城市氣候島
1950年世界人口只有25億，其中僅約1／3住在城鎮(zhèn)。但2000年世界人口預(yù)計(jì)要增加到約62億，而且其中約一半居住在城鎮(zhèn)里。到2025年這個(gè)比例預(yù)測(cè)還將從50％增加到80％。城市中人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，能耗巨大，綠地極少。城市化的迅速發(fā)展，使城市中大氣環(huán)境嚴(yán)重污染，形成多種環(huán)境公害。
城市的特殊環(huán)境形成了城市氣候。城市氣候相對(duì)郊外農(nóng)村氣候來(lái)說(shuō)是個(gè)氣候島。例如，城市熱島、干島、雨島、煙霾島、霧島等。當(dāng)然，城市也是一個(gè)相對(duì)周圍農(nóng)村而言的高濃度大氣污染島。
城市熱污染
城市所發(fā)出的巨大熱量，使得城區(qū)成為好比在冷涼郊區(qū)農(nóng)村包圍中的溫暖島嶼，因此得名城市熱島。城市熱島最早見之于科學(xué)記載的，可能是1818年英國(guó)出版的《倫敦氣候》。作者L赫華德對(duì)城市氣候的兩大發(fā)現(xiàn)，就是倫敦市中心氣溫比郊外高(各月平均分別高0.5℃一1.2℃)，以及城鄉(xiāng)溫差夜間比白天大。我國(guó)曾觀測(cè)到的最大城鄉(xiāng)溫差(城市熱島強(qiáng)度)，上海是6.8℃(1979年11月13日20時(shí))，北京是9.0℃(1966年2月22日清晨)。
世界上熱島最強(qiáng)的是中高緯度的大中城市，如加拿大的溫哥華11℃(1972年7月4日)，德國(guó)柏林13.3℃。位于北極圈附近的美國(guó)阿拉斯加首府費(fèi)爾班克斯市曾達(dá)14℃。城市中人為熱源的比例，據(jù)對(duì)美國(guó)一些大城市的調(diào)查估計(jì)，來(lái)自工廠、家庭爐灶、冷氣、采暖等固定熱源約占3／4，而汽車、摩托、電車等移動(dòng)熱源約占1／4。人體和家畜等新陳代謝熱量一般還不到1％。城鄉(xiāng)溫差一般是隨緯度的升高而增大的。因?yàn)槿藶闊崃亢吞?yáng)輻射熱量余額(太陽(yáng)短波熱量收入減去地面長(zhǎng)波輻射支出熱量)的比值，是從赤道向高緯度迅速增加的。例如，赤道和熱帶的新加坡和香港僅為3％一4％，而北極圈附近的費(fèi)爾班克斯高達(dá)105％，也就是人為熱量已比太陽(yáng)熱量余額還多!在一年四季之中，太陽(yáng)輻射熱量和余額以冬季最小，加上冬季中中高緯度還有取暖熱量，因此熱島效應(yīng)以冬季最強(qiáng)。同樣道理，一天之中熱島以夜間比白天為強(qiáng)，尤其是日落后3-5小時(shí)內(nèi)為最強(qiáng)。因?yàn)檫@時(shí)城區(qū)降溫速度比農(nóng)村慢得多。但是，在中高緯度城市的冬季情況有所不同，因?yàn)槌鞘羞€有早晚兩個(gè)取暖時(shí)段的大量人為熱量。例如，加拿大卡爾加里市冬季在早08時(shí)和晚20時(shí)附近有兩個(gè)煤氣消耗高峰(取暖和做飯)，從而城市熱島強(qiáng)度在09時(shí)和21時(shí)也各出現(xiàn)一個(gè)高峰。此外，城鄉(xiāng)溫差還有周變化，這是因?yàn)橛胁簧賴?guó)家統(tǒng)一規(guī)定星期日是休息日，絕大多數(shù)工廠停工，街上機(jī)動(dòng)車流量也比平時(shí)少得多。例如，美國(guó)康涅狄格州紐黑文市1939-1943年5年平均，周一至周六城鄉(xiāng)溫差高達(dá)1.2℃，而星期日只有0.6℃。后因美國(guó)把星期六也定為休息日后，馬里蘭州巴爾的摩市觀測(cè)到冬季中星期一至五城鄉(xiāng)溫差平均0.82℃，而星期六、星期日兩天平均溫差僅為0.30℃。
但是，人為熱量還并不是城市熱島的唯一熱源，因?yàn)槌青l(xiāng)地表吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)熱量性能有不小差異。例如，城市下墊面對(duì)陽(yáng)光熱量的反射率比鄉(xiāng)村小(一般小10％一30％)，而且城市下墊面的混凝土、磚瓦、石料及鋼材的熱容量大，導(dǎo)熱率也高，大量?jī)?chǔ)存了白天豐富的太陽(yáng)熱量。另外，城市下墊面建筑密集，街道和庭院中的天穹可見度比開曠郊外小得多，地面長(zhǎng)波輻射熱量在墻壁地面間多次反射，從而使得地面向宇宙空間散失的熱量大大減少。這兩種原因都造成日落后降溫緩慢，使城區(qū)夏季中傍晚和上半夜顯得特別炎熱。城鄉(xiāng)溫差除了上述年變化、周變化、日變化等周期性變化外，還有非周期性變化。這主要是由風(fēng)速和云量變化引起的。風(fēng)速大小對(duì)熱島強(qiáng)度極為重要。因?yàn)榇箫L(fēng)不僅造成上下對(duì)流，把城市中熱空氣吹到城外，而且直接把郊區(qū)冷涼新鮮空氣迅速源源輸進(jìn)城區(qū)。有文章研究了韓國(guó)四個(gè)不同規(guī)模城市的城鄉(xiāng)溫差和風(fēng)速的關(guān)系，得出了風(fēng)速能明顯減小城鄉(xiāng)溫差的結(jié)果。而且，如果把城鄉(xiāng)溫差小于0.5℃作為熱島消失的指標(biāo)，那么840萬(wàn)人口的漢城在11.1米／秒時(shí)熱島才開始消失，廣陽(yáng)等13-15萬(wàn)人口城市在4-5米／秒時(shí)熱島消失，人口6萬(wàn)的薪島在3.9米／秒時(shí)熱島已經(jīng)不存在了。陰天或多云天氣時(shí)城鄉(xiāng)白天陽(yáng)光短波輻射熱量收入和地面長(zhǎng)波輻射熱量支出都減小，因而也使城鄉(xiāng)溫差減小。例如，上海1984年進(jìn)行過(guò)4次對(duì)比觀測(cè)，在風(fēng)速大體相同的情況下，兩次晴天(5月8日和10月20日)城鄉(xiāng)溫差分別為2.5℃和2.2℃。而多云和陰天(5月28日和11月28日)城鄉(xiāng)溫差分別只有0.4℃和0.7℃。所以上海以10-11月為全年中城鄉(xiāng)溫差最大月份的原因是因?yàn)樗鼈冋巧虾Ｈ暝屏孔钌俚募竟?jié)。
城市熱島的存在，使城區(qū)冬季縮短，霜雪減少，有時(shí)甚至發(fā)生郊外降雪而城內(nèi)降雨的情況(如上海1996年1月17一18日)。城市熱島也使城區(qū)冬季中取暖能耗減少。但城市熱島在夏季中中、低緯度城市造成的高溫，不僅使人的工作效率降低，而且造成中暑和死亡人數(shù)的增加。例如，美國(guó)圣路易斯市1966年7月9-14日，最高氣溫38.1℃一41.1℃，比熱浪前后高出5.0℃一7.5℃。此時(shí)城區(qū)死亡人數(shù)由原來(lái)正常情況的35人／日陡增到152人／日。1980年7月熱浪再襲圣路易斯市和堪薩斯市，兩市商業(yè)區(qū)死亡率分別增高57％和64％，而附近郊區(qū)只增加約10％。有人研究了美國(guó)洛杉礬市，指出幾十年來(lái)城鄉(xiāng)溫差增加了2.8℃，全市因空調(diào)降溫多耗10億瓦電能，每小時(shí)約合15萬(wàn)美元。據(jù)此推算全美國(guó)夏季因熱島效應(yīng)每小時(shí)多耗空調(diào)電費(fèi)數(shù)達(dá)百萬(wàn)美元之巨。此外，夏季高溫還會(huì)加重城市供水緊張，火災(zāi)多發(fā)，以及加劇光化學(xué)煙霧災(zāi)害，等等。所以城市熱島本身也是一種污染，稱為熱污染。
雨島
城市中由于熱島效應(yīng)，上升氣流比郊外強(qiáng)，城市大氣中吸濕性污染微粒又是良好的水汽凝結(jié)核，因此城市云量一般比郊外多。但因熱島效應(yīng)造成的上升氣流所達(dá)到的高度不高，因此所增加的云主要是低云。以上海為例，市區(qū)龍華1960-1979年20年平均低云量3.4成(即天空平均有34％被云所遮)，比郊區(qū)5縣多0.4成。1980-1989年因城市發(fā)展，差值從0.4成上升到1.1成，主要就是因?yàn)辇埲A的低云量增加到了4成。具體還有兩個(gè)例子，美國(guó)圣路易斯市積云常首先在城市中心和城北煉油廠上空生成，那里積云出現(xiàn)的頻率比周圍高3倍。根據(jù)德國(guó)漢堡地區(qū)的觀測(cè)，夏季150-200米高(指云底高度)的分散的積云區(qū)的東南邊緣往往和城區(qū)東南部邊緣大體重合。云多是增加城市降水的有利條件。不過(guò)，城市對(duì)增加降水也有一些不利條件。
1、城市空氣干燥，相對(duì)濕度低。例如，1984一1987年上海市城區(qū)11個(gè)站平均的年平均相對(duì)濕度比郊區(qū)4縣平均偏低了5．8個(gè)百分點(diǎn)(數(shù)量不算很小)，因此城市還有城市干島之說(shuō)。
2、大氣中污染微粒雖易吸濕成云，但其中直徑特別小的粒子形成的云一般不會(huì)發(fā)生降水(稱為云的膠性穩(wěn)定)。
不過(guò)，絕大多數(shù)研究工作還是證明城市可以增加城區(qū)和下風(fēng)方向一定距離內(nèi)郊區(qū)的降水量。因?yàn)槌鞘性斐傻脑鲇赀^(guò)程還會(huì)向下風(fēng)方向持續(xù)一段距離。城市年增雨率一般是5％一11％，但個(gè)別城市夏季增加30％的也有。因此又有城市雨島之稱。我國(guó)對(duì)上海市的研究，指出城市增雨主要發(fā)生在汛期5-9月。30年平均對(duì)比，市區(qū)龍華汛期總雨量685.6毫米，近郊為660-680毫米，遠(yuǎn)郊僅620-640毫米。但非汛期增雨作用不明顯。城市增加降水的方式，除了上述數(shù)量上增加以外，有時(shí)因?yàn)闊釐u的熱力作用觸發(fā)對(duì)流性不穩(wěn)定，因而偶爾也有城外無(wú)雨而城里有雨(甚至大雨)的情況發(fā)生。
城市風(fēng)系和城市風(fēng)災(zāi)
工業(yè)污染源大部分集中在城市，污染濃度和風(fēng)速平方成反比，風(fēng)向決定污染物的輸送方向。從城市整體角度認(rèn)識(shí)你生活地點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，有助于你采取預(yù)防空氣污染措施，規(guī)避危險(xiǎn)。
1、城市建筑物聚集，高低大小不等，風(fēng)流動(dòng)時(shí)增加了阻力，因而城市風(fēng)速一般來(lái)說(shuō)比郊外?。怀鞘袦p小風(fēng)速。例如，我國(guó)最大城市上海，據(jù)多年平均資料，上海市區(qū)年平均風(fēng)速都在3米／秒以下，其中風(fēng)速最小的楊浦區(qū)和徐匯區(qū)僅為2.3-2.4米／秒。而近郊8縣一般都在3-4米／秒之間，遠(yuǎn)郊的祟明、南匯更大于4米／秒。但具體說(shuō)來(lái)城市減小風(fēng)速的數(shù)值還因風(fēng)速大小而有不同：大風(fēng)減小得多而小風(fēng)減小得少。例如，北京氣象臺(tái)八里莊舊址80年代末期四周開始出現(xiàn)高樓群，結(jié)果使風(fēng)級(jí)較高的大風(fēng)日數(shù)大大減少，而風(fēng)級(jí)較低的大風(fēng)日數(shù)則減少不多。氣流流經(jīng)城市，除了風(fēng)速減小以外，風(fēng)向也會(huì)有所變化。這是因?yàn)槌菂^(qū)中風(fēng)速減小時(shí)，氣流受到的地轉(zhuǎn)偏向力也同時(shí)減小，因而會(huì)使氣流微向左偏。例如，美國(guó)俄克拉荷馬城400米高度上的氣球?qū)嶒?yàn)中，在南風(fēng)13米／秒情況下，由于城區(qū)風(fēng)速減小引起的向低壓側(cè)左偏的風(fēng)速分量就有l(wèi)米／秒。
2、城市也能制造局地大風(fēng)，以致造成災(zāi)害。因?yàn)槌鞘写植诘南聣|面好比地形復(fù)雜的山區(qū)一般，街道中以及兩幢大樓之間，就像山區(qū)中的風(fēng)口，流線密集，風(fēng)速加大，可以在本無(wú)大風(fēng)的情況下制造出局地大風(fēng)來(lái)。還有，據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，在一幢高層建筑物的周圍也能出現(xiàn)大風(fēng)區(qū)，即高樓前的渦游流區(qū)和繞大樓兩側(cè)的角流區(qū)。這些地方風(fēng)速都要比平地風(fēng)速大30％左右。這是因?yàn)轱L(fēng)速是隨高度的升高而迅速增大的當(dāng)高空大風(fēng)在高層建筑上部受阻而被迫急轉(zhuǎn)直下時(shí)，也把高空大風(fēng)的動(dòng)量帶了下來(lái)。如果高樓底層有風(fēng)道(通樓后)，則這個(gè)風(fēng)道口處附近的風(fēng)速可比平地風(fēng)速大2倍左右。也就是說(shuō)，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為6米／秒時(shí)，這時(shí)風(fēng)道附近就可達(dá)到18米／秒，也就是8級(jí)大風(fēng)了。城市中因大風(fēng)刮倒樓頂廣告牌，掉下傷人的例子前面已經(jīng)舉過(guò)了，其中不少是因建筑物造成的局地大風(fēng)。國(guó)外因高樓被風(fēng)刮倒傷人，投訴法院獲巨額賠償?shù)氖录灿羞^(guò)多起。它還能產(chǎn)生它自己的特殊風(fēng)系。
3、城市還有它自己特有的風(fēng)系-城市熱島環(huán)流。這是因?yàn)槌鞘袩釐u中氣流不斷上升，從周圍農(nóng)村來(lái)的氣流便不斷流向城市補(bǔ)充。因?yàn)樗鼈儊?lái)自鄉(xiāng)村，正像來(lái)自北方的風(fēng)稱為北風(fēng)一樣，這種城市熱島環(huán)流的地面部分被稱為鄉(xiāng)村風(fēng)。鄉(xiāng)村風(fēng)的風(fēng)速一般只有1-2米／秒。上海是個(gè)特大城市，只要沒(méi)有較大的風(fēng)，而城市熱島又很明顯(晴天)時(shí)，熱島環(huán)流也是很明顯的。例如，1980年12月7日上海熱島很強(qiáng)，此時(shí)市區(qū)北部的寶鋼和閔行在500米以下都吹偏北風(fēng)，市區(qū)南部的龍華從地面到600米都是偏南風(fēng)，即向市中心輻合。但在高空，寶鋼、閔行在700米高度處開始轉(zhuǎn)為南風(fēng)，龍華則從900米高度開始變?yōu)楸憋L(fēng)，即形成了一個(gè)低層向市中心輻合，而高層從市中心向外輻散的完整熱島環(huán)流圈。從安放在市中心的氣溫自記儀器的自記紙上，常常可以發(fā)現(xiàn)氣溫變化曲線在夜間有一個(gè)個(gè)好似冷鋒過(guò)境似的氣溫陡降現(xiàn)象。這就是冷涼的鄉(xiāng)村風(fēng)入侵城市的見證。從這里也可以知道城市熱島環(huán)流不是連續(xù)均勻地流動(dòng)的，而是有明顯的陣性。城市里還有一種范圍更小的風(fēng)系，可以叫做汽車風(fēng)。這是由于馬路中央線兩側(cè)連續(xù)駛過(guò)相反方向高速車輛所造成。例如，1988年1月15日，廣州市風(fēng)速很小，日平均風(fēng)速僅0．69米／秒。在南北走向的人民南路上，受不同方向車流的影響，在3米高的測(cè)點(diǎn)上，街道西側(cè)盛行偏北風(fēng)，西北風(fēng)加上西北偏西風(fēng)的頻率和達(dá)到79．1％；東側(cè)則盛行偏南風(fēng)，東南和東南偏東風(fēng)的頻率和更高達(dá)86．9％。這一天汽車風(fēng)共出現(xiàn)20-22小時(shí)之久。但這種汽車風(fēng)不僅水平范圍很小，而且會(huì)隨離地高度增高而迅速消失。鄉(xiāng)村風(fēng)的成因和汽車風(fēng)是不同的。前者是熱力作用造成的，風(fēng)速?zèng)Q定于城鄉(xiāng)溫差，而后者是機(jī)械摩擦作用所造成。汽車流量減小，或者車速減慢，汽車風(fēng)就停了。
霧島和煙霾島
城市大氣的污染源，主要有工業(yè)生產(chǎn)、民用爐灶(包括取暖煙囪)、焚燒廢物以及交通運(yùn)輸。污染物按它們?cè)诖髿庵写嬖诘臓顟B(tài)，可分為氣溶膠(固體和液體微粒)和污染氣體兩類。氣溶膠污染物根據(jù)它們的物理性質(zhì)又可以分為粉塵類、煙塵類和霧滴類。粉塵類是由多種工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生，主要包括強(qiáng)土、石英、水泥、煤粉的粉塵以及各種金屬粉塵等。煙塵一般是由冶金、化學(xué)等工業(yè)和燃燒所產(chǎn)生的飛灰和黑煙，其直徑比粉塵小得多。霧滴類是大氣中液態(tài)懸浮體的總稱。大氣氣溶膠中直徑大于10微米者稱為降塵，大部分降落在污染源附近；小于10微米者叫飄塵，它們能較長(zhǎng)期停留在大氣之中，可以通過(guò)呼吸進(jìn)人人體肺泡(引起矽肺、塵肺等)以至血液淋巴危害人體健康。更麻煩的是，這種氣溶膠粒子上常吸附有污染氣體和致癌性很強(qiáng)的大分子有機(jī)物。此外，粉塵中的重金屬(如石棉、砷、錦等)許多也是致癌物質(zhì)。因此，近數(shù)十年來(lái)，隨著城市工業(yè)的發(fā)展，肺癌的死亡率也在迅速上升。霧滴類中最多見的是水滴類霧滴(此外還有油滴霧，堿滴霧等)，但城市中的霧有它的特殊性并常引起災(zāi)害。一是霧中相對(duì)濕度一般不到100％。例如，上海曾發(fā)現(xiàn)霧中相對(duì)濕度最低曾達(dá)72％(1979年10月11日08時(shí))和67％(1965年10月17日08時(shí))，在重慶和烏魯木齊等城市也多次發(fā)現(xiàn)80％一84％的低濕度霧。這是因?yàn)槲鼭裥源髿馕廴疚⒘?凝結(jié)核)能強(qiáng)烈吸收水汽的結(jié)果。城市多霧(因此有人稱為城市霧島)會(huì)影響交通，降低市內(nèi)汽車速度和影響飛機(jī)起降等，重慶白市驛機(jī)場(chǎng)就是因?yàn)槎囔F才遷往江北機(jī)場(chǎng)的。二是由于這種霧里二氧化硫濃度比較高，因而霧滴常呈不同程度的酸性(酸霧)。由于酸霧的酸性一般比酸雨高得多，因此對(duì)城市建筑物、金屬、樹木和文物古跡的腐蝕作用也嚴(yán)重得多。
氣體污染物可以大分為硫氧化合物、氮氧化合物、碳?xì)浠衔锖吞嫉难趸锏?。琉氧化合物中主要是二氧化硫，是目前城市大氣污染中的大戶，其中約90％來(lái)自燃燒礦物燃料。死亡4000多人的1952年冬倫敦?zé)熿F事件主要就是由二氧化硫和大量煙塵所造成。氮氧化物中以二氧化氮危害最大，它對(duì)眼睛和呼吸道有強(qiáng)烈刺激作用，能引起喉炎和急性哮喘等癥，以至發(fā)展成肺氣腫而死亡。更為嚴(yán)重的是，在陽(yáng)光紫外線的作用下，二氧化氮分解為一氧化氮和氧原子。不穩(wěn)定的氧原子和氧分子結(jié)合成為臭氧，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧(光化學(xué)煙霧中85％以上是臭氧)。受害者的癥狀類似二氧化氮中毒，但毒性比二氧化氮大得多，因而也是世界上一大環(huán)境公害。城市中二氧化氮主要是汽車尾氣排出的。例如，東京汽車排出的二氧化氮占總排放量的70％。此外，二氧化氮和二氧化硫還是生成全球另一主要公害酸雨的主要原因。碳?xì)浠镏饕獊?lái)自燃燒和汽車尾氣，其中含有苯并花等致癌物質(zhì)，并參與生成光化學(xué)煙霧。碳的氧化物主要有一氧化碳和二氧化碳，主要是燃燒所產(chǎn)生。一氧化碳是窒息性氣體，二氧化碳雖然無(wú)毒，但它能引起全球性溫室效應(yīng)和海平面升高等嚴(yán)重問(wèn)題。
城市大氣污染嚴(yán)重程度的季節(jié)變化和晝夜變化規(guī)律，大體可分為煤炭型和石油型兩類。煤炭型是燃煤引起，因此污染強(qiáng)度以對(duì)流最強(qiáng)的夏季和白天為最輕，而以逆溫最強(qiáng)、對(duì)流最弱的冬季和夜間為最重。倫敦?zé)熿F事件就屬于這種類型。石油型是石油和石油化學(xué)產(chǎn)品和汽車尾氣所產(chǎn)生，由于氮氧化物和碳?xì)浠锏壬晒饣瘜W(xué)煙霧時(shí)需要較高氣溫和強(qiáng)烈陽(yáng)光，因此污染強(qiáng)度變化規(guī)律和煤炭型剛剛相反，即以夏季午后發(fā)生頻率最高，冬季和夜間少或不發(fā)生。洛杉肌光化學(xué)煙霧就屬于這個(gè)類型。
此外，城市云量增多的結(jié)果，使城區(qū)日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射量均有減少。城市中煙塵粒子增多的結(jié)果，使大氣透明度變差，所以有人稱城市為煙霾島或混濁島。煙塵大量削弱太陽(yáng)光中的紫外線部分(在太陽(yáng)高度較低時(shí)甚至可減少30％一50％)，這對(duì)城市居民的身體健康也是不利的。
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