人口、城市和环境

城市气候岛


  1950年世界人口只有25亿,其中仅约1/3住在城镇。但2000年世界人口预计要增加到约62亿,而且其中约一半居住在城镇里。到2025年这个比例预测还将从50%增加到80%。城市中人口密集,工业发达,能耗巨大,绿地极少。城市化的迅速发展,使城市中大气环境严重污染,形成多种环境公害。

  城市的特殊环境形成了城市气候。城市气候相对郊外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。当然,城市也是一个相对周围农村而言的高浓度大气污染岛。

城市热污染


  城市所发出的巨大热量,使得城区成为好比在冷凉郊区农村包围中的温暖岛屿,因此得名“城市热岛”。城市热岛最早见之于科学记载的,可能是1818年英国出版的《伦敦气候》。作者L·赫华德对城市气候的两大发现,就是伦敦市中心气温比郊外高(各月平均分别高0.5℃一1.2℃),以及城乡温差夜间比白天大。我国曾观测到的最大城乡温差(城市热岛强度),上海是6.8℃(1979年11月13日20时),北京是9.0℃(1966年2月22日清晨)。

  世界上热岛最强的是中高纬度的大中城市,如加拿大的温哥华11℃(1972年7月4日),德国柏林13.3℃。位于北极圈附近的美国阿拉斯加首府费尔班克斯市曾达14℃。城市中人为热源的比例,据对美国一些大城市的调查估计,来自工厂、家庭炉灶、冷气、采暖等固定热源约占3/4,而汽车、摩托、电车等移动热源约占1/4。人体和家畜等新陈代谢热量一般还不到1%。城乡温差一般是随纬度的升高而增大的。因为人为热量和太阳辐射热量余额(太阳短波热量收入减去地面长波辐射支出热量)的比值,是从赤道向高纬度迅速增加的。例如,赤道和热带的新加坡和香港仅为3%一4%,而北极圈附近的费尔班克斯高达105%,也就是人为热量已比太阳热量余额还多!在一年四季之中,太阳辐射热量和余额以冬季最小,加上冬季中中高纬度还有取暖热量,因此热岛效应以冬季最强。同样道理,一天之中热岛以夜间比白天为强,尤其是日落后3-5小时内为最强。因为这时城区降温速度比农村慢得多。但是,在中高纬度城市的冬季情况有所不同,因为城市还有早晚两个取暖时段的大量人为热量。例如,加拿大卡尔加里市冬季在早08时和晚20时附近有两个煤气消耗高峰(取暖和做饭),从而城市热岛强度在09时和21时也各出现一个高峰。此外,城乡温差还有周变化,这是因为有不少国家统一规定星期日是休息日,绝大多数工厂停工,街上机动车流量也比平时少得多。例如,美国康涅狄格州纽黑文市1939-1943年5年平均,周一至周六城乡温差高达1.2℃,而星期日只有0.6℃。后因美国把星期六也定为休息日后,马里兰州巴尔的摩市观测到冬季中星期一至五城乡温差平均0.82℃,而星期六、星期日两天平均温差仅为0.30℃。

  但是,人为热量还并不是城市热岛的唯一热源,因为城乡地表吸收和储存太阳热量性能有不小差异。例如,城市下垫面对阳光热量的反射率比乡村小(一般小10%一30%),而且城市下垫面的混凝土、砖瓦、石料及钢材的热容量大,导热率也高,大量储存了白天丰富的太阳热量。另外,城市下垫面建筑密集,街道和庭院中的"天穹可见度"比开旷郊外小得多,地面长波辐射热量在墙壁地面间多次反射,从而使得地面向宇宙空间散失的热量大大减少。这两种原因都造成日落后降温缓慢,使城区夏季中傍晚和上半夜显得特别炎热。城乡温差除了上述年变化、周变化、日变化等周期性变化外,还有非周期性变化。这主要是由风速和云量变化引起的。风速大小对热岛强度极为重要。因为大风不仅造成上下对流,把城市中热空气吹到城外,而且直接把郊区冷凉新鲜空气迅速源源输进城区。有文章研究了韩国四个不同规模城市的城乡温差和风速的关系,得出了风速能明显减小城乡温差的结果。而且,如果把城乡温差小于0.5℃作为热岛消失的指标,那么840万人口的汉城在11.1米/秒时热岛才开始消失,广阳等13-15万人口城市在4-5米/秒时热岛消失,人口6万的薪岛在3.9米/秒时热岛已经不存在了。阴天或多云天气时城乡白天阳光短波辐射热量收入和地面长波辐射热量支出都减小,因而也使城乡温差减小。例如,上海1984年进行过4次对比观测,在风速大体相同的情况下,两次晴天(5月8日和10月20日)城乡温差分别为2.5℃和2.2℃。而多云和阴天(5月28日和11月28日)城乡温差分别只有0.4℃和0.7℃。所以上海以10-11月为全年中城乡温差最大月份的原因是因为它们正是上海全年云量最少的季节。

  城市热岛的存在,使城区冬季缩短,霜雪减少,有时甚至发生郊外降雪而城内降雨的情况(如上海1996年1月17一18日)。城市热岛也使城区冬季中取暖能耗减少。但城市热岛在夏季中中、低纬度城市造成的高温,不仅使人的工作效率降低,而且造成中暑和死亡人数的增加。例如,美国圣路易斯市1966年7月9-14日,最高气温38.1℃一41.1℃,比热浪前后高出5.0℃一7.5℃。此时城区死亡人数由原来正常情况的35人/日陡增到152人/日。1980年7月热浪再袭圣路易斯市和堪萨斯市,两市商业区死亡率分别增高57%和64%,而附近郊区只增加约10%。有人研究了美国洛杉矾市,指出几十年来城乡温差增加了2.8℃,全市因空调降温多耗10亿瓦电能,每小时约合15万美元。据此推算全美国夏季因热岛效应每小时多耗空调电费数达百万美元之巨。此外,夏季高温还会加重城市供水紧张,火灾多发,以及加剧光化学烟雾灾害,等等。所以城市热岛本身也是一种污染,称为热污染。

雨岛


  城市中由于热岛效应,上升气流比郊外强,城市大气中吸湿性污染微粒又是良好的水汽凝结核,因此城市云量一般比郊外多。但因热岛效应造成的上升气流所达到的高度不高,因此所增加的云主要是低云。以上海为例,市区龙华1960-1979年20年平均低云量3.4成(即天空平均有34%被云所遮),比郊区5县多0.4成。1980-1989年因城市发展,差值从0.4成上升到1.1成,主要就是因为龙华的低云量增加到了4成。具体还有两个例子,美国圣路易斯市积云常首先在城市中心和城北炼油厂上空生成,那里积云出现的频率比周围高3倍。根据德国汉堡地区的观测,夏季150-200米高(指云底高度)的分散的积云区的东南边缘往往和城区东南部边缘大体重合。云多是增加城市降水的有利条件。不过,城市对增加降水也有一些不利条件。

1、城市空气干燥,相对湿度低。例如,1984一1987年上海市城区11个站平均的年平均相对湿度比郊区4县平均偏低了5.8个百分点(数量不算很小),因此城市还有"城市干岛"之说。

2、大气中污染微粒虽易吸湿成云,但其中直径特别小的粒子形成的云一般不会发生降水(称为云的胶性稳定)。

  不过,绝大多数研究工作还是证明城市可以增加城区和下风方向一定距离内郊区的降水量。因为城市造成的增雨过程还会向下风方向持续一段距离。城市年增雨率一般是5%一11%,但个别城市夏季增加30%的也有。因此又有“城市雨岛”之称。我国对上海市的研究,指出城市增雨主要发生在汛期5-9月。30年平均对比,市区龙华汛期总雨量685.6毫米,近郊为660-680毫米,远郊仅620-640毫米。但非汛期增雨作用不明显。城市增加降水的方式,除了上述数量上增加以外,有时因为热岛的热力作用触发对流性不稳定,因而偶尔也有城外无雨而城里有雨(甚至大雨)的情况发生。

城市风系和城市风灾


  工业污染源大部分集中在城市,污染浓度和风速平方成反比,风向决定污染物的输送方向。从城市整体角度认识你生活地点的风向、风速,结合天气预报,有助于你采取预防空气污染措施,规避危险。

  1、城市建筑物聚集,高低大小不等,风流动时增加了阻力,因而城市风速一般来说比郊外小;城市减小风速。例如,我国最大城市上海,据多年平均资料,上海市区年平均风速都在3米/秒以下,其中风速最小的杨浦区和徐汇区仅为2.3-2.4米/秒。而近郊8县一般都在3-4米/秒之间,远郊的祟明、南汇更大于4米/秒。但具体说来城市减小风速的数值还因风速大小而有不同:大风减小得多而小风减小得少。例如,北京气象台八里庄旧址80年代末期四周开始出现高楼群,结果使风级较高的大风日数大大减少,而风级较低的大风日数则减少不多。气流流经城市,除了风速减小以外,风向也会有所变化。这是因为城区中风速减小时,气流受到的地转偏向力也同时减小,因而会使气流微向左偏。例如,美国俄克拉荷马城400米高度上的气球实验中,在南风13米/秒情况下,由于城区风速减小引起的向低压侧左偏的风速分量就有l米/秒。

  2、城市也能制造局地大风,以致造成灾害。因为城市粗糙的下垫面好比地形复杂的山区一般,街道中以及两幢大楼之间,就像山区中的风口,流线密集,风速加大,可以在本无大风的情况下制造出局地大风来。还有,据风洞实验,在一幢高层建筑物的周围也能出现大风区,即高楼前的涡游流区和绕大楼两侧的角流区。这些地方风速都要比平地风速大30%左右。这是因为风速是随高度的升高而迅速增大的当高空大风在高层建筑上部受阻而被迫急转直下时,也把高空大风的动量带了下来。如果高楼底层有风道(通楼后),则这个风道口处附近的风速可比平地风速大2倍左右。也就是说,当环境风速为6米/秒时,这时风道附近就可达到18米/秒,也就是8级大风了。城市中因大风刮倒楼顶广告牌,掉下伤人的例子前面已经举过了,其中不少是因建筑物造成的局地大风。国外因高楼被风刮倒伤人,投诉法院获巨额赔偿的事件也有过多起。它还能产生它自己的特殊风系。

  3、城市还有它自己特有的风系-城市热岛环流。这是因为城市热岛中气流不断上升,从周围农村来的气流便不断流向城市补充。因为它们来自乡村,正像来自北方的风称为北风一样,这种城市热岛环流的地面部分被称为“乡村风”。乡村风的风速一般只有1-2米/秒。上海是个特大城市,只要没有较大的风,而城市热岛又很明显(晴天)时,热岛环流也是很明显的。例如,1980年12月7日上海热岛很强,此时市区北部的宝钢和闵行在500米以下都吹偏北风,市区南部的龙华从地面到600米都是偏南风,即向市中心辐合。但在高空,宝钢、闵行在700米高度处开始转为南风,龙华则从900米高度开始变为北风,即形成了一个低层向市中心辐合,而高层从市中心向外辐散的完整热岛环流圈。从安放在市中心的气温自记仪器的自记纸上,常常可以发现气温变化曲线在夜间有一个个好似冷锋过境似的气温陡降现象。这就是冷凉的乡村风入侵城市的见证。从这里也可以知道城市热岛环流不是连续均匀地流动的,而是有明显的阵性。城市里还有一种范围更小的风系,可以叫做“汽车风”。这是由于马路中央线两侧连续驶过相反方向高速车辆所造成。例如,1988年1月15日,广州市风速很小,日平均风速仅0.69米/秒。在南北走向的人民南路上,受不同方向车流的影响,在3米高的测点上,街道西侧盛行偏北风,西北风加上西北偏西风的频率和达到79.1%;东侧则盛行偏南风,东南和东南偏东风的频率和更高达86.9%。这一天汽车风共出现20-22小时之久。但这种汽车风不仅水平范围很小,而且会随离地高度增高而迅速消失。乡村风的成因和汽车风是不同的。前者是热力作用造成的,风速决定于城乡温差,而后者是机械摩擦作用所造成。汽车流量减小,或者车速减慢,汽车风就停了。

雾岛和烟霾岛


  城市大气的污染源,主要有工业生产、民用炉灶(包括取暖烟囱)、焚烧废物以及交通运输。污染物按它们在大气中存在的状态,可分为气溶胶(固体和液体微粒)和污染气体两类。气溶胶污染物根据它们的物理性质又可以分为粉尘类、烟尘类和雾滴类。粉尘类是由多种工业生产所产生,主要包括强土、石英、水泥、煤粉的粉尘以及各种金属粉尘等。烟尘一般是由冶金、化学等工业和燃烧所产生的飞灰和黑烟,其直径比粉尘小得多。雾滴类是大气中液态悬浮体的总称。大气气溶胶中直径大于10微米者称为降尘,大部分降落在污染源附近;小于10微米者叫飘尘,它们能较长期停留在大气之中,可以通过呼吸进人人体肺泡(引起矽肺、尘肺等)以至血液淋巴危害人体健康。更麻烦的是,这种气溶胶粒子上常吸附有污染气体和致癌性很强的大分子有机物。此外,粉尘中的重金属(如石棉、砷、锦等)许多也是致癌物质。因此,近数十年来,随着城市工业的发展,肺癌的死亡率也在迅速上升。雾滴类中最多见的是水滴类雾滴(此外还有油滴雾,碱滴雾等),但城市中的雾有它的特殊性并常引起灾害。一是雾中相对湿度一般不到100%。例如,上海曾发现雾中相对湿度最低曾达72%(1979年10月11日08时)和67%(1965年10月17日08时),在重庆和乌鲁木齐等城市也多次发现80%一84%的低湿度雾。这是因为吸湿性大气污染微粒(凝结核)能强烈吸收水汽的结果。城市多雾(因此有人称为城市雾岛)会影响交通,降低市内汽车速度和影响飞机起降等,重庆白市驿机场就是因为多雾才迁往江北机场的。二是由于这种雾里二氧化硫浓度比较高,因而雾滴常呈不同程度的酸性(酸雾)。由于酸雾的酸性一般比酸雨高得多,因此对城市建筑物、金属、树木和文物古迹的腐蚀作用也严重得多。

  气体污染物可以大分为硫氧化合物、氮氧化合物、碳氢化合物和碳的氧化物等。琉氧化合物中主要是二氧化硫,是目前城市大气污染中的“大户”,其中约90%来自燃烧矿物燃料。死亡4000多人的1952年冬伦敦烟雾事件主要就是由二氧化硫和大量烟尘所造成。氮氧化物中以二氧化氮危害最大,它对眼睛和呼吸道有强烈刺激作用,能引起喉炎和急性哮喘等症,以至发展成肺气肿而死亡。更为严重的是,在阳光紫外线的作用下,二氧化氮分解为一氧化氮和氧原子。不稳定的氧原子和氧分子结合成为臭氧,产生光化学烟雾(光化学烟雾中85%以上是臭氧)。受害者的症状类似二氧化氮中毒,但毒性比二氧化氮大得多,因而也是世界上一大环境公害。城市中二氧化氮主要是汽车尾气排出的。例如,东京汽车排出的二氧化氮占总排放量的70%。此外,二氧化氮和二氧化硫还是生成全球另一主要公害酸雨的主要原因。碳氢化物主要来自燃烧和汽车尾气,其中含有苯并花等致癌物质,并参与生成光化学烟雾。碳的氧化物主要有一氧化碳和二氧化碳,主要是燃烧所产生。一氧化碳是窒息性气体,二氧化碳虽然无毒,但它能引起全球性温室效应和海平面升高等严重问题。

  城市大气污染严重程度的季节变化和昼夜变化规律,大体可分为煤炭型和石油型两类。煤炭型是燃煤引起,因此污染强度以对流最强的夏季和白天为最轻,而以逆温最强、对流最弱的冬季和夜间为最重。伦敦烟雾事件就属于这种类型。石油型是石油和石油化学产品和汽车尾气所产生,由于氮氧化物和碳氢化物等生成光化学烟雾时需要较高气温和强烈阳光,因此污染强度变化规律和煤炭型刚刚相反,即以夏季午后发生频率最高,冬季和夜间少或不发生。洛杉肌光化学烟雾就属于这个类型。

  此外,城市云量增多的结果,使城区日照时数和太阳辐射量均有减少。城市中烟尘粒子增多的结果,使大气透明度变差,所以有人称城市为“烟霾岛”或“混浊岛”。烟尘大量削弱太阳光中的紫外线部分(在太阳高度较低时甚至可减少30%一50%),这对城市居民的身体健康也是不利的。