城市环境气象的研究进展

收稿日期:2005-04-10

作者简介:陈碧辉,女,硕士,主要从事大气化学和环境方面研究。

城市环境气象的研究进展

陈碧辉,李跃清,闵文彬,罗　磊

(中国气象局成都高原气象研究所,成都　610072)

摘要:重点介绍了国内外对城市热岛的研究现状和研究成果。简单介绍了绿化对改善城市热环境的研究成果,目前城市气象服务中的气象指标以及城市灾害性天气监测中存在的不足。总结了城市气候研究的热点为城市热环境和大气气溶胶,指出了利用数值模拟研究气溶胶气候效应是今后发展的趋势。

关键词:城市热岛;城市绿化;气溶胶;城市气候中图分类号:X16文献标识码:C

文章编号:1003-7187(2005)02-0027-03

目前,城市化进程已成为全球经济发展的一个重要特征,预计到2006年世界人口的一半将是城市居民。城市的扩大伴随着一系列环境问题,对城市的可持续发展以及人类的健康、生态环境的保护等带来一些明显或潜在的负面影响,因而城市环境气象研究和服务受到了世界各国的高度重视。

自20世纪70年代以来,世界气象组织和世界卫生组织召开了一系列国际会议,重点研究城市气候环境问题。进入

20世纪90年代,国外一些发达国家的城市气象研究发展较

快,政府也给予高度重视。如德国在城市发展规划和城市建设中,考虑了气候条件以及城市建设对局地气象环境的影响;日本根据地域特点,也开展了诸如城市气象与减灾、气象与疾病等方面的研究。面临城市化快速发展的发展中国家,也都非常重视城市气象服务,如20世纪90年代初期,墨西哥政府投资450万美元与美国合作,开展墨西哥城空气质量研究计划。

与此同时,一些与城市环境气象有关的国际机构及研究计划相继确立,开展了诸如气候变化、温室气体排放、空气质量(城市气流模拟及城市大气化学试验)和空气污染评估、城市植被与大气相互作用、城市地区及建筑物附近的湍流输送和扩散过程、城市风和环流系统、城市与周围地区的中尺度相互作用、城市能量收支和水收支、城市热岛效应及其对长期气温纪录的可能干扰、城市对天气的影响等。

我国在城市环境气象方面的研究起步较晚,除20世纪

70年代到80年代初期进行过一些疾病与气象的研究外,主要集中在城市气候的研究上,研究区域也多限于上海、北京及沿海等大中城市。这些研究受城市气象监测条件的限制,大多为定性的气候描述。进入九十年代,初步形成若干商业气象服务。北京、上海、广州、杭州、武汉等城市已进行了有关城市环境气象的研究和应用。随着国民经济的高速发展,城市化进程的加快,以及城市居民生活质量的提高,城市气象服务也面临新的挑战和发展机遇。目前研究的重点主要集中在以下几个方面。

1　城市热岛

在城市不断扩大的过程中,由于人口的高度密集,建筑物构成的特殊下垫面,高强度经济活动中消耗的大量燃料等因素,改变了城市原有的局地环流和区域气候状况,形成了独特的城市气候。华东师范大学周淑贞、张超对城市气候的多年研究,认为城市的热岛、湿岛、干岛、雨岛和混浊岛等“五岛效应”十分明显。大多数研究侧重于城市热岛效应研究。

城市热岛效应是英国化学家LakeHoward 于1820年通过对城市中心区和临近地区城镇气温的观测比较后提出的。此后,已有数千篇有关城市气候的论文发表,国内外在城市热岛对气温增暖的影响方面做了大量研究,积累了丰富的成果。近年来,城郊温差扩展趋势已被证明,在少于10000人口的小城镇中亦能在长时间温度记录中探测到城市热岛的影响,Karl 等对美国历史气候网(1219站)资料研究后指出,平均城市化影响约0106℃(1901～1984年),而Kukla 等指出北美有0112℃/10a 城市化影响的倾向。在我国像周淑贞、束炯、桑建国、张景哲、王传琛、陈沈斌等,亦对城市热岛效应及形成机制进行了多方面的研究。

研究城市热岛,多利用气象资料、卫星遥感资料和数值模拟方法,来探讨城市热岛的时空分布规律和形成原因。吴息等(1997)利用地表热量平衡分量变化分析城市热岛长期变化趋势。K 1P 1G ALLO 等(1997)探讨城市热岛效应评价的植被指数法,认为城市与乡村在植被指数(NDV I )方面的差异是区分城市与乡村两种环境间地表特征(如蒸发和热贮量)差异的主要标志。丁金才等(2002)根据加密观测资料和卫星遥感资料,应用自然正交函数分解技术(E OF ),认为风向是影响上海地区热岛效应范围和强度变化的最主要的气象因子。徐涵秋等(2003)创建了城市热岛比例指数(UR I ),

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来定量地评估热岛现象的变化情况。此外,小波分析方法

(何萍等,2002)和GI S 空间分析技术(周红妹等,2002)也用于热岛效应分析。孙旭东等(1994)用非定常二维边界层大气动力和热力方程组数值模式,分析计算了西安城市热岛热力场的特性和强度。陈二平等(2001)运用中尺度准静力动力学模式模拟分析了城市热岛的成因。徐敏等(2002)、杨玉华等(2003)分别用区域边界层模式RBLM 、MM5模式来模拟北京市热岛的强度和分布。鞠丽霞等(2003)用RAM S 研究热岛环流基本特征及其形成、演变规律。陈燕等(2004)利用三维非静力区域边界层数值模式,对杭州市热岛现象进行数值模拟,并探讨人为热源、风速、地面粗糙度等因素对城市热岛的影响。

2　城市绿化对改善城市环境的研究成果

城市绿化不仅具有吸收二氧化碳、制造氧气、吸收有毒气体、杀菌除尘等净化环境的作用,而且还具有遮阳、降温、增湿和改善局地小气候等多种效能,从而能够部分补偿由于城市化而受到损害的自然环境功能。绿地对气候的影响是多方面的、全方位的,特别是树林,夏季由于它的蒸腾作用,会使气温降低,冬季却能使气温升高。林荫街道和无林街道相比,白天气温偏低,清晨气温偏高,使林荫街道气温日差减小,从而使盛夏白天的城市“热岛”强度减弱。观测资料统计表明,夏季城市公园树林内日平均气温比林外可低3℃～

4℃,气温日较差可减小5℃～6℃;城市的大块草坪可使夏季

日平均气温降低1℃～2℃,日较差减小2℃～3℃。绿地对气温的调节作用与绿地的面积、植被的高度、类型、疏密等有关。绿地对气温的调节作用一般以中午最大,午后次之,早晨最小。李延明等应用城市现状遥感影像和回归分析,研究北京城市绿化对城市热岛的影响,认为:绿化覆盖率与热岛强度成负相关,当一个区域绿化覆盖率达到30%时,热岛强度开始出现较明显的减弱。绿化覆盖率大于50%时,热岛的缓解现象极其明显。

3　城市气象服务

城市是现代灾害的巨大承载体。特殊的城市条件会给城市造成诸如高温灾害,城市洪灾,城市风灾,酸雨,酸雾,光化学烟雾等灾害。人们通过对城市灾害的研究,形成对城市环境气象的监测预报服务能力,预测自然大气和人工环境是否适合人类活动的气象条件以及采取的对策和建议,为合理安排生产、生活和娱乐活动提供科学依据。

目前,我国一些城市已经或正在建立城市环境气象监测系统,开展城市大气边界层的物理、化学过程观测和试验,对气溶胶、酸雨、S O 2、NO X 、O 3以及生物气象条件进行监测研究,研制开发或引进环境气象业务预报模式如城市不同尺度的空气质量模式、城市下垫面和边界层相互作用模式、火险预报模式等,建立环境气象数值预报系统和环境气象服务产品加工制作系统、环境气象服务产品分发系统以及环境气象专用数据库及信息交换系统。目前开展预报的主要项目有:大气清洁度预报、人体舒适度指数预报、紫外线强度预报、雨伞指数预报、城市火险指教预报,花粉指数预报、啤酒指数预报、中暑指数预报、夏季空调指数预报、霉变指数预报、气象条件与健康和疾病预报、城市交通天气条件预报、城市雾的

预报、城区强降水沥涝灾害预报、城区滑坡(泥石流)预报、旅游气象(避暑、海滨浴场、沙浴、森林浴、划雪场、洞穴、氡气、负离子、大气电磁场)等特种气象预报。

应该看到,目前我国城市特别是大城市及周边地区灾害性天气监测能力相对较弱,不能满足小尺度监测预警需求,软件系统的相对滞后和探测产品的集成度不高。未来,在大力加强大、中城市及周边区域的综合探测系统硬件建设的同时,需要加强城市气象数值预报模式的应用研究,提高城市气象预报服务准确率。此外,应致力于开发种类更多的、与生产和生活息息相关的城市环境预报项目,更好地满足人们多方面的需求。

4　城市气候研究热点及展望

随着城市灾害日趋严重,如何引导城市建设走可持续发展之路,建设生态城市己引起广泛重视。城市热环境是当前城市气候、环境的研究热点问题。研究城市热环境的特点及动态规律,对城市灾害、城市规划、环境保护、大气污染、防暑降温、市政建设都具有重要意义。但由于城市的不断发展,城市下垫面的根本变化,给区域气候和全球气候变化研究带来了复杂性。在全球变暖的趋势下,如何分辨出区域气候的变化是全球变暖还是城市化的影响,仍然是当今气候研究的难点。

城市的高速发展伴随着气溶胶的增多,因而大气气溶胶辐射强迫及区域气候的影响是当今研究的热点。来源、性质及粒度不同的气溶胶对太阳辐射的影响是有所差异的,因而气溶胶的研究主要集中在其表征研究和气候效应两方面上。从发展历史来看,过去着重于直接排放的一次颗粒物;20世纪90年代后期,则重视二次颗粒物的问题;现今更侧重于

P M215甚至超细颗粒,并从总体颗粒到单个颗粒的研究。从

发生源来看,过去只针对人为源,现今还将生物地球化学源、天然源都作为重要的发生源来探讨。目前,科研人员加强了城市和区域环境气溶胶表征的研究;对气溶胶颗粒组分的无机元素、EC 、OC 、有机化合物进行研究;有的对矿物性气溶胶与生物型气溶胶进行鉴别,研究其动态变化和不同的影响与效应。从研究地域看,已从局地发展到区域、洲际,甚至全球。近年国际上相继进行了3次区域性气溶胶表征实验,获得了宝贵的信息。就我国而言,近年来对大气气溶胶的物理化学特性和分布的认识还远远不够。目前利用边界层观测和数值模拟方法来研究城市气溶胶的时空分布规律及气候效应,获得了些研究成果。徐晓萍等(1994)用一维非定常模式模拟大气气溶胶粒子对城市夜间边界层大气温度场的影响,结果表明,气溶胶粒子对近地层大气起增温作用,对

150m 以上大气起降温作用,并削弱近地逆温层的强度。李

子华等(2000)利用一维晴空大气边界层模式,研究了相对湿度和气溶胶粒子浓度对边界层气溶胶白天温度效应的影响,结果表明,相对湿度的增加与气溶胶粒子浓度的增加在边界层中具有一致的温度效应,均使边界层中上层增温,近地层

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