以远的边界层特征0这说明城郊区的非均匀性对揣流高频段影响显著0而低频部分则受大尺度非均匀性的影响0似乎是其发展趋势决定了扩散的特性0此外还发现∋’9叹:;�的大气稳定度分类方法中0用�716高度的风速比用地面风速得到的高空扩散规律更符合实际0前言城市大气边界层的扩散规律比平原地区复杂得多0对于北京市,不仅城区和郊区动力的和热力的非均匀性影响很明显,而且由于在其西面、北面山区与平原之间形成的地形风和城市热岛环流叠合在一起,使流场更加复杂,因而污染物的输送和扩散过程有着特殊的规律0不考虑这些特殊规律,用评价大气环境质量的大气污染多源模式是难以计算出符合实际的结果0大气扩散的实验方法有三种<�0释放气体或气溶胶微粒,然后在下风方不同距离布点取样,从而得到浓度分布规律040释放烟雾,用照像方法拍摄烟雾轮廓,从而计算大气扩散参数,或用激光雷达测量相对浓度分布。∀0释放平衡气球或定高气球,用双经纬仪、雷达或无线电定位方法得到运行轨迹和扩散参数0用第一种方法,需要复杂的设备和大量人力0由于城市多烟雾,故第二种方法也不宜应用0第三种方法既可测定输送路径,又可测得拉格朗日湍流资料,进而计算湍流和扩散特征,但如用雷达和无线电定位,也需要特定的设备,不易广泛采用0采用双经纬仪光学定位方法,既具有此方法的优点,又适应目前国内条件,有助于开展城市大气污染规律的研究0我们于�=年!月∀。日一>?·≅Α�!4环境科学学报�卷月4了日采用这个方法研究了北京市城郊区大气扩散和输送规律0二、实验方法平衡气球有两种,一种是无升力的气球肠幻另一种是等容超压气球帕0我们的气球是属于土述二者之间0用两个41号气球套在一起,外面再罩上一个半径为∀5Β6的柞丝绸球形套,一方面减少氢气的渗漏,一方面保持球体定容0当球体中充满氢气后,我们仍发现有氢气外泄0在室内测量的结果表明,每分钟减少举力约10∀0为使举力和重力平衡,在充满氢气的球体上配以重物2沙袋3和棒香,以每分钟掉落香灰的重量恰好等于。0∀Χ的要求来计算所需配置的棒香数0释放时,将香点燃0用此方法,在室内实验结果表明,其平衡时间约为半小时左右0太阳辐射强度对气球的平衡有影响0晴天,太阳辐射强,球内气温增高,体积稍有膨胀而使浮内增大0所以在晴天时,减少棒香的数量0阴天时,按室内实验结果配以重物和体香0火一ΔΕ、Ε、Δ一>尸、遮尸Φ一口卜圈�水平轨迹图Γ观测点8铁塔+Χ0;Η多�9ΙΒϑΚΛ9��//ΙΑ∗9ΜϑϑΑ/∗玩99ΑΗϑ;Μ;�Χ�期张锡福等<城市边界层大气扩散规律的研究人持气球达到铁塔的�716高度需要�5分钟左右,在此期间,气球要失去举力5左右,故在室内平衡气球时,要考虑到这一点,使气球到达�716高度时,恰好保持平衡状态0由于配重不合适,太阳辐射强度的变化及云量的迅速变化,均为影响气球的平衡,从而影响资料的正确性,这些不理想的资料不能使用0实验期间,我们释放的%�个球中间有用的只有51多个0我们用双经纬仪观测平衡气球的空间位置0两个经纬仪之间的基线长度为�Β6,基线大致是东西走向2见图�30两个测点的高差只有5“6,每间隔�1秒钟读数一次0经纬仪的最小刻度为80Ν&度,读数可估计到10Ν∋度0每隔∀1分到71分放一个气球0三、计算方法将观测数据输入计算机,计算出平衡球各个时刻的高度,距观测点的水平距离,风向,风速以及拉格朗日风速脉动时间序列0气球离地面的高度计算公式是一般的水平投影公式或垂直投影公式帕2当气球靠近基线或在基线延长方向上时采用30已知气球的高度和仰角,则可计算出气球距此观测点的水平距离0因观测误差,由两个观测点的仰角计算出的两个水平距离和两个方位角在水平面上得到的两个气球位置并不重合0所以只育当气球靠近基线或在基线延长方向时采用这种方法0而当气球远离基线时,则球对两个测点的方位角9和乒与基线Λ<构成一个三角形2图430面对基线的一个厂“一声?月Λ圈4Ο;Χ04角