城市水氣系統協同作用對霧霾影響的研究

張春赫

湛藍的天空成了稀缺資源，每天都能暢快地呼吸幾乎變為一種奢望，一旦發生嚴重的霧霾，“等風來”成了人們最迫切的企盼，這是一種戲謔，更是一種無奈。霧霾天氣的產生不僅僅因為大氣污染物的過量排放，城市化水平的提高帶來的城市本身氣候和水文方面的變化也起到了一定的推波助瀾的作用。

一、城市化對城市水氣系統的影響

城市小氣候——熱島效應。由于城市化的進程不斷加快，大量的農業用地和荒地轉化為城市用地，下墊面性質發生改變，城市人口快速增長，致使城市內部人為熱量和過量溫室氣體排放。市中心溫度最高，逐漸向郊區降低，就如同在平面圖上表示海洋中島嶼的等等高線分布圖一樣，城市猶如海洋中的孤島，出現城市溫度高于郊區溫度的現象，這一現象被稱為城市熱島效應。

如果將建筑物和人類活動較少的，地面溫度較低的郊區看作水面，那么地面溫度較高的城市就被稱為 “ 熱島”。城市熱島的成因可歸類為五點：（1）大氣逆輻射強。城市內部交通工具廢氣排放，建筑工地飛揚大量的粉塵，工業活動廢氣的排放，人類生活垃圾的不妥當的處理等。都導致了城市內部產生大量的溫室氣體，太陽的短波輻射可以通過溫室氣體到達地球表面，但是地面長波輻射卻被這些溫室氣截留，它們就像保鮮膜般覆蓋在城市上空，保留城市內部的熱量，阻止城市內部的熱量向外圍擴散。這也在一定程度上加強了城市的熱島效應。（2）城市內部平均風速小，向外輸送的熱量少。城市向外輸送的熱量少，另外的原因是在城市建筑阻擋作用下，市區內部通風水平下降，平均風速小。摩擦力越大風力越小，城市下墊面顆粒粗大，對風速削弱作用強導。城市內部熱量差異小，氣壓梯度不明顯，導致城市內部風力小。城市靜風助長了城市熱島效應的氣焰。（3）城市下墊面對太陽輻射的吸收率大。城市硬化的下墊面，主要以深色水泥，磚塊等比熱容較小的建筑材料組成，加之植被覆蓋率以及天然河湖面積急劇縮減，對城市溫度的調節作用微弱。所以無論光照強弱，城市吸收的熱量都要比郊區多。（4）熱轉換消耗熱量少。城市內部地表能夠停留的水量小，大氣降水幾乎通過地下排水設施排走，或城市儲水建設保留，可以被熱力轉換的水量微乎其微，因此消耗的熱量也相應減少，不利于城市多余熱量的耗費。城市活動生產熱量，但是卻極少消耗和排出熱量，這也是熱島效應的主要成因。（5）城市基本活動釋放出的熱量較多；工業冷卻排放廢熱，人類生活中的熱量排放，諸如交通工具熱量排放，生活取暖、制冷熱量排放等等，都促進和加劇了城市熱島效應。

二、城市化過程中對城市水循環的影響

城市不斷的興建和發展后，城市氣候和下墊面都有明顯的變化。由于城市中，人口、建筑物以及工業部門的高度集中，在城市熱島效應，凝結核效應（煙、塵增多），以及建筑物高大引起的對城市風的阻礙效應等影響下，城市雨島效應便凸顯出來，通常，城市上空的降水量比郊區農村的降水量多約5%-17%。城市中大面積的天然植被和耕地被混凝土建筑物代替。城市產生降水后，硬化的地表起伏小洼地少，保留水的能力減小，下滲水量驟減，人類為了防止“城市看海”現象發生，大力興建城市排水設施，地下人工排水、儲水系統成為大氣降水的歸宿，大大減少了城市的下滲量，導致地下水位降低，地下水層含水量減少。另外，城市地表建筑物顏色深，能夠吸收更多的太陽輻射，蒸發能力強。降水量少的枯水季節，城市地表可蒸發的水量少，但是城市的蒸發力不變，很容易導致城市空氣干燥，增加了城市揚塵天氣發生的頻率。

三、城市水氣系統及人類活動對霧霾的影響

1.城市風對霧霾的影響

現代城市中高樓密集，猶如一片“混凝土熱帶雨林”，嚴重阻礙城市內部空氣流通，形成城市靜風、無風等環境，使城市內部產生的生活、生產、交通等排放的污染物不能夠迅速有效地擴散，容易形成高濃度的污染，加重城市霧霾。伴隨城市建成區不斷擴張，城市規模越來越大，高樓密集，城市屋頂界面越來越高，對風速的的阻礙作用越來越大，嚴重影響局部地區的空間質量，通常將盛行風風速小于2m/s的狀況稱為靜風狀態，根據氣象觀測，長期處于靜風狀態的城市可稱為靜風城市。前人的研究已經證實，嚴重污染的發生、霧霾的產生與城市氣候的這種大氣穩定狀態緊密相關。

城市的熱島效應使郊區空氣向城市匯合，形成所謂“城市風”。由于夜晚城市與鄉村之間的溫差比較大，所以城市風夜晚較盛，近地面“城市風”由郊區吹響城市，可將郊區工業區污染物吹向城區，導致市中心的污染物濃度遠遠高于郊區。白天城郊之間熱力差異小，城市風在高樓的阻擋作用下，以及地粗糙下墊面產生的巨大摩擦力作用下，風力微弱，這樣使得城市內部污染物不易擴散，在城市中滯留。

2.城市降水特征對霧霾的影響

城市化所造成的區域降水時空分布，受城區熱島環流及近地大氣逆溫層的影響，以北方季風區城市為例，在受到低壓控制下的季節，在城市熱島效應和城市中相對較多的凝結核的作用下，使得城市地區降水量，比四周郊區增加5%—17%，汛期的雷暴雨量增多10%—40%[2]，形成城市雨島效應；在高氣壓控制的季節，氣流方向以下沉為主，上升狀況微弱。在高壓控制區，存在大規模下沉氣流，由于下沉氣流的絕熱增溫作用，致使該地形成下沉逆溫，冬季，下沉逆溫與鋒面逆溫結合一起形成一個由地面開始，數百米高的逆溫層，逆溫形成，大氣穩定，氣流運動速率小，難以降水。降水，夏秋多春冬少的分布規律不利于污染物的擴散。因此北方城市的霧霾天氣一般在春冬季多發。