气候变化和城市发展对城市生态的影响及对策

湖南省城市发展对城市气候的影响及对策

邹斌文

摘要:近10多年来湖南省城市化进程显著加快，城市规模不断扩大，城市人口快速增长。城市的发展对于局地气候的影响日益凸显，“城市热岛”现象和气候变化日益受到广泛关注。本文通过1998～2007年，十年来湖南省城市气温、降水、湿度等数据资料，分析了湖南省城市发展对气候的影响及其气候环境变化对城市经济社会的影响，并就城市如何根据气候变化制定合理的技术政策和产业政策进行了探讨。

关键词:城市气候；城市化；环境影响；对策

1引言

近几十年来，随着世界经济和现代文明的发展，世界各地的城市化程度越来越高，城市规模不断扩大；城市人口剧增，从非城镇(市)变为城镇(市)的土地面积越来越大，城市不断扩建和新建。由此引起的人口、居住、交通、能源、环境等问题日益突出。城市的发展不可置疑地改变了城市下垫面的环境，由此也引起了城市气候的变化。

城市气候是在人类活动影响下形成的一种局地气候。城市人类活动集中、建筑物密集，大量能源消耗使大气增加了数量可观的人为加热，使城市地区形成了特殊的气候一城市气候。近几年来湖南省城市建设发展十分迅速，城市规模也越来越扩大，人口也增长较快，建筑物体积增大、高度增高，大量使用各种具有防渗、防水、反射、吸收作用的新型建筑材料，原有的绿地日渐萎缩，城区的粗糙度和下垫面的性质因此发生了极大的变化。温室气体排放源增多，排放量大大增加，城市发展对局地气候的影响日益凸现。

2湖南省城市发展对城市气候的影响

湖南省地处东经108°47′～114°15′，北纬24°38′～30°08′之间。 湖南省境内东南西三面环山，东为幕阜、罗霄山脉，西为武陵、雪峰山脉，南有五岭山脉。中部地区丘陵与河谷盆地相间。境内湘、资、沅、澧四大水系。整个地势南高北低，顺势向中、北部倾斜，呈敞口马蹄形。

湖南省地处亚热带，位于东亚季风区，属亚热带季风湿润气候，具有气候温和，四季分明，雨水集中，光热资源丰富的特点。年均气温17℃左右。由于受季风和地形的影响，气温分布的总趋势是湘南高于湘北，东部高于西部。如郴州比岳阳年均气温高0．8℃左右，长沙比吉首高0．3℃～0.5℃。湖南省年平均降水量在1300～1600毫米之间，是全国降雨量较多的省份之一。降水强度大是湖南省降水的一个明显特征。大范围的强降水常使江河水位猛涨，大片农田被淹，是造成洪涝灾害的直接原因。湖南省最大月雨量超过800毫米，最大日雨量超过300毫米，6小时最大雨量达200多毫米，1小时最大雨量达150毫米，接近国内极值。

1998年湖南省，全省设市城市人口637万人，设市城市面积1271.6平方公里，其中建成区面积690.5平方公里；近年来城市规模发展迅速，到2007年全省设市城市人口2140万人，设市城市面积9111.5平方公里，其中建成区面积2942.7平方公里，10年间城市人口增长约3.4倍，城区面积扩大约4.2倍，城市发展十分迅速，城市规模也越来越扩大，人口也增长较快，城市发展对局地气候的影响也日趋明显。

2.1城市发展对气温的影响

全球气候变暖己成为不争的事实,是当今气候研究的热点，IPCC第二次气候变化评价报告[1]指出，20世纪全球平均气温大约上升了0.6℃。尤其是1980年以来，全球和北半球的气温出现了近世纪以来最明显的上升趋势。全球变暖主要体现为最低气温的显著增温，且以3倍高于最高气温的速率上升[2]。

我国学者研究结果表明，中国近百年平均气温的变化与全球增暖趋势大体相似，同时也表现出了很大的地域差异[3]。在全球气候变暖的背景下，局部地区的异常高温和干旱等极端天气气候事件也频繁发生。因此，对局部某个地区的气温变化特征进行分析是非常有必要的。许多学者运用不同研究方法从不同侧面对我国不同省份进行了气温变化特征及影响因素分析[4] 。本文利用1998～2007年，湖南省城市年平均气温，年降水量及湿度等数据资料，来探讨城市发展对气候的影响。

从表1和图1可以看出1998年到2007年，这10年，湖南省各城市年平均气温一直呈增加的趋势，且变暖的趋势在加剧，2006年和2007年的升温幅度达1度，这种增温速度与全球变暖趋势为背景下的城市化是相关的。

表1 湖南省城市年平均气温

Table 1 The average temperature in the city of Hunan Province

改革开放初期的20世纪80年代，湖南省经济还处于相对比较落后的时段，城市发展速度也比较缓慢，而90年代后期，经济开始进入快速发展时期，城市化的速度在加快，尤其近几年城市发展的速度更加迅速。因此，湖南省90年代后期的增温与城市效应有一定的关系。各城市最低气温也有所增加，但增加的幅度不大，而城市最高气温从2003年开始呈增加的趋势，且增加的幅度也较大。湖南省城市气温呈上升趋势，而7月气温弱有增加，有的城市甚至呈下降趋势。1月气温呈波动性变化，气温增幅明显。1月气温变化对年平均气温变化的贡献大于7月。城市气温变化趋势具有持续性，1月气温将延续呈上升趋势，年平均气温将延续上升趋势。

城市发展对气温的影响主要表现在“城市热岛”效应上。在1998-2007年间，城区和郊区年均气温和最低气温总体上均呈显著增加的趋势，且城区增温速率明显大于郊区，最低气温的增温速率也明显大于年均气温的增温速率，“热岛效应”明显[5]。造成这现象的原因主要是城市化加速的结果。

图1 1998-2007年湖南省城市气温变化

Figure 1 The temperature Change of city between 1998 and 2007 in Hunan Province

2.2城市发展对降水的影响

全国平均年降水量的倾向率为-12.66mm/10年。除西北地区及湖北、四川的部分地区外，全国降水都在减少，最严重的是华北区，其次是长江中下游区、东北区和西南区。降水量的减少，使得中国近2/3的城市存在不同程度的缺水。城市水资源短缺问题，将成为中国经济和社会可持续发展的重要制约因素。

从表2和图2可以看出，湖南省各城市年平均降水量从1998年峰值开始，基本呈下降的趋势，2003年为10年来降水量最大的一年，出现一个最高峰，而紧接着的2004年却为降水量最小的一年，为最低谷。2005年出现第二个峰值后降水量又开始下降。湖南省的降雨量很不均匀，年际变化较大。另外，湖南省各城市年最大降水量和年最小降水量与年平均降水量变化基本一致。

图2 1998-2007年湖南省城市年降水量变化

Figure 2 1998-2007 annual precipitation changes in the city of Hunan Province

表2 湖南省城市年降水量

Table 2 cities in annual rainfall in Hunan Province

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；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，延长城区降雨时间；再加上城区空气中凝结核多，当有较多大核(如硝酸盐类)存在时有促进暖云降水作用，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。在市区及其下风方向，湖南省许多城市形成高强度的降水，形成城市雨岛。

2.3 城市发展对湿度的影响

在白天太阳照射下，对于下垫面通过蒸散过程而进入低层空气中的水汽量，城区中绿地面积，可供蒸发的水汽量均小于郊区。特别是在盛夏季节，郊区农作物生长茂密，城郊之间自然蒸散量的差值更大。随着城市的发展，城区面积不断扩大，建筑物迅速增多，城市内大部分为不透水层所覆盖，降水被迅速排走，蒸发到空中的水汽显著减少。

另外由于城区建筑群密集、高低不齐，又有城市热岛效应，其机械湍流和热力湍流都比郊区强，通过湍流的垂直交换，城区低层水汽向上层空气的输送量又比郊区多，这两者都导致城区近地面的水汽压小于郊区，形成“城市干岛”。加上城市热岛的存在，使得城区的相对湿度比郊区小，产生了所谓的“干岛效应”。在干季(以2月为代表月)，湖南省城市郊区相对湿度明显大于城区，基本上每天的日平均相对湿度郊区都大于城区，目幅度较大，城市干岛现象比较明显，而在雨季干岛现象较不明显，干岛强度小。

3 城市气候变化的原因分析

3.1全球气候变暖抬高了城市的“基础气温”

自1860年有气象仪器观测记录以来，全球“平均温度升高了0.6 ℃，而且这升高趋势很可能还会持续甚至加速。研究表明，二氧化碳的浓度每增加1倍，全球平均表面温度将上升1.5～4.5 ℃，而由于化石燃料的燃烧、森林的砍伐、土地利用的变化，在最近一个世纪中，二氧化碳的总量增加了约15%,目前止以0.4%的速度增加，这种增加在未来有可能持续。如果人类不采取任何控制措施，则21世纪全球地表温度变化速率将是0.1～0.3℃/10a [6]。在全球气候的变暖的趋势下，城市的基础气温也随之抬高。

3.2城市化的加速是引发城市热岛效应的重要因素

城区的年平均气温明显高于郊区，这就是所谓的“热岛效应”，造成这现象的原因主要是城市化加速的结果。研究表明，1982～2007年间，湖南省城市化水平呈现明显加速态势，无论是城市人口、规模、经济、住房、公共设施、能源消费、空气污染等指标均显著增加。

城市化加速是形成城区热岛效应的首要因素。城市化加速的具体影响可分为如下几方面:①人工建筑物的影响，如混凝土、柏油路而以及各种建筑墙面，城市建筑改变了城市下垫面的热力性质和粗糙度，这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，因而其表面的温度明显高于自然下垫面。而高大建筑对风速又有明显的削弱作用，使得散热能力降低。②城市中机动车辆、工业生产及人群活动产生了大量的氮氧化物、二氧化碳、煤灰和粉尘等，这些物质可以吸收环境中热辐射的能量，进而产生温室效应。③工业生产过程中排放的废热，如城中及城郊的火力发电厂、钢铁厂的循环冷却系统和排气系统排出的废热水和热气体。此外，石油、化工、铸造、造纸等工业排出的生产性废水和热气体中，均含有大量废热，这些废热排入地而水体之后，能使水温升高。④城市居民生活活动排放的热量，如日益增加的锅炉、汽车、空调、冰箱等热源在运行过程中散发的废热气体、家庭及商业、服务业向空气和下水道中排放的含热废气和废热水等。⑤由于城市绿地和水体的减少导致吸热减少，缓解热岛效应的能力被削弱。

3.3 城市发展引起的“城市干岛”和“城市雨岛”效应

关于城市发展对降水的影响，有“城市干岛”和“城市雨岛”两种研究结论。分析了湖南省城市降水资料表明: 湖南省多数城市的情况属于“城市干岛”现象。城市热岛效应的增强使蒸发量增大，且城区排水良好，地面比较干燥，空气湿度相对较低，虽有垂直向上气流的产生，但降水量较少，形成了城市干岛”。随着全球气候变暖和城市热岛效应的增强，“城市干岛”现象将会加剧。而这将使城市用水更加紧张，加剧城市水资源供需矛盾，严重影响城市居民的生产、生活。

4气候变暖对城市社会经济发展及人居环境变化的影响

4.1城区气候变暖会引起连锁气象变化

废热气体进入城市空气环境后，使空气中的含热量增加，这将加强城市热岛的强度。在热岛效应的影响下，城市上空的云、雾会增加，使有害气体、烟尘在市区上空累积，形成严重的大气污染。同时，城市热岛强度的加强，使城区冬季缩短，霜雪减少。天气变化的幅度正在加剧，灾害出现的频率和力度也令人关注，这主要是城市热岛效应强度增加而引起的关联气象效应，比如由热岛效应带来的城市，“热岛效应”、“雾岛效应”等等。

4.2城区气候变暖导致水环境恶化

气候变暖引起水温升高、水质恶化，使水生生物成为首当其冲的受害者。例如废热水被排放进入地表水体后，导致水温急剧升高，以致于水中溶解的氧减少，水体处于缺氧状态，同时又使水生生物代谢率增高而需要更多的氧，结果造成些水生生物在热效力作用下发育受

阻或死亡，从而影响环境和生态平衡。对于河湖，因热污染使水体处于缺氧状态，厌氧菌大量繁殖，有机物严重腐败，严重影响水环境和生态平衡。

4.3城区气候变暖会对居民身心健康造成不利影响

医学研究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关。环境温度高于28℃时，人们就会有不舒适感；温度再高就易导致烦躁、中暑、精神紊乱；气温高于34℃，并伴有频繁的热浪冲击，还会引发一系列疾病，特别是使心脏、恶性肿瘤和呼吸系统疾病的发病率上升，死亡率明显增加。此外，高温还会加快光化学反应的速率，从而提高大气中有害气体的浓度，进一步损害人体健康。

4.4城市雨岛效应日益明显，易发生积水、内涝的现象

城市雨水多了，地面透水性能却急剧降低。地表被密集的房屋覆盖，混凝土、沥青覆盖的路面面积逐年增大，使得透水、排水不好的地段经常积水。加上城区每天通过管道排放大量污水，城区排水系统在突降的暴雨面前就更显脆弱。经常造成交通瘫痪，给城市居民的生产，生活带来不便甚至生命财产损失。应早日进行城市沥涝系统研究，建立一套城市暴雨洪涝监测、预警、灾害风险评估体系，为城市防灾减灾服务。

4.5城区气候变暖会对城市经济发展形成制约

首先，加剧了生产用地与生态用地之间的矛盾。为了缓解热岛效应和应对气候变化，近年来不得不将大量宝贵的土地资源用于城市生态建设。城市城区气候变暖会加大能源消费压力，气温升高虽然能在一定程度上缓解冬季取暖能耗，但这与夏季避暑(主要采用空调降温)所增加的能耗相比，不过九牛一毛而已。可见，炎热酷暑不但加剧了能源紧张，而且为居民生活带来停电的困扰。

当然，气候变暖并非无是处。例如霜冻和雨雪天气会减少，有利于居民出行；冬天可以减少取暖能耗；能唤醒人们的环保意识等等，但较之其造成的负面效应显然不成正比。

5 城市应对气候变化的对策

为实施减缓气候变化的战略，控制和削减温室气体排放，缓解城市热岛效应，根据其指导思想，城市应制订和完善以下政策。

5.1改进燃烧装置和热能利用技术，提高能源效率

造成热污染最根本的原因是能源没有被最有效、最合理地利用，因此，减低城市热岛强度，首先要改进燃烧装置和热能利用技术，提高热能利用率。目前，因燃烧装置效率较低，使得大量能源以废热形式消耗，并产生热污染。如在火力发电厂的锅炉燃料燃烧释放的能量中，约40%转化为电能，12%随烟气排放，48%随冷却水进入水体中。我国热能平均有效利用率约30%左右，而工业发达国家的热能平均有效利用率达40%以上，如果能把热能利用率提高10%，就意味着热污染的15%得到了控制，将大大减少热污染。可以采用清洁工艺，减少温室气体的排放。

5.2建立产品能源效率标准制度，推广高效节能的电器及设备

通过技术改造和采用先进的工艺技术降降低钢铁、汽车、化工、电力和建材等主要能源密集型工业部门的单位产品能源消耗，提高工业部门的能源利用效率；大力推广高效节能的燃煤锅炉、电动机、空调和冰箱以及交通运输设备、照明装置等设备；推行民用和商业建筑的能源效率设计标准，开发和推广优质双面窗、空心砖、隔热墙板材料以及太阳能热水器等节能产品。

5.3完善相关制度和法律，鼓励节能降耗

对于使用节能设备的单位给予税收、贷款等多方面的优惠；对能耗过大的单位，限期进行整改，整改后仍不达标者进行曝光、罚款等处理；提倡节能建筑，申报新建或改建建设工程必须附有节能措施；普及低能耗、低污染、小排量的节能汽车；普及家庭住宅节能系统，减少家庭电器、办公室自动化设备待机耗电等；提倡使用太阳能，鼓励集中城市供暖，提高城市能源利用率，减少温室气体排放。

5.4优化城区产业结构和区域布局，并控制空气污染物的排放

采取关、停、并、转的管理措施，从源头上控制城市环境空气污染。将空气污染大户、能耗大户迁到三环以外，同时对一些技术落后、能耗高、污染环境严重的企业采取限期整改、转产和淘汰措施；合理布局电厂，大力发展清洁能源，有效削减现有火力发电厂SO2排放，加快建设火力发电厂脱硫装置或采取其它脱硫措施；要定期、不定期地检查企业、单位污染物排放量，有效控制空气污染物的排放。

5.5建设城市生态绿地系统，增强吸收温室气体的能力

绿地好比城市之“肺”，它可以吸收大量二氧化碳，放出氧气；同时能阻挡飞扬的灰尘，吸收各种有害的气体，从而起到过滤、净化空气的作用；有些植物分泌物具有一定的杀菌作用，尤其在消除城市噪音方面功不可没。据研究，在阳光的照射下，建筑物只能吸收10%的热量，而树林却能吸收50%的热量。因此，在城市建设规划中可以由近及远构筑“三位一体”的城市生态绿地保护圈，即“城区绿化生态体系一城郊林果带体系一远郊森林综合生态体系”。城区绿化生态体系主要由公共绿地、街道绿化、专用绿地、生产防护绿地、空间立体绿化构成，这是核心圈层；城郊林果带体系包括近郊的果树林、经济林、苗木花卉、公路林带、村庄果木等，是过渡圈层；远郊森林综合生态体系包括风景林、森林公园、自然保护区及各种防护林、经济林、水土保持林及速生丰产林等，是外围圈层，也是城市生态环境最大的调节体系。

参考文献：

[1]孙成全，高峰，曲建升.全球气候变化的新认识[J].自然杂志,2002, 24(2):114-122.

[2]Karl T R, etal. Assymmetric trend of daily maximum and minimum temperature [J]. Bulletin of American Meteorological Society.1993,74(6):1007-1023.

[3]翟盘茂,任福民.中国近四十年最高最低温度变化[J].气象学报，1997, 55( 4) : 418-429.

[4]张明庆，刘桂莲.我国近40年气温变化地域类型的研究[J].气象学报，1999,2（4）:10-14.

[5]叶愈源,赵文兰.全球气候变化对湖南的影响[M].北京:气象出版社,1995.120.

[6］徐再荣.从科学到政治：全球变暖问题的历史演变［J］.史学月刊，2003，26（4）:32-37

Hunan Urban Development on Urban Climate and Countermeasures

Abstract: Over the past ten years the process of urbanization in Hunan Province to speed up significantly, increasing the size of the cities, the rapid growth of urban population. The development of the City Council to highlight the growing impact of climate, "urban heat island" phenomenon and climate change have become an increasing concern. In this paper, from 1998 to 2007 the city of Hunan Province temperature, precipitation, humidity and other data, an analysis of urban development in Hunan Province on climate and climate change on urban economic and social impact, and how climate change cities to develop a reasonable technology policy and industrial policy are discussed.

Key words: urban climate; urbanization; environmental impact; countermeasures