城市生态环境：影响因素分析

1.气象因素

实践证明，同一大气污染源，以同样排放量作用于环境，在不同的时间里环境所受的影响及污染是不同的。这就是说，大气污染的形成和危害，不仅取决于污染物的排放量和离排放源的距离，而且还取决于周围大气对污染物的扩散能力。由此可见，气象条件是影响大气污染的主要因素之一。

1）风

通常把空气的水平运动称为风。污染物在风的作用下，随空气作水平运动，因此风对污染物的第一个作用是输送作用。要了解污染物的去向，首先要判别风向。污染区总是出现在污染源的下风方向。风的第二个作用是对污染物的冲淡和稀释作用。随着风速的增大，水平方向的空气交换也将增大。这样，混入的外界空气越多，污染物的浓度也就越低。因此，在一般情况下，大气中污染物的浓度与总排放量成正比，与风速成反比。

2）湍流

湍流是流体不同尺度的不规则运动。大气的湍流特性给人直观的感觉是风的阵性（大小、方向不断变化）。大气的湍流运动可以看作是两个部分运动的叠加：一部分是比较有规则的所谓平均运动；另一部分是起伏涨落很不规则的所谓脉动运动（或涡旋运动）。湍流运动的结果使流场各部分得以充分混合，污染物也随之而得到逐渐的分散、稀释，我们把这种现象称为大气扩散。

近地层大气湍流的强弱主要取决于机械动力因素和热力因素。前者指随着风速和地面糙度的变化，风速愈强，糙度愈大，机械湍流愈强。后者（热力因素）指由于大气铅直方向的温度变化所引起的湍流（也称热力湍流），它与大气的垂直稳定度有关。大气愈不稳定，湍流愈强。

2.温度层结

气象上常把温度的垂直分布状态称为温度的层结（简称层结）。它反映大气的稳定程度。而大气的稳定度又直接影响和决定着大气湍流的强弱，所以，它也与污染物的扩散输送密切相关。

1）气温的垂直分布

在大气圈的对流层内，气温垂直变化的总趋势是随高度的增加气温逐渐降低。气温随高度的变化通常以气温垂直递减率（r）（指在垂直方向上每升高100 m气温的变化值）来表示。整个对流层中的气温垂直递减率平均为0.6℃/100 m，但这是总趋势，实际上在贴近地面的低层大气中，气温的垂直变化远比上述情况复杂得多。一般来说，气温垂直分布有如下三种情况。

（1）气温随高度递减。这种情况一般出现在风速不大的晴朗白天。

（2）气温基本不随高度变化。一般出现在阴天和风速比较大的情况下，这时下层空气混合较好，气温分布较均匀。

（3）气温随高度递增（即逆温）。一般出现在风速较小的晴天夜间。

气温的垂直分布除上述三种基本情况外，还存在着介于三者之间的过渡情况。它们不仅受太阳辐射日变化的影响，还受天气形势、地形条件等因素的影响。

2）大气稳定度

大气稳定度的含义可以这样理解：假设一个理想空气块由于某种原因产生向上或向下运动，可能会出现以下三种不同的情况。

（1）气块受力而离开原来位置，当外力消失后，气块就逐渐减速并有返回原来高度的趋势，我们称这时的大气是稳定的。

（2）如果气块一离开原位，便加速前进，这时大气是不稳定的。

（3）如果气块被外力推到哪里就停在哪里，既不加速，也不减速，我们称这时的大气是中性平衡状态。

大气温度的垂直递减率越大，大气越不稳定，这时湍流将得以发展，大气对污染物的稀释扩散能力也就越强。相反，气温垂直递减率越小，大气越稳定，这时湍流受到抑制，大气的垂直运动发展受到了阻碍，有时甚至如同一个盖子一样起着阻挡作用。在这种阻消层存在的情况下，污染物停滞积累在近地大气层中，从而加剧了大气污染。国外发生的多次严重大气污染事件，几乎都是在这种气象条件下产生的。

3）逆温（仅指对流层内）

逆温的形成有各种原因，一般可分为五类：辐射逆温、地形逆温、平流逆温、下沉逆温和锋面逆温。

（1）辐射逆温。辐射逆温是最常见的。在晴朗无风的夜晚，强烈的有效辐射使地面和近地面大气强烈冷却降温，而上层空气降温较慢，因而出现了上暖下冷的逆温现象。这种逆温黎明前最强烈，日出后逐渐自下而上消失。辐射逆温在大陆上常年可见，尤以冬季最强，中纬度冬季逆温层可达200～300 m，高纬度可达2～3 km，甚至白天也不消失。

（2）地形逆温。地形逆温是由地形特征造成的，主要发生在盆地和谷地中。由于山坡散热快，冷空气沿斜坡下滑，在盆地或谷地内聚积，致使盆地和谷地内原有的空气被迫抬升形成逆温。实际上它是辐射逆温的变种。

（3）平流逆温。主要发生在冬季中纬度沿海地区。由于海陆存在温差，当海上暖空气流到大陆上空时，便形成了平流逆温。

（4）下沉逆温。在高压控制区，高空存在着大规模的下沉气流，气流下沉的绝热增温作用，致使下沉运动的终止高度附近出现逆温。这种逆温多见于副热带反气旋区，它的特点是范围大，不接近地面而出现在某一高度上，所以，也称为上部逆温。因为这种逆温有时像盖子一样阻止着向上的湍流扩散，如果延续时间较长，对污染物的扩散会造成很不利的影响。

（5）锋面逆温。当两气团相遇，暖气团位于冷气团的上方时便可形成锋面逆温。

4）不同温度层结下的烟型

温度层结不同，烟囱里排出的烟羽往往有不同的形态。归纳起来大体有以下五种类型。

（1）平展型。这种烟羽在垂直方向伸展很小，水平方向扩展较好，往往出现在稳定逆温层内。

（2）锥型。烟羽如圆锥形，气温随高度变化不大，层结呈中性，因而常出现于阴天或多云天气，且风力较大，所以，其各方向扩散性均较好。

（3）翻卷型。烟羽呈波浪形，气温分布是强烈递减状态（不稳定层结），可见浓烟滚滚，垂直扩散迅速，有时在污染源附近浓度较大，但能很快扩散，这种情况多见于中午前后，夏季晴天时较为常见。(www.chuimin.cn)

（4）熏蒸型。日出以后，地面增温、低层空气加热，使夜间形成的逆温自下而上逐渐破坏。但此时气温的垂直分布虽然下部已变为递减，而上部仍保持着逆温状态，便出现了这种烟型。此时一般风力较弱，烟气在上方不再扩散，只能向下方扩散，因此导致地面烟尘滞留、聚积，浓度上升，往往形成污染危害。

（5）上升型。它恰好与熏蒸型相反，一般在日落后出现。这时地面由于有效辐射降温，形成低层逆温，但高空尚保持气温的递减状态。所以，这种烟型的特点是，烟气不向下方扩散，而在逆温层以上扩散良好。

3.辐射与云

太阳辐射是地面和大气的主要能量来源。地面既是吸收体，又是反射体。白天它吸收来自太阳的辐射而增温，夜间又以长波辐射的形式向外放射使自身降温。

云对太阳辐射起着反射作用，反射的强弱视云的厚度而定。阴雨天由于云层的阻挡，地面接受太阳辐射便少，同样当夜间存在着云层时，大气的逆辐射很强，因此地面的有效辐射减弱，地面也就不易冷却。由此可见，云层存在的整体效果是减小气温随高度的变化，至于减小的程度要视云量多少来定。

总之，影响大气环境的各种因素之间的作用机理如下。

（1）晴朗的白天风比较小，阳光照射下地面急剧增温。随之，空气也从下而上逐渐增热，温度递减，大气处于不稳定状态，直至中午为最强。夜间，太阳辐射等于零，地面因有效辐射而失热，空气自下而上逐渐降温从而形成逆温，大气稳定。日出前后处于转换期，大气接近中性层结。

（2）阴天或多云天气风比较大，温度层结昼夜变化很小，大气接近中性。

从以上讨论可以看出，当低压控制时，由于空气的上升运动，阴云天较多，而且通常风速较大，大气为中性或不稳定状态，有利于污染物扩散稀释。反之，当高压控制时，因为有大范围的空气下沉运动，往往在几百米到2 km的高度上形成下沉逆温，像个盖子似的阻止污染物向上扩散。如果高压移动缓慢，长期停留在某一地区，那么由于高压控制，伴随而来的小风速和稳定层结不利于污染物扩散稀释。此时只要有足够的污染物排入空中，就会出现污染危害。如果加上不利的地形条件，往往会导致严重的污染事件。1952年伦敦烟雾事件的出现，就是因为有停滞的反气旋控制，较强的下沉气流形成下沉逆流，加上地面辐射冷却作用很强，近地面生成辐射逆温，形成了一个从下而上的强逆温层。而逆温条件下的水汽接近饱和，极有利于雾的生成。这种情况夜以继日地维持下去就造成严重的污染事件，可见天气背景是大气污染不可忽视的因子。

必须指出，以上都是从单个气象因子的作用来进行叙述的。实际情况往往是多因子同时在起作用，它们之间存在着错综复杂的关系，因此在具体实际问题的分析中必须作综合性的考虑。

4.地理因素

空气流动总是受下垫面的影响，即与地形、地貌、海陆位置、城镇分布等地理因素有密切关系，在小范围内引起空气温度、气压、风向、风速、湍流的变化，从而对大气污染物的扩散产生间接的影响。

1）地形和地物的影响

污染物质从污染源排出后，因其所处地理环境不同，危害程度也就有差异。地面是一个凹凸不平的粗糙曲面，当气流沿地表通过时，必然要同各种地形地物发生摩擦，使风向风速同时发生变化，其影响程度与各障碍物的体量、形态、高低有密切关系。

在一定的地域内，山脉、河流、沟谷的走向，对主导风向具有较大的影响，气流沿着山脉、河谷流动。

地形、山脉的阻滞作用，对风速也有很大影响，尤其是封闭的山谷盆地，因四周群山的屏障影响，往往静风、小风频率占很大比重。我国是一个多山之国，许多城市位于山间河谷盆地上，静风频率高达30%以上。

高层建筑、体形大的建筑物和构筑物，都能造成气流在小范围内产生涡流，阻碍污染物质迅速排走扩散，使之停滞在某一地段内，加重污染。一般规律是建筑物背风区风速下降，在局部地区产生涡流，不利于污染气体扩散。

2）局地气流的影响

地形和地貌的差异，造成地表热力性质的不均匀性，往往形成局地气流，其水平范围一般在100 km以内，局地气流对当地的大气污染有显著的影响。最常见的局地气流有海陆风（水陆风）、山谷风等。此外，由于城市下垫面特殊的结构而引起的“城市效应”亦是城市局地气流的显著表现形式。

（1）海陆风。在水陆交界处，由于水陆面导热率和热容量的差异，常出现水陆风。白天，风从水面吹向陆地称海风，晚间则相反，称陆风。海风一般比陆风要强，可深入陆地几千米，高度也可达几百米。如在海风影响地区建厂，由于海陆风相互的影响，容易形成近海地区的污染。

（2）山谷风。在山谷地区由于局地性加热、冷却的差异，白天气流顺坡、顺谷上升形成上坡风和山风，晚间气流顺坡、顺谷而下形成下坡风和谷风。这种昼夜交替的局地环境，往往使污染物在山谷内往返累积，常常会达到较高的浓度，加上由于山风冷空气沉入谷底形成的逆温，有时可能出现十分危险并持久的高浓度污染危害。

（3）城市效应。由于城市下垫面有其特殊的结构，所以，它对污染物的扩散输送有其独特的效应。城市效应主要表现在两个方面：①城市粗糙面的动力效应；②“热岛”效应。

5.其他因素

1）污染物的性质和成分

大气污染物通常是由各种废气和微小的固体颗粒组成的，它们的化学成分不同，所造成的污染危害也不同。不同的成分在大气中进行的化学反应和清除过程也不一样。对固体颗粒而言，由于颗粒大小的级别不同，它们在大气中的沉降速度和清除过程也各有不同，从而影响着扩散过程中浓度的分布。

2）污染源的几何形态和排放方式

由于不同类别、不同性质的污染源有不同的几何形态和排放方式，因而污染物进入大气的初始状态就不一样，其后的状况和污染物浓度也就不同。

3）源强和源高

（1）源强的影响。源强是指污染物的排放速率。通常瞬时点源的源强以一次施放总量表示（如kg），连续点源的源强以单位时间施放量表示（如kg/h），连续线源的源强则以单位时间、单位长度的施放量表示（如kg/（h·km））等。因为源强与污染物的浓度是成正比的，所以，若要研究空气污染问题，必须摸清源强的规律。为了摸清这一规律，就必须对工厂的生产量、工艺过程、净化设备等有一定的了解。此外，除了烟囱排放外，各生产环节常有跑、冒、滴、漏等现象存在，对于这类无组织的排放也要做相应的调查和考虑。

（2）源高的影响。源高对地面浓度有很大影响。但对于高架源来说，情况就比较复杂了，就烟羽中心轴线而言，仍然是浓度随距离的增大而减小；但就地面浓度而言，则将出现离烟囱很近处，浓度很低，随着距离的增大浓度逐渐增加至一个最大值，过后又逐渐减小。在开阔平坦的地形和相同的气象条件下，高烟囱产生的地面浓度总比相同源强的低烟囱产生的地面浓度要低。

此外，温度层结对地面浓度的影响也取决于源高。逆温（层结稳定）显然对地面源扩散不利，因为污染物在地面积聚形成高浓度。但对于高架源就不能机械地照搬上述理论，人们关心的是地面浓度而不是烟的中心轴线的浓度。虽然在层结稳定（如存在逆温）时，烟羽常可飘行几千米才接近地面，致使地面浓度最高值出现在离源较远的地方。相反，在层结不稳定时，空气铅直方向运动较强，扩散较快，可使烟羽在近距离便接近地面，地面最高浓度可能在离烟囱较近处出现。