城市气候

城市气候

城市气候是指大都市特有且与周围郊区有异的各种气候条件。城市气候相对郊区农村气候来说是个气候岛。例如，城市热岛、干岛、雨岛、烟霾岛、雾岛等。城市环境对城市气候的影响很大，城市气候是人类活动影响小气候的明显表现。

城市气候是人类活动影响小气候的明显表现。城市面积虽小，但人口密集，工业集中，是人们生活的重要舞台。由于这种高度集中，造成空气污染，大量人为热量的释放和特殊的下垫面条件，使城市和农村的气候产生了明显的差异，形成了独具特点的城市小气候。城市气候的形成原因主要是：

深圳热岛

①现代城市以钢铁、水泥、砖瓦、土石、玻璃为材料的各种建筑物下垫面的刚性、弹性、比热等物理特性与自然地表不同，从而改变了气候反射表面和辐射表面的特性，也改变了表面附近热交换和表面气体动力粗糙度。

②工业生产、交通运输、取暖降温、家庭生活等活动释放出的热量、废气和尘埃，是城市内部形成了一个不同于自然气候的人工气候环境。

③由于巨量气体和固体污染物排入空气中，明显地改变了城市上空的大气组成。城市气候不同于周围地区主要表现是：年平均气温和最低温度普遍较高(形成“城市热岛”)；年平均相对湿度和冬、夏季相对湿度都较低；多尘埃和云雾；辐射较少；风速较低，多静风；降水量较多等。

城市热岛卫星监测图

城市环境对城市气候的影响很大，具体表现在以下几个方面：

1、总辐射减弱，日照减少。由于空气污染，尘块增多，大气混浊度增加，于是使到达地面的太阳辐射大为减少。据对比观测发现，市区的总辐射约比郊区少10-20%。冬季太阳高度角较小时减弱尤甚，有时甚至可减少到50%。同时，日照时数也逐渐减少。一般，城市和农村环境相比，日照要少5-15%。据观测，近50年里东京年日照时数已下降约70-80小时左右。

2、市内呈现高温，存在热岛效应，城市好象一个温暖的岛屿。市区温度高，郊区温度低，等温线呈圆形分布。这种现象叫做热岛效应。据观测，城市热岛效应一般可使市区的年平均温度比郊区高0.5-1.0℃。但不同季节、不同的天气条件下，市区与郊区的气温差的大小也不同。如1979年冬季一次晴朗天气条件下，在上海的对比观测发现市中心温度比郊区高6℃。热岛效应的形成，与城市上空污染物质的保温作用、地面蒸发耗热量的减少、风速小、减少热量水平输送、人为热量的释放和与生物体的热交换等因素有关。

3、出现热岛环流伴随着热岛效应，产生热岛环流，尤其是夏季，城市中心气流上升，到一定高度则向四周流散，而地面则是郊区空气流向城市中心。

4、低湿、多雾、降水增加。市区由于排水良好，地面较干燥，蒸发很少，所以绝对湿度较郊外低，差值一般在1毫巴以下。相对湿度则因市区温度高，以致偏低更多一些。据欧洲观测，年平均相对湿度城市与郊区相差4-6%。

城市上空因凝结核多，雾日显著增加。从19世纪末到20世纪初，东京年雾日数平均增加20-30天，上海则增加了15天左右。城市与郊区相比，冬季市区雾日数可比郊区多100%，夏季多30%。城市降水也有增加。观测表明，城市年降水量比郊区多5-10%。另外，微雨日数(0.1-1.0毫米/日)也有显著增加。据东京观测，市中心比郊区多20日左右。

大气污染

城市气候在形成以后，因为受到人为活动的影响会产生变异，影响城市气候变异的因素主要是：

人造建筑因素：城市众多的砖石、钢骨水泥建筑物及沥青和水泥道路取代了天然的植被与土壤，影响了城市的气温、湿度等气候条件。某些建筑物取代了自然地形，影响了城市局部地区的风向、风速、热量等，例如大厦、沥青及水泥路；有些类型的建筑物则影响了雨水的径流。例如停车场、沥青及水泥路等。

人口因素：城市居民大量增多多，其日常生活及生产活动会增添大量热源。比如某城市举办奥运会期间，因为人口在短时间内的大量聚集导致城市内局部地区温度升高。

污染物因素：城市上空的一个特点是污染物浓度高，其中有一氧化碳、硫和氮的氧化物、多种碳氢化物、氧化剂和粉尘物质之类。其中微粒和烟尘粒等污染物对城市气候条件如气温、能见度和降雨量等甚有影响。污染物的来源主要是工业生产过程产生的废料，例如炼油厂的化合物废气排放；以及燃料的燃烧，例如交通工具的运行；住家和办公室的取暖等。城市空气污染的浓度取决于污染物放射源的大小和该城市的通风情况，即该城市的风速和其上空大气层的高度。若出现了污染物数日聚集在市区上空的情况，会出现一种叫逆温的天气现像，即“温度随高度增高而增大”。这种天气现像会防碍大气的混合，严重者会令城市居民有急遽的痛苦，甚至死亡。例如1952年12月，伦敦烟雾事件中，大气逆温使得逾8000人死於呼吸道疾病。

北京城区与下风区降雨量变化

在城市的特殊下垫面和城市中人类活动的影响下形成的一种异于城市周围地区的局地气候。形成这种气候的主要原因是：①城市建筑物、沥青或水泥路面等代替了绝大部分植被；②城市居民的生产和生活活动给城市增添了大量热源；③城市工业和交通运输排放出大量烟尘粒和微粒等。城市气候的主要表现如下：

①气温高。以沥青、水泥和砖石等为主的下垫面具有较大导热率和热容量,房屋建筑物又增大受热面积,使城市白天吸收和积蓄更多的太阳辐射能；城市中排水迅速，下垫面大都不吸水，不透水，使耗于蒸发的热量大为减少，而耗于湍流交换的热量增加；城市生产和生活活动释放热量；城市上空由于尘粒、水汽和二氧化碳气体等的被覆作用使夜间长波辐射减少，下垫面冷却速度减慢。这些都使城市气温提高。由于城市气温高于周围地区，使城市形成一个暖中心，称为城市热岛。这种现象一年四季都存在，在中、高纬度地区大城市的冬天尤为明显。因此，市区的严寒、霜冻日数比郊区少，无霜期长，有时还发生市区降雨、郊区降雪的情况。

②湿度低。城市的气温高（地面蒸发少，空气相对湿度比周围地区低。例如，东京、伦敦等市区年平均相对湿度比郊区低5％左右。就绝对湿度而言，市区一般只略低于郊区。

③风速小。市区建筑物密集，增大了下垫面粗糙度，风速一般小于郊区。通常市区年平均风速比郊区小20～30％，阵风(最大风速)减小10～20％，静风频率则增加5～20％。但是，城市中由于狭管效应造成的“弄堂风”可比自然风速大得多。由于热岛效应，市区气压比郊区低，在没有其他天气系统影响下，大城市周围常发生由郊区向市区辐合的特殊风系，这种风系称为热岛环流或乡村风。但是，当自然风速较大时，这种风便被破坏而消失。

④太阳辐射弱。由于市区大气中含有大量尘粒，使年平均太阳辐射总量约比郊区减少15～20％。高纬度冬季阳光斜射，这种影响尤其严重，使市区的紫外线比郊区甚至少30％，日照时数大约减少5～15％。

⑤能见度差。城市大气中含有大量尘粒，大气凝结核浓度大，雾日多，使市区大气能见度降低。城市大气中含较多的吸湿性微粒，在70％的相对湿度下，就能使水汽在其上发生凝结，雾日增多。例如，上海有雾时，郊区相对湿度一般在98％以上，而市区雾中仅80～86％。但是另一方面，市区凝结核多，不易形成大水滴，因此浓雾日数反有减少。

⑥降水多。城市热岛效应增强了空气的热对流，下垫面粗糙度大，增强大气湍流，使市区上升气流加强，加之城市大气中起冰核作用的凝结核多，这些都有利于增加城市的降水。但是，也有人认为，城市大气中凝结核过多，造成云多雾多，却不利于形成足以降到地面的大雨滴，这是降水的不利条件。根据欧洲和北美资料，许多大城市市区年降水量约比郊区多5～10％，小于5毫米的降水日数增加10％。由于市区气温较高，降雪比郊区少5～10％,城市雨量最多的地区，常发生在盛行气流的下风方向。

酸雨形成图

城市气候既有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，因此，不同大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，城市气候的共同特征有以下几方面：

1、由于城市下垫面特殊性质；空气中由燃料产生的二氧化碳等较多；加上人为的热源等因子，城市气温明显高于郊区，这种情况称为“城市热岛效应”。国内外许多学者的研究表明：城市热岛强度是夜间大于白天，日落以后城郊温差迅速增大，日出以后又明显减小。

2、城市中由于下垫面多为建筑物和不透水的路面，蒸发量、蒸腾量小，所以城市空气的平均绝对湿度和相对湿度都较小。但由于城市下垫面热力特性，边界层湍流交换以及人为因素均存在日变化，因此，城市绝对湿度的日振幅比郊区大，白天城区绝对湿度比郊区低，形成“干岛”，夜间城市绝对湿度比郊区大，形成“湿岛”。

3、由于城市空气中尘埃和其他吸湿性核较多，在条件适合时，即使空气中水汽未达饱和，相对湿度仅达70~80%，城市中也会出现雾，所以城市的雾多于郊区。有些城市汽车尾气排放的废气，在强烈阳光照射下，还会形成一种以臭氧醛类和过氧乙酰硝酸酯(PAN)等为主要成分的浅兰色烟雾，称为“光化学烟雾”，这种雾对人体是有害的。

4、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，而在城市热岛中心上升的空气又在一定高度向四周郊区辐散下沉以补偿郊区低空的空缺，这样就形成了一种局地环流，称为城市热岛环流。这种环流在静朗少云，背景风场极其微弱的静稳天气条件下，最为明显。应该指出虽然城市热岛效应夜间大于白天，但由于夜间郊区大气结稳定，有时还存在逆温层，因此上升气流层不强，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比夜间强，而且夜间的郊区风具有阵性。

5、城市中由于有热岛中心的上升气流，空气中又有较多的粉尘等凝结核，因此云量比郊区为多，城市中及其下风方向的降水量也比其他地区为多。另外，城市中由于大量使用能源，向大气中排放出许多二氧化硫和氧化氮，它们在一系列复杂的化学反应下，形成硫酸和硝酸，通过成雨过程和冲刷过程成为酸雨降落。酸雨可导致土壤贫瘠，森林生长速率减慢，微生物活动受到抑制，对鱼类生存构成威胁，刺激人的咽喉和眼睛……因此，防治酸雨是刻不容缓的任务。

热岛效应

热岛效应是形成城市气候最直观，最基本的方式，也是城市气候最典型的的表现特征。

城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市建筑结构及下垫面特性的综合影响等是其产生的主要原因。热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱，最大值出现在晴朗无风的夜晚，上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节分布还与城市特点和气候条件有关，北京是冬季最强，夏季最弱，春秋居中，上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约1℃左右，如北京为0.7～1.0℃，上海为0.5～1.4℃，洛杉矶为0.5～1.5℃。城市热岛可影响近地层温度层结，并达到一定高度。城市全天以不稳定层结为主，而乡村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升，到一定高度向四周辐散，而附近乡村气流下沉，并沿地面向城市辐合，形成热岛环流，称为“乡村风”，这种流场在夜间尤为明显。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。

城市热岛效应是城市气候中典型的特征之一。它是城市气温比郊区气温高的现象。城市热岛的形成一方面是在现代化大城市中，人们的日常生活所发出的热量；另一方面，城市中建筑群密集，沥青和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大的热容量(可吸收更多的热量)，而反射率小，使得城市白天吸收储存太阳能比郊区多，夜晚城市降温缓慢仍比郊区气温高。城市热岛是以市中心为热岛中心，有一股较强的暖气流在此上升，而郊外上空为相对冷的空气下沉，这样便形成了城郊环流，空气中的各种污染物在这种局地环流的作用下，聚集在城市上空，如果没有很强的冷空气，城市空气污染将加重，人类生存的环境被破坏，导致人类发生各种疾病，甚至造成死亡。