Impacts of pollution heterogeneity on population exposure in dense urban areas using ultra-fine resolution air quality data

Traditional air quality data have a spatial resolution of 1 km or above, making it challenging to resolve detailed air pollution exposure in complex urban areas. Combining urban morphology, dynamic traffic emission, regional and local meteorology, physicochemical transformations in air quality models using big data fusion technology, an ultra-fine resolution modeling system was developed to provide air quality data down to street level. Based on one-year ultra-fine resolution data, this study investigated the effects of pollution heterogeneity on the individual and population exposure to particulate matter (PM_2.5 and PM₁₀), nitrogen dioxide (NO₂), and ozone (O₃) in Hong Kong, one of the most densely populated and urbanized cities. Sharp fine-scale variabilities in air pollution were revealed within individual city blocks. Using traditional 1 km average to represent individual exposure resulted in a positively skewed deviation of up to 200% for high-end exposure individuals. Citizens were disproportionally affected by air pollution, with annual pollutant concentrations varied by factors of 2 to 5 among 452 District Council Constituency Areas (DCCAs) in Hong Kong, indicating great environmental inequities among the population. Unfavorable city planning resulted in a positive spatial coincidence between pollution and population, which increased public exposure to air pollutants by as large as 46% among districts in Hong Kong. Our results highlight the importance of ultra-fine pollutant data in quantifying the heterogeneity in pollution exposure in the dense urban area and the critical role of smart urban planning in reducing exposure inequities.     

城市街道汽车污染扩散规律模拟研究

如何简单而准确地模拟城市街区污染的扩散规律,对于城市汽车污染控制决策具有重要的意义,从大量实测数据,分析了风速风向等影响街道峡谷污染物扩散的主要因素,采用丹麦开发的街道峡谷模式ＯＳＰＭ,对汽车污染扩散规律进行模拟研究。与北京实测数据对比结果表明,该模式较好地模拟昼间风速风向对街道峡保内汽车污染扩散的影响,比较准确地反映了峡保中流场的主要特征,以及汽车排放污染物的扩散规律,污染物浓度与风速的倒数摈心     

街道峡谷对近地层风场影响的观测和模拟分析

城市街道峡谷结构对近地面边界层的风场环流等气象要素具有重要影响,可导致城市局地空气污染分布发生变化.随着城市化发展及城市空气质量变化,街道峡谷的城市空气污染影响日益突出,分析街道峡谷内部风场成为认识和治理我国城市空气污染的一条重要途径.鉴于目前我国鲜有城市街道尺度大气边界层精细气象观测研究,本文分析了美国俄克拉荷马大学的街道峡谷精细气象观测数据及其FLUENT模拟.结果表明:街道峡谷内风场结构变化依赖大气背景风向,当背景风向平行于街道峡谷走向时,街谷两岸风速几乎没有差异,而在背景风向垂直于街道峡谷走向时,由于高空风进入街谷形成的涡旋气流对街道峡谷风场有补充作用,峡谷两侧中层高度风场差异变大,风速差值大约为0.5 m·s~(-1),且街道峡谷两岸风速差异得到了FLUENT模式的验证,但模式对迎风岸的风速模拟存在高估,模拟的中层高度处两岸风速差值为1.6 m·s~(-1).观测资料分析揭示大气边界层稳定度条件对街道峡谷内风场分布也有很大影响,中性稳定条件下街道峡谷两岸近地层风速差异最大,输送进入峡谷空间的风速增量比原峡谷内风速大约高1倍,其它稳定度条件下街谷两岸风速差异被削弱.     

应用OSPM模型计算太原市交通大气污染时空分布

文章以太原市机动车排放的实际数据结合气象因素与街道构造,采用OSPM模型计算了2008年太原市夏季（7月）与冬季（12月）车流量高峰期街道内的一次NOx与CO的小时浓度,验证了适用性,并使用模型对太原市55条主干道进行了扩散模拟计算,结果表明：OSPM模型可以较好地模拟太原市NOx与CO的扩散;太原市冬季交通大气污染物浓度要明显高于夏季;从空间分布上来看,污染物浓度基本与车流量分布一致;对比国家大气二级环境质量标准来看,太原市主干道NOx超标较为严重,夏季达到了83.64%,冬季达到了98.18%;夏季CO浓度计算结果全部在二级标准限值内,冬季超标率为16.36%。     

基于移动监测的城市街谷交通相关污染物浓度时空变化研究

为更好认识城市街谷内的大气污染特征和提供城市街谷优化设计的实证参考,本文以干旱区绿洲城市乌鲁木齐市北京南路为例,采用移动监测技术,分析了城市街谷大气污染物(CO、PM2.5)的时空分布,并识别其主要影响因素。结果表明:(1)早高峰空气质量优于晚高峰;交叉路口处污染物浓度普遍较低,但苏州路立交桥下污染物浓度较高;(2)两种污染物同源,其浓度与固定站点监测数据高度相关,风向与街谷成锐角时污染物浓度较低,风速较大时污染物浓度较高,污染物浓度与车流量相关程度较低;(3)街谷两侧建筑物高度比在[1.5,2)之间,污染物浓度较低,在[1,1.5)之间,污染物浓度较高;路网密度在[12,14)之间,污染物浓度较低,[12,14)之间的道路密度能够最大程度的降低街谷内污染物浓度。     

应用OSPM模式进行澳门街区峡谷污染评价

采用ＯＳＰＭ模式计算澳门城区街区峡谷内污染物浓度，进行污染评价．计算结果表明，对于高宽比较大的街区峡谷，ＯＳＰＭ模式有良好的适用性；在考察的时段内，澳门街区峡谷内机动车污染已经达到相当严重的程度，必须通过相应的措施进行控制．     

基于源区监测的城市地表径流污染空间分异性研究

通过对汉阳城区14个地表源区4次降雨径流过程水样的采集与分析,研究城市地表径流污染空间分异性及其影响因素,以期为地表径流污染的源区控制提供科学依据.结果表明,城市地表径流颗粒态COD、TN和TP分别占58%±17%、65%±13%和92%±6%,溶解态TN中NH 4+-N、NO 3--N和DON相当.不透水地表功能、交通流量、土地利用、人口密度以及卫生管理水平是影响城市地表径流水质空间分异的主要因素.土地利用对径流污染程度的影响是旧城居民区一般城区居民区/饮食区交通商业区新建区城市绿地,人口密度高和管理差的旧城区径流污染最重;道路地表径流污染程度与交通流量呈正相关,交通流量越高地表径流污染越重,1级交通干道2级干道支路.加强地表卫生的管理,并对地表径流污染产生的关键源区进行控制是减轻城市地表径流对水环境负面影响的有效途径.     

北京建筑施工裸地时空变化及扬尘污染排放

近年来北京城市格局逐步调整,伴随城市扩张与功能疏解,大规模建设工程使建筑施工裸地广泛分布于城市内部,施工扬尘带来的颗粒物污染已经成为影响空气质量的重要因素.选取北京平原区为研究区域,遥感反演了2013~2017年的建筑施工裸地,并分析了其时空分布特征.结合地面颗粒物浓度进行相关性分析,探讨城市建筑施工裸地对空气质量的影响.在此基础上,估算北京平原区2013~2017年建筑施工裸地的扬尘排放量.结果表明,北京建筑施工裸地沿中心城区向四周辐射,呈现出环形的带状分布,以城乡结合部最为集中.2013~2017年建筑施工裸地面积呈现先减后增的变化趋势,2015年后重心向东南偏移,逐步呈现出不均衡的分布特征.建筑施工裸地面积与PM10呈正相关,23个地面自动监测站点的相关系数均在0.80以上.2017年北京平原区建筑施工裸地颗粒物排放量核算结果如下:TSP排放量为39.5×10~4t、PM10排放量为19.4×10~4t、PM_(2.5)排放量为4.0×10~4t.单元网格的建筑施工裸地颗粒物排放强度向两级化发展,建筑施工裸地的局部集中导致高污染单元网格排放强度进一步增大.以标准化的PM10网格排放量为依据,将北京平原区分为低污染排放区、较低污染排放区、中污染排放区、较高污染排放区及高污染排放区5个级别,分级管控可以更有效地减轻扬尘污染影响.     

基于GIS技术的城市道路机动车流量阈值研究

针对城市中心道路机动车流量增加带来的大气环境污染问题,探讨区域机动车流量与污染物之间的关系。分析交通污染源强、道路几何条件和气象条件,建立基于ARCGIS重点区域机动车通行容量模型,用于计算城市重点区域机动车通行量阈值。以桂林市城市中心主要道路为例,分析区域不同空气质量等级下交通量限值,为环境及交通管理提供了决策支持依据。     

街道峡谷内不同车道污染物扩散的数值模拟

为掌握不同位置车道污染物的扩散规律,提出降低街道峡谷内居民与行人交通源暴露水平的可能途径,采用二维k-ε两方程模型和组分输运方程对典型结构双车道街谷内的流场与不同车道污染物的扩散进行模拟,模拟结果与风洞试验结果相符合. 研究发现:迎风车道的污染物更易于向街道峡谷外部扩散;不同位置车道的污染物均在背风侧堆积,可使两侧人行道暴露水平相差5倍. 街道峡谷底部污染物分布对车道位置较敏感,车道位置向街道峡谷中部靠拢,将使得背风建筑物底部及人行道的污染物浓度明显降低;迎风侧污染物浓度对车道位置不敏感,但当车道位置处于迎风侧次级旋涡内时,将导致迎风建筑物底部及人行道的污染物浓度近乎成倍增长. 将车道位于街道峡谷中部,优先采用道路两侧绿化,是增加行人舒适度和减少行人交通源暴露水平,并改善大楼低层住宅及底部出入口、临街商铺等人群活动区空气质量的可行途径之一.      

上海城市街道峡谷道路绿化模式研究

街道峡谷在上海城市中普遍存在,街道峡谷中污染气体的扩散受到屋顶风向、风速、高宽比、峡谷两侧建筑物的对称性、高度分布和街区形状等因素的影响。文章对适合于不同街道峡谷形式的、较为典型的道路绿化模式进行了研究。结果表明,上海城市街道峡谷中的道路绿化模式可归纳为:梯级递进式、斑块复合式、疏朗开敞式、模纹花镜式和独立行道树式5种。当街道峡谷与主导风垂直:(1)街道峡谷的W/H>5且为平行型峡谷时,绿化模式应采用梯级递进式或疏朗开敞式;(2)街道峡谷的W/H为0.6～5且为平行型峡谷时,绿化模式在迎风侧采用流朗开敞式、背风侧采用模纹花镜式,或者两侧都采用模纹花镜式;(3)街道峡谷的W/H<0.6且为平行型峡谷时,绿化模式应采用模纹花镜式或独立行道树式;(4)街道峡谷的W/H<0.6且为递升型峡谷时,绿化模式在迎风侧采用斑块复合式或模纹花镜式,背风侧采用模纹花镜式或独立行道树式;(5)街道峡谷的W/H<0.6且为递降型峡谷时,绿化模式可采用模纹花镜式或独立行道树式;当街道峡谷与主风向平行:宽、高比大的街道绿化模式应采用梯级递进式或斑块复合式,当街道峡谷的高度是宽度的倍数时,道路绿化宜采用疏朗开敞式或独立行道树式。     

交通仿真与GIS在尾气扩散模拟中的应用研究

以机动车尾气扩散模型为核心,采用集成微观交通仿真平台PARAMICS和地理信息系统建立城市道路交通环境模拟系统(UTESS)的方法,将交通仿真技术与GIS技术应用到机动车尾气污染扩散模拟中。以广州市为例,给出了该系统的验证过程与应用实例。文章通过模拟道路下风侧接受点逐时的CO与NOX浓度进行验证,模拟值与实测值的平均相对误差分别为25.1%和15.6%;应用实例采用UTESS模拟路网上空10m高度的CO浓度分布,模拟结果较好的反映了不同路段交通流对CO浓度空间分布的影响。     

城市街区大气流动与汽车尾气扩散的三维数值模拟

道路交通已成为现代城市的主要污染源，利用数学模型预测汽车排放污染物对大气环境的影响成为主要手段。针对一个典型城市街区的大气流动和汽车排放物扩散问题进行三维数值模拟分析，揭示了污染物在不同高度建筑物。不同宽度街道和十字道路所组成的街区峡谷内外的大气流动和污染物迁移扩散特征，同时反映了街道走向的影响。研究表明：由于受街道布局和大气边界层的影响，污染物主要集中在街区峡谷内（特别是近地面附近)难以扩散，易造成局部高浓度污染；由于流场的非均匀性和三维特征，污染物浓度呈现非均匀扩散特性。     

澳门半岛近岸海域水质时空变异分析

采用聚类分析和判别分析技术对澳门半岛近岸海域22个监测点2000~2005年期间的监测数据进行水质时空分析,旨在识别澳门半岛近岸海域水质时空变化特征,从而为澳门半岛水质监测网络的优化和近岸海域水质的控制提供支持.监测点位取样时间聚类结果可分为6~9月和1~5月、10~12月2组,与传统的4~9月和10~3月的丰、枯水期划分存在差异;按采样点位的空间聚类结果显示,第1组的监测站点都位于西侧,第2组的监测站点都位于东侧和南侧.通过后退式判别分析,表征空间差异性的显著性指标为pH、氯化物、TSS、颜色;表征时间差异性的显著指标为总磷、氯化物、颜色、氨氮、溶解氧、化学需氧量.空间与时间差异性判别的正确率分别达到84.82%和76.57%,显示后退式判别分析具有较好的指标降维能力和判别能力.     

Effect of short-term regional traffic restriction on urban submicron particulate pollution

During the 2013 and 2015 Lanzhou International Marathon Events(LIME1 and LIME2),the local government made a significant effort to improve traffic conditions and air quality by implementing traffic restriction measures. To fill the gap in information on the effect of short-period(several hours)traffic control on urban air quality,submicron particle size distributions and meteorological data were measured simultaneously during June 2013 and June 2015 in urban Lanzhou. The number and surface area concentrations of particles in the100–200 nm range declined by 67.2% and 65.0% for LIME1 due to traffic control,while they decreased by 39.2% and 37.1% for LIME2. The impact of traffic restriction on air pollution near the sampling site lagged behind the traffic control period for LIME2. In addition,the effect of traffic restriction on air pollution near the sampling site was dependent on the distance between the relative orientation of the sampling site and traffic-restricted zones,as well as meteorological conditions such as wind direction. The influence of traffic restrictions on the particle concentrations differed for different particle sizes. The size range most affected by traffic restriction was 60–200 and 60–300 nm for number and surface area concentrations in the urban environment,respectively,while for the particle volume concentration it was the 100–600 nm range. This study will provide a basis for implementation of future urban traffic-induced particulate pollution control measures.     

WRF-Fluent耦合模式的构建及其对城市大气扩散的精细化模拟

为了准确刻画城市环境中的复杂建筑结构对大气运动和污染物输送及扩散过程的影响,结合中尺度模式WRF和微尺度模式Fluent构建了单向耦合的WRF-Fluent模式,并将其应用于榆中县城区高架源排放情景下大气扩散的模拟研究.基于城市气象/示踪外场试验期间获取的气象数据对WRF模式的模拟性能进行验证,发现WRF能够为Fluent提供比较准确的随时间变化的气象驱动场.在此基础上,将榆中县城区三维几何模型嵌入到WRF-Fluent中,对城区内的流场及污染烟羽的时空演变过程进行精细化模拟,并将模拟结果与实测示踪物浓度数据进行比对.结果显示,WRF-Fluent模式可以很好地描述城区内的复杂三维风场结构以及污染烟羽随时间的动态变化特征,而且模拟的地面和城市冠层顶浓度最大值基本位于观测值的0.3~3倍之内,这表明构建的WRF-Fluent模式具有较好的模拟性能,可作为一种有效的工具应用于实际城市规划和空气质量改善以及环境风险评估等方面的研究.     

城市空气中铅在国槐树体内的积累

研究了山西省太原市、榆次市和太谷县城3个规模大小和污染程度不同的城市,主要街道两侧行道树国槐杖叶内铅内铅的含量．结果表明：国槐对街道污染空气中的铅有很强的吸收和富集作用．枝条内含铅量与街道上交通车辆密度呈正相关,最高含铅量区域在太原市火车站和五一广场一带从市区中心向郊外延伸空气污染强度减弱,国槐枝叶内含铅量也呈梯度降低趋势3个城市的国槐枝叶内含铅量与其污染强度相吻合一年四季国槐都能通过枝、叶吸收和积累铅污染物,但其含量与树木生理活动、生长周期密切相关     

Optimal Area Use in Orb Webs of the Spider Araneus diadematus

 We studied the abilities of the garden cross spider Araneus diadematus regarding adaptation of web geometry to spatial constraints. Spiders reacted to a spatial reduction in their building site from a square-shaped frame to a slimmer, rectangular frame (side ratio 1 : 2) by maintaining overall web geometry while reducing the web area covered by the sticky capture spiral. However, when the frames were changed further to a rectangular side ratio of 1 : 3, the spiders changed specific web properties in such a way that a further reduction in the capture spiral area was prevented. Construction of the threads making up the web frame and the auxiliary spiral requires that the spider explores the spatial constraints of its building site. The geometry of both frame and auxiliary spiral threads in turn determine the geometry of the capture threads. Since in very narrow frames the spider adjusted the auxiliary to suit the subsequent capture spiral, we suggest that an initial spatial survey led to the final adaptation of overall web geometry to a web site. Received: 26 April 1999 / Accepted in revised form: 26 November 1999     

全国空气资源评估及其与空气质量相关性分析

利用WRF耦合CALMET模式对大气环境系统进行解析,计算全国范围36 km×36 km分辨率通风扩散系数分布,作为空气资源禀赋评估的依据.评估结果表明,全国区域空气资源禀赋整体呈现东低西高,南低北高,内陆闭塞区低,沿海平原地区高的分布趋势.同时,存在三大空气资源禀赋优质区,一是位于河北与山西交界处的太行山脉和东北三省的长白山区域,二是位于西北部青海、新疆和西藏三省交界的昆仑山脉和唐古拉山脉区域,三是位于山东半岛、长三角和珠三角区域的沿海蓝色经济带区域.在此基础上,采用CALPUFF模型,结合观测数据,选取重点城市定量测算空气资源禀赋空间分布的差异性对城市空气质量的影响.以北京为参照,空气资源禀赋对成都、上海、青岛、郑州、广州等各城市群空气质量改善的相对影响程度分别为0.2%、13.2%、25.9%、29.1%和39.4%.     

基于互联网大数据的成都餐饮源细颗粒物排放空间分配研究

餐饮过程排放的废气正成为大城市大气污染的重要来源之一.根据成都市2013年排放清单更新的研究成果,综合运用本地化的餐饮排放因子、排放活动水平的调查成果和成都市统计年鉴的统计数据等信息,对成都市餐饮源的PM_(2.5)排放总量进行了估算,其结果为4740 t·a~(-1).为了对区域的餐饮废气排放进行空间分配,本文抓取了互联网兴趣点POI信息.通过这些信息,对成都市的社会餐饮、学校食堂餐饮和家庭餐饮的空间来源进行了表征,对成都市生活源中餐饮污染物排放的空间分布规律进行了探索,并提出了新的餐饮源高分辨空间分配方法.结果表明,基于POI空间分配的2013年成都餐饮源单位面积年排放强度均值为0.29 t·km~(-2)·a~(-1),主城区均值为3.47 t·km~(-2)·a~(-1),全市的排放量分布区间为0~35.7 t·km~(-2)·a~(-1).互联网POI信息可以作为研究城市餐饮源空间分布的重要数据来源,在实际应用上更适于表征社会餐饮点源污染.