技術(shù)給我們自然環(huán)境帶來了哪些問題

【專家解說】：人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響有兩種:一種是無意識(shí)的影響，即在人類活動(dòng)中對(duì)氣候產(chǎn)生的副作用;一種是為了某種目的，采取一定的措施，有意識(shí)地改變氣候條件。在現(xiàn)階段，以第一種影響占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而這種影響以以下三方面表現(xiàn)得最為顯著，即①在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排放至大氣中的溫室氣體和各種污染物質(zhì)，改變大氣的化學(xué)組成;②在農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和其它活動(dòng)中改變下墊面的性質(zhì)，如破壞森林和草原植被，海洋石油污染等等;③在城市中的城市氣候效應(yīng)。自世界工業(yè)革命后的200年間，隨著人口的劇增，科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，人類活動(dòng)對(duì)氣候的這種不利影響越來越大。因此，必須加強(qiáng)研究力度，采取措施，有意識(shí)地規(guī)劃和控制各種影響環(huán)境和氣候的人類活動(dòng)，使之向有利于改善氣候條件的方向發(fā)展。 (一)改變大氣化學(xué)組成與氣候效應(yīng) 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排入大量廢氣、微塵等污染物質(zhì)進(jìn)入大氣，主要有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧比二氮(N2O)和氟氯烴化合物(CFCS)等。據(jù)確鑿的觀測(cè)事實(shí)證明，近數(shù)十年來大氣中這些氣體的含量都在急劇增加，而平流層的臭氧O3?？偭縿t明顯下降。如前所述，這些氣體都具有明顯的溫室效應(yīng)，在波長(zhǎng)9500毫微米(μm)及12500-17000μm有兩個(gè)強(qiáng)的吸收帶，這就是O3及CO2的吸收帶。特別是CO2的吸收帶，吸收了大約70-90%的紅外長(zhǎng)波輻射。地氣系統(tǒng)向外長(zhǎng)波輻射主要集中在7000-13000μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，這個(gè)波段被稱為大氣窗。上述CH4、N2O、CFCS等氣體在此大氣窗內(nèi)均各有其吸收帶，這些溫室氣體在大氣中濃度的增加必然對(duì)氣候變比起著重要作用。 大氣中CO2濃度在工業(yè)化之前很長(zhǎng)一段時(shí)間里大致穩(wěn)定在約(280±10)×10-3ml/L，但在近幾十年來增長(zhǎng)速度甚快，至1990年已增至345×10-3ml/L，90年代以后，增長(zhǎng)速大。圖8·14(圖略)給出美國(guó)哈威夷馬納洛亞站(Mauna Loa)1959-1993年實(shí)測(cè)值的逐年變化。大氣中CO2濃度急劇增加的原因，主要是由于大量燃燒化石燃料和大量砍伐森林所造成的。據(jù)研究排放入大氣中的CO2有一部分(約有50%上下)為海洋所吸收，另有一部分被森林吸收變成固態(tài)生物體，貯存于自然界，但由于目前森林大量被毀，致使森林不但減少了對(duì)大氣中CO2的吸收，而且由于被毀森林的燃燒和腐爛，更增加大量的CO2排放至大氣中。目前，對(duì)未來CO2的增加有多種不同的估計(jì)，如按現(xiàn)在CO2的排放水平計(jì)算，在2025年大氣中CO2濃度為4.25×10-3mL/L為工業(yè)化前的1.55倍。 甲烷(CH4沼氣)是另一種重要的溫室氣體。它主要由水稻田、反芻動(dòng)物、沼澤地和生物體的燃燒而排放入大氣。在距今200年以前直到11萬年前，CH4含量均穩(wěn)定于0.75-0.80×10-3mL/L.近年來增長(zhǎng)很快。1950年CH4含量已增加到1.25×10-3mL/L，1990年為1.72×10-3mL/L。Dlugokencky等根據(jù)全球23個(gè)陸地定點(diǎn)測(cè)站和太平洋上14個(gè)不同緯度的船舶觀測(cè)站觀測(cè)記錄，估算出近10年來全球逐年CH4在大氣中混合比(M)的變化值如圖8·15(圖略)所示。根據(jù)目前增長(zhǎng)率外延，大氣中CH4含量將在公元2000年達(dá)2.0×10-3mL/L，2030年和2050年分別達(dá)2.34至2.50×10-3mL/L。 一氧化二氮(N2O)向大氣排放量與農(nóng)田面積增加和施放氮肥有關(guān)。平流層超音速飛行也可產(chǎn)生N2O。在工業(yè)化前大氣中N2O含量約為2.85×10-3mL/L。1985年和1990年分別增加到3.05×10-3mL/L和3.10×10-3mL/L?？紤]今后排放，預(yù)計(jì)到2030年大氣中N2O含量可能增加到3.50×10-3-4.50×10-3mL/L之間，N2O除了引起全球增暖外，還可通過光化學(xué)作用在平流層引起臭平氧O3離解，破壞臭氧層。 氟氯烴化合物(CFCS)是制冷工業(yè)(如冰箱)、噴霧劑和發(fā)泡劑中的主要原料。此族的某些化合物如氟里昂11(CCl2F，CFC11)和氟里昂12(CCl2F2，CFC12)是具有強(qiáng)烈增溫效應(yīng)的溫室氣體。近年來還認(rèn)為它是破壞平流層臭氧的主要因子，因而限制CFC11和CFC12生產(chǎn)巳成為國(guó)際上突出的問題。 在制冷工業(yè)發(fā)展前，大氣中本沒有這種氣體成分。CFC11在1945年、CFC12往存在1935年開始有工業(yè)排放。到1980年，對(duì)流層低層CFC11含量約為168×10-3mL/L而CFC12為285×10-3mL/L，到1990年則分別增至280×10-3mL/L和484×10-3mL/L，其增長(zhǎng)是十分迅速的。圖8·16(圖略)給出CFC12近數(shù)十年來的變化形勢(shì)，其未來含量的變化取決于今后的限制情況。 根據(jù)專門的觀測(cè)和計(jì)算大氣中主要溫室氣體的濃度年增量和在大氣中衰變的時(shí)間如表8·7(圖略)所示?？梢姵鼵O2外，其它溫室氣體在大氣中的含量皆極微，所以稱為微量氣體。但它們的增溫效應(yīng)極強(qiáng)，而且年增量大，在大氣中衰變時(shí)間長(zhǎng)，其影響甚巨。 臭氧(O3)也是一種溫室氣體，它受自然因子(太陽(yáng)輻射中紫外輻射對(duì)高層大氣氧分子進(jìn)行光化學(xué)作用而生成)影響而產(chǎn)生，但受人類活動(dòng)排放的氣體破壞，如氟氯烴化合物、鹵化烷化合物、N2O和CH4、CO均可破壞臭氧。其中以CFC11、CFC12起主要作用，其次是N2O。圖8·17(圖略)是各氣候帶緯向平均臭氧總量距平值的年際變比(196-1985年，由圖可見，自80年代初期以后，臭氧量急劇減少，以南極為例，最低值達(dá)-15%，北極為-5%以上，從全球而言，正常情況下振蕩應(yīng)在土2%之間，據(jù)1987年實(shí)測(cè)，這一年達(dá)-4%以上。從60°N-60°S間臭氧總量自1978年以來已由平均為300多普生單位減少到1987年290單位以下，亦即減少了3-4%。從垂直變化而言，以15-20km高空減少最多，對(duì)流層低層略有增加。南極臭氧減少最為突出，在南極中心附近形成一個(gè)極小區(qū)，稱為“南極臭氧洞”。自1979年到1987年，臭氧極小中心最低值由270單位降到150單位，小于240單位的面積在不斷擴(kuò)大，表明南極臭氧洞在不斷加強(qiáng)和擴(kuò)大。在1988年其O3總量雖曾有所回升，但到1989年南極臭氧洞又有所擴(kuò)大。1994年10月4日世界氣象組織發(fā)表的研究報(bào)告表明，南極洲3/4的陸地和附近海面上空的臭氧已比十年前減少了65%還要多一些①。但有資料表明對(duì)流層的臭氧卻稍有增加。 大氣中溫室氣體的增加會(huì)造成氣候變暖和海平面抬高。根據(jù)目前最可靠的觀測(cè)值的綜合，自1885以來直到1985年間的100年中，全球氣溫已增加0.6-0.9℃。圖8·10(圖略)中點(diǎn)出了1860年到1985年實(shí)際的氣溫變化(對(duì)于1985年全球年平均氣溫的差值)，表明全球增暖的趨勢(shì)也是0.8℃左右。1985年以后全球地面氣溫仍在繼續(xù)增加，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是溫室氣體排放所造成的。圖中列出三種不同情況溫室氣體的排放所產(chǎn)生的增溫效應(yīng)，從氣候模式計(jì)算結(jié)果還表明此種增暖是極地大于赤道，冬季大于夏季。 全球氣溫升高的同時(shí)，海水溫度也隨之增加，這將使海水膨脹，導(dǎo)致海平面升高。再加上由于極地增暖劇烈，當(dāng)大氣中CO2濃度加倍后會(huì)造成極冰融化而冰界向極地萎縮，融化的水量會(huì)造成海平面抬升。實(shí)際觀測(cè)資料證明，自1880年以來直到1980年，全球海平面在百年中已抬高了10-12cm。據(jù)計(jì)算，在溫室氣體排放量控制在1985年排放標(biāo)準(zhǔn)情況下，全球海平面將以5.5cm/10a速度而抬高，到2030年海平面會(huì)比1985年增加20cm，2050年增加34cm，若排放不加控制，到2030年，海平面就會(huì)比1985年抬升60cm，2050年抬升150cm。 溫室氣體增加對(duì)降水和全球生態(tài)系統(tǒng)都有一定影響。據(jù)氣候模式計(jì)算，當(dāng)大氣中CO2含量加倍后，就全球講，降水量年總量將增加7-11%，但各緯度變化不一。從總的看來，高緯度因變暖而降水增加，中緯度則因變暖后副熱帶干旱帶北移而變干旱，副熱帶地區(qū)降水有所增加，低緯度因變暖而對(duì)流加強(qiáng)，因此降水增加。 就全球生態(tài)系統(tǒng)而言，因人類活動(dòng)引起的增暖會(huì)導(dǎo)致在高緯度冰凍的苔原部分解凍，森林北界會(huì)更向極地方向發(fā)展。在中緯度將會(huì)變干，某些喜濕潤(rùn)溫暖的森林和生物群落將逐漸被目前在副熱帶聽見的生物群落所替代、根據(jù)預(yù)測(cè)，CO2加倍后，全球沙漠將擴(kuò)大3%，林區(qū)減少11%，草地?cái)U(kuò)大11%，這是中緯度的陸地趨于干旱造成的。 溫室氣體中臭氧層的破壞對(duì)主態(tài)和人體健康影響甚大。臭氧減少，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射中的紫外輻射增加。大氣中臭氧總量若減少1%，到達(dá)地面的紫外輻射會(huì)增加2%，此種紫外輻射會(huì)破壞核糖核酸(DNA)以改變遺傳信息及破壞蛋白質(zhì)，能殺死10m水深內(nèi)的單細(xì)胞海洋浮游生物、減低漁產(chǎn)，以及破壞森林，減低農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，削弱人體免疫力、損害眼睛、增加皮膚癌等疾病。 此外，由于人類活動(dòng)排放出來的氣體中還有大量硫化物、氮比物和人為塵埃，它們能造成大氣污染，在一定條件下會(huì)形成“酸雨”，能使森林、魚類、農(nóng)作物及建筑物蒙受嚴(yán)重?fù)p失。大氣中微塵的迅速增加會(huì)減弱日射，影響氣溫、云量(微塵中有吸濕性核)和降水。 (二)改變下墊面性質(zhì)與氣候效應(yīng) 人類活動(dòng)改變下墊面的自然性質(zhì)是多方面的，目前最突出的是破壞森林、坡地、干旱地的植被及造成海洋石油污染等。 森林是一種特殊的下墊面，它除了影響大氣中CO2的含量以外，還能形成獨(dú)具特色的森林氣候，而且能夠影響附近相當(dāng)大范圍地區(qū)的氣候條件。森林林冠能大量吸收太陽(yáng)入射輻射，用以促進(jìn)光合作用和蒸騰作用，使其本身氣溫增高不多，林下地表在白天因林冠的阻擋，透入太陽(yáng)輻射不多，氣溫不會(huì)急劇升高，夜晚因有林冠的保護(hù)，有效輻射不強(qiáng)，所以氣溫不易降低。因此林內(nèi)氣溫日(年)較差比林外裸露地區(qū)小，氣溫的大陸度明顯減弱。 森林樹冠可以截留降水，林下的疏松腐植質(zhì)層及枯枝落葉層可以蓄水，減少降雨后的地表徑流量，因此森林可稱為“綠色蓄水庫(kù)”。雨水緩緩滲透入土壤中使土壤濕度增大，可供蒸發(fā)的水分增多，再加上森林的蒸騰作用，導(dǎo)致森林中的絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度都比林外裸地為大。 森林可以增加降水量，當(dāng)氣流流經(jīng)林冠時(shí)，因受到森林的阻障和磨擦，有強(qiáng)迫氣流的上升作用，并導(dǎo)致湍流加強(qiáng)，加上林區(qū)空氣濕度大，凝結(jié)高度低，因此森林地區(qū)降水機(jī)會(huì)比空曠地多，雨量亦較大。據(jù)實(shí)測(cè)資料，森林區(qū)空氣濕度可比無林區(qū)高15-25%，年降水量可增加6-10%。 森林有減低風(fēng)速的作用，當(dāng)風(fēng)吹向森林時(shí)，在森林的迎風(fēng)面，距森林100m左右的地方，風(fēng)速就發(fā)生變比。在穿入森林內(nèi)，風(fēng)速很快降低，如果風(fēng)中挾帶泥沙的話，會(huì)使流沙下沉并逐漸固定。穿過森林后在森林的背風(fēng)面在一定距離內(nèi)風(fēng)速仍有減小的效應(yīng)。在干旱地區(qū)森林可以減小干旱風(fēng)的襲擊，防風(fēng)固沙。在沿海大風(fēng)地區(qū)森林可以防御海風(fēng)的侵襲，保護(hù)農(nóng)田，森林根系的分泌物能促使微生物生長(zhǎng)，可以改進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)。森林覆蓋區(qū)氣候濕潤(rùn)，水土保持良好，生態(tài)平衡有良性循環(huán)，可稱為“綠色海洋”。 根據(jù)考證，歷史上世界森林曾占地球陸地面積的2/3，但隨著人口增加，農(nóng)、牧和工業(yè)的發(fā)展，城市和道路的興建，再加上戰(zhàn)爭(zhēng)的破壞，森林面積逐漸減少，到19世紀(jì)全球森林面積下降到46%，20世紀(jì)初下降到37%，目前全球森林覆蓋面積平均約為22%。我國(guó)上古時(shí)代也有濃密的森林覆蓋，其后由于人口繁衍，農(nóng)田擴(kuò)展和明清兩代戰(zhàn)禍頻繁，到1949年全國(guó)森林覆蓋率已下降到8.6%。建國(guó)以來，黨和政府組織大規(guī)模造林，人造林的面積達(dá)4.6億畝，但由于底子薄，毀林情況相當(dāng)嚴(yán)重，目前森林覆蓋面積僅為12%，在世界160個(gè)國(guó)家中居116位。 由于大面積森林遭到破壞，使氣候變旱，風(fēng)沙塵暴加劇，水土流失，氣候惡化。相反，我國(guó)在解放后營(yíng)造了各類防護(hù)林，如東北西部防護(hù)林、豫東防護(hù)林、西北防沙林、冀西防護(hù)林、山東沿海防護(hù)林等等，在改造自然，改造氣候條件上已起了顯著作用。 在干旱、半干旱地區(qū)，原來生長(zhǎng)著具有很強(qiáng)耐旱能力的草類和灌木，它們能在干旱地區(qū)生存，并保護(hù)那里的土壤。但是，由于人口增多，在干旱、半干旱地區(qū)的移民增加，他們?cè)谀抢飻U(kuò)大農(nóng)牧業(yè)，挖掘和采集旱生植物作燃料(特別是坡地上的植物)，使當(dāng)?shù)夭菰凸嗄镜茸匀恢脖皇艿胶艽笃茐?。坡地上的雨水匯流迅速，流速快，對(duì)泥土的沖刷力強(qiáng)，在失去自然植被的保護(hù)和阻擋后，就造成嚴(yán)重的水土流失。在平地上一旦干旱時(shí)期到來，農(nóng)田莊稼不能生長(zhǎng)，而開墾后疏松了的土地又沒有植被保護(hù)，很容易受到風(fēng)蝕，結(jié)果表層肥沃土壤被吹走，而沙粒存留下來，產(chǎn)生沙漠化現(xiàn)象。畜牧業(yè)也有類似情況，牧業(yè)超過草場(chǎng)的負(fù)荷能力，在干旱年份牧草稀疏、土地表層被牲畜踐踏破壞，也同樣發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)蝕，引起沙漠化現(xiàn)象的發(fā)生。在沙漠化的土地上，氣候更加惡化，具體表現(xiàn)為:雨后徑流加大，土壤沖刷加劇，水分減少，使當(dāng)?shù)赝寥篮痛髿庾兏?，地表反射率加大，破壞原有的熱量平衡，降水量減少，氣候的大陸度加強(qiáng)，地表肥力下降，風(fēng)沙災(zāi)害大量增加，氣候更加干旱，反過來更不利于植物的生長(zhǎng)。 據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署估計(jì)，當(dāng)前每年世界因沙漠化而喪失的土地達(dá)6萬km2，另外還有21萬km2的土地地力衰退，在農(nóng)、牧業(yè)上已無經(jīng)濟(jì)價(jià)值可言。沙漠化問題也同樣威脅我國(guó)，在我國(guó)北方地區(qū)歷史時(shí)期所形成的沙漠化土地有12萬km2，近數(shù)十年來沙漠化面積逐年遞增，因此必須有意識(shí)地采取積極措施保護(hù)當(dāng)?shù)刈匀恢脖?，進(jìn)行大規(guī)模的灌溉，進(jìn)行人工造林，因地制宜種植防沙固土的耐旱植被等來改善氣候條件，防止氣候繼續(xù)惡化。 海洋石油污染是當(dāng)今人類活動(dòng)改變下墊面性質(zhì)的另一個(gè)重要方面，據(jù)估計(jì)每年大約有10億t以上的石油通過海上運(yùn)往消費(fèi)地。由于運(yùn)輸不當(dāng)或油輪失事等原因，每年約有100萬t以上石油流入海洋，另外，還有工業(yè)過程中產(chǎn)生的廢油排入海洋。有人估計(jì)，每年傾注到海洋的石油量達(dá)200-1000萬t。 傾注到海中的廢油，有一部分形成油膜浮在海面，抑制海水的蒸發(fā)，使海上空氣變得干燥。同時(shí)又減少了海面潛熱的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致海水溫度的日變化、年變化加大，使海洋失去調(diào)節(jié)氣溫的作用，產(chǎn)生“海洋沙漠化效應(yīng)”。在比較閉塞的海面，如地中海、波羅的海和日本海等海面的廢油膜影響比廣闊的太平洋和大西洋更為顯著。 此外，人類為了生產(chǎn)和交通的需要，填湖造陸，開鑿運(yùn)河以及建造大型水庫(kù)等，改變下墊面性質(zhì)，對(duì)氣候亦產(chǎn)生顯著影響。例如我國(guó)新安江水庫(kù)于1960年建成后，其附近淳安縣夏季較以前涼爽，冬季比過去暖和，氣溫年較差變小，初霜推遲，終霜提前，無霜期平均延長(zhǎng)20天左右。 (三)人為熱和人為水汽的排放 隨著工業(yè)、交通運(yùn)輸和城市化的發(fā)展，世界能量的消耗迅速增長(zhǎng)，僅1970年全世界消耗的能量就相當(dāng)于燃燒了75億t煤，放出25×10-10J的熱量。其中在工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車運(yùn)輸中有大量廢熱排出，居民爐灶和空調(diào)以及人、畜的新陳代謝等亦放出一定的熱量，這些“人為熱”像滅爐一樣直接增暖大氣。目前如果將人為熱平均到整個(gè)大陸;等于在每平方米的土地上放出0.05W的熱量。從數(shù)值上講，它和整個(gè)地球平均從太陽(yáng)獲得的凈輻射熱相比是微不足道的，但是由于人為熱的釋放集中于某些人口稠密、工商業(yè)發(fā)達(dá)的大城市，其局地增暖的效應(yīng)就相當(dāng)顯著。如表8·8所示，在高緯度城市如費(fèi)爾班克斯、莫斯科等，其年平均人為熱(QF)的排放量大于太陽(yáng)凈輻射;中緯度城市如蒙特利爾、曼哈頓等，因人均用能量大，其年平均人為熱QF的排放量亦大于Rg。特別是蒙特利爾冬季因空調(diào)取暖耗能量特大，其人為熱竟相當(dāng)于太陽(yáng)凈輻射的11倍以上。但是像熱帶的香港，赤道帶的新加坡，其人為熱的排放量與太陽(yáng)凈輻射相比就微乎其微了。 在燃燒大量化石燃料(天然氣、汽油、燃料油和煤等)時(shí)除有廢熱排放外，還向空氣中釋放一定量的“人為水汽”，根據(jù)美國(guó)大城市氣象試驗(yàn)(METROMEX)對(duì)圣路易斯城由燃燒產(chǎn)生的人為水汽量為10.8×108g/h，而當(dāng)?shù)叵募镜孛娴淖匀徽羯⒘繛?.7×1011g/h。顯然人為水汽量要比自然蒸散的水汽量小得多，但它對(duì)局地低云量的增加有一定作用。 據(jù)估計(jì)目前全世界能量的消耗每年約增長(zhǎng)5.5%。如按這個(gè)速度增加下去，到公元2000年，全世界能量消耗將比1970年增加5倍，即年耗能為375億t煤。其排放出的人為熱和人為水汽又主要集中在城市中，對(duì)城市氣候的影響將愈來愈顯示其重要性。 *見周淑貞，束炯.城市氣候?qū)W.北京:氣象出版社.1997;197 此外，噴氣飛機(jī)在高空飛行噴出的廢氣中除混有CO2外，還有大量水汽，據(jù)研究平流層(50hPa高空)的水汽近年來有顯著的增加，例如1964年其水汽含量為2×10-3ml/L，1970年就上升到3×10-3mL/L，這就和大量噴氣飛機(jī)經(jīng)常在此高度飛行有關(guān)。水汽的熱效應(yīng)與CO2相似，對(duì)地表有溫室效應(yīng)。有人計(jì)算，如果平流層水汽量增加5倍，地表氣溫可升高2℃，而平流層氣溫將下降10℃。在高空水汽的增加還會(huì)導(dǎo)致高空卷云量的加多，據(jù)估計(jì)在大部分噴氣機(jī)飛行的北美-大西洋-歐洲航線上，卷云量增加了5-10%。云對(duì)太陽(yáng)輻射及地氣系統(tǒng)的紅外輻射都有很大影響，它在氣候形成和變化中起著重要的作用。 (四)城市氣候 城市是人類活動(dòng)的中心，在城市里人口密集，下墊面變化最大。工商業(yè)和交通運(yùn)輸頻繁，耗能最多，有大量溫室氣體、“人為熱”、“人為水汽”、微塵和污染物排放至大氣中。因此人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響在城市中表現(xiàn)最為突出。城市氣候是在區(qū)域氣候背景上，經(jīng)過城市化后，在人類活動(dòng)影啊下而形成的一種特殊局地氣候。在80年代初期美國(guó)學(xué)者蘭茲葆曾將城市與郊區(qū)各氣候要素的對(duì)比總結(jié)如表8·9所示 從大量觀測(cè)事實(shí)看來，城市氣候的特征可歸納為城市“五島”效應(yīng)(混濁島、熱島、干島、濕島、雨島)和風(fēng)速減小、多變。 見H.E.Landsberg,The Urban Climate.Academic Press.1981. (1)城市混濁島效應(yīng) 城市混濁島效應(yīng)主要有四個(gè)方面的表現(xiàn)。首先城市大氣中的污染物質(zhì)比郊區(qū)多，僅就凝結(jié)核一項(xiàng)而論，在海洋上大氣平均凝結(jié)核含量為940粒/cm3，絕對(duì)最大值為39800粒/cm3;而在大城市的空氣中平均為147000粒/cm3，為海洋上的156倍，絕對(duì)最大值竟達(dá)400000粒/cm3，也超出海洋上絕對(duì)最大值100倍以上。再以上海為例，根據(jù)近5年(1986-1990年)監(jiān)測(cè)結(jié)果，大氣中SO2和NO2兩種氣體污染物城區(qū)平均濃度分別比郊縣高8.7倍和2.4倍。 其次，城市大氣中因凝結(jié)核多，低空的熱力湍流和機(jī)械湍流又比較強(qiáng)，因此其低云量和以低云量為標(biāo)準(zhǔn)的陰天日數(shù)(低云量≥8的日數(shù))遠(yuǎn)比郊區(qū)多。據(jù)上海近十年(1980-1989年)統(tǒng)計(jì)，城區(qū)平均低云量為4.0，郊區(qū)為2.9。城區(qū)一年中陰天(低云量≥8)日數(shù)為60天而郊區(qū)平均只有31天，晴天(低云量≤2)則相反，城區(qū)為132天而郊區(qū)平均卻有178天，歐美大城市如慕尼黑、布達(dá)佩斯和紐約等亦觀測(cè)到類似的現(xiàn)象。第三，城市大氣中因污染物和低云量多，使日照時(shí)數(shù)減少，太陽(yáng)直接輻射(S)大大削弱，而因散射粒子多，其太陽(yáng)散射輻射(D)卻比干潔空氣中為強(qiáng)。在以D/S表示的大氣混濁度(又稱混濁度因子turbidity foctor)的地區(qū)分布上，城區(qū)明顯大于郊區(qū)。根據(jù)上海近27年(1959-1985年)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算，上海城區(qū)混濁度因子比同時(shí)期郊區(qū)平均高15.8%。在上?；鞚岫纫蜃臃植紙D上，城區(qū)呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的混濁島(圖8·19，圖略)。在國(guó)外許多城市亦有類似現(xiàn)象。 第四，城市混濁島效應(yīng)還表現(xiàn)在城區(qū)的能見度小于郊區(qū)。這是因?yàn)槌鞘写髿庵蓄w粒狀污染物多，它們對(duì)光線有散射和吸收作用，有減小能見度的效應(yīng)。當(dāng)城區(qū)空氣中二氧比氮NO2濃度極大時(shí)，會(huì)使天空呈棕褐色，在這樣的天色背景下，使分辨目標(biāo)物的距離發(fā)生困難，造成視程障礙。此外城市中由于汽車排出廢氣中的一次污染物--氮氧化合物和碳?xì)浔任?，在?qiáng)烈陽(yáng)光照射下，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)，會(huì)形成一種淺藍(lán)色煙霧，稱為光化學(xué)煙霧，能導(dǎo)致城市能見度惡化。美國(guó)洛杉機(jī)、日本東京和我國(guó)蘭州等城市均有此現(xiàn)象。 (一)下墊面因素: 1.下墊面不透水面積大:城市中除少量綠地外，絕大部分為人工鋪砌的道路、廣場(chǎng)建筑物和構(gòu)筑物，其下墊面不透水面積遠(yuǎn)比郊區(qū)綠野為大。降雨后，雨水很快從排水管道流失，因此其可供蒸發(fā)的水分比郊區(qū)少。在能量平衡中其所獲得的凈輻射Qn用于蒸散的潛熱QE遠(yuǎn)比郊區(qū)為少，而用于下墊面增溫和向空氣輸送的顯熱QH則比郊區(qū)多。這就使得城區(qū)下墊面溫度比郊區(qū)高，形成“城市下墊面溫度熱島”，并從而通過湍流交換和長(zhǎng)波輻射使城區(qū)氣溫高于郊區(qū)。 2.下墊面的熱性質(zhì):城市下墊面的導(dǎo)熱率K和熱容量C 面的儲(chǔ)熱量顯著高于郊區(qū)。白天儲(chǔ)熱量多，夜晚地面降溫比郊區(qū)慢，通過地-氣熱交換，城區(qū)氣溫乃比郊區(qū)高。 3.下墊面的幾何形狀:城市中建筑物參差錯(cuò)落，形成許多高寬比不同的“城市街谷”。在白天太陽(yáng)照射下，由于街谷中墻壁與墻壁間，墻壁與地面之間，多次的反射和吸收，在其它條件相同的情況下，能夠比郊區(qū)獲得較多的太陽(yáng)輻射能，如果墻壁和屋頂涂刷較深的顏色，則其反射率會(huì)更小，吸收的太陽(yáng)能將更多，并因?yàn)閴Ρ凇⑽蓓敽偷孛娴慕ㄖ牧嫌志哂休^大的導(dǎo)熱率和熱容量，“城市街谷”于日間吸收和儲(chǔ)存的熱能遠(yuǎn)比郊區(qū)為多。 其次，“城市街谷”中，天穹可見度(smy view fector，簡(jiǎn)作SVF，以表示)比空曠郊區(qū)小(圖8·21，圖略)在街谷底部長(zhǎng)波輻射能的交換中，其長(zhǎng)波逆輻射值除來自大氣的逆輻射外，還有墻壁、屋檐等向下方的長(zhǎng)波輻射。因此其長(zhǎng)波凈輻射的熱能損失就比郊區(qū)曠野小，再加上城市街谷中風(fēng)速又比較小，熱量不易外散，這些都導(dǎo)致其氣溫高于郊區(qū)。 (二)人為熱和溫室氣體 1.人為熱:在中高緯度城市特別是在冬季，城市中排放的大量人為熱是熱島形成的一個(gè)重要因素。許多城市冬季熱島強(qiáng)度大于暖季，周一至周五熱島強(qiáng)度大于周末，即受此影響。 2.溫室氣體:城市中因能源消耗量大，排放至大氣中的CO2等溫室氣體遠(yuǎn)比郊區(qū)為多，其增濕效應(yīng)很明顯 (三)天氣形勢(shì)與氣象條件 1.在穩(wěn)定的氣壓梯度小的天氣形勢(shì)下，才有利于城市熱島的形成。在強(qiáng)冷鋒過境時(shí)，即無熱島現(xiàn)象。 2.在風(fēng)速大，空氣層結(jié)不穩(wěn)定時(shí)，城郊之間空氣的水平和垂直方向的混合作用強(qiáng)，城區(qū)與郊區(qū)間的溫差不明顯。一般情況是夜晚風(fēng)速小，空氣穩(wěn)定度增大，熱島乃增強(qiáng)。 3.在晴天無云時(shí)，城郊之間的反射率差異和長(zhǎng)波輻射差異明顯，有利于熱島的形成。 (2)城市熱島效應(yīng) 根據(jù)大量觀測(cè)事實(shí)證明，城市氣溫經(jīng)常比其四周郊區(qū)為高。特別是當(dāng)天氣晴朗無風(fēng)時(shí)，城區(qū)氣溫Tu與郊區(qū)氣溫Tr的差值△Tu-r(又稱熱島強(qiáng)度)更大。例如上海在1984年10月22日20時(shí)天晴，風(fēng)速1.8m/s，廣大郊區(qū)氣溫在13℃上下，一進(jìn)入城區(qū)氣溫陡然升高(圖8·20，圖略)，等溫線密集，氣溫梯度陡峻，老城區(qū)氣溫在17℃以上，好像一個(gè)“熱島”矗立在農(nóng)村較涼的“海洋”之上。城市中人口密集區(qū)和工廠區(qū)氣溫最高，成為熱島中的“高峰”(又稱熱島中心)，城中心62中學(xué)氣溫高達(dá)18.6℃比近郊川沙、嘉定高出5.6℃，比遠(yuǎn)郊松江高出6.5℃，類似此種強(qiáng)熱島在上海一年四季均可出現(xiàn)，尤以秋冬季節(jié)晴穩(wěn)無風(fēng)天氣下出現(xiàn)頻率最大。 世界上大大小小的城市，無論其緯度位置、海陸位置、地形起伏有何不同，都能觀測(cè)到熱島效應(yīng)。而其熱島強(qiáng)度又與城市規(guī)模、人口密度、能源消耗量和建筑物密度等密切有關(guān)。 城市熱島的形成有多種因素(詳見表8·10)，其中下墊面因素、人為熱和溫室氣體的排放是人類活動(dòng)影響的兩個(gè)方面。但在同一城市，在不同天氣形勢(shì)和氣象條件下，熱島效應(yīng)有時(shí)非常明顯(晴穩(wěn)、無風(fēng))，熱島強(qiáng)度可達(dá)6℃-10℃上下，有時(shí)則甚微弱或不明顯(大風(fēng)、極端不穩(wěn)定)。由于熱島效應(yīng)經(jīng)常存在，大城市的月平均和年平均氣溫經(jīng)常高于附近郊區(qū)。 (3)城市干島和濕島效應(yīng) 在表8·8中指出城市相對(duì)濕度比郊區(qū)小，有明顯的干島效應(yīng)，這是城市氣候中普遍的特征。城市對(duì)大氣中水汽壓的影響則比較復(fù)雜，以上海為例，據(jù)近7年(1984-1990年)城區(qū)11個(gè)站水汽壓eu和相對(duì)濕度RHu的平均值與同時(shí)期周圍4個(gè)近郊站平均水汽壓er和相對(duì)濕度RHr相比較(見表8·11) 相對(duì)濕度都有明顯的日變化。據(jù)實(shí)測(cè)△RHu-r的絕對(duì)值雖有變化，但皆為負(fù)值。全天皆呈現(xiàn)出“城市干島效應(yīng)”?！鱡u-r的日變化則不同，如果按一天中4個(gè)觀測(cè)時(shí)刻(02、08、14、20時(shí))，分別計(jì)算其平均值，則發(fā)現(xiàn)在一年中多數(shù)月份夜間02 市濕島”。在暖季4月至11月有明顯的干島與濕島晝夜交替的現(xiàn)象，其中尤以8月份為最突出。圖8·22、8·23(圖略)給出1984年8月13日14時(shí)(城市干島)和同日02時(shí)(城市濕島)干島與濕島晝夜交替的一次實(shí)例，此類現(xiàn)象在歐美許多城市大都經(jīng)常出現(xiàn)于暖季。