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1、教学单位 地理与环境学院 学生学号 201093034008 编 号 DH2013ZY008 本科毕业论文题目 影响城市大气粉尘扩散的地理因子分析 学生姓名 周 富 贵 专业名称 资源环境与城乡规划管理专业 指导教师 张 俊 辉 2014年 4 月 21 日教学单位 地理与环境学院 学生学号 201093034008 编 号 DH2013ZY008 本科毕业论文题目 影响城市大气粉尘扩散的地理因子分析 学生姓名 周 富 贵 专业名称 资源环境与城乡规划管理专业 指导教师 张 俊 辉 2014年 4 月 21 日目录摘要IAbstractII1 引言12 城市大气粉尘的主要成分与来源12.1 城

2、市大气粉尘的主要成分12.2 城市大气粉尘的主要来源22.2.1 自然来源22.2.2 人为来源23 影响城市大气粉尘扩散的地理因子分析23.1 城市气象条件对大气粉尘扩散的影响33.1.1 大气稳定度对污染物扩散的影响33.1.2 降水对污染物扩散的影响43.1.3 风力的影响53.2 影响城市大气粉尘扩散的地形因素53.2.1 城市下垫面的影响63.2.2 城市地形的影响64 小结7参考文献8致谢9宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）开题报告10宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）结题报告11宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）答辩报告12摘要影响城市大气粉尘扩散的地理因子分析周富贵（宝鸡文理学院地理

3、与环境学院资源环境与城乡规划管理专业 陕西宝鸡 721013）摘要: 城市大气粉尘污染问题已成为全球性的最重要的环境问题之一。城市大气粉尘的浓度是由污染物的排放量及城市的地理条件共同决定的，本文通过对不同城市大气粉尘污染程度的对比分析，总结概括出影响城市大气粉尘扩散的地理因子，主要有气象条件（大气稳定度、降水、风）和地形条件（下垫面的类型、粗糙度，地形条件）。该工作一方面可为城市大气粉尘污染的预防和治理提供参考；另一方面对城市合理布局具有一定的指导意义。关键字：城市，大气粉尘，气象条件，地形条件IAbstractInfluence of Geographical Factors Analysi

4、s on Diffusion City Atmospheric DustFu-gui ZhouDirected by Professor Jun-hui ZhangAbstract：Urban atmospheric dust pollution has become one of the most important environmental issues globally. Urban atmospheric dust concentration is determined by geography and urban emissions of pollutants common dec

5、ision, Based on the different levels of urban air pollution dust comparative analysis of the speech summed up the impact of urban atmospheric dust spread of geographical factors, mainly meteorological conditions (atmospheric stability, precipitation, wind) and topographic conditions (type of underly

6、ing surface roughness, topography). On the one hand to provide a reference for the urban atmospheric dust pollution prevention and control; the other hand, urban construction, planning and layout instructive.Key words：City，Atmospheric dust，Terrain conditions， Meteorological conditionsII1 引言随着社会经济的发展

7、，环境问题日益突出,尤其是在城市人口密集的地方,人类向大气中排放的污染物不断增加,自然环境的承载力已达到极限,严重的影响着人类社会的可持续发展，城市大气粉尘污染问题已成为全球性的最重要的环境问题之一。去冬今春，全国出现大范围、长时间的雾霾天气，已不同程度地威胁到城市居民的健康、生存与城市的发展。城市大气粉尘不容忽视，尤其是大气粉尘污染呈逐年上升之势。当前的研究过多的集中在城市大气粉尘的颗粒物浓度、成分、时空变化规律、污染来源及特征等方面。然而，城市大气粉尘的浓度是由污染物的排放量及城市的地理条件共同决定的，研究发现：极其不利于大气粉尘污染物扩散的天气过程和气象条件是大面积雾霾污染形成的另外一个

8、非常重要的客观原因。因此，本文对影响城市大气粉尘扩散的地理因子做了总结分析，为城市大气粉尘污染物的预防与治理将具有科学的指导意义。2 城市大气粉尘的主要成分与来源大气粉尘是指悬浮在大气中的固体颗粒物,分布范围多集中在距地面几百米的范围内。一般人们所说的灰尘、烟尘、砂尘、尘埃，粉末等与环境科学中所定义的大气粉尘的概念有一定的区别，国际标准化组织将粒径小于200m的固体悬浮物定义为大气粉尘1。大气中的粉尘在重力、风力等作用下，不断地扬起沉降，构成一个动态的循环。在这个过程中，一些对人体有害的物质，如重金属元素，各种微生物细菌等也参杂其中。由于粉尘的粒径都在微米级，因此极易被人体吸入呼吸系统中，对人

9、体构成危害。此外，大气粉尘经过扩散，在适当的条件下可与某些化学工业废料产生化学反应，生成更具危害的二次和三次污染物。大气中的粉尘与能见度有密切的关系，近几年来我国许多大中城市频发的雾霾现象，就是因为大气中的PM2.5，PM10等粉尘污染物浓度过高引起的。2.1 城市大气粉尘的主要成分研究城市大气中各种固体颗粒物的矿物成分，一方面有利于更清楚地认识大气颗粒污染物，另一方面，从粉尘的矿物成分入手，可以分析出各种污染物的来源，即进行污染物的源解析。研究表明，城市大气粉尘的主要矿物质为二氧化硅。硅元素在地壳中的含量极高，土壤、岩石经过风化作用形成的细颗粒物在风力或其他机械运动的作用下扬起，进入到大气中

10、。城市大气粉尘中另一存在量很高的元素便是碳元素。在城市废气中含有大量的有机碳（OC）、元素碳（EC）、氮氧化物、硫化物等，在一定的条件下可以转化成硝酸盐、铵盐，硫酸盐等颗粒物2。大气粉尘中对人体有直接伤害的是重金属元素。2.2 城市大气粉尘的主要来源客观分析大气中污染物的来源，将有助于环境保护部门制定有针对性的环保措施。我国各大中城市的大气污染物源解析取得了阶段性成果，环保部门透露，2014年将启动全国各直辖市、省会城市和计划单列市源解析研究工作，城市大气粉尘颗粒污染物的来源分自然来源与人为来源3。2.2.1 自然来源城市街道地表面的灰尘在风力的作用下扬起，进入到大气中；火山喷发或森林火灾形成

11、的火山灰、烟尘等在高空大气环流的作用下，漂浮到城市上空，参与大气环流。2.2.2 人为来源城市大气中的颗粒污染物主要是由于人类的活动引起的。具体有以下几个方面：（1）工业生产过程中排放出的固体微粒，如火力发电厂、面粉厂、水泥厂、金属冶炼加工等，都能够产生大量的粉尘；（2）城市交通机动车排放出的尾气中含有氮氧化物、硫化物等，这些气体污染物在一定的条件下转化为硝酸盐、铵盐、硫酸盐等大气颗粒污染物；（3）城市居民做饭、冬季采暖使用化石燃料燃烧产生的煤烟、飞灰等。3 影响城市大气粉尘扩散的地理因子分析当空气污染物进入到大气中，就会在大气湍流和分子运动的作用下扩散，向低浓度区域迁移，这种现象称为大气扩散

12、4。湍流是一种不规则的运动，它的强弱取决于热力因子和动力因子。热力因子如太阳加热地表导致空气密度不均，产生对流运动；动力因子如近地面风切变，地表非均一性和粗糙度均可产生机械湍流运动。当粉尘污染物进入到大气后，在有规则的风的作用下，向下风向进行平流输送，同时在分子扩散以及湍流运动的作用下向空间三维方向扩散，这就是大气对污染物的输送和稀释扩散过程5。影响大气污染物扩散的因素很多，但归结起来，主要有以下几个方面：污染物自身的理化性质、污染源的排放形式、气象条件、地形条件等6。其中地理因子包括气象条件以及地形特点。气象条件的好坏反映了城市大气系统对于污染物的自净能力的强弱。而城市所处的地理位置的地形特

13、点一方面直接影响污染物的扩散；另一方面地形能够改变局部地区的气象条件，从而影响污染物的扩散迁移。 3.1 城市气象条件对大气粉尘扩散的影响3.1.1 大气稳定度对污染物扩散的影响大气稳定度是指大气某一边界层内大气的稳定程度，是表征大气垂直运动状态的一种热力学性质，具体有稳定、不稳定以及中性天气条件。用气温的垂直递减率与干绝热递减率d可以比较方便的判别气层的稳定度7（见表1）。表1 判定近地面层稳定度的条件稳定d当大气处于稳定状态（即d），此时空气的温度随着高度的上升而升高，大气的垂直运动受到抑制，大气的扩散稀释能力减弱，不利于污染物的扩散，这种现象也称为大气逆温。产生大气逆温的原因主要有以下几

14、个方面8：（1）辐射逆温，在晴朗无云的夜晚，地球表面由于辐射作用迅速冷却，地面附近的空气温度也随着骤降，这样低空大气的温度就低于高层大气的温度，形成逆温；（2）锋面逆温，当冷气流和暖气流相遇时，由于冷气流密度大，暖气流密度小，因此冷气流会切入暖气流的下部，而暖气流则会爬升到冷气流上面，同样也会造成逆温现象。在我国北方地区的冬季，由于受高纬度高压场（反气旋）的控制，大范围的空气下沉运动容易形成下沉逆温，此时控制场内一般是静风天气，容易出现大范围的污染现象；（3）地形逆温，在盆地和谷地由于辐射冷却形成寒冷的气团，在山谷底部堆积形成逆温。西安市2013年各月PM2.5的平均值（图1），根据环境空气质

15、量标准（GB3095-2012）划分的空气中PM2.5的浓度等级（表2），5月份到9月份西安市PM2.5月平均值在42到79之间，空气质量等级为优。而在秋季和冬季，陕西关中地区由于秦岭山脉对冷空气的阻挡，易在关中盆地形成“冷湖效应”，在近地面易形成逆温层，阻碍大气污染物垂直和水平扩散。因此，更容易形成大气粉尘污染天气。3.1.2 降水对污染物扩散的影响降水对污染物扩散的影响主要表现在：在降水过程中，一方面一些较大粒径的颗粒污染物作为降水的凝结核，沉降到地面；另一方面，降水对于大气有直接的过滤、净化作用。降水的强度越大，对于污染物的净化作用也就越强。在雨雪等作用下，空气中的一些污染气体能够溶解在

16、水中，降低污染物的浓度，强降水对粉尘颗粒物起着有效的清除作用9。图1 西安市2013年各月PM2.5各月平均值注：数据来源：中国环境监测总站，西安市气象局网站。宝鸡市2014年4月11至5月10号空气质量指数趋势（图2），通过气象资料分析得知在4月14号、15号、20号、24号、以及5月9号这些时间均有不同程度的降水，这与图2空气质量指数变化趋势是一致的，在降雨后的几日内空气质量综合指数减小，空气质量好转，充分说明降雨对于空气污染物的扩散作用显著。事实上大气环境是一个统一的不可分割的整体，因此气象条件对于污染物扩散的影响是通过风、表2 PM2.5空气污染指数等级划分 单位（g/m3）24小时浓

17、度均值优良轻度污染中度污染重度污染严重污染PM2.5035357575115115150150250250500大气湍流、降水等这些气象因子的共同作用产生的，因此在图2中空气指数的变化趋势又与降水情况有一定的偏差。3.1.3 风力的影响空气的水平运动称为风10，风力大小和风向对大气污染物的输送扩散起着重要图2宝鸡市一段时间空气质量指数趋势注：数据来源：宝鸡市气象局网站。的作用。当空气污染物进入到大气中，在风的作用下整体输送到下风向，在这个过程中，污染物气团只在分子运动的作用下慢慢变大，对污染物进行冲淡稀释作用，但速度非常缓慢。在大气边界层内风切变能够影响大气湍流的强度，对扩散产生间接作用。入冬

18、以后，北方的寒冷气流占据主要地位，在高压场的控制下，空气很难流动，这种静风天气使污染物积聚于城市内部，加上冬季北方城市多采用燃煤取暖，大量的粉尘污染物进入大气中，很容易造成严重的污染天气。近10年关中地区风速有明显减弱趋势，2000年以来西安平均风速约1.0 m/s，比上世纪80、90年代减少了约0.20.3 m/s，风速较小，不利于污染物扩散，加重了城市空气污染。3.2 影响城市大气粉尘扩散的地形因素影响大气污染物扩散的因素除了气象条件外，地形因素以及下垫面也是影响大气粉尘扩散的重要因子。3.2.1 城市下垫面的影响下垫面是指大气圈以地球的水陆表面为界的下界。下垫面的非均匀性能够改变气流运动

19、的状态，同时会对局部地区的天气过程产生影响，从而改变大气污染物的扩散条件。由于离地面较近的低层大气几乎不能直接吸收太阳辐射，却能吸收经下垫面反射的热量，因此下垫面的性质直接决定了低层大气的温度，另外大气中的水分也是来自于下垫面。城市中大量密集的高层建筑物，一方面增大了下垫面的粗糙度，使城市内部的风速减小；另一方面，建筑物能够使气流产生小范围的涡流运动，这两种作用均不利于污染物的扩散。一般情况下，在建筑物的背风区由于风速减小，污染物不断积累浓度升高，从而造成大气污染。尤其近些年，城市高楼数量越来越多，楼层越来越高，密度越来越大，所以都对城市大气粉尘的扩散造成了不利的影响。北方、南方的大城市这两年

20、频发的雾霾天气，可能都与此有一定的关系。3.2.2 城市地形的影响 地形改变了气流运输的规律，形成一些特殊的天气现象。因此位于山区的城市，污染物扩散的规律一般不同于平原地区，最明显的影响是山谷风和逆温。（1）处在山谷中的城市，在白天，由于太阳首先加热山坡附近的空气，这样山坡附近的图3 2013年各月份重庆市与成都市AQI分布注：数据来源：中国环境监测总站。空气温度就高于谷底，形成了由谷地吹向山坡的谷风；而在夜晚，则正好相反，由于山坡附近的空气降温较谷底快，这样空气就由山坡吹向谷底，形成山风，这样在山坡与谷底之间就形成了一个小的环流，使得大气污染物很难扩散稀释掉，城市处于这样的地形当中，就会深受

21、其害11。（2）在地形陡峭，山体与谷底高差较大的山区，夜晚由于坡面降温较快，冷空气沿着坡面滑向谷底，并在谷底聚集，形成很强的逆温。在逆温的影响下，污染物持续积累，造成大气污染。重庆市与成都市2013年各月份AQI（空气质量综合指数，是表征城市大气质量的参数，由各分项污染物浓度进行进行综合计算得出，其数值越小代表空气质量越高）（图3）。通过比较分析，在秋季和冬季，重庆市空气质量明显高于成都市。比较两地地形特征，重庆市素以“山城”著称，市区主要处在以丘陵和低山为主的坡面上；而成都市则位于四川盆地内，市区主要以平原为主，海拔较低。相对于山地来说，在秋冬季节，四面环山的成都盆地更容易形成逆温现象，造成

22、大气污染。4 小结城市大气粉尘的浓度是由污染物的排放量及城市的地理条件共同决定的，通过对不同城市大气粉尘污染程度的对比分析，总结概括出影响城市大气粉尘扩散的地理因子，主要有气象条件（大气稳定度、降水量、风、逆温）和地形条件（下垫面的类型、粗糙度，地形条件）。气象条件对污染物的扩散至关重要，湍流运动可以使污染物向四周扩散，从而有效降低污染物的浓度；降水可以有效地降低大气中粉尘颗粒物的含量；一般而言，风速与污染物的扩散成正比，在静风条件下，污染物扩散缓慢，容易造成严重的大气污染；逆温是一种极不利于污染物扩散的天气，逆温层越厚，污染越严重。复杂的地形条件使污染物的扩散不同于平原地区。尤其是处在盆地或

23、河谷中的城市，在山谷风环流的作用下污染物不断积累，造成污染；山脉的阻滞作用能够使污染物在迎风坡积累，造成污染；下垫面的非均匀性能够改变气流运动的状态，从而改变大气粉尘污染物的扩散条件。参考文献1 2 中央民族大学学报, 2008, 17(3):41.3 张同智, 袁启光. 大气稳定度对污染物扩散的影响J. 黑龙江气象, 2002, 28(6):73-74.4 杜佩轩, 马智民, 韩永明. 城市灰尘污染及治理J. 城市问题, 2004(18):46-49.5 宝文宏, 王莉, 孙丽, 等. 影响大气污染物扩散的因素及影响趋势分析J. 包钢科技, 2002, 28(6):72.6 赵景联. 环境科

24、学导论M. 北京:机械工业出版社, 2011:88-98.7 陆书玉. 环境影响评价M. 北京市西城区德外大街4号:高等教育出版社, 2001:105-110.8 于海军, 范天红. 牡丹江山区地形逆温对污染物扩散的影响J. 安徽农业科学, 2010, 38(24):13306.9 尹振东. 气象条件对可吸入颗粒物浓度的影响J. 环境科学与管理, 2005, 30(3):46.10 李君， 曹琼辉. 浅析复杂地形对污染物扩散的影响J. 科技资讯, 2011(18):146.11 梁津, 钱俊, 刘志红, 等. 成渝经济区下垫面变化对大气污染物浓度影响模拟研究J. 四川环境, 2013(3):50.致谢在本次论文写作过程中，张俊辉老师给与了细心的指导以及宝贵的意见，本人在此表示感谢！10宝鸡文理学院本科毕业论文（设计）开题报告论文题目：影响城市大气粉尘扩散的地理因子分析 一、立项（