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1、城市化环境大气污染模型动力学问题X徐祥德(中国气象科学研究院,北京 100081)提 要 城市化环境大气污染动力学问题是城市环境大气污染形成机理及其治理原理研究中核心理论问题,该文从城市化环境大气污染各类复杂的交叉影响因素角度,初步描述了城市环境大气多尺度相互作用;城市建筑群及其周边地形影响;下垫面及陆面过程对城市环境大气动力结构形成的影响效应;城市环境水-土-气污染形成的多圈层相互作用等问题。并且综合分析探讨了城市环境大气污染的动力学特征及其影响作用。通过理论问题的讨论,给出了本项目开展的 BECAPEX 现场观测试验的设计实施和城市污染/大锅盖0特征结构研究的科学问题。关键词:环境 大气污
2、染 多尺度 多圈层 建筑群1 城市大气环境多尺度特征 21 世纪的今天,人类生存环境科学研究已经到了不可忽视的程度。而城市化环境是当前人类生存科学研究的更为重要的组成部分。环境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,造成重大伤亡。进入 20 世纪,特别是二战以后,工业、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。从 30 年代到 60 年代,一些工业发达国家,曾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
3、件;日本富山事件;日本四日市事件;日本米糠油事件)。1970 年 4 月 22 日,美国环境保护主义者还推动了2000 万人游行,首先打出了/环境保护0旗号,这一历史事件宣告/先污染、后治理0导致环境恶化不能再继续 1。城市环境污染问题研究领域广泛,首先城市内单体空气污染源直接造成微尺度和区域尺度的污染物传输,这种污染在特定的气象条件下易于造成严重危害,尤其是在城市大气多尺度环流系统的相互作用下城市点源、线源、面源空气污染等混合、扩散,并通过不同时空尺度的化学成分转化及光化学过程,形成污染的时空多尺度分布特征。污染物多尺度传输呈城郊及周边地区远、近距离输送。经济发达区域多个城市可构成/城市群0
4、,其城区与郊区排放源之间的污染扩散、混合或特大城市之间的羽流影响效应,构成区域性大范围污染扩散、混合现象。如酸雨,大量的气溶胶、温室气体进入对流层后,经大尺度环流的动力效应,形成污染物的远距离输送和二次污染物再扩散。研究表第 13 卷 特刊 2002 年 1 月 应 用 气 象 学 报JOURNAL OF APPLIED METEOROLOGICAL SCIENCE Vol.13,Suppl.January 2002X本研究得到5国家重点基础研究发展规划6项目:首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理(项目编号:G1999045700)的资助。2001-08-03 收到,2001-
5、11-05 收到修改稿。明,直径在 1 Lm 左右的气溶胶粒子寿命最长。在对流层下部,稳定气溶胶粒子(直径在0.1 10 L m 范围内)的寿命约为 1 个星期;在对流层上部,这一数字为 1 个月;在平流层中这部分粒子的寿命可达数年。在对流层下部直径大于 10 Lm 和小于 0.01 L m 的粒子的寿命均小于 1d 2。例如庐山云雾水中离子浓度和上风向污染源关系密切,其主要通过气溶胶的输送而影响云雾水成分 3。区域性及局地尺度污染传输最终也可扩散到城市周边地区,并远距离传输到其它相关区域,且由于城市周边地形的/山谷风0与其它局地环流的日变化,另外,城市尺度的热岛效应亦可加剧城市与郊区周边之间
6、大气污染物空间分布变化及其相互影响效应。因此,在污染严重的大城市上空,城市边界层积聚着各种各样的排放气体,好象是污染物充满天幕的/大锅盖0,覆盖整个城市,甚至周边地区构成连成一片大范围城市群污染覆盖层结构。在大气风温湿特定条件下通常污染物以城市烟羽的形式被传播到下风方(Oke,1982;Hanna 等,1987),烟羽范围可以向下游输送数百公里远4、5。综合分析北京污染过程地面观测与卫星 TOMS 反演可吸收气溶胶指数高值区域逐日动态变化,可发现卫星反演气溶胶分布与天气系统动态演变的相关性,例如,2001年 2 月 20 24 日北京一次污染过程,当时北京处于西南气流之中,相对北京地区污染现场
7、观测高值时段(图略),卫星 TOMS 反演气溶胶高值区自南缓慢北推,随后南压。其气溶胶指数高值区北京及其城郊周边地区呈连成一片的区域性特征(图 1)。图 1 2001 年 2 月 21 日卫星资料气溶胶反演指数和底层(925 hPa)流场分布(阴影处为卫星 TOMS 资料气溶胶反演指数相对高值区域)城市/热岛0中尺度热力环流特征等现象对局地污染物动态分布的影响效应十分重要。城市局地尺度或微尺度(包括城市小区、街道尺度的街区污染源排放及汽车尾气等气体扩散与街道局地建筑物动力综合效应)与城市区域尺度之间动力、热力相互作用过程,对城市大气污染物的迁移、转化、扩散等各类影响效应亦是十分显著的(图 2)
8、。上述多尺度区域性污染特征改变了城市及/城市群0的经济圈形成的局地大气辐射分布特征及其热量平衡,影响了城市边界层以其经济圈的环境气候动力、热力结构影响下的环境污染时空2 应 用 气 象 学 报 13 卷 变化。因此,城市大气多尺度动力学影响及其大气环境物理、化学反应过程均是解决城市环境问题的关键。图 2 大气污染研究多尺度时空分布和运动规律特征2 城市建筑群及其周边地形影响效应城市气象灾害主要有风灾、雾灾、雷电、局地暴雨等均与城市建筑动力效应相关,例如,城市建筑群/风洞0效应亦可形成街区局地强风异常。例如,特大火灾常与城市局地大风有关,特别是空气干燥时,城市局地大风更易诱发城市火灾,造成危害。
9、所以,街道高层建筑动力效应及其街道尺度流场影响亦是研究城市污染扩散,甚至是风灾与火灾理论模型关键环节。因此,开发城市建筑群/数字风洞0研究是解决上述技术难点的途径与有效工具之一。城市的最大特点是有高耸的建筑群落,大多数城市常常是依山或傍水。城市建筑群布局及其周边山体、水体或其它大地形对大气环境动力扩散影响效应是形成某些城市环境气候特征的重要背景。城市的出现和扩大,城市密集建筑群、街区道路纵横水泥路、高架桥等取代了自然地表,城市上空环流在楼群林立的环境中形成/树冠0动力效应。按照植物林冠来推论,屋顶和地面之间的边界层部分可以通称为城市冠层(Oke,1987)6。它使街区地表风场改变,建筑群及街道
10、可导致湍流加强,也可形成显著的局地/狭管动力效应0,水泥路代替地表绿地形成城市/干岛0/热岛0环境,改变局地动力、热力结构及其特定的污染动力扩散条件。城市周边大地形影响往往形成某些城市环境污染物扩散的/瓶颈0问题,例如兰州市地形与兰州市可持续发展及其环境影响问题亦是当地讨论城市发展的关键/热点0,北京市处于北面倚山,南部平原的/马蹄型0山谷地带。北京城郊及周边地区在特定的气象背景下存在远、近距离污染物输送、扩散以及周边地形/山谷风0日变化等动力作用,其综合作用显然对北京地区的污染物在城郊/马蹄型0谷地内的动态/旋0运动与/堆积0现象有显著影响,北京市区域性污染问题与城市周边地形特征存在显著的相
11、关影响。对于北京3 特刊 徐祥德等:城市化环境大气污染模型动力学问题 城市建筑群的发展,加之目前北京市多圈环型高速公路两边高楼林立的建筑布局,在不同的气象背景下,这些局地城市群结构影响亦是不可忽视的因素。图 3 表明,1959 1980年为西北及偏南两类主导风向(黑色箭头),而近 10 年 1981 1998 年亦有变化,即转为偏北及偏西南两类主导风向(白色箭头)。由此可见,当地季节性盛行风(称高频风向)与郊区或周边工业排放源布局两因素的配置,加上城市周边及市区类似向南开口的/马蹄型0地形或建筑群复杂动力作用将显著影响北京城区大气污染形成与分布。显然,上述地理、气候以及城市发展格局等诸多方面的
12、影响,是否可能会导致北京地区污染/堆积0、/迁移0以及/减缓0的短期或持续影响效应?因此,对于城市周边的影响问题,我们需采用/点、面结合0的方法,将局地的大气化学与边界层动力特征观测与 MODIS、T OMS(图 1)等卫星遥感资料相结合,以便综合追踪分析城市环境污染周边影响效应。图 3 北京城市建筑群、周边大地形与主导风向的配置关系示意图(图内中心部位白色框内淡色阴影处为城市建筑群分布,深色阴影为卫星遥感北京周边山脉分布,黑色箭头为 1959 1980 年主导风向,白色箭头为 1981 1998 年主导风向)3 城市下垫面及其陆面过程大多数情况都是随着城市发展造成人为热源加剧。城市的发展使不
13、渗水的水泥道路和建筑材料取代了天然的土壤与植被,改变地表与地下水径流,蒸发与空气湿度结构,地表反照率分布,并使热传导和热容量变大。这均形成了城市特殊的大气)土壤)水文动态平衡特征,地表辐射平衡以及能量、水分循环。在调节热量的绿地减少的同时,高速公路和高大建筑群增加,土地或植被被混凝土和沥青所覆盖,白天地面日照增温,夜里释放热量,而且日趋增多的汽车尾气排热,高层建筑群暖气或空调排出热能等,使大城市近地层的总体热量平衡状态发生显著变化,且城市下垫面热力结构亦具有很显著季节性准周期特征。观测分析表明百万或百万以上人口的城市最高气温相对市郊偏高程度与城市人4 应 用 气 象 学 报 13 卷 口总数呈
14、正相关关系(Oke,1982;Katsoulis和 T heoharatos,1985)7。城市居民、工业能源消费剧增,城市环境大气的动力、热力结构与乡间自然环境差异日益增大,城市原来人类生活的自然环境遭到破坏,形成了人类活动影响下的特殊局地气候特征,尤其造成城市局地/热岛0或/热岛群0特征,如图 4 所示。根据变分原理,卫星遥感反演数据与地面气温实测值的偏差场为 CR(x,y),可通过变分订正因子场 CR(x,y)函数,构造泛函 J*满足如下趋于极小值条件:图 4(a)1999 年 12 月 9日 04:00 采用北京气象自动站及卫星资料变分处理的地面温度城市热岛分布(b)北京市及周边区域地
15、表特征分布图(阴影区为城区主体水泥下垫面特征区)J*=kDCR-C R2dx dy y min(1)即:J*=kDCR-C R2+K9CR9x2+9CR9y2dx dy(2)其中 K为约束系数,上式可写为D J*=DE ECR-C R2+K9CR9x2+9CR9y2=0(3)其对应的 Enler 方程为5 特刊 徐祥德等:城市化环境大气污染模型动力学问题 CR-C R-K92CR9x2+92CR9y2=0(4)其中K 亦为约束系数 用选代法求解上述 Enler 方程数值解,便可得到经变分订正的地面温度 CR(x,y)分布场图 4(a)为采用卫星遥感资料,经北京地区自动气象站地面温度实测资料变分
16、订正求取的地面气温/热岛0分布与 MM5 模式计算的城区水泥(楼层顶及路面)地表特征分布图4(b),比较图 4a 与 4b,两种方法的结果十分类似。因此,研究城市化下垫面及陆面过程特征及陆面影响问题,需从城市人类活动影响区域热量平衡失稳特征及其城市多类/动态0与/准静态0热源非线性或准周期性变化时空分布着手,探讨其影响规律及其动力、热力成因,建立城市环境气象动力学模型。4 城市大气边界层模型1952 年 12 月 5 9 日,英国伦敦上空连续烟雾迷漫,造成震惊世界的烟雾事件,使四千人死亡,主要原因之一是当时地面无风,城市近地层形成特殊持续的城市逆温层,致使城市边界层污染物不易扩散,引发严重污染
17、中毒事件。当前,在气象研究领域中城市边界层的结构特征及其城市局地环流问题越来越引起广大学者的关注。但由于城市下垫面及各种排放源过程的复杂性、城市观测手段的限制,人们对于城市内部的边界条件、初始条件以及各种物理过程的参数化仍缺乏足够的认识,还需要我们作大量的工作。城市经济的快速发展和城市建设的日新月异,使城市边界层研究更具有重要性和长期性。城市大气边界层是近代气象学的重要课题之一,也是城市环境污染原理的基础。虽然边界层控制方程组也遵循质量、动量、能量、水物质守恒以及其它气体或气溶胶等物质守恒。城市边界层下垫面陆面特征异常,即城市水泥道路、建筑群顶下垫面的感热、潜热输送及其能量、水分循环特征均与自
18、然状况存在很大差异。在市区中,由于建筑群和街道的巨大热容量,以及运输所释放的热量和空间加热作用,致使混合层热力结构呈显著的日变化特征,即混合层会整夜持续。黄昏前市内观测不到近郊出现的那种浅稳定边界层;黄昏后,当近郊稳定层比城市建筑群影响高度深厚时,虽然市内空气浅层可以保持完全混合状态,但它已被稳定层所覆盖(Godowitch 等,1985)8。城市边界层逆温层类似/大锅盖0效应条件下,大气由于局地/热岛效应0可形成城市相对低压以及由郊区指向市中心辐合流,形成城市边界层热岛垂直环流。这种/热岛强迫环流0具有中尺度系统特征。若多个发展城市相对集中,可能还会构成相对强度不同的多个中尺度热岛强迫环流;
19、随着城市发展下垫面湍流、热力结构变化及其城市周边环型路两侧建筑群(北京三环、二环路等)/闭合筒壁0效应,有可能使城市边界层结构及其污染物分布特征越来越复杂,构成了城区/空气穹隆0动力结构综合物理图像(图 5 所示)。由于城市化下垫面陆面、水体、植被结构改变及建筑群流体动力特征,尤其城市建筑群的总体/树冠0效应,显著地改变了城市下垫面的粗糙度 Z0,城市热岛形成的特殊热力下垫面、粗糙度及/树冠0效应特征,可导致城市局地多尺度环流和湍流结构的特殊性和局地性,强对流泡及其热力、机械湍流过程及城市大6 应 用 气 象 学 报 13 卷 气环境的多尺度与陆面过程特殊性使城市边界层动力、热力结构极为复杂。
20、图 5 城区空气穹隆动力结构综合示意图 上述问题的研究是解决城市区域大气数值预报模式及其治理原理基础理论的重点环节。城市大气环境模式中如何进行参数化设计以描述城市边界层及复杂的陆面过程?如何设计城市大气动力-物理-化学过程耦合模式?如何嵌套大尺度、中尺度区域以及街道区域模式?这些均构成城市环境污染预报数值模式设计中的技术难点与关键科学问题。城市污染控制方案对城市进行功能分区,限定大气污染物在各功能区的排放总量,是对大气污染进行控制的一个有效方法。目前尽管有许多模式可以应用,但是一般各模式都有各自对应的特殊对象。例如 Pandolfo 等9早在 70 年代初就使用三维边界层动力学、热力学和扩散预
21、报方程来模拟和预报城市大气的污染状态。为此,近年来中尺度气象和边界层数值预报模式配合烟团扩散、随机扩散过程和化学过程组成的大气污染预测模型被广泛用于城市大气环境污染预测与调控方案的业务与研究 10。如加拿大 MC2-CSLGRID模式系统 11,德国 EURAD 大气污染预报系统 12,挪威 NOX、O3的光化学模式等 13,考虑了大气动力中尺度过程、光化学过程以及污染物的扩散传输、干湿沉降和化学反应方程式。中国气象科学研究院建立了非静稳多箱格大气污染浓度预报和潜势预报系统CAPPS 14,该模式可在无污染源强资料的条件下预报城市空气污染潜势指数和污染指数。其中 CAPPS 模式系统的气象背景
22、部分由改进后的 MOMS(中国气象科学研究院中尺度业务试验数值模式系统)15、16提供。CAPPS 系统目前已在全国 47 个污染预报重点城市及部分专区气象台实施业务服务。在国家/八五0与/九五0自然科学基金委员会研究项目/长江三角洲低层大气物理化学过程及其与生态系统相互作用0等研究工作基础上,中国气象科学研究院大气-化学-陆面过程耦合细网格,多层嵌套模式已在长江三角洲气候-环境-生态的试验及/9730北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理研究项目研究中取得成功试验及其模拟效果17、18。对于上述各类城市环境污染数值模式总体设计思路需考虑城市大气环境多尺度特征,陆面过程、边界层动力、
23、热力及其相互7 特刊 徐祥德等:城市化环境大气污染模型动力学问题 作用的复杂结构,包括城市/热岛0、建筑群粗糙度/树冠0效应,以及城市特殊下垫面能量、水分平衡,湍流混合结构等,并需深入了解城市动力-物理-化学过程耦合作用,包括在城市大气动力过程的背景下,城市边界层污染物的扩散、传输、迁移以及化学反应与光化学反应等综合相互作用过程,建立如图 6 所示的城市大气环境预测系统。图 6 城市大气环境预测系统框架5 城市环境多圈层作用解决城市环境污染问题,不仅要抓住环境大气中污染物的各类运动形态的动力学特征及其物理、化学过程,而且需要从城市水、土、气多圈层的作用下的/开放系统0来认识环境大气污染物的时空
24、分布特征。例如对于城市重点水库的污染防治问题,不仅需要考虑水库水体内污染物的含量水平,分布规律和赋存状态,而且要综合分析水库的各类污染源,即水、土、气环境因素相互影响特征。探索水库水体环境变化过程中水库周边及更大范围相关地区地下水的径流、渗透以及水系污染源的交叉影响。还要考虑水库周边土壤污染物的迁移、转化,包括水库周边矿区废料、垃圾等污染渗漏、扩散等影响因素,尤其还要考虑远距离及周边地区大气污染物通过沙尘、扬尘、空中输送、搬运沉降过程。文献 19 采用轨迹模式计算表明,2000 年 3、4 月沙尘暴影响北京的沙尘天气主要呈 3 个主体输送:第一输送路径为西北偏北方向(包括 3 月 18、27
25、日 2 条路径);第二输送路径为西北方向(包括 3 月 23 日,4 月 6、9、25 日 4 条路径);第三路径为偏西方向(包括 3 月 3 日、4月 3日 2条路径)。这与卫星监测结果较为一致。沿途经过地区主要有蒙古国中部、戈壁、黄土高原,以及内蒙古东部和河北北部(图 7 所示)。上述沙尘暴过程表明,某区域环境污染(包括水库水质安全问题等)不仅来自当地小环境的各类影响,而且受到远距离地区环境状况的遥相关的影响。另外,降雨中干、湿沉降均能持续影响水库的水体环境质量8 应 用 气 象 学 报 13 卷 的累积效应(图 8 所示)。因此,研究类似上述水库等城市环境污染重点问题,需以环境动力学研究
26、为主线,根据大气、水、土区域环境污染的特点,从多圈层相互影响的开发系统原理出发,设计水、土、气综合监测系统,在城市区域开展以水库及其上游地区和城市/空气穹隆0或称为/污染大锅盖0为重点观测目标的多部门联合试验,探讨解决城市/碧水、蓝天、净土0的形成机理及治理、调控技术原理等关键科学问题。图 7 2001年 3、4月影响北京沙尘暴过程的路径图图 8 库区水-土-气复合污染途径示意图 城市大气环境从本质上反映了城市水-土-气介质的多圈层相互作用,城市水-气与土-气均可通过大气干、湿沉降过程及其土壤、水体污染物的迁移、转化过程所产生相互影响。9 特刊 徐祥德等:城市化环境大气污染模型动力学问题 城市
27、水-土-气多圈层相互影响本质上描述了复杂的城市大气动力-物理-化学耦合过程。6 BECAPEX 城市空气污染现场观测试验国家科技部 973 项目/首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理0项目在 2001 年 1 2 月及 3 月上旬实施了/BECAPEX0(Beijing City Air Pollution Observa-tion field Experiment)大气环境科学试验,BECAPEX试验将城市边界层气象观测与大气化学观测进行同步试验,通过综合立体观测,卫星遥感-地面观测,即点-面结合的技术途径,以揭示北京城市污染空气穹隆大气化学结构特征及其变化规律。北京地区大气
28、污染现场科学试验选择 2 月 20 24 日一次大气污染过程,试验目标是对北京城区冬季大气污染边界层结构及物理化学过程进行综合观测研究。现场试验边界层大气结构观测网布局为北京城郊南北剖面上的四环路的遥感所、建国门古观象台、方庄小区、南郊大气探测基地、石景山区福田村(石景山北部)和朝阳金盏乡郁金香花园(朝阳东北方)6 个观测点。实施了对大气风向、风速、温度和湿度廓线探测,其中 4 个观测点采用系留气艇探测,2 个观测点采用大气廓线仪探测到观测期间连续的风、温廓线(图 9)。图 9 BECAPEX 试验北京大气边界层物理化学监测试验站点布局10 应 用 气 象 学 报 13 卷 BECAPEX 试
29、验加强观测期(IOP)2月 20 24 日观测时段,分别在双榆树小区、车道沟、莲花小区和方庄小区四座高层建筑的楼顶及选择层次设置大气化学观测点,使用美国T E 公司生产的空气污染监测仪器(43C 脉冲萤光 SO2分析仪、42C 化学发光法 NO-NO2-NOX分析仪、48C CO 分析仪和 49C 紫外发光O3分析仪)进行了SO2、NOx、O3和CO 含量的连续观测。利用系留气艇携带空气采样器对垂直剖面 SO2和 NO2进行了观测,利用系留气艇对 O3垂直剖面进行了观测。在中国科学院大气物理研究所的320 m 铁塔上10 个不同高度,使用无动力扩散采样器(简称挂片)对 SO2和 NO2垂直分布
30、进行日平均总量观测。图 10 描述了城市污染/大锅盖0气粒转化过程气溶胶分布结构以及/大锅盖0污染气体排放源特征及铁塔-楼层-地面自动监测系统。BECAPEX 科学试验观测还设计了重点目标,实施城市污染大气化学观测分析试验。图 10 城市/大锅盖0中污染物化学特征结构 为北京/蓝天碧水0工程提供重点观测数据和研究,这次观测试验还涉及并实施解决几个环境污染中的大气化学关键科学问题与技术难题。设计的观测试验尽可能地为城市环境大气化学模式研究提供基本的科学依据,给出化学、物理过程各种参数,为提高城市环境大气)化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供观测依据。这项研究将进一步深化对北京及周边地区城市环境动
31、力学理论与大气污染机理和调控原理的认识。致谢:本文完成过程及其/BECAPEX0城市环境现场观测科学试验得到周秀骥院士多方指导,在此谨致谢意。参 考 文 献1 乔致奇.大气环境和环境影响评价.北京:气象出版社,1998.1 12.2 王明星.大气化学.北京:气象出版社,1999.180 183.3 丁国安,纪湘明.庐山云雾水化学组分的某些特征.气象学报,1991,49(2):190 197.4 Oke,T R.The energetic basis of the urban heat island.Quart.J.Roy.Meteor Soc.,1982,108:1 24.5 Hanna S
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33、heoharatos G A.Indications of the urban heat island in Athens,Greece.J.Climate App l.Meteor.,1985,24:1296 1302.8 Godowich J M,Ching J K S,Clark J F.Evolution of the nocturnal inversion layer at an urban and non-urban location.J.App l.Meteor.,1985,24:791 804.9 Pandolfo J P,Jacobs C A.CEM Report R90a.
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38、ng 100081)AbstractT he dynamic issues of urban atmospheric pollution are the core of the research on urbanatmospheric pollution mechanisms and principles for improving.The mult-i scale interactionof processes in the urban atmosphere,the effect of building blocks and their surroundinglandform,the eff
39、ect of the underlying surface and land surface processes on the urban atmo-spheric dynamic structure,the cross-sphere interactions caused by urban water-soi-l air pollu-tion,etc.,are discussed.A comprehensive analysis is given on the dynamic characteristicsand impacts of urban atmospheric pollution.Based on these theoretical discussions,the de-sign and implementation of the BECAPEX field experiment and the structure of/big canopy0are described.Key words:Urban environment Atmospheric pollution Model dynamics12 应 用 气 象 学 报 13 卷