為了治理中國如北京等大城市嚴(yán)重的大氣污染,，前不久有關(guān)氣象部門的專家提出建立“城市風(fēng)道”，利用打通的街道幫助空氣流通的設(shè)想,。據(jù)說,，正在修訂的北京城市總體規(guī)劃中將有專門章節(jié)闡述有關(guān)“城市通風(fēng)街道”內(nèi)容。不僅是北京,，杭州,、上海、南京,、株洲,、貴陽、福州等多個(gè)城市,，也傳出將進(jìn)行城市風(fēng)道規(guī)劃,，治理大氣污染的消息。
考慮到建立城市水平風(fēng)道的難度和無法隨意獲得風(fēng)源的情況,，法籍華裔計(jì)算機(jī)專家,、本文作者李小波博士提出“建立垂直風(fēng)道，利用煙囪效應(yīng)和太陽能產(chǎn)生風(fēng)力,，解決北京空氣污染問題”的大膽設(shè)想,。
大氣環(huán)流和霧霾聚散
筆者發(fā)現(xiàn)，霧霾在北京周圍聚集,，其消散完全靠風(fēng),。到了冬季，風(fēng)力小于三級的天氣非常多,，霧霾往往在北京聚集一周,，濃度一日甚于一日，PM2.5的指數(shù)從300到500,，甚至飆升到700和900,。至于霧霾的多種來源因?yàn)椴皇潜疚闹黝}，就不詳述了,。
大家知道,，大氣的環(huán)流形成風(fēng)，可以吹散,、稀釋空氣中的污染物,。通過風(fēng)的作用,，局部聚集的高濃度霧霾顆粒在廣大空間散開，密度大大降低,，逐漸沉降地面,。而在無風(fēng)的天氣，霧霾無法消散,，PM2.5顆粒甚至可在空中懸浮半個(gè)月以上,。
大家都發(fā)現(xiàn)，北京的夏天霧霾天較少,，藍(lán)天白云的日子相對多一些,。這是由于陽光暴曬時(shí)，地表比空氣吸熱更快,，受此影響,，附近空氣的溫度高于上空空氣,，下熱上冷的狀態(tài)導(dǎo)致熱空氣垂直上升,。隨后，空氣不斷變冷,，熱空氣每上升100米溫度下降攝氏0.649度左右,，上升到10公里以上，溫度可低到攝氏零下50多度,。這時(shí)空氣逐漸停止上升,，開始橫向運(yùn)動，然后下沉,，在地面橫向流動補(bǔ)充升高空氣,，從而形成環(huán)流。
赤道地區(qū)熱空氣上升快,，會沖到十七八公里的高度,，形成低緯度環(huán)流；南北極則熱空氣少,，空氣流動形成極地環(huán)流,，對流層厚度只有七八公里；赤道和極地之間的空氣對流被稱為中緯度環(huán)流,，地球上對流層的平均厚度是十一二公里,。
環(huán)流弱逆溫強(qiáng)成就霧霾天
大氣環(huán)流雖然有一定的規(guī)模和走向，但也有隨機(jī)的因素,。一年之中,，有時(shí)候一連幾天刮大風(fēng)，有時(shí)又會連續(xù)多日風(fēng)力微弱,。在無風(fēng)的天氣,，空氣污染物只能指望隨著地面空氣被太陽加熱造成向上流動來消散,。
但是，在特定氣象環(huán)境下,，空氣的冷熱布局會上下顛倒,，即下層冷，上層熱,，形成逆溫層,。由于冷空氣重，熱空氣輕,，這種上輕下重的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)壓制了空氣的垂直運(yùn)動,，使得近地面的冷空氣無法向上流通，霧霾被緊緊地壓在地面和低空附近不能消散,。這樣的情況下,，污染物跑不出去，就會在空氣中不斷積累,，PM2.5的濃度隨之升高,。
那么，能否找到一種辦法,，能在無風(fēng)和逆溫的情況下讓貼近地面的污染顆粒物快速消散,？
北京建橫向風(fēng)道行不通
北京人應(yīng)該體會到，炎熱的夏天北京常常一連幾天沒有一絲風(fēng),。有時(shí)天氣預(yù)報(bào)說當(dāng)天有三級南風(fēng),，可是走在東西向的大街上一點(diǎn)都感覺不到。大街兩側(cè)的樓一座挨一座,，形成的高墻擋住了風(fēng),，只有走到一個(gè)有南北向的路口才能感覺到風(fēng)。夏日悶熱的夜晚,，在北京金寶街的一個(gè)十字路口附近,，你會看到很多當(dāng)?shù)鼐用窬奂谀抢锵硎軟鏊哪巷L(fēng)，只有在路口南風(fēng)才得以通過,，在長安街上的建華南路路口也有類似情況,。到了冬天，偏北風(fēng)同樣會被馬路兩側(cè)的建筑阻擋,，風(fēng)力大大降低,。北京本身是一個(gè)三面環(huán)山的城市，加上攤大餅的建設(shè)模式,，城市四周比城市中心地區(qū)的建筑物要高,，大氣層最下面100米的接地層空氣“擁堵”嚴(yán)重。
有人建議在北京開辟風(fēng)道，一些街道從南至北不受任何阻擋,，讓風(fēng)穿城而過,。這些提議在北京的城市規(guī)劃討論中已經(jīng)進(jìn)入議題。前不久舉行的2014城市環(huán)境國際學(xué)術(shù)研討會上,，就傳出這樣消息,。
但是，在經(jīng)過幾十年大規(guī)模密集城市化建設(shè)的北京,，是否還可能找得到風(fēng)的主要通道呢,？這要打一個(gè)大大的問號。冬季霧霾滿京城說明北京的風(fēng)道都已經(jīng)堵死,，再拆不大現(xiàn)實(shí),，也解決不了問題。因?yàn)樵陟o穩(wěn)天氣和逆溫層出現(xiàn)時(shí),，即使有風(fēng)道也沒有風(fēng)源,。
建立垂直風(fēng)道抽走霧霾
筆者大膽設(shè)想：能否利用煙囪效應(yīng)，建立若干個(gè)垂直空氣通道,，從而制造風(fēng)源形成對流,，抽走北京的霧霾？
煙囪效應(yīng)的形成有幾個(gè)條件：首先,，煙囪內(nèi)底部比頂部溫度高,，空氣向上流動。其次,，煙囪頂?shù)膬?nèi)部比外部溫度高，內(nèi)部空氣會向外擴(kuò)散,。再有,，受煙囪壁的限制，內(nèi)部的空氣運(yùn)動受限,，無法向四周擴(kuò)散,，向上的壓力加大。
垂直風(fēng)道應(yīng)該建多高,，直徑多大,，動力來自哪里，風(fēng)速應(yīng)該保持多少,，都需要經(jīng)過專家的論證,。當(dāng)然，選址,、環(huán)保,、安全等因素都需要科學(xué)評估，比如抗震性能必須足夠強(qiáng)悍、地點(diǎn)避免貼近飛機(jī)起降航線等等,。
筆者的想法也受到澳大利亞“太陽塔”的啟發(fā),。太陽塔由德國Jorg Schlaich教授設(shè)計(jì)，目前尚在施工中,。項(xiàng)目的主要數(shù)據(jù)是,，塔高1000米，直徑130米,，入口溫度攝氏70度,，出口溫度攝氏20度，塔底層的溫室直徑為7000米,，風(fēng)速60千米/小時(shí),，上升的氣流推動塔頂?shù)臏u輪發(fā)電，造價(jià)約3億美元,，發(fā)電能力為200兆瓦,，可滿足約20萬家庭的用電需求。早在20年前,，澳大利亞的太陽塔已通過了小型樣板裝置的中試,，證實(shí)太陽能風(fēng)道是可行的。
太陽塔的主要目的是利用氣流的動能發(fā)電,，我們?yōu)槭裁床荒苡盟脑韺Ω赌鏈匦?yīng)呢,？
逆溫層高度決定“煙囪”高度
筆者查找并分析資料了解到，不同的環(huán)境下會形成不同的逆溫層,。
在熱帶,，上升的空氣到亞熱帶高空形成熱高壓，從十幾公里的高處向下沉降,，上空溫度相對高,，底層空氣無法上升，污染滯留積壓在近地層,。不過,，太平洋上的副熱帶高壓冬天對中國影響很小，不是中國霧霾的主要原因,。
海洋暖氣流橫向吹到高空也可以造成逆溫,，冷氣流沿著山地地面擴(kuò)散也可以造成逆溫，但是這都不是造成北京地區(qū)逆溫的原因,。
北京的逆溫多發(fā)生在陰天和冬季的夜晚,。白天晴好干燥的天氣使得大地吸收的陽光很快輻射到空氣中，距離地面不遠(yuǎn)的空氣溫度升高,，但是太陽落山以后,，地面溫度迅速下降，停在空中的溫暖空氣不上不下，在接近地面的空中形成了逆溫層,。這個(gè)逆溫層的底層距離地面多少米,？逆溫層的厚度是多少？逆溫層上下溫差是多少,？
這方面的最新資料筆者沒有來源,，但是氣象部門曾經(jīng)發(fā)布過2001年北京城區(qū)和郊區(qū)秋冬季逆溫的具體數(shù)據(jù)。從空間上看,，冬天逆溫層的底層距離地面在城區(qū)比較高,，最多為385米，在郊區(qū)比較低,，經(jīng)常貼在地面上,；逆溫層的厚度在秋天不超過300米，冬天不超過200米,；逆溫層上下的溫差不超過5攝氏度,。而在時(shí)間方面，逆溫層的厚度和溫差在凌晨達(dá)到高峰,；日出后的上午8點(diǎn)逆溫層快速消失,；郊區(qū)的逆溫常出現(xiàn)在18點(diǎn)，由于熱島效應(yīng),，城區(qū)的逆溫來得稍晚,，多在晚上20點(diǎn)出現(xiàn)。
這樣我們就可以對垂直風(fēng)道進(jìn)行一番簡單計(jì)算：
預(yù)計(jì)建一個(gè)如“超級煙囪”般的垂直風(fēng)道,，其內(nèi)部溫度變化與外部逆溫層相反,，有一個(gè)下熱上冷的環(huán)境。風(fēng)道上端出口的溫度要高于風(fēng)道外空氣的溫度,，這樣才能在風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生上升氣流,。
風(fēng)道最好選建在近郊區(qū)，在城區(qū)熱島之外,，那里的逆溫層貼近地面，風(fēng)道可以建得比較低,。
考慮到北京逆溫層形成主要發(fā)生在晴好天氣,，利用太陽能問題不大。由于逆溫主要發(fā)生在晚間,，需要白天蓄積熱量,，晚間逐漸釋放。
假設(shè)“煙囪”高度為250米即可穿透逆溫層,。在“煙囪”下端利用太陽能將空氣加熱到攝氏16度,，上端出口溫度為攝氏10度，上下溫差6度，超過逆溫層的最大溫差5度,。根據(jù)假設(shè),，還可以利用公式近似地計(jì)算出風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速和空氣流量（計(jì)算公式略）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,，可以求出通道內(nèi)的風(fēng)速為每秒5米,，相當(dāng)于三級風(fēng)。如果“煙囪”風(fēng)道的直徑為20米,，截面積是10米×10米×3.14=314平方米,，每秒通風(fēng)量可高達(dá)1570立方米，可以大量地消散空氣中的霧霾,。
熱空氣從上端離開風(fēng)道后,，溫度仍然高于其上方的空氣，加上出口的三級風(fēng),，在逆溫層中將形成一個(gè)很長的垂直上行空氣通道,。
垂直風(fēng)道建設(shè)假想
如何利用太陽能使“煙囪”底部溫度增高，讓風(fēng)道內(nèi)的空氣具有上升動力呢,？可以借鑒澳大利亞太陽塔的辦法：風(fēng)道下端周圍建造大面積的太陽能玻璃暖房,，利用溫室加溫。白天利用悶棚技術(shù),，讓太陽光透過玻璃加熱溫室空氣,，積累熱量。溫室外壁阻止熱量向外輻射,，溫室底部鋪設(shè)蓄熱物質(zhì),。
太陽落山以后，打開通風(fēng)管道,，逐漸釋放熱量,。每秒通風(fēng)量1500立方米，20點(diǎn)到次日8點(diǎn)共43200秒,，總通風(fēng)量可高達(dá)6000萬立方米,，通過溫室入口控制風(fēng)流量，溫室內(nèi)空氣與外部冷空氣混合后輸入通風(fēng)管道,，可以通過高溫以及水池等蓄能材料,，減少溫室容量，希望溫室總?cè)萘亢托顭崮芰梢詭?/span>20倍的通風(fēng)量,。那么我們需要的溫室容量為324萬立方米,，溫室高30米時(shí)，共需要溫室面積10萬立方米左右,，長340米,，寬300米,。
筆者設(shè)想，建立一個(gè)或多個(gè)250米高的通風(fēng)塔,，不僅可以解決逆溫層的問題,，也可以解決無風(fēng)天氣的風(fēng)源問題。
“超級煙囪”的其他功能
風(fēng)道的建設(shè)可以考慮設(shè)置渦流發(fā)電裝置,。澳大利亞太陽塔的發(fā)電成本較高,，經(jīng)濟(jì)方面的核算較難通過。出于經(jīng)濟(jì)的考慮,，我們在建立風(fēng)道時(shí),，可以不附加發(fā)電功能，這樣對風(fēng)力強(qiáng)度的要求會下降,，對溫室面積,、管道高度、發(fā)電設(shè)備等投資的要求,，均會大大減少,。
考慮到城市規(guī)劃和美學(xué)方面的要求，“超級煙囪”外觀裝飾可以參考上海對舊煙囪進(jìn)行裝飾的思路,，可安裝具有觀賞性的巨大LED溫度計(jì)或廣告屏等實(shí)用功能,。
如果要節(jié)約成本，也可以論證一下能否對現(xiàn)存的廢棄老煙囪進(jìn)行改造,，使其變身為垂直風(fēng)道,。
當(dāng)然，建造通道也可以考慮利用光禿陡峭的山體,，或者建成金字塔狀,，不一定非得是煙囪或高塔的形式。
參照太陽塔的實(shí)踐模式,，本文提出的清除霧霾風(fēng)道也應(yīng)該通過小型樣機(jī)試驗(yàn),，驗(yàn)證設(shè)想的可行性，獲得溫室尺寸的實(shí)際數(shù)據(jù),，對造價(jià)進(jìn)行估算,。
俗話說，隔行如隔山,。筆者有關(guān)修建“超級煙囪”――垂直風(fēng)道的設(shè)想,，還僅僅是一個(gè)假想，只是提出一個(gè)別人或許還沒想到的思路,，具體能否實(shí)現(xiàn)，還需要建筑學(xué)家,、熱力學(xué)家和太陽能專家等各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业淖屑?xì)論證,，也歡迎社會大眾參與討論如何解決城市霧霾問題,。