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徐祥德 等 著

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• 城市环境
• 大气环境
• 环境科学
• 环境监测
• 大气动力学
• 城市气候
• 观测研究
• 环境工程
• 气象学
• 污染气象

出版社： 气象出版社

ISBN：9787502948245

版次：1

商品编码：10559793

包装：精装

开本：16开

出版时间：2010-02-01

页数：436

正文语种：中文

编辑推荐

《城市环境综合观测与大气环境动力学研究》为国家科学技术部973项目研究专著。

内容简介

城市环境气象涉及的各种尺度的大气物理化学过程。围绕治理城市大气环境急待解决的优化监测与应对研究问题，世界各国开展了很多的现场观测试验与研究。在20世纪90年代，仅就大气臭氧现场试验研究，北美就有18项、欧洲12项、亚洲1项。其中比较有名的是墨西哥空气质量研究计划（MAEJ）。欧洲模式评价研究（EMEP）等。以大气气溶胶细粒子PM。研究为主的纽约PMZ.S技术评价和特征研究计划（PMTACS-NY）是近年来比较著名的城市环境现场研究计划之一。由于城市环境在大气科学中的重要性日益突出，世界气象组织（WMO）在全球大气监测（GAW）计划中专门开辟了城市气象学和环境研究这一新的研究项目（GURME）。

内页插图

目录

序
前言
第一章 北京大气环境现场观测试验
1.1 城市大气环境科学试验总体设计
1.2 城市边界层动力结构观测
1.3 城市边界层化学过程观测
1.4 城市交通源影响观测

第二章 城市边界层动力学特征
2.1 城市辐射特征及其参数化
2.2 城市边界层热力、动力结构
2.3 城市边界层湍流结构特征
2.4 城市边界层结构物理模型

第三章 城市大气动力一化学过程三维结构模型
3.1 城市边界层大气污染时空分布特征
3.2 城市“冠层”大气污染“同位相”特征
3.3 城市边界层SO2和NO2垂直分布结构
3.4 城市边界层臭氧垂直分布结构及其影响因素
3.5 城市大气污染气、粒态复合型空间特征
3.6 城市大气污染过程边界层垂直结构
3.7 大气动力化学过程三维结构模型

第四章 城市气溶胶空间结构与相关模型
4.1 气溶胶卫星遥感地面观测综合分析
4.2 城市低层气溶胶垂直分布结构
4.3 城市气溶胶化学成分特征
4.4 城市气溶胶与气象要素、气体污染物相关性
4.5 区域二次气溶胶数值模拟

第五章 城市大气污染周边源影响域与源追踪模型
5.1 城市群区域气溶胶卫星遥感一地面观测变分分析模型
5.2 城市大气污染过程点一面时空变化特征
5.3 城市大气污染过程周边源影响域及远距离输送模型
5.4 水环境污染过程周边源影响模型

第六章 城市热岛多尺度与山谷风效应
6.1 城市热岛多尺度空间结构特征
6.2 北京城市区域“尺度”演变的热岛效应
6.3 卫星遥感综合分析城市群热岛特征
6.4 城市热岛模拟试验
6.5 城市区域山谷风和模拟试验

第七章 城市雾过程时空特征与模拟
7.1 城市区域雾过程边界层特征
7.2 北京地区雾分布尺度特征
7.3 城郊能见度和雾年际变化相关性
7.4 雾过程数值模拟

第八章 城市沙尘气溶胶与沙尘暴动力学特征
8.1 风沙天气气溶胶特征
8.2 北京地区沙尘暴过程气溶胶特征
8.3 沙尘暴动力结构及远距离输送

第九章 城市建筑群环境评估模型及模拟系统
9.1 城市高大建筑群风环境模拟技术
9.2 城市街谷尺度动力、热力结构数值模拟
9.3 城市规划大气环境多尺度评估技术系统

第十章 城市空气质量模式预报与源同化技术系统
10.1 全国区域CMAQ模式空气质量预报模式技术系统
10.2 CMAQMOs区域空气质量统计修正模型与预报技术
10.3 区域大气污染模拟与预报模式源同化新技术
10.4 卫星OMI产品源同化反演模型及其cMAQ空气质量模式应用
10.5 全国区域紫外线模式预报技术

第十一章 城市大气污染源贡献评估与调控模型
11.1 城市机动车排放污染特征
11.2 北京大气挥发性有机物活性组分与源特征
11.3 城市能源相关污染源贡献模型和调控对策
11.4 区域周边源贡献累积效应评估与源追踪技术

第十二章 城市化环境气候效应
12.1 城市化降水变化趋势
12.2 区域气溶胶影响效应
12.3 北京及周边城市群落气溶胶影响气候效应
12.4 暖季中国东部气溶胶“影响显著区”的气候变化特征

精彩书摘

早在1974年，北京大学在十分艰难的条件下独立开发了世界水平的光化学烟雾特征污染物过氧乙酰硝酸酯的监测方法，开发了我国最早的空气质量模型，在对兰州西固光化学烟雾的深入研究中，发现了有别于国外的光化学烟雾形成机理，这是中国大气环境化学的重要标志性成果，推动中国大气环境化学走向世界，产生了深远的国际影响。随后，针对我国西南、华南、东南沿海的酸雨的成因，提出和证实了我国存在输送类型酸雨的观点，确证了氧化剂在酸雨形成中的作用，倡导了干沉降、大气碱性颗粒物以及细粒子的研究，是国际酸雨理论的重要组成部分，研究成果对于制定我国酸雨的控制对策起到了重要的作用。20世纪90年代末，中国快速城市化导致大气污染日益严峻和复杂化。基于对中国大气污染综合分析的研究结果，唐孝炎于1997年首次提出了大气复合污染的概念、理论假设和研究框架，引起国际同行的广泛关注和浓厚兴趣，目前已成为我国大气复合污染控制的理论基础，并构建了以北京大学与环保部门为主体的大气复合污染控制机理科学试验研究与应用的跨部门、跨学科的学术团队。
进入21世纪，针对大气复合污染问题，北京大学的研究重点集中于大气臭氧和细粒子，围绕大气环境与全球变化和大气污染的健康效应，从城市、区域和全球尺度上开展系统的研究。特别是为解决中国三大城市群日趋严重的大气复合污染问题和保障北京奥运期间的空气质量，开展了长期和深入的研究，在过去5 a中组织了两项国际大气科学研究计划（PRIDE-PRD，CARE Beijing），开展了6次大型国际综合观测实验，在大气自由基化学、HONO和过氧化物的大气化学作用及其来源、气溶胶物理 化学一光学性质，大气新粒子形成，光化学烟雾的形成机制以及大气灰霾的成因等方面的研究，取得了一批具有创新性的研究成果，丰富了大气复合污染的基础理论，深化了对北京地区和珠江三角洲大气复合污染状况及演变规律的认识，为开展大气复合污染区域联合控制提供了理论基础。这两项国际合作研究计划在国际学术界产生了重要影响，本领域的高水平国际期刊《Atmospheric Environment》和《Journal of Geophysics Research》上先后出版了2个专刊，系统完整地介绍珠江三角洲和北京地区大气化学领域的学术成果。

前言/序言

　　城市大气污染作为一个重大的社会问题，是从产业革命开始的。产业革命的故乡——英国，1873年以后连续发生一系列煤烟型大气污染事件。进入20世纪，特别是二战以后，商业、交通和都市化迅猛发展，随着工业布局集中迅速兴起的城市化过程，环境污染日益加重。20世30——60年代，一些工业发达国冢，先后发生了八大公害事件（比利时的马斯河谷烟雾事件，美国多诺拉烟雾事件，英国伦敦烟雾事件，美国洛杉矶光化学烟油事件，日本水俣事件，日本富山事件等）。纵观全球，城市日益成为政治、文化、经济、商业的中心，城市化进程及其伴随的环境心，2g化已成了全球现代化世人关注的热点。
　　城市环境气象涉及的各种尺度的大气物理化学过程。围绕治理城市大气环境急待解决的优化监测与应对研究问题，世界各国开展了很多的现场观测试验与研究。在20世纪90年代，仅就大气臭氧现场试验研究，北美就有18项、欧洲12项、亚洲1项。其中比较有名的是墨西哥空气质量研究计划（MAEJ）。欧洲模式评价研究（EMEP）等。以大气气溶胶细粒子PM。研究为主的纽约PMZ.S技术评价和特征研究计划（PMTACS-NY）是近年来比较著名的城市环境现场研究计划之一。由于城市环境在大气科学中的重要性日益突出，世界气象组织（WMO）在全球大气监测（GAW）计划中专门开辟了城市气象学和环境研究这一新的研究项目（GURME）。
　　我国也面临城市化带来的一系列环境恶化问题。党中央和国务院十分重视环境问题，制定了很多政策法规，强调在发展经济的同时要充分注意环境保护，并特别对首都北京这一超大城市面临严重的城市化环境问题给予了极大关注。为此，科技部于1999年启动了国家重点基础研究发展规划项目（简称“973”项目）“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”。该项目分为大气和水、土两部分，分别由中国气象科学研究院和中国地质科学研究院负责执行。并联合了北京市环保局、北京市气象局、清华大学、北京大学、中国科学院等院所与业务部门，构成了跨学科、跨部门的科技与业务相结合的研究团队。项目研究途径采用大气、水与土壤环境大范围、大样本、多层次、多要素立体综合观测试验，立足于认识城市环境污染过程中气、水、土、生物地球化学环境以及不同界面间的物质循环和互馈行为，揭示城市不同功能区主要污染物气、水、土等子系统内与界面间物理、化学和生物耦合过程。

城市环境综合观测与大气环境动力学研究 本书旨在深入探讨现代城市环境系统的复杂性与动态演变规律，重点聚焦于城市尺度下多源异构观测数据的整合应用，以及大气过程在城市热力学、污染物输送与扩散中的核心作用。 第一部分：城市环境多尺度观测体系构建与数据融合 本部分详尽阐述了构建高效、精细化城市环境综合观测网络的理论基础与技术路径。面对城市环境要素（如气象、空气质量、地表覆被、热场等）的快速时空变化特征，传统的点状监测难以捕捉其全貌。 1.1 城市环境多源异构数据的采集与预处理 我们首先梳理了当前城市环境观测的四大主要数据源： 地面固定监测网络： 侧重于高精度、高频次的污染物（如 $ ext{PM}_{2.5}$、$ ext{O}_3$、$ ext{NO}_x$ 等）和基本气象要素的连续记录。本书详细分析了不同监测站点的空间代表性偏差，并提出了基于空间插值和克里金（Kriging）方法的误差校正技术。 遥感技术应用： 重点介绍了卫星遥感（如 MODIS、Landsat、Sentinel 系列）在获取城市地表温度（LST）、归一化植被指数（NDVI）、不透水面比例（IMPF）等宏观因子上的优势。同时，探讨了高分辨率无人机遥感在街谷尺度热岛效应精细化制图中的潜力与局限。 移动观测与走航技术： 阐述了利用车载平台、地面步行采集器进行高密度、高时间分辨率的城市边界层廓线测量方法。讨论了走航轨迹设计对捕获关键污染源排放羽流的优化策略。 物联网（IoT）与微型传感器网络： 评估了低成本传感器在增加监测密度方面的价值，同时深入分析了其数据质量控制、漂移补偿和与标准参考站数据进行交叉验证的必要性。 1.2 观测数据的时空融合与信息挖掘 单一数据源往往存在分辨率或时效性上的短板。本书的核心内容之一是提出了一套系统性的数据融合框架： 时空数据立方体构建： 描述了如何将不同尺度、不同频率的观测数据映射到一个统一的时空框架内，为后续的耦合分析奠定基础。 数据驱动的参数反演： 探讨了如何利用机器学习方法（如支持向量回归 SVR、随机森林 RF）结合遥感数据和地面实测数据，反演出城市峡谷内部的平均气温、空气污染物浓度梯度等关键参数。 不确定性量化： 鉴于多源数据固有的误差特性，我们提出了基于贝叶斯方法的融合不确定性评估模型，确保输出结果的可靠性区间。 第二部分：城市大气环境动力学：过程解析与数值模拟 本部分将研究重点转向驱动城市空气质量变化的大气物理过程，特别是边界层动力学、湍流输送和城市地形对流场的影响。 2.1 城市大气边界层（UBL）结构与热力学特征 城市环境的特殊性在于其高度集中的热源和粗糙的几何形态。 城市热岛效应的动力学机制： 结合观测数据与城市微气候模型（如 ENVI-met），解析了潜热通量、显热通量分配，以及建筑密度和街谷几何参数对地表辐射平衡和地表-气界面能量交换的调控作用。分析了晴夜、阴天等不同天气条件下热岛强度的日变化规律。 湍流输送与混合过程： 详细讨论了城市地表气流通过建筑群时的加速、减速、分离与再附着现象。引入了涡量相关技术（Eddy Covariance）在城市粗糙面上的应用，量化了平均湍流动能（TKE）的产生与耗散率，这是理解污染物垂直扩散的关键。 边界层抬升与稳定度： 研究了在强日照下，由于对流作用导致的边界层抬升过程。分析了稳定层结（如逆温层）对近地面污染物（如 $ ext{SO}_2$）的“盖帽效应”，并结合激光雷达（LiDAR）廓线数据展示了对流条件下污染物在垂直方向上的快速稀释过程。 2.2 城市尺度污染物输送与扩散机制 城市气流场的复杂性使得污染物（无论是区域背景传输还是本地排放）的演变路径难以预测。 城市风场模型与参数化： 重点介绍了计算流体力学（CFD）模型在模拟街谷尺度下局部流场（如尾流、射流）的优势。同时，讨论了中尺度模型（如 WRF-Urban scheme）中如何对城市地表粗糙度、动量和感热通量进行合理参数化，以驱动区域范围内的气流模拟。 污染物浓度的时空分布特征： 基于模型模拟和观测数据对比，揭示了污染物浓度“热点”的生成条件。例如，在顺风向背风侧建筑物的下风向存在二次环流导致的浓度“集中区”；以及在夜间稳定条件下，污染物随地形坡度向下游汇集（山谷风效应在城市中的体现）。 化学生成与二次污染： 探讨了气象条件对光化学烟雾形成速率的影响。分析了在城市热岛驱动下，温度升高如何加速光化学反应速率，以及生物质燃烧排放的挥发性有机化合物（VOCs）在城市大气中经历的氧化路径。 第三部分：综合应用与环境管理对策 本部分将前述观测与动力学研究成果转化为实际的环境管理工具。 3.1 城市环境风险评估与预警系统 空气质量预报的动力学订正： 结合短期气象预报，利用边界层参数（如混合层高度、风廓线）对污染物浓度预报结果进行偏差订正，提高了重污染过程的提前预警准确率。 城市极端热事件的气象风险评估： 构建基于城市地表温度与边界层稳定度指标的耦合风险指数，用于评估特定街区发生高热负荷暴露的概率。 3.2 城市规划与气候适应性设计 通风廊道与空气质量的协同优化： 分析了城市几何形态（如道路宽度、建筑高度比 $ ext{H/W}$）对城市风场和污染物稀释效率的影响。提出基于CFD模拟结果的“最小阻力路径”设计原则，指导城市通风廊道的保护与建设，旨在利用自然风力有效稀释污染物。 绿色基础设施（GI）的减热增湿效应评估： 量化了城市公园、屋顶绿化等绿色基础设施在调节地表热力结构、增强城市蒸散散热能力方面的作用，为制定可持续的城市降温策略提供科学依据。 本书以严谨的科学方法论为基础，整合了遥感、地面观测与高分辨率数值模拟，旨在为城市环境科学研究者、环境规划师和政策制定者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的参考框架。

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作为一个对城市生活的热爱者，我经常会思考我们所呼吸的空气到底是如何形成的，以及城市的扩张和发展对它产生了哪些看不见摸不着的影响。这本书的书名《城市环境综合观测与大气环境动力学研究》，听起来就非常扎实，应该能满足我这种“求知欲旺盛”的读者。我特别希望能在这本书里看到，研究者们是如何把庞杂的城市环境信息，比如气象数据、污染物浓度、植被覆盖率、建筑密度等等，收集起来，然后通过严谨的科学方法进行整合和分析的。我希望它能解释清楚，在研究城市大气动力学的时候，有哪些核心的概念和模型是必不可少的。比如，我一直对城市内部的风怎么绕过高楼大厦，或者在狭窄街道里产生涡流的现象感到好奇。这本书会不会有相关的模拟实验或者实际观测的案例，用图表或者数据来直观地展示这些动力学的过程？我期待读完之后，能够更深刻地理解我们所处的城市，不仅仅是一个物理空间，更是一个充满复杂能量交换和物质循环的动态系统。

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我最近刚接触到一些关于城市规划和可持续发展的新兴理论，但总觉得少了点“硬核”的支撑。这本书的名字，特别是“大气环境动力学研究”这几个字，瞬间抓住了我的眼球。我猜想，这本书不仅仅是简单地罗列一些环境数据，而是会深入探讨大气运动的内在规律，以及城市建筑、绿化、交通等因素对这些规律产生的干扰和改变。我特别好奇的是，书里会不会讲到一些前沿的观测技术，比如遥感、探空气球、地面传感器网络等等，它们是如何协同工作，为我们描绘出一幅动态变化的城市大气图景的。此外，对于“动力学”的理解，我期望它能解释清楚，为什么在相似的天气条件下，不同城市的空气质量会表现出显著差异。是不是因为城市本身的“动力学”特征不同？这本书或许能为我提供一套分析框架，帮助我理解城市大气运动的复杂性，甚至能够预测某些特定情境下污染物可能出现的聚集或扩散模式。这种能够连接宏观规律与微观现象的知识，对我未来的学术研究方向选择有着重要的启发意义。

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这本书的封面设计就带着一种沉静而专业的学究气，暗蓝色的背景上，隐约可见城市轮廓与抽象化的风力线交织，光是这视觉上的冲击，就足以勾起我对城市复杂生态系统的好奇心。我一直对城市发展带来的环境变化，尤其是空气质量的演变过程感到忧虑，却又常常因为信息碎片化而不得其解。这本书的书名《城市环境综合观测与大气环境动力学研究》仿佛为我打开了一扇通往深层理解的大门。我期待它能系统地梳理出城市环境中各种观测数据的来源、方法，以及这些数据如何被整合分析，从而揭示出大气在城市这个特殊尺度下是如何运动、相互作用的。我希望能在这本书里找到关于城市热岛效应、风场畸变、污染物扩散模型等方面的详尽阐述，并且最好能有一些实际的案例研究，让我能更直观地感受到学术理论是如何落地应用的。读完这本书，我希望能对“为什么某个区域空气质量会突然变差”、“城市规划如何影响风的流动”这类问题有更清晰、更具科学依据的认识，从而能在日常生活中做出更明智的选择，也更能理解那些关于环境政策的讨论。

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近期，我开始对环境科学中的量化研究方法产生了浓厚的兴趣，特别是那些能够精确描述和预测自然现象的书籍。这本书的标题《城市环境综合观测与大气环境动力学研究》正好符合我的这一兴趣点。我预设这本书会包含大量关于数据采集、处理和分析的技术细节，并会重点阐述如何利用数学模型来描述城市大气运动的规律。我非常期待能在这本书中找到关于不同类型传感器在城市环境监测中的应用案例，以及如何将这些离散的数据点整合成连续的、具有空间代表性的信息。更重要的是，“大气环境动力学”这个词汇，让我联想到对流、湍流、边界层等概念，我希望本书能够深入浅出地解释这些动力学过程在城市尺度下的表现形式，以及它们是如何影响城市空气污染的分布和演变的。如果书中还能提供一些关于模型验证和不确定性分析的内容，那就更完美了，这将有助于我更好地理解研究成果的可靠性。

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我一直认为，城市环境的研究是一个非常具有挑战性的领域，它需要整合来自不同学科的知识，才能形成一个全面的认识。这本书的名字《城市环境综合观测与大气环境动力学研究》给我一种踏实、严谨的感觉，仿佛它能提供一个研究城市大气问题的“路线图”。我希望这本书能够详细地介绍各种观测手段，从传统的地面气象站到更先进的卫星遥感技术，以及它们各自的优势和局限性。此外，我最感兴趣的是“大气环境动力学”部分，我希望能了解研究者们是如何建立数学模型来模拟城市风场、温度场以及污染物输送过程的。这本书会不会包含一些关于模型建立过程的描述，或者对现有模型的优缺点进行比较分析？我对城市区域的微气候变化，尤其是不同天气系统（如冷锋、热浪）在城市中的传播和影响方式很感兴趣，希望这本书能提供一些深入的见解，让我能从更科学的角度理解城市空气质量的变化。

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学生：那么你是如何自况的呢？人们称你为思想家、诗人，你自己如何定位呢？

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李：我不认为诗或其他类型的文学是一种有非常大作用的东西。对于人类精神的方向，影响最大的是哲学思想、科学知识和宗教信仰……

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李：我不认为诗或其他类型的文学是一种有非常大作用的东西。对于人类精神的方向，影响最大的是哲学思想、科学知识和宗教信仰……

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学生：那么你是如何自况的呢？人们称你为思想家、诗人，你自己如何定位呢？

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李：这是理工大学的“木独”，这是香港大学的Jacky，这是科技大学的Ronald，这是中文大学的阿飞、阿燕……怎么样，大家都认识了吧？我感觉到今年你们这班学生（包括来自其他各大学的旁听者）甚有潜质，可以和你们多谈一些，所以课后大家聚在一起谈谈天，就当做非正式的tutorial吧。你们有什么问题，不管是课内还是课外的，都可以提出来讨论。

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李：艺术之中我最喜欢音乐和文学，但我一向比较懒散，写诗刚好可以用最精简的文字表达我要表达的东西。假如我写小说，会花太多的时间，这不适合我的性格。我希望只花最少的时间，而且一个字也不浪费。心里这样想，就自然选择了诗这种最适合自己的文学形式了。

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到目前为止，我只是集中处理了思考方法的问题——基本上“思方学”的问题我已经处理了——其主要观念和系统架构我认为都已经予以确立。下一步我要做的……你们日后会发现我下一阶段所写的书，最终用心是关于生死问题的。

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学生：那么你是如何自况的呢？人们称你为思想家、诗人，你自己如何定位呢？

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有难度，慢慢看