污染氣候?qū)W簡介

自然現(xiàn)象(火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等)和人類活動產(chǎn)生的廢氣和粉塵排入大氣中時，造成大氣污染。這些污染物被風(fēng)輸送，在大氣湍流作用下擴散稀釋，通過重力沉降作用和降水沖刷過程，降到地面；這些污染物也可能在大氣中發(fā)生化學(xué)變化，變成其他物質(zhì)。空氣污染氣象學(xué)的主要內(nèi)容，就是研究大氣運動引起的污染物輸送、擴散、遷移和轉(zhuǎn)化等過程。大氣中的污染物，對大氣的熱平衡、天氣氣候變化等都有影響，對這些問題的研究也屬此學(xué)科的內(nèi)容之一。

空氣污染氣象學(xué)的萌芽可以追溯到第一次世界大戰(zhàn)期間。英國為了研究野戰(zhàn)時毒氣濃度的預(yù)報方法，自1921年起進(jìn)行大氣擴散實驗。二十世紀(jì)40年代，原子能工業(yè)的興起和發(fā)展，提出了放射性物質(zhì)污染的預(yù)測和控制問題，促進(jìn)了大氣擴散的實驗和理論研究。50年代后，由于工業(yè)和人口高度集中，相繼出現(xiàn)了城市污染事件。

以1952年12月的倫敦?zé)熿F事件為例，在持續(xù)了三天的下沉逆溫和小風(fēng)天氣條件下，倫敦上空的二氧化硫和煙塵等污染物，很難向上擴散和向遠(yuǎn)方輸送，集積的濃度很高，奪去了四千余人的生命。

二十世紀(jì)60年代后，核試驗和高空飛行使污染范圍擴展到平流層。大氣污染已由某一工廠引起的局地污染(十幾公里范圍)轉(zhuǎn)為區(qū)域性和全球性的污染。

于是，為了尋求大氣環(huán)境保護(hù)法的依據(jù)，和根據(jù)大氣擴散和自凈能力提出控制和消除大氣污染的途徑，人們組織了對城市的、區(qū)域的和全球范圍的大氣污染輸送、擴散、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律的實驗和研究，以及各類大氣污染模式的計算和污染預(yù)報方法的研究。

這些不僅和大氣邊界層、大氣湍流、大氣湍流擴散的研究有關(guān)，而且涉及中尺度和天氣尺度的大氣運動規(guī)律，以及平流層和對流層之間的污染物交換過程、大氣的物理和化學(xué)過程的相互影響等。大氣污染對天氣和氣候影響的研究涉及大氣科學(xué)的大部分分支學(xué)科，大氣污染的控制問題和大氣科學(xué)密切相關(guān)，所以從60年代以來，逐漸形成了空氣污染氣象學(xué)。

平原地區(qū)的空氣污染與氣象主要研究平坦地形上空大氣污染物的輸送和擴散的規(guī)律，估算煙囪排放和地面廠房泄漏的污染物對周圍環(huán)境和下風(fēng)地區(qū)的影響。它是選定煙囪位置和高度，進(jìn)行廠區(qū)和居民區(qū)的合理布局的重要依據(jù)。由于平原地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速在某一水平面上基本是均勻的，因此，污染物的輸送規(guī)律比較簡單。

在沿?；蚝I地區(qū)，水陸之間的溫差產(chǎn)生的局地環(huán)流稱為海(湖)陸風(fēng)。低層氣流把排入的污染物輸送到一定距離后，又從高空返回到原地，使原地的污染濃度增高。有時陸風(fēng)帶走的污染物被海風(fēng)帶回，也使空氣中的污染物濃度增高。美國洛杉磯市的光化學(xué)煙霧就是在這種環(huán)流條件下產(chǎn)生的。

春夏兩季，水溫比陸面溫度低得多。水面上的空氣流經(jīng)陸面時被加熱，把原在水面上空形成的逆溫層破壞。這時逆溫層上部積聚的污染物被熱對流帶到地面，使該處污染物濃度加大，稱為“熏煙”現(xiàn)象。由于湖面逆溫可維持幾個小時，這種現(xiàn)象可延續(xù)較長的時間。同樣，在秋冬兩季，由陸面吹來的穩(wěn)定空氣流經(jīng)不結(jié)冰的水面時，也會出現(xiàn)“熏煙”現(xiàn)象。由于陸面的粗糙度一般大于水面，所以陸面上的大氣湍流擴散通常比水面上的強。

地形起伏使得接受的太陽輻射強度和輻射冷卻不均勻，由此引起的熱力環(huán)流，稱為地形風(fēng)。山坡白天有上坡風(fēng)，夜間有下坡風(fēng)；山谷白天有谷風(fēng)，夜間有山風(fēng)。深谷還可以出現(xiàn)山谷風(fēng)的閉合環(huán)流，其上部的反向氣流稱為反向山谷風(fēng)。在山區(qū)和平原之間，還有大型坡風(fēng)。

因在山谷中的不同位置，不同高度的氣流有很大差異，因此不同排放點的污染物輸送路徑也不相同。氣流過山的動力作用在背風(fēng)坡產(chǎn)生下沉氣流或渦旋；谷風(fēng)在不穩(wěn)定條件下，風(fēng)速較大時也出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。這都會使煙囪排放的煙氣向下傾斜或下沉到地面。山谷中的曲折地段，因地形阻塞而出現(xiàn)小風(fēng)，會使這一地區(qū)的污染加重。山區(qū)逆溫維持時間比平原地區(qū)長，而且還可能出現(xiàn)多層逆溫逆溫層和山谷構(gòu)成一個“管道”，限制了污染物的擴散加重了下風(fēng)地區(qū)的污染。

污染物在兩個逆溫層之間積累當(dāng)逆溫破壞后，就出現(xiàn)“熏煙”現(xiàn)象。雖然地形引起的氣流擾動，加大了湍流的強度，山區(qū)的大氣擴散參數(shù)比平原地區(qū)要大幾倍，但由于水平輸送不如平原地區(qū)，因此山區(qū)(尤其是山間盆地和谷地)的空氣污染，通常比平原嚴(yán)重。

城市熱島效應(yīng)，使夜間的低空不出現(xiàn)逆溫，但在幾百米高度之上仍為一穩(wěn)定層所覆蓋，而在穩(wěn)定層之下形成城市混合層，混合作用使該層內(nèi)的鉛直濃度分布趨于均勻。同時，熱島效應(yīng)使農(nóng)村的冷空氣向城市輻合而上升，形成了熱島環(huán)流。該環(huán)流的水平輻合流場使接近地面的污染物向城市匯集，加重了城市的污染；另一方面，其輻合上升氣流使高煙囪的煙氣上升，輸往遠(yuǎn)處，又可減少對城市的污染。此外，城市的建筑群使地面的粗糙度增大，減弱了風(fēng)速的鉛直變化，加上建筑物之間的“渠道”作用，形成了復(fù)雜的局地環(huán)流。

以上種種情況，都說明城市中的污染物的輸送過程相當(dāng)復(fù)雜。但總的說來，城市建筑物對氣流的擾動和熱對流作用，使城市的湍流比平原地區(qū)強，因此大氣擴散參數(shù)比平原地區(qū)大得多。為了研究城市大氣污染和提出控制污染的措施，進(jìn)行了各種性能模式的試驗，包括箱模式、統(tǒng)計模式和數(shù)學(xué)物理模式等。

全球每年有數(shù)億噸的煙塵和氣體排入大氣。但通過各種遷移、轉(zhuǎn)化過程又被清除出大氣，不在大氣中積累。在大氣中自然進(jìn)行的這種過程，稱為大氣自凈過程，它一般包括重力沉降、降水沖刷和大氣化學(xué)反應(yīng)三種過程。

污染物在大氣中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)之后，有的不再具毒性，有的形成新的污染物。種類繁多的污染物在大氣中的化學(xué)反應(yīng)是極其復(fù)雜的。

以二氧化硫為例，在日光照射下可氧化成三氧化硫。大氣中若含有起催化作用的二氧化氮和臭氧氣體，這種反應(yīng)的速含有起催化作用的二氧化氮和臭氧氣體，這種反應(yīng)的速度更快。三氧化硫在空氣中遇水滴就形成硫酸霧。二氧化硫還可溶于水滴形成亞硫酸，然后再氧化成硫酸。酸霧遇到其他物質(zhì)(金屬飄塵、氨等)形成硫酸鹽，再由降水沖刷形成酸雨降落地面。氮的氧化物和臭氧化合后，溶于水滴而形成硝酸，然后再與其他物質(zhì)化合成硝酸鹽，而被降水清除出大氣。光化學(xué)反應(yīng)過程在大氣中形成的酸霧和酸鹽微粒，稱為光化學(xué)煙霧。

空氣污染對城市氣候的影響比較明顯，但還沒有充分的事實證明這種污染會造成全球的氣候變化。可能有兩種引起全球氣候變化的因素：二氧化碳含量增加，引起氣候變暖；氣溶膠增多，增加大氣對太陽輻射的反射率，使全球大氣的氣溫降低。如何確定這兩種因素的綜合作用對全球氣溫變化的影響，是當(dāng)今空氣污染氣象學(xué)的主要研究課題之一。2100433B

建筑氣候?qū)W（bioclimatic architecture）是指實現(xiàn)建筑氣候設(shè)計的學(xué)科基礎(chǔ)理論與設(shè)計方法。建筑氣候?qū)W是研究人、建筑、氣候的相互作用關(guān)系的學(xué)科，是將氣候?qū)W、環(huán)境心理學(xué)與生理學(xué)引入建筑設(shè)計的一門有趣的新興學(xué)科。建筑氣候?qū)W指導(dǎo)建筑師主動地利用建筑設(shè)計的手段和建筑的構(gòu)成要素，自然地調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)熱環(huán)境，使得建筑能夠隨地方氣候的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，反映了現(xiàn)代建筑學(xué)所倡導(dǎo)的建筑與人類可持續(xù)發(fā)展的核心思想。

建筑氣候?qū)W建筑氣候調(diào)節(jié)原理

氣候設(shè)計的目的是保證熱舒適環(huán)境的前提下，盡可能地利用地域氣候資源，因此，其設(shè)計關(guān)鍵在于明確室外氣候特點，并掌握一定的氣候調(diào)節(jié)手段。建筑氣候調(diào)節(jié)手段可以借助建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與室內(nèi)外熱量交換的相互作用來實現(xiàn)。建筑通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)、對流以及表面輻射換熱三種基本傳熱方式，與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換。當(dāng)我們從建筑的冬季采暖和夏季散熱的要求出發(fā)，考慮三種基本傳熱方式，以及自然界的相變調(diào)濕過程，即蒸發(fā)冷凝過程，可以自然地形成建筑的氣候調(diào)節(jié)原理。比如，從冬季得熱角度，建筑的氣候調(diào)節(jié)方式可以包括以傳導(dǎo)為主的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保濕，或者以輻射得熱為主的太陽能采暖。

常用的建筑氣候設(shè)計手段包括建筑師非常熟悉的幾種熱工設(shè)計方法，如太陽能采暖、自然通風(fēng)、蓄熱通風(fēng)、蒸發(fā)冷卻及遮陽等。這些設(shè)計方法能夠在一定程度上將室內(nèi)的人體舒適環(huán)境擴展到更寬的氣候范疇。

建筑氣候?qū)W建筑氣候分析方法

生物氣候?qū)W建筑的設(shè)計過程不同于傳統(tǒng)意義上的建筑設(shè)計，它需要建筑師采用合理的分析方法對建筑所處的室外氣候做定量分析，以便給出適宜的氣候調(diào)控手段。

目前應(yīng)用最為廣泛的建筑氣候設(shè)計方法有兩種：第一種是利用空氣溫濕圖為分析工具的生物氣候圖法，如奧爾吉亞的生物氣候分析法及吉沃尼的建筑氣候分析法；第二種是邁歐尼針對熱濕氣候提出的列表法。不同分析方法適用條件也是有差異的。

建筑氣候?qū)W建立地域氣候分析方法

正確分析室外氣候條件與室內(nèi)熱舒適環(huán)境的關(guān)系，提出合理的氣候調(diào)節(jié)手段是建筑氣候設(shè)計的關(guān)鍵。近年來，多位學(xué)者對各地區(qū)舒適溫度的實際調(diào)查表明，人體熱舒適溫度與該地區(qū)的平均溫度（氣候狀況）有密切關(guān)系。如美國人的舒適溫度比英國人高3℃；居于熱帶地區(qū)的人們。熱舒適的期望溫度是最高的，達(dá)25-27℃；而長期生活在寒冷地區(qū)的人們比較適應(yīng)寒冷氣候條件，感覺舒適的溫度也比較低。

我國由于地理緯度跨度和垂直海拔高度的變化很大，表現(xiàn)在氣候上的差異也是相當(dāng)大的。這種差異性進(jìn)而使各地區(qū)人們的舒適溫度范圍要求也不一樣。通過對我國不同氣候區(qū)的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)查表明，我國人體舒適溫度與室外平均溫度，也就是當(dāng)前的主導(dǎo)氣候有很強的線性關(guān)系。因而，由于氣候的差異，在進(jìn)行建筑氣候分析時，需考慮不同地域人群對氣候的適應(yīng)性，提出適于地域氣候的分析方法。 2100433B

建筑氣候?qū)W作為一門學(xué)科的確立大約是在20世紀(jì)60年代。1963年，美國學(xué)者維克多·奧爾吉亞（Victor Olgyay）編著出版了具有前瞻性的《設(shè)計結(jié)合氣候》（Design with Climate）一書。這本書以建筑形式、細(xì)部構(gòu)造與當(dāng)?shù)貧夂虻南嗷リP(guān)系為基礎(chǔ)，倡導(dǎo)建筑師在建筑設(shè)計中要更多的考慮氣候的影響。書中首次提出了“生物氣候設(shè)計方法”，系統(tǒng)地給出了在建筑創(chuàng)作中定量分析建筑設(shè)計要素，如朝向、體形、通風(fēng)等與室外氣候、室內(nèi)舒適環(huán)境關(guān)系的方法。