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  • 混浊岛效应

    混浊岛效应是指城市市区由于厂矿企业集中、机动车辆众多、人口密集,致使排出的污染气体和空气中的尘埃等混浊程度都大大高于周边地区,形成“混浊岛”。

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    简介/混浊岛效应 编辑

    混浊岛效应混浊岛效应

    混浊岛效应是指城市市区由于厂矿企业集中、机动车辆众多、人口密集,致使排出的污染气体和空气中的尘埃混浊程度都大大高于周边地区,形成“混浊岛”。而尘埃混浊物恰恰是云层中的水汽变成降雨最需要的“凝结核”,于是产生了这样的效应:城市上空的凝结核越多,水汽就越容易在此凝结造成降水,从而增加雨量。上海城市混浊岛效应具体表现在大气质量的市区和郊区差异,低云量及以低云量为标准的阴天日数分布和太阳辐射混浊因子的地区差异等。[1]

     

    主要有四个方面的表现/混浊岛效应 编辑

    (1)城市大气中的污染物质比郊区多。
    (2)低云量和以低云量为标准的阴天日数远比郊区多,城市大气中因凝结核多,低空的热力湍流和机械湍流又比较强,
    (3)混浊度强:城市大气中因污染物和低云量多,使日照时数减少,太阳直接辐射(S)大大削弱,而因散射粒子多,其太阳散射辐射(D)却比干洁空气中为强。在以D/S表示的大气混浊度(又称混浊度因子turbidity foctor)的地区分布上,城区明显大于郊区。
    (4)城区的能见度小于郊区。这是因为城市大气中颗粒状污染物多,它们对光线有散射和吸收作用,有减小能见度的效应。当城区空气中二氧化氮NO2浓度极大时,会使天空呈棕褐色,在这样的天色背景下,使分辨目标物的距离发生困难,造成视程障碍。此外城市中由于汽车排出废气中的一次污染物——氮氧化合物和碳氢化物,在强烈阳光照射下,经光化学反应,会形成一种浅蓝色烟雾,称为光化学烟雾,能导致城市能见度恶化。美国洛杉矶、日本东京和我国兰州等城市均有此现象。[2]

    背景资料/混浊岛效应 编辑

    据有关资料显示,2005年9月,由于地处广阔的低压区,香港地区暴雨连场,先后发生10宗山泥倾斜和18宗严重水浸事件。据香港天文台统计,暴雨期间,香港大部分地区均为100毫米左右的降雨,其中港岛(市区)大部分地区降雨量超过200毫米,最高的达250毫米以上。近年来,这种城市市区降水量明显大于郊外的现象越来越突出。为什么老天对城市“情有独钟”?对此,气象专家解释说,一个地方的降水量的多少,首先取决于大气环流,但雨带的位置还不能解释一切。因为上述情况,都是在同一雨带内市区的降水量大于市郊,这说明城市本身的环境状况对降水也有重大影响。研究发现,“热岛”效应、“混浊岛”效应和地区状况,都会对城市雨量大小产生影响,其中最值得注意的是城市“混浊岛”效应。 此外,由于市区建筑物集中,高楼大厦鳞次栉比,使风速大为减小,强雨带等天气系统在市区上空停留的时间就相对比空旷的郊区来得长,这也会使总降水量增多。[3]

    城市气候/混浊岛效应 编辑

    城市气候(urban climate)指由高大建筑物、人造路面和绿化地等所构成的城市下垫面以及人类活动的影响而形成的局地气候。城市本身的气候状况与城郊开阔地区相比,具有明显的差异。城市空气污染严重,烟雾校多,太阳辐照度平均比郊区低10-20%,紫外辐射减少尤甚,含菌量比郊区要高。城市中的风速一般小于郊区,空气温度高于郊区,空气湿度低于郊区,云量和降水量大于郊区。城市气候特点的形成同城市本身的状况密切相关,且随着城市人口的增加和城市规模的扩大而表现得更为明显。对城市气候的研究,包括以下各项:城市规模和布局与城市气候的关系,大气污染对城市气候的影响,城市气候与郊区气候的差异及其形成原因,对居民健康的影响,城市气候的改良途径和方法等。

    城市气候的基本特征/混浊岛效应 编辑

    城市气候既受所属区域大气候背景的影响,又反映了城市化后人类活动所产生的作用。不同气候区的城市气候不尽相同,但也存在一些共同的城市气候特征,集中表现在“五岛”效应。

    城市热岛效应与热岛环流

    由于城市下垫面的特殊性质,城市人类活动释放大量的二氧化碳等温室气体,加上人为热源的影响,使城市气温明显高于郊区,这种现象称为城市热岛效应。国内外许多学者的研究表明,城市热岛强度夜间大于白天,日落以后城郊温差迅速增大,日出以后明显减小。城市热岛效应不仅在近地面气温中有反映,而且对城市的边界层大气环流产生影响。由于城市热岛效应,市区中心空气受热不断上升,四周郊区相对较冷的空气向城区辐合补充,热岛中心上升的空气到一定高度又向四周郊区辐散下沉,形成一种局地的热岛环流(见图)。这种环流在晴朗少云,背景风场极其微弱的静稳天气条件下最为明显。虽然城市热岛效应夜间强于白天,但由于夜间郊区大气层结稳定,有时还存在逆温层,因此夜间的上升气流层不强;而白天郊区大气层结本身不稳定,流入城市后上升速度快,所以城市热岛环流白天要比夜间强,而且夜间的郊区风还具有阵性。

    干岛或湿岛

    城市对空气湿度的影响比较复杂。由于下垫面多为建筑物和不透水地面,雨后径流系数大,蒸发和蒸腾量较小,进入大气的水汽量少,加上城市气温又比郊区高,通常城市空气的绝对湿度和相对湿度都要低于邻近的郊区。尤其是盛夏季节郊区农作物与林草植被生长茂密,城郊之间蒸散量的差值更大。城市由于建筑物密集和高低不一,下垫面的粗糙度大,加上热岛环流,机械湍流和热力湍流都要强于郊区,通过湍流垂直交换向上层输送的水汽量比郊区多。两种效应的叠加导致城区近地面水汽压小于郊区,形成“城市干岛”。但到夜晚,风速减小,空气层结稳定,郊区气温下降更快,使饱和水汽压减低,大量水汽在地表凝成露水,使存留于低层空气的水汽减少,水汽压迅速降低。而城区因受热岛效应影响,凝露量远比郊区少,夜晚湍流也减弱,与上层空气的水汽交换量减少,使城区近地面的水汽压要高于郊区,从绝对湿度的角度又形成了“城市湿岛”现象。

    混浊岛

    投射到地表的太阳辐射可分为两部分:以平行光线方式射来的直接阳光称为直接辐射S,穿过大气圈受空气分子、悬浮颗粒物和云滴散射向四面八方发出的称为散射辐射D。在相同强度的太阳辐射下,混浊空气中的粒子散射要比干洁空气强度更大,而直接辐射却受到拦截和削弱。气象学家以D/S表示大气的混浊度或混浊度因子。城市大气污染远比郊区严重,工业生产、交通运输和居民炉灶等排放的烟尘远比郊区多,又大多是吸水力很强的凝结核,在城市中垂直湍流的作用下有利于低云的发展。大量观测资料证明,城区低云量多于附近郊区,也使得城市的散射辐射比郊区强,直接辐射比郊区弱,大气混浊度显著大于郊区,形成城市的“混浊岛”效应。

    雨岛

    关于城市对降水的影响国际上存在不少争论。美国曾在中部平原密苏里州圣路易斯及附近郊区设置稠密的雨量观测网进行持续5年的观测研究,证实城市及其下风方确有“雨岛效应”,即城市及其下风方的降水比其他地方多。我国周淑贞等分析上海地区170多个雨量观测站点的资料,结合天气形势进行众多个例分析和分类统计,发现上海城市对降水的影响以汛期(5—9月)的暴雨比较明显,在近30年的汛期降水分布上市区降水量均明显高于郊区,呈现清晰的城市雨岛效应,而非汛期(10月—次年4月)及年平均雨量分布上则无此现象。城市雨岛形成的条件是在大气环流较弱,有利于在城区产生降水的大尺度天气形势下,由于城市热岛所产生的局地气流的辐合上升,有利于对流雨的发展;城市的下垫面粗糙度大,对移动滞缓的降雨系统有阻障效应,使其移速更为缓慢,延长了城区降雨时间,再加上城区空气中凝结核多,其化学组分不同,粒径大小不一,当有较多大核(如硝酸盐等)存在时有促进暖云降水的作用。上述种种因素的影响,会“诱导”暴雨最大强度的落点位于市区及其下风方向,形成“城市雨岛”。

    下垫面和人类活动对城市气候的影响/混浊岛效应 编辑

    下垫面是气候形成的重要因素,是指在热量、动量和水汽交换过程中与大气相互作用的地球表面(土壤、草地、水体等),下垫面性质对大气温度、湿度、风等有很大影响。城市气候的形成与原有下垫面性质改变和人类活动强度密切相关,城市下垫面是导致城市气候形成的直接原因。从景观生态学的角度看,各种类型的城市下垫面(包括人工建筑、水面、绿地等)的空间形态和结构布局构成了城市的景观格局,其特征一般可从景观组分和景观格局两个层次分析。景观组分层次的研究强调某种下垫面类型对大气环境影响的物理效应;而景观格局层次的研究更注重景观组分的空间组合效应,包括若干下垫面斑块的组合效应及整个城市景观的布局效应。另外,城市化的推进加剧了土地利用方式和密集的社会经济活动,导致城市能源消耗和人为释放热量的增大,对气候产生了重大的影响。

    城市发展对城市热岛效应的影响/混浊岛效应 编辑

    对过去50年的中国年平均气温数据研究表明,城市热岛效应的影响主要包括年平均气温升高、年际间温差减小和气候趋势改变三个方面。宋艳玲等利用北京市近40年气候资料研究分析北京市市区与郊区平均气温日、季、年际和年代变化特征,发现40年中以1995年11月24日市区与郊区日平均气温温差最大,达4—6℃;季节变化中,市区与郊区温差以冬季最大,为1—11℃,春季最小,仅为0.26℃;年际变化1961—1977年期间市区与郊区温差较小,而1978—2000年市区与郊区温差已增大到0.62℃,热岛效应明显增强;年代际变化中,市区与郊区温差以20世纪60年代最小,仅为0.13℃,20世纪90年代增大到0.78℃。张光智等分析了北京及市郊地区共16个标准国家气候站的1961—2000年40年温度资料,发现北京城区与郊区温度是同位相升降,且郊区温度一直低于城区。其温差维持并同位相振荡,温度逐年升高,城区与郊区温差逐年增大,表明北京热岛效应一直稳定存在,而且北京的热岛效应在随时间加剧。我国的许多城市都具有这一特点。

    对日照、能见度、云量和雾的影响/混浊岛效应 编辑

    城市日照时数的多寡取决于纬度、季节和大气透明度。同一城市日照时数城郊差异的时空变化则主要取决于大气透明度。随着城市的发展,年平均日照时数和日照百分率逐渐减少。如20世纪70年代与20世纪60年代相比,浙江省义乌市区的日照时数和日照百分率降低幅度很小;20世纪80年代以后明显减少,原因是小商品市场发展很快带动了城市规模迅速扩大,交通运输和工业耗能迅猛增加,加上缺乏完善的污染防治措施和设备,空气污染物日益增多,大气透明度降低。香港天文台对能见度低于8 km的逐小时计算,在剔除了雾、薄雾、雨及95%以上的高湿天气后,能见度在1968—2006年期间有变差的趋势。低能见度出现在1968—1987年期间为53小时,但1988—2006年期间增加到595小时。随着城市的发展,城市总云量和低云量也有逐渐增多的趋势。一方面在同一时期城市云量比郊区多,另一方面在同一城市随着城市的发展,低云量越来越多。城市发展对雾的产生存在双重影响。一方面随着城市的发展大气凝结核增多,大风和静风日数减少,小风或微风日数增多,有利于雾的形成;另一方面由于“热岛”与“干岛”效应不断加强,又不利于雾的形成。城市发展是否有利于雾的形成要看哪方面占优势。众多观测和研究表明在城市发展早期雾日多于乡村,当城市发展到一定程度,由于“热岛”和“干岛”效应加强,雾日数趋向于减少。

    城市发展对大气污染的影响/混浊岛效应 编辑

    城市发展与大气污染关系密切。经济高速发展的珠江三角洲地区氮氧化物年平均值从1990年起超过国家二级标准且逐年快速增长,1995年高达0.118 mg/m3。随着城市现代化进程,能源结构也在变化。由于原煤仍然是我国的主要能源,燃烧后产生大量悬浮颗粒物和污染气体,使我国多数城市的大气污染以煤烟型为主。但20世纪90年代以来由于机动车数量的快速增长和石油、天然气等优质能源的比重增加,北京、上海、广州等大城市的大气污染已由单纯的煤烟型向煤烟与机动车尾气混合型改变,氮氧化物的比重也在增加。从地理分布看,北方城市大气悬浮颗粒物和二氧化硫浓度均高于南方,大中城市的大气污染又较中小城市重。近10年来,我国大气中悬浮颗粒物和二氧化硫浓度呈缓慢下降趋势,这主要得益于煤的消耗量稳中有降,部分城市工业布局和产业结构的调整以及能源结构的改变也促成了城市地区大气污染物浓度的降低,但同时也造成大气污染有向农村地区扩散的趋势。城市化发展和人类活动的增加,特别是城市交通与建筑工地扬尘及工业烟尘排放,使城市空气中的尘粒和气溶胶剧增,容易形成雾和霾,使能见度降低。尤其是北方城市每到深秋和初冬常发生连续两天以上的大雾天气,对交通影响极大。北京市20世纪80年代后期以来,年雾霾日数维持在200天上下,比20世纪60年代和70年代的100~150天明显增加。城区年平均能见度也从20世纪60年代的16~20千米下降到20世纪90年代的10~12千米。2000—2007年北京市政府加大了大气污染治理的力度,雾霾日数已明显减少,大气环境质量二级以上天数逐年增加,并保证了2008年8—9月奥运会与特殊奥运会期间北京市的大气环境质量有了明显改善。

    城市发展对雷电和降水的影响/混浊岛效应 编辑

    通常雷电发生在山区较多,平原较少。城市由于存在热岛效应导致对流活动加强,雷电在城市比乡村要多。如北京城区年雷电日数比周围平原郊区多2~8天,而且随着北京城市规模的扩大,雷电日数也在不断加强,城区年雷电日数20世纪50年代为30天,20世纪90年代前期已增加到46天。关于城市化对降水的影响存在较多争议,有的认为城市化有使降水增加的效应,尤其是城市下风方;有的认为城市化对降水有减少的效应;有人认为城市化对降水无影响;还有人认为城市化使对流性降水明显增多。

    城市化影响降水的机制/混浊岛效应 编辑

    (1)城市热岛环流使大气层结变得不稳定,有利于热力对流的产生,容易形成对流云和对流性降水。 
    (2)城市空气凝结核丰富有利于水汽凝结和产生降水。 
    (3)摩擦阻挡效应。城市参差不齐的建筑物对气流有机械阻障、触发湍流和抬升作用,使云滴凝结碰并增长形成降水。城市下垫面对天气系统的移动的阻滞作用使其移速减慢,增加降水持续时间。

    上述三个因子作用往往使城市降水多于郊区。如北京市1981—1987年城区年降水量平均比郊区多9%,上海市1960—1989年市区汛期平均降水量比郊区多33%(周淑贞,束炯 1994),广州市20世纪70年代平均降水量比郊区多93%。美国圣路易斯市1971—1975年的试验研究表明,城区夏季降水次数、总降水量和大暴雨平均雨强都明显增大。雷雨次数增多且降水量占到夏半年各月降雨量的50%,88%的雷暴都伴有降水。位于市区下风向的东北部工业区降水约增加30%~35%。美国休斯敦(4311站)在城市化后(1984—1999年)年平均降水分布由于城市下垫面作用下午出现频率增加,后半夜和清晨减少。

    城市气候的研究现状和动态/混浊岛效应 编辑

    由于城市扩展伴随着一系列环境问题,对城市可持续发展、人类健康和生态环境保护带来明显或潜在的负面影响,因而城市气象研究和城市气象服务受到各国的高度重视。

    城市气候学/混浊岛效应 编辑

    城市气候学是一门新兴的交叉学科,无论基础研究还是应用研究都存在许多亟待解决的科学问题和难题。经济社会的迅速发展对城市气候研究的需求日益增加,城市气候的有关研究也随着气象科技的发展而逐渐深入。20世纪70年代以来,世界气象组织和世界卫生组织召开了一系列国际会议研讨城市气候环境问题。美国在20世纪70年代开展了为期5年的大城市气象观测试验,之后麻省理工学院、哈佛大学与墨西哥开展了针对墨西哥城的合作研究项目,特拉华大学建立了城市高温热浪预报系统,英国、德国、日本开展了东京城市气象研究。进入20世纪90年代,发达国家的城市气象研究发展加快,德国在城市发展规划和建设中考虑了气候条件及城市建设对局地气象环境的影响,日本根据地域特点开展了城市气象与减灾、气象与疾病等方面的研究。面对城市化的快速发展,发展中国家也非常重视城市气象服务。20世纪90年代初期,墨西哥政府投资450万美元与美国合作开展了墨西哥城空气质量研究计划。一些与城市环境气象有关的国际机构及研究计划相继确立,开展了气候变化、温室气体排放、空气质量(城市气流模拟及城市大气化学试验)和大气污染评估、城市植被与大气相互作用、城市地区及建筑物附近湍流输送与扩散过程、城市风与环流系统、城市与周围地区中尺度相互作用、城市能量收支和水收支、城市热岛效应及其对长期气温纪录的可能干扰、城市对天气的影响等方面的试验研究。当前全球城市气象的研究热点问题有:城市边界层陆气相互作用及湍流输送、城市天气预报技术、城市空气质量、城市大气环境探测、城市气候、城市水资源及能源利用、城市热岛效应及热浪、城市生物气象学及生态城市模型、城市规划和策略等。上述城市气候研究为开展城市气象灾害发生机理与减灾途径研究提供了重要的理论基础。[4]

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2010-07-03
    [2]^引用日期:2011-03-17
    [3]^引用日期:2011-03-17
    [4]^引用日期:2011-03-17

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