污染氣候?qū)W

自然現(xiàn)象(火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等)和人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢氣和粉塵排入大氣中時(shí)，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(kuò)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)?？諝馕廴練庀髮W(xué)的主要內(nèi)容，就是研究大氣運(yùn)動(dòng)引起的污染物輸送、擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化等過程。大氣中的污染物，對(duì)大氣的熱平衡、天氣氣候變化等都有影響，對(duì)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(guó)為了研究野戰(zhàn)時(shí)毒氣濃度的預(yù)報(bào)方法，自1921年起進(jìn)行大氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)。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(cè)和控制問題，促進(jìn)了大氣擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(yàn)和高空飛行使污染范圍擴(kuò)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(kuò)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(duì)城市的、區(qū)域的和全球范圍的大氣污染輸送、擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)和研究，以及各類大氣污染模式的計(jì)算和污染預(yù)報(bào)方法的研究。

這些不僅和大氣邊界層、大氣湍流、大氣湍流擴(kuò)散的研究有關(guān)，而且涉及中尺度和天氣尺度的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及平流層和對(duì)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(duì)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(kuò)散的規(guī)律，估算煙囪排放和地面廠房泄漏的污染物對(duì)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(jiǎn)單。

在沿海或湖濱地區(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(shí)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(guó)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(shí)被加熱，把原在水面上空形成的逆溫層破壞。這時(shí)逆溫層上部積聚的污染物被熱對(duì)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(gè)小時(shí)，這種現(xiàn)象可延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)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(shí)，也會(huì)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(kuò)散通常比水面上的強(qiáng)。

地形起伏使得接受的太陽輻射強(qiáng)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(diǎn)的污染物輸送路徑也不相同。氣流過山的動(dòng)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(shí)也出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。這都會(huì)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(huì)使這一地區(qū)的污染加重。山區(qū)逆溫維持時(shí)間比平原地區(qū)長(zhǎng)，而且還可能出現(xiàn)多層逆溫逆溫層和山谷構(gòu)成一個(gè)“管道”，限制了污染物的擴(kuò)散加重了下風(fēng)地區(qū)的污染。

污染物在兩個(gè)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(dòng)，加大了湍流的強(qiáng)度，山區(qū)的大氣擴(kuò)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(shí)，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(chǎng)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(duì)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(duì)氣流的擾動(dòng)和熱對(duì)流作用，使城市的湍流比平原地區(qū)強(qiáng)，因此大氣擴(kuò)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(yàn)，包括箱模式、統(tǒng)計(jì)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?yàn)槔?，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(duì)城市氣候的影響比較明顯，但還沒有充分的事實(shí)證明這種污染會(huì)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)建筑氣候設(shè)計(jì)的學(xué)科基礎(chǔ)理論與設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)地利用建筑設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)關(guān)鍵在于明確室外氣候特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)。建筑通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)、對(duì)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(jì)手段包括建筑師非常熟悉的幾種熱工設(shè)計(jì)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(jì)方法能夠在一定程度上將室內(nèi)的人體舒適環(huán)境擴(kuò)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(jì)過程不同于傳統(tǒng)意義上的建筑設(shè)計(jì)，它需要建筑師采用合理的分析方法對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)的關(guān)鍵。近年來，多位學(xué)者對(duì)各地區(qū)舒適溫度的實(shí)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(guó)人的舒適溫度比英國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(duì)我國(guó)不同氣候區(qū)的室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)查表明，我國(guó)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(qiáng)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(shí)，需考慮不同地域人群對(duì)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(guó)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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。