复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展

李霞，贾健

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830006）

复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展

李霞1，2，贾健3

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830006）

复杂地形城市一般建立在山地、丘陵、沿海地带。复杂地形下的大气污染传输、扩散机制是一个复杂的问题。本文依据城市地形地貌将复杂地形归类为河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形。结合国内外对这5类地形下城市污染物传输扩散及污染形成机制的研究成果，介绍了不同地理位置、不同复杂地形城市多尺度气流相互或交替作用的特点及其对污染传输扩散的影响，期望能够为其它复杂地形城市污染形成机制研究和大气污染防治提供一些借鉴。

复杂地形；城市；多尺度气流；大气污染物；传输扩散

随着我国经济持续高速发展，工业化和城市化进程不断加速，伴随着城市人口的增长，机动车保有量暴增，能源大量集中消耗，道路等交通设施和污染物脱除技术严重滞后，导致城市和城市群区域大气污染日趋严重[1]。人类生存环境面临着前所未有的危机，因此大气环境成为当前人类生存科学研究最为重要的组成部分[2]。环境污染作为一个重大的社会问题,是从产业革命开始的。欧美一些发达国家在20世纪30—60年代接连发生了一系列震惊世界的大气污染事件，如1930年比利时马斯河谷事件、1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件、1948年美国多诺拉烟雾事件、1952年英国伦敦烟雾事件、1961年日本四日市哮喘事件等。这些重污染事件有的仅持续短短数日，但是瞬间就导致了数百上千人的死亡[3-5]。我国兰州20世纪70年代出现了光化学烟雾污染[6]，80年代珠三角地区灰霾天气显著增加[7]，90年代末乌鲁木齐跻身于世界十大污染城市[8]。2013年1月，罕见的连续高强度霾污染席卷了我国中东部地区，受影响人口约6亿人[1]。无论是发生在欧美国家的重污染事件，还是当今国内的强雾霾事件，无疑都是自然界向人类社会敲响警钟。

仔细梳理这些重大污染事件的成因，可见几类因素起了关键性作用。第一，过量的大气污染物排放无疑是首要原因。如“四日市哮喘事件”，全市大气中SO2浓度超出标准5～6倍[4]。第二，合适的气象条件。从比利时马斯河谷烟雾事件到美国多诺拉烟雾事件、再到伦敦烟雾事件，大雾是比较普遍的天气现象，同时伦敦近乎静风，多诺拉空气无垂直运动，三个城市上空一致呈现逆温层结[5]。2013年1月京津冀霾污染过程期间，中东部偏北地区大气异常稳定，空气垂直运动弱，冷空气过程少，湿度大，无降水，造成污染物积累叠加[1]。第三，特殊的地形助长了污染事件的发生。上述城市多数都处在复杂地形下，如马斯河谷、多诺拉、兰州都属于河谷地形，洛杉矶、四日市、珠三角地区则处于三面环山临海的海湾里，北京位于马蹄型地形之中，乌鲁木齐则处在峡口的开口处。复杂地形下垫面的非均匀性会对气流运动和气象条件产生动力和热力的影响，引起局地环流，如山谷风、过山气流、海陆风、城市热岛环流等，各种尺度运动非线性相互作用，对污染物的扩散传输影响很大，以至于扩散理论都难以阐释清楚，往往需借助于大气扩散实验结果来阐述复杂因素[9]。鉴于复杂地形下的大气污染机制仍是环境领域的一个重要研究课题，大气污染理论和预测方法还需要进一步深入和完善，而我国许多污染极为严重的城市又都是处于复杂地形的山地、沿海地带，因此加强对复杂地形条件下大气污染问题研究仍是当务之急[10]，这无论在理论上还是实际应用上均有重要科学意义。

世界上污染严重的诸多城市先后开展了复杂地形条件下大气污染的传输和扩散规律研究，抓住物理本质并建立了相应的物理模型，为大气污染防治提供了有力支撑。本文将复杂地形归为5类予以论述，分别是河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形、马蹄型地形、峡口地形。

1 河谷地形

黄河自西向东穿过兰州，由于南北受两山夹峙，整个市区处在呈哑铃型的河谷之中，因此兰州属于典型的河谷城市。从20世纪70年代以来，围绕兰州大气环境问题的研究取得了丰富的成果。本文以兰州为例，剖析河谷地形城市多尺度气流在重污染形成中的作用。基于大量的野外观测试验和模拟研究表明：兰州城市逆温持续时间长，只有午后较短阶段逆温消失[11]；逆温层较为深厚，最高可达800 m[12-13]。对于兰州市逆温形成的物理机制，胡隐樵等[10]总结了三大主要原因：白天山峰加热效应、夜间冷湖效应以及气溶胶的增温效应。“山峰加热效应”是指在山地地区，白天水平温度差异驱动热力环流将山顶上加热的气团输送到谷地上空，谷地形成脱地逆温的这种效应[10]。同时，重污染日白天的气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射达到削弱到达谷底太阳辐射量的效果，这就是气溶胶的增温效应[14]。夜晚，山坡上由于地表向外的辐射冷却导致山坡上的大气降温，产生下坡风将冷空气输入谷底，形成谷地逆温，这就是冷湖效应[15-16]。张强等[17]进一步认为兰州市白天和夜间的大气逆温层各有不同的形成机制。在受污染物气溶胶明显影响之前，夜间大气逆温层的形成主要靠地表辐射冷却效应以及山谷地形和干旱环境下裸露地表形成的强下坡风作用；白天大气逆温层的形成主要靠太阳对地表加热所形成的上坡风作用和山顶的强加热效应以及大气污染物对太阳辐射的吸收和削弱作用[18-21]。同时干旱环境下裸露地表使得地形作用更加明显（图1）。由此可见，山地地区的热力环流对逆温的形成和维持作用很大。

图1 兰州河谷地形形成白天大气逆温层的示意图（摘自文献[17]）

兰州市这种特殊的近乎封闭的极端河谷地形另一方面起到了很好的屏障作用，阻挡了气流流通，导致山谷地面静风频率比较高，市区一般很少超过2 m/s，平均值大约为1 m/s[22]。同时，河谷城市典型的风场特征为白天盛行谷风，夜间盛行山风[22-23]。从图2可见，白天兰州城关区由南北两山和谷口向谷中辐合；夜间，城关区地面流场为辐合态势，气流由南北方向向盆地中心辐合。原因就是受南北两山的夹峙作用，山风使气流由山坡向河谷盆地下泻，加上城市夜间的热岛效应，进一步增强了地面流场的辐合作用[22]。数值模拟再次表明兰州冬季夜间为辐合流场、白天为辐散状态。研究表明白天热岛环流抑制谷风环流，夜间则增强山风环流[23]，但是冬季夜间兰州市区和山谷上空存在较厚的逆温层，抑制了气流的上升运动[24]。张强[25]分析得出兰州市山谷气流的Froude数通常在0.075～0.324，远小于1，所以一般的天气条件下冬天兰州市山谷的地面气流不可能沿山坡爬升，只能在山谷中回转，因此地面污染物不易输送出去。

2 三面环山临海地形

图2 兰州城关区夜间（a）、白天（b）地面风场（摘自文献[22]）

三面环山临海地形，即三面都被山地环绕，一边面朝大海，这种地形一般属于典型的海洋性气候。世界上此类地形污染较重的城市除了洛杉矶、四日市，还有希腊的雅典和我国珠江三角洲地区等。这类地形下会出现山谷风、海陆风以及城市热岛环流。在洛杉矶附近，由于海陆热力差异和复杂地形的影响，加之逆温层的笼罩，地面风场极其复杂。白天山脉附近的谷风驱动盆地空气流动，并增强了海风[26-27]。来自盆地的气流爬上山顶，通过垂直运动的混合，可上升到较高的高度，进而与高层气流将盆地内空气向外传输[27]。Lu等[28]概括了洛杉矶污染传输的物理模型（图3），分为4个阶段：（1）清晨大气处于相对稳定期。海岸附近的大气可分为3层结构，近地层为云系较多的海洋层，其上是由于大气下沉绝热增温而形成的强逆温层，逆温层之上是自由大气。（2）中午混合层发展期。上午下垫面因辐射加热，形成湍流，加热了陆地上海洋层内的较冷空气，进而形成混合层。混合层通过不断裹挟覆盖其上的暖空气而得以发展，此时边界层的污染物混合较为均匀。由于海陆热力差异、山谷热力差异还在发展之中，因此海风和山坡上的上坡风还比较弱。（3）下午海风入侵内陆期。下午，海风发展强盛且向内陆挺进，海洋上的空气由此入侵内陆。此时，近地层的污染物或通过海风环流抬升、对流，或进入到稳定层，进而空中出现了一层污染物汇聚层，即抬升的污染层。由此，海岸地区一部分抬升的污染物在逆温层中积聚，另一部分污染物则对流进入到山顶上的自由大气层之中。（4）夜晚混合层稳定期。夜晚边界层趋于稳定，混合层内的暖空气沿山坡上升进而禁锢在逆温层内。洋面上的较冷气团继续推向内陆，导致内陆上空再一次形成海洋层，最初的3层结构再一次重建。整个沿岸地区都可见到抬升的污染层[28]。

图3 在山地包围的海岸平原地带，强逆温控制下的环流与输送概念图（摘自文献[28]）

我国珠江三角洲地区下垫面复杂，罗平山脉是它西面和北面的界限，东侧罗浮山区是三角洲的东界，类似倒置三角形。改革开放以来，珠江三角洲城市群空气污染由局地污染演变成区域性空气污染。在大量研究基础上[29-32]，Wu等[33]建立了珠江三角洲地区夏秋两类不同天气条件下的污染概念模型（图4），即暖季冷锋前污染型（图4a）和副热带气旋下沉污染型（图4b）。从图4a可见，当北面入侵的冷空气相对较弱，浅薄的冷空气由北向南推进时，翻越南岭山脉的冷空气由于山脉地形作用使其楔入深厚的暖湿空气下方，在边界层内形成弱逆温，此时风速较小，易造成珠三角地区区域性的空气污染；图4b则说明，当珠江三角洲地区上空受强下沉气流（如台风登陆前的下沉气流）或持续时间长的下沉气流（副热带高压）控制时，容易形成大范围的逆温，出现静小风，大气扩散能力差，污染物无法向上扩散，而且在下沉气流的作用下，较高高度上的污染物被下沉气流带到较低层累积，造成贴地层的空气污染指数猛增，空气质量变差甚至变得恶劣[33]。

图4 在不同的天气条件下珠江三角洲地区边界层对重污染影响的物理模型修订版（a）暖季冷锋前污染型和（b）副热带气旋下沉污染型（摘自文献[33]）

3 盆地地形

盆地的主要特征是四周高、中部低，因盆状得名。前文的兰州、洛杉矶、雅典等地都有盆地之说。借鉴上文的分析，可以推断影响盆地大气污染的气象条件中，逆温形成机制和河谷城市兰州类似；对于风场，除了考虑大范围气流影响以外，局地需要考虑山谷风、热岛环流。一般来说盆地有山口和外界相通，并不是完全封闭的，因此就会有另外的因素如山口风等影响盆地的边界层结构及其环流。如果盆地距离海洋较近，影响因素就会更加复杂。世界上盆地出现污染的地区有我国的四川盆地[34]、尼泊尔首都加德满都[35]、墨西哥首都墨西哥城[36-39]等。本文就以墨西哥城为例介绍盆地多尺度气流运动的相互作用特点。

人口稠密的墨西哥城位于墨西哥盆地的西南部，盆地底部较为平坦，海拔2250 m。盆地三面山脊包围，山脉高度不一，盆地北部有一个较为宽阔的开口，东南方有一个狭窄的Chalco山口，盆地底部相对深度大致为800～1000 m。由于高密度人口和污染排放源众多，导致墨西哥城及其周边地区成为世界上污染最严重的地区之一[40]。高海拔、四季高强度的日照条件促进了光化学反应，尤其是二次污染物O3的生成[37]。围绕墨西哥城市污染研究先后开展了一系列观测试验，逐步完善了对高原盆地城市污染机理的理解。Whiteman等[36]发现墨西哥盆地与普通的盆地不同，即夜间没有形成强逆温，且也没有谷风、山风的交替现象。盆地内部、上部的边界层演变主要受区域性环流的驱动，即墨西哥高原和其周边海洋冷气团激发形成的环流。通过Chalco隘口的山口风凉爽、高湿，午后的这股气流入侵到盆地内的低洼地带，受到了平原—高原之间环流的影响，导致这股冷气流减速。傍晚和夜间盆地的冷却作用与白天太阳辐射加热量相当，能够快速插入盆地底层，造成了盆地内辐合上升运动[36]。Fast和Zhong[38]详细分析了导致地面出现高浓度O3的地面风场，发现辐合区在墨西哥城内南北摆动。这是源于Chalco山口的山口风入侵盆地后，与源自北方墨西哥高原、裹挟大量污染物的偏北气流遭遇的结果。Foy等[38-39]指出墨西哥城盆地内部环流型取决于两类辐合带的相互作用：一是来自太平洋海风和墨西哥湾海风较量中形成的辐合带，另一个是南来的山口风与来自盆地的偏北气流作用形成的辐合带，并由此概括了3种高浓度O3发生的天气模型，即O3南部型（O3-South）、O3北部型（O3-North）、冷涌型（Cold Surge）。其中，O3南部型是指O3高值区出现在墨西哥城南部城区，彼时下午一股较弱的山口风在东南部城区伴随出现。O3北部型则指在强大的山口风和盆地西部、南部边缘气流的共同作用下，O3峰值区出现在偏北城区的状况。冷涌型是指当日寒冷的偏北气流横扫盆地的状况[38]。

图5很好地阐释了这3种污染类型高低空气流的昼夜演变情况。在O3南部型日子里，东太平洋洋面被高压系统控制，天气系统和盆地内外热力差异的影响都比较弱。夜晚生成的南风下泄气流到白天让路于源于墨西哥高原的西北气流，下午盆地又被来自墨西哥海湾的东北气流主导，导致O3向南部城区输送，直到凌晨这种局面才发生转变（图5a）。在O3冷涌型日子里，天气系统的影响很强，盆地环流则比较弱。白天盆地里盛行从墨西哥海湾吹来的东北风，夜晚则是被墨西哥高原/太平洋气团导致的西北气流代替。尽管这种状况下为多云或降水天气，但是高浓度O3仍然可以出现在市中心地带。这一部分原因是由于大多数时间降水云团多是一簇一簇的团状结构，较大的云团在盆地内部生成且游走于盆地，因此辐射仍然比较充足，导致光化学反应（图5b）。副热带急流靠近墨西哥城的时候，容易发生O3北部型污染（图5c）。清晨南风为主的下泄气流让道于从墨西哥高原下来的西北风。下午，风向发生转变，由从Chalco山口入侵的山口风—南风气流占据主导地位，占领了整个盆地的南部边缘地带，将O3高值区推向北部城区。由此可见，在墨西哥城内，O3的空间分布形态是由天气背景、高原风、山口风、海湾气流、下泄气流在不同时间相互角逐、共同影响的结果[38]。

图5 墨西哥盆地之O3南部型（a）、冷涌型（b）和北部型（c）的环流模型（摘自文献[38]）

4 马蹄型地形

马蹄型地形与三面环山临海地形极其类似，只是另一边还是陆地。国内此类地形污染较为严重的城市有北京[41-51]、太原[52]等城市。近30 a来，对超大城市——北京大气污染研究倾注了大量的科研力量，取得的科研成果和研究水平居世界前沿。因此下面就以北京为例探讨马蹄型地形对城市污染输送机制的影响。

北京地区西部是太行山余脉的西山，北部是燕山山脉的军都山，两山在南口关沟相交，形成一个向东南展开的半圆形大山弯，人们称之为“北京弯”。北京平原的海拔高度在20～60 m，山地一般海拔1000～1500 m。北京的边界层特点是：在夏季静稳天气下，大气边界层平均高度为600 m，且不易被有效突破，故不利于大气污染物扩散[41]；秋季白天边界层最大高度平均约1000 m，夜间稳定层高度在200～ 400 m之间。晴朗天气里，白天城区边界层温度高于郊区。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强逆温层阻断了上下层气流的联系，有利于近地面大气维持静稳状态和雾、霾天气的出现[43]。冬季城市大气边界层结构在热力特征上表现为夜间市区上空存在悬浮逆温层及白天弱、夜间强的城市热岛效应等特征；在动力特征上表现为城市近地层大气中的风速减小、湍流动能增强，并在夜间城市冠层顶处存在湍流动能的极大值以及城市近地层中明显的平均动能向湍流动能转化特征[43]。

作为世界级超大城市——北京，最为显著的一个特点就是“城市热岛效应”，其使城市流场和大气边界层结构与城郊有明显的差异,而“城市热岛”环流则会改变城市尺度甚至中尺度流场结构,进而影响污染物在城市大气中的转化和输送。夏季北京热岛很强时，近地层风场会出现热岛环流和辐合现象，且风速较小（＜2 m/s），边界层逆温不仅强，逆温顶较高[44]。冬季若320 m高度以下存在大气逆温，则有利于北京强热岛的形成和维持[44]。佟华等[46-47]研究证实边界层风场受到热岛热力作用和地形的动力作用的影响，导致城市近地层风场向强中心辐合。在山地—平原风、热岛强度和大气稳定度作用相当的控制下，夏季的热岛环流促成城区风场辐合；其他季节主要受山地—平原风控制，即刮山地风时，北京城郊风场向城区辐合；刮平原风时，北京城区风场表现为辐散[48]。另外，马蹄型地形作用还表现在山脉的“烟囱效应”[49]，即北京北边山脉白天将低层的污染物抬升至2500～3500 m高空，在北京上空形成了第二污染层。从观测分析[50]和数值模拟[51]均发现，太行山、燕山山前平原低压汇聚带是华北地区边界层输送汇流场的重要污染气候特征，它对这一地区的多年环境质量有显著影响，是在特殊的马蹄型地形及中纬度天气形势背景条件下形成的。这类全年各季都经常出现边界层风场辐合污染系统，即所谓的“污染物汇聚带”（图6）。在冬季受大陆强大冷高压影响，持续时间可达6～7 d，边界层辐合风场垂直伸展高度较低。夏季出现频率少，持续时间短，输送汇层厚度较高，受海上高压边缘影响，输送通道长；暖湿平流输送影响更为明显，主要出现在燕山山麓，根据华北平原输送汇的流场结构统计，全年大多数是由偏南和偏东南方向输入风带形成的输送汇，从而对北京地区大气污染物的积聚与输运可产生重要影响。

5 峡口地形

图6 华北平原1月和7月输送汇及配置的流场图（摘自文献[50]）

峡口，在我国泛指峡谷之口。峡口城市（Gap Town），牛津地理学词典的定义是坐落在通往丘陵地区关口的一个城市，非常利于作为交通枢纽[53]。维基百科定义峡口城市是位于山口入口处的一个居民定居点，从此山口可通过丘陵地区[54]。从定义可知，峡口地形既不同于盆地、也不同于河谷地形，峡口城市在山口的入口处，因此相对山体来说海拔较低。山口风（gap flow）是峡口地形常见的一种天气现象。大部分山口风都表现为焚风属性，焚风对大气污染的输送扩散影响更为特殊。

近十几年来，国际上对焚风类型给出了新的分类标准：深厚型焚风（Deep foehn）、浅薄型焚风（shallow foehn）[55]，后者还包括三明治焚风（Sandwish foehn）[56-57]。深厚型焚风是指阿尔卑斯山迎风坡的冷气团非常深厚，其垂直伸展高度超越了山脊，足以克服山脊的阻挡而冲向背风坡[58]。因此深厚型焚风深受垂直传播的重力波的影响，山脊激发的重力波可以影响到所覆盖的山谷内气流运动，并导致强风暴[59]。浅薄型焚风具有一般焚风的所有属性，在阿尔卑斯山表现为南风型焚风，一般只出现在少数非常纵深的山谷中（如Wipp山谷），迎风坡气流主要通过穿越山谷到达背风坡[58]。“三明治”焚风是指背风坡焚风下沉过程中遭遇冷湖，若受适当的地形阻挡，焚风不仅不能驱动冷湖，反而被冷气团抬升而穿行于冷湖之上，在冷暖气团交界处（即焚风锋面）焚风依然强劲；下游区大气在垂直方向上可分为明显的三层结构：高层被西风或西北风主导、中层为南风型焚风、下层为偏北风的冷气团控制，三层气流为非耦合状态[57-58]。参照这些特征，可见新西兰南阿尔卑斯山的Talapo湖区[59]、加拿大卡尔加里[60]、阿尔卑斯山的Wipp山谷[56-57]的有些焚风属于三明治焚风。焚风表现形式不同，则对污染的影响也会存在区别。一方面，焚风本身是气流，因此兼备对污染物的输送作用。如南风型焚风将意大利波河盆地光化学产生的O3传输到了阿尔卑斯山的背风坡[61]。第二，深厚型焚风往往表现为下坡风暴，因此可以造成沙尘天气，从而将沙尘和污染物传输到更远地区[62]。第三，三明治焚风对污染的形成和上述焚风作用又有所不同。本文就以我国的峡口城市乌鲁木齐为例，阐述焚风对大气污染输送的影响。

乌鲁木齐背靠海拔平均4000 m的天山山脉，面向准噶尔盆地。天山东西向绵延2000多公里横贯新疆，在乌鲁木齐附近被一个宽度仅十几公里的峡谷分开（下文称中天山峡谷），峡谷南北两端分别连接着吐鲁番盆地和乌鲁木齐河谷。冷空气入侵新疆后东移至蒙古附近，冷高压外围的空气回流至东疆南部地区，在大地形阻塞和南北向气压梯度力的共同作用下，气流从中天山峡谷穿越、翻山，经过达坂城到达峡谷北端乌鲁木齐，甚至下游昌吉、呼图壁都会出现东南大风[64]，当地人称之为乌鲁木齐东南大风。结合国际上焚风研究[56-60，61]及新疆开展的东南大风研究成果[64-70]，可以确认乌鲁木齐春秋季发生的东南大风是深厚型焚风，而冬半年经常在市区南郊出现的焚风是三明治焚风[69-70]。

李霞等通过对加密观测站网、数值模拟诊断等数据的综合分析，构建了峡口城市乌鲁木齐冬季重污染的形成机制概念模型[69-70]。冬季乌鲁木齐上空为高压脊控制，海平面高压中心位于萨彦岭—蒙古国一带，即东高西低态势。冷高压外围的气流回流至南疆吐鲁番一带，由此导致气流穿越中天山峡谷入侵乌鲁木齐。北疆准噶尔盆地冷气团盘踞，大气层结稳定。尽管下沉的浅薄型焚风气流强劲，但是遭遇到乌鲁木齐上空的稳定气团后，这股暖气流难以突破逆温层，被冷气团抬升，分为上下两层（图7）。近地层部分焚风气流与盆地强大冷气团的抗衡。市区内白天焚风气流与谷风（也指准噶尔盆地冷气团）相向对吹，在市区形成“微型锋面”和辐合带，造成污染物累积；夜间，焚风气流衰退到城市南郊，“微型锋面”和对应的气流辐合带位置由此南移，市区则维持小风—静风，仍然不利于污染物的扩散。边界层中上层的浅薄型焚风昼夜越过城市上空，这股暖气流促使市区上空逆温层更加深厚、逆温增强、混合层高度下降，致使污染物向边界层下层堆积。由此可见，浅薄型焚风的出现带来了动力和热力方面的双重影响：改变了乌鲁木齐局地流场、加强了大气稳定度，最终造成冬季乌鲁木齐重污染过程的频繁发生。只有经历较强的冷空气入侵后，城市的空气质量才有机会得以改善。

6 结论和讨论

本文将复杂地形城市归类为河谷地形、三面环山临海地形、盆地地形、马蹄型地形和峡口地形，通过对不同复杂地形城市的多尺度气流运动的特点，阐述了它们对于污染物传输扩散的影响，可见每一类地形下的污染物传输扩散规律都是天气背景、地形及其深受地形影响的气象条件等综合作用的结果。因此，每类地形下的多尺度气流运动或者存在共性，如山地的山谷风、坡风，同时又由于即使同类地形但可能所处位置不同，如临近海洋则会受到海陆风的影响，位于高原则会受到高原风的扰动等。正是这些看似纷繁复杂的多尺度气流运动的交织、耦合作用，才会导致每类复杂地形下、不同地理位置的城市其上空污染物的输送扩散规律如此纷繁复杂、特色鲜明，另一方面又遵循内在的规律。

目前我国大气污染已经由单个城市演变为区域污染（如“三区九群”），且复合型污染日益加剧。大气物理过程从多种尺度上控制着大气污染的积累、输送和转化。而大气污染物又通过影响光学—辐射特性、参与云雾形成从而再影响大气物理过程。因此，今后针对复杂地形下大气重污染过程生消机制的研究，尤其在污染物输送、转化规律方面，开展气象过程和化学过程多参数的同步观测非常重要，通过对观测数据的详尽分析可以反映区域边界层结构的真实变化，且能够呈现多尺度气流的运动特点。同时还需要进一步提高空气质量模式对于边界层物理过程和化学过程的模拟再现能力，更精细地反映边界层内物理过程、化学过程的演变规律。当然，研究不仅要考虑地形等非均匀下垫面因素对边界层物理过程的动力、热力影响，大气边界层特征及其与大气污染物的相互作用机制将是重要的研究对象，由此才能最终揭示不同区域的重污染形成机理，为大气污染治理和空气质量预报提供科技支撑。

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图7 峡口城市乌鲁木齐大气污染形成的物理模型（a为平面示意图，b为垂直剖面图，摘自文献[70]）

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Research of the Influences of the Air Flows on Multiple Scales on the Transport and Diffusion Mechanisms of Urban Air Pollution over the Complex Terrains

LI Xia1，2，JIA Jian3
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Center of Central Asia Atmospheric Science Research，Urumqi 830002，China；3.Urumqi Meteorological Bureau，Urumqi 830006，China）

The term of the city over the complex terrain often lie in mountainous region,at foothill and in coastal area.It is a complicated issue for the mechanism of air pollution transport and diffusion over the complex terrains.According to the topography around the cities,the complex terrains are classified into five categories,which include the valley terrain,the costal terrain surrounded by hills on the other three sides,the basin terrain,the“U”shape terrain and the gorge terrain.On the basis of research results related to the transport and diffusion mechanisms of air pollutants overthe above-mentionedfivekinds ofcomplex terrains,the mutualactive characteristics of the multi-scale air flows and these flows’influences on the transport and diffusion of the local air pollutants were presented in this article,in order to give some guide for research on the formation mechanisms and the prevention and control of air pollution aimed to the other polluted cities over the complex terrains.

the complex terrains；cities；multi-scale air flows；air pollutants；transport and diffusion

X51

：A

1002-0799（2016）06-0001-10

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.06.001

2016-08-06；

2016-09-06

中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2011014），国家自然科学基金（41575011），中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201501）共同资助。

李霞（1969-），女，副研究员，主要从事大气环境研究。E-mail：lixia@idm.cn

李霞，贾健.复杂地形多尺度气流对城市大气污染影响的研究进展[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（6）：1-10.