城市氣候

簡介城市氣候是指大都市特有且與周圍郊區有異的各種氣候條件。城市氣候相對郊區農村氣候來說是個氣候島。例如，城市熱島、干島、雨島、煙霾島、霧島等。城市環境對城市氣候的影響很大，城市氣候是人類活動影響小氣候的明顯表現。

城市氣候是人類活動影響小氣候的明顯表現。城市面積雖小，但人口密集，工業集中，是人們生活的重要舞台。由於這種高度集中，造成空氣污染，大量人為熱量的釋放和特殊的下墊麵條件，使城市和農村的氣候產生了明顯的差異，形成了獨具特點的城市小氣候。城市氣候的形成原因主要是：

①現代城市以鋼鐵、水泥、磚瓦、土石、玻璃為材料的各種建築物下墊面的剛性、彈性、比熱等物理特性與自然地表不同，從而改變了氣候反射表面和輻射表面的特性，也改變了表面附近熱交換和表面氣體動力粗糙度。

②工業生產、交通運輸、取暖降溫、家庭生活等活動釋放出的熱量、廢氣和塵埃，是城市內部形成了一個不同於自然氣候的人工氣候環境。

③由於巨量氣體和固體污染物排入空氣中，明顯地改變了城市上空的大氣組成。城市氣候不同於周圍地區主要表現是：年平均氣溫和最低溫度普遍較高(形成“城市熱島”)；年平均相對濕度和冬、夏季相對濕度都較低；多塵埃和雲霧；輻射較少；風速較低，多靜風；降水量較多等。

城市環境對城市氣候的影響很大，具體表現在以下幾個方面：

1、總輻射減弱，日照減少。由於空氣污染，塵塊增多，大氣混濁度增加，於是使到達地面的太陽輻射大為減少。據對比觀測發現，市區的總輻射約比郊區少10-20%。冬季太陽高度角較小時減弱尤甚，有時甚至可減少到50%。同時，日照時數也逐漸減少。一般，城市和農村環境相比，日照要少5-15%。據觀測，近50年裡東京年日照時數已下降約70-80小時左右。

2、市內呈現高溫，存在熱島效應，城市好象一個溫暖的島嶼。市區溫度高，郊區溫度低，等溫線呈圓形分佈。這種現象叫做熱島效應。據觀測，城市熱島效應一般可使市區的年平均溫度比郊區高0.5-1.0℃。但不同季節、不同的天氣條件下，市區與郊區的氣溫差的大小也不同。如1979年冬季一次晴朗天氣條件下，在上海的對比觀測發現市中心溫度比郊區高6℃。熱島效應的形成，與城市上空污染物質的保溫作用、地面蒸發耗熱量的減少、風速小、減少熱量水平輸送、人為熱量的釋放和與生物體的熱交換等因素有關。

3、出現熱島環流伴隨著熱島效應，產生熱島環流，尤其是夏季，城市中心氣流上升，到一定高度則向四周流散，而地面則是郊區空氣流向城市中心。

4、低濕、多霧、降水增加。市區由於排水良好，地面較乾燥，蒸發很少，所以絕對濕度較郊外低，差值一般在1毫巴以下。相對濕度則因市區溫度高，以致偏低更多一些。據歐洲觀測，年平均相對濕度城市與郊區相差4-6%。

城市上空因凝結核多，霧日顯著增加。從19世紀末到20世紀初，東京年霧日數平均增加20-30天，上海則增加了15天左右。城市與郊區相比，冬季市區霧日數可比郊區多100%，夏季多30%。城市降水也有增加。觀測表明，城市年降水量比郊區多5-10%。另外，微雨日數(0.1-1.0毫米/日)也有顯著增加。據東京觀測，市中心比郊區多20日左右。

城市氣候在形成以後，因為受到人為活動的影響會產生變異，影響城市氣候變異的因素主要是：

人造建築因素：城市眾多的磚石、鋼骨水泥建築物及瀝青和水泥道路取代了天然的植被與土壤，影響了城市的氣溫、濕度等氣候條件。某些建築物取代了自然地形，影響了城市局部地區的風向、風速、熱量等，例如大廈、瀝青及水泥路；有些類型的建築物則影響了雨水的徑流。例如停車場、瀝青及水泥路等。

人口因素：城市居民大量增多多，其日常生活及生產活動會增添大量熱源。比如某城市舉辦奧運會期間，因為人口在短時間內的大量聚集導致城市內局部地區溫度升高。

污染物因素：城市上空的一個特點是污染物濃度高，其中有一氧化碳、硫和氮的氧化物、多種碳氫化物、氧化劑和粉塵物質之類。其中微粒和煙塵粒等污染物對城市氣候條件如氣溫、能見度和降雨量等甚有影響。污染物的來源主要是工業生產過程產生的廢料，例如煉油廠的化合物廢氣排放；以及燃料的燃燒，例如交通工具的運行；住家和辦公室的取暖等。城市空氣污染的濃度取決於污染物放射源的大小和該城市的通風情況，即該城市的風速和其上空大氣層的高度。若出現了污染物數日聚集在市區上空的情況，會出現一種叫逆溫的天氣現像，即“溫度隨高度增高而增大”。這種天氣現像會防礙大氣的混合，嚴重者會令城市居民有急遽的痛苦，甚至死亡。例如1952年12月，倫敦煙霧事件中，大氣逆溫使得逾8000人死於呼吸道疾病。

在城市的特殊下墊面和城市中人類活動的影響下形成的一種異於城市周圍地區的局地氣候。形成這種氣候的主要原因是：①城市建築物、瀝青或水泥路面等代替了絕大部分植被；②城市居民的生產和生活活動給城市增添了大量熱源；③城市工業和交通運輸排放出大量煙塵粒和微粒等。城市氣候的主要表現如下：

①氣溫高。以瀝青、水泥和磚石等為主的下墊面具有較大導熱率和熱容量，房屋建築物又增大受熱面積，使城市白天吸收和積蓄更多的太陽輻射能；城市中排水迅速，下墊面大都不吸水，不透水，使耗於蒸發的熱量大為減少，而耗於湍流交換的熱量增加；城市生產和生活活動釋放熱量；城市上空由於塵粒、水汽和二氧化碳氣體等的被覆作用使夜間長波輻射減少，下墊面冷卻速度減慢。這些都使城市氣溫提高。由於城市氣溫高於周圍地區，使城市形成一個暖中心，稱為城市熱島。這種現象一年四季都存在，在中、高緯度地區大城市的冬天尤為明顯。因此，市區的嚴寒、霜凍日數比郊區少，無霜期長，有時還發生市區降雨、郊區降雪的情況。

②濕度低。城市的氣溫高（地面蒸發少，空氣相對濕度比周圍地區低。例如，東京、倫敦等市區年平均相對濕度比郊區低5％左右。就絕對濕度而言，市區一般只略低於郊區。

③風速小。市區建築物密集，增大了下墊面粗糙度，風速一般小於郊區。通常市區年平均風速比郊區小20～30％，陣風(最大風速)減小10～20％，靜風頻率則增加5～20％。但是，城市中由於狹管效應造成的“弄堂風”可比自然風速大得多。由於熱島效應，市區氣壓比郊區低，在沒有其他天氣系統影響下，大城市周圍常發生由郊區向市區輻合的特殊風系，這種風系稱為熱島環流或鄉村風。但是，當自然風速較大時，這種風便被破壞而消失。

④太陽輻射弱。由於市區大氣中含有大量塵粒，使年平均太陽輻射總量約比郊區減少15～20％。高緯度冬季陽光斜射，這種影響尤其嚴重，使市區的紫外線比郊區甚至少30％，日照時數大約減少5～15％。

⑤能見度差。城市大氣中含有大量塵粒，大氣凝結核濃度大，霧日多，使市區大氣能見度降低。城市大氣中含較多的吸濕性微粒，在70％的相對濕度下，就能使水汽在其上發生凝結，霧日增多。例如，上海有霧時，郊區相對濕度一般在98％以上，而市區霧中僅80～86％。但是另一方面，市區凝結核多，不易形成大水滴，因此濃霧日數反有減少。

⑥降水多。城市熱島效應增強了空氣的熱對流，下墊面粗糙度大，增強大氣湍流，使市區上升氣流加強，加之城市大氣中起冰核作用的凝結核多，這些都有利於增加城市的降水。但是，也有人認為，城市大氣中凝結核過多，造成雲多霧多，卻不利於形成足以降到地面的大雨滴，這是降水的不利條件。根據歐洲和北美資料，許多大城市市區年降水量約比郊區多5～10％，小於5毫米的降水日數增加10％。由於市區氣溫較高，降雪比郊區少5～10％,城市雨量最多的地區，常發生在盛行氣流的下風方向。

城市氣候既有所屬區域大氣候背景的影響，又反映了城市化後人類活動所產生的作用，因此，不同大氣候區的城市氣候不盡相同，但也存在一些共同的城市氣候特徵，城市氣候的共同特徵有以下幾方面：

1、由於城市下墊面特殊性質；空氣中由燃料產生的二氧化碳等較多；加上人為的熱源等因子，城市氣溫明顯高於郊區，這種情況稱為“城市熱島效應”。國內外許多學者的研究表明：城市熱島強度是夜間大於白天，日落以後城郊溫差迅速增大，日出以後又明顯減小。

2、城市中由於下墊面多為建築物和不透水的路面，蒸發量、蒸騰量小，所以城市空氣的平均絕對濕度和相對濕度都較小。但由於城市下墊面熱力特性，邊界層湍流交換以及人為因素均存在日變化，因此，城市絕對濕度的日振幅比郊區大，白天城區絕對濕度比郊區低，形成“干島”，夜間城市絕對濕度比郊區大，形成“濕島”。

3、由於城市空氣中塵埃和其他吸濕性核較多，在條件適合時，即使空氣中水汽未達飽和，相對濕度僅達70~80%，城市中也會出現霧，所以城市的霧多於郊區。有些城市汽車尾氣排放的廢氣，在強烈陽光照射下，還會形成一種以臭氧醛類和過氧乙醯硝酸酯(PAN)等為主要成分的淺蘭色煙霧，稱為“光化學煙霧”，這種霧對人體是有害的。

4、由於城市熱島效應，市區中心空氣受熱不斷上升，四周郊區相對較冷的空氣向城區輻合補充，而在城市熱島中心上升的空氣又在一定高度向四周郊區輻散下沉以補償郊區低空的空缺，這樣就形成了一種局地環流，稱為城市熱島環流。這種環流在靜朗少雲，背景風場極其微弱的靜穩天氣條件下，最為明顯。應該指出雖然城市熱島效應夜間大於白天，但由於夜間郊區大氣結穩定，有時還存在逆溫層，因此上升氣流層不強，而白天郊區大氣層結本身不穩定，流入城市后，上升速度快，所以城市熱島環流白天比夜間強，而且夜間的郊區風具有陣性。

5、城市中由於有熱島中心的上升氣流，空氣中又有較多的粉塵等凝結核，因此雲量比郊區為多，城市中及其下風方向的降水量也比其他地區為多。另外，城市中由於大量使用能源，向大氣中排放出許多二氧化硫和氧化氮，它們在一系列複雜的化學反應下，形成硫酸和硝酸，通過成雨過程和沖刷過程成為酸雨降落。酸雨可導致土壤貧瘠，森林生長速率減慢，微生物活動受到抑制，對魚類生存構成威脅，刺激人的咽喉和眼睛……因此，防治酸雨是刻不容緩的任務。

熱島效應是形成城市氣候最直觀，最基本的方式，也是城市氣候最典型的的表現特徵。

城市人口密集、工廠及車輛排熱、居民生活用能的釋放、城市建築結構及下墊面特性的綜合影響等是其產生的主要原因。熱島強度有明顯的日變化和季節變化。日變化表現為夜晚強、白天弱，最大值出現在晴朗無風的夜晚，上海觀測到的最大熱島強度達6℃以上。季節分佈還與城市特點和氣候條件有關，北京是冬季最強，夏季最弱，春秋居中，上海和廣州以10月最強。年均氣溫的城鄉差值約1℃左右，如北京為0.7～1.0℃，上海為0.5～1.4℃，洛杉磯為0.5～1.5℃。城市熱島可影響近地層溫度層結，並達到一定高度。城市全天以不穩定層結為主，而鄉村夜晚多逆溫。水平溫差的存在使城市暖空氣上升，到一定高度向四周輻散，而附近鄉村氣流下沉，並沿地面向城市輻合，形成熱島環流，稱為“鄉村風”，這種流場在夜間尤為明顯。城市熱島還在一定程度上影響城市空氣濕度、雲量和降水。對植物的影響則表現為提早發芽和開花、推遲落葉和休眠。

城市熱島效應是城市氣候中典型的特徵之一。它是城市氣溫比郊區氣溫高的現象。城市熱島的形成一方面是在現代化大城市中，人們的日常生活所發出的熱量；另一方面，城市中建築群密集，瀝青和水泥路面比郊區的土壤、植被具有更大的熱容量(可吸收更多的熱量)，而反射率小，使得城市白天吸收儲存太陽能比郊區多，夜晚城市降溫緩慢仍比郊區氣溫高。城市熱島是以市中心為熱島中心，有一股較強的暖氣流在此上升，而郊外上空為相對冷的空氣下沉，這樣便形成了城郊環流，空氣中的各種污染物在這種局地環流的作用下，聚集在城市上空，如果沒有很強的冷空氣，城市空氣污染將加重，人類生存的環境被破壞，導致人類發生各種疾病，甚至造成死亡。