簡介
混濁島效應混濁島效應是指城市市區由於廠礦企業集中、機動車輛眾多、人口密集，致使排出的污染氣體和空氣中的塵埃等混濁程度都大大高於周邊地區，形成“混濁島”。而塵埃等混濁物恰恰是雲層中的水汽變成降雨最需要的“凝結核”，於是產生了這樣的效應：城市上空的凝結核越多，水汽就越容易在此凝結造成降水，從而增加雨量。上海城市混濁島效應具體表現在大氣質量的市區和郊區差異，低雲量及以低雲量為標準的陰天日數分布和太陽輻射混濁因子的地區差異等。
主要有四個方面的表現
（1）城市大氣中的污染物質比郊區多。
（2）低雲量和以低雲量為標準的陰天日數遠比郊區多，城市大氣中因凝結核多，低空的熱力湍流和機械湍流又比較強，
（3）混濁度強：城市大氣中因污染物和低雲量多，使日照時數減少，太陽直接輻射（S）大大削弱，而因散射粒子多，其太陽散射輻射（D）卻比乾潔空氣中為強。在以D/S表示的大氣混濁度（又稱混濁度因子turbidityfoctor）的地區分布上，城區明顯大於郊區。
（4）城區的能見度小於郊區。這是因為城市大氣中顆粒狀污染物多，它們對光線有散射和吸收作用，有減小能見度的效應。當城區空氣中二氧化氮NO2濃度極大時，會使天空呈棕褐色，在這樣的天色背景下，使分辨目標物的距離發生困難，造成視程障礙。此外城市中由於汽車排出廢氣中的一次污染物——氮氧化合物和碳氫化物，在強烈陽光照射下，經光化學反應，會形成一種淺藍色煙霧，稱為光化學煙霧，能導致城市能見度惡化。美國洛杉磯、日本東京和我國蘭州等城市均有此現象。
背景資料
據有關資料顯示，2005年9月，由於地處廣闊的低壓區，香港地區暴雨連場，先後發生10宗山泥傾斜和18宗嚴重水浸事件。據香港天文台統計，暴雨期間，香港大部分地區均為100毫米左右的降雨，其中港島（市區）大部分地區降雨量超過200毫米，最高的達250毫米以上。近年來，這種城市市區降水量明顯大於郊外的現象越來越突出。為什麼老天對城市“情有獨鍾”？對此，氣象專家解釋說，一個地方的降水量的多少，首先取決於大氣環流，但雨帶的位置還不能解釋一切。因為上述情況，都是在同一雨帶內市區的降水量大於市郊，這說明城市本身的環境狀況對降水也有重大影響。研究發現，“熱島”效應、“混濁島”效應和地區狀況，都會對城市雨量大小產生影響，其中最值得注意的是城市“混濁島”效應。此外，由於市區建築物集中，高樓大廈鱗次櫛比，使風速大為減小，強雨帶等天氣系統在市區上空停留的時間就相對比空曠的郊區來得長，這也會使總降水量增多。
城市氣候
城市氣候（urbanclimate）指由高大建築物、人造路面和綠化地等所構成的城市下墊面以及人類活動的影響而形成的局地氣候。城市本身的氣候狀況與城郊開闊地區相比，具有明顯的差異。城市空氣污染嚴重，煙霧校多，太陽輻照度平均比郊區低10－20％，紫外輻射減少尤甚，含菌量比郊區要高。城市中的風速一般小於郊區，空氣溫度高於郊區，空氣濕度低於郊區，雲量和降水量大於郊區。城市氣候特點的形成同城市本身的狀況密切相關，且隨著城市人口的增加和城市規模的擴大而表現得更為明顯。對城市氣候的研究，包括以下各項：城市規模和布局與城市氣候的關係，大氣污染對城市氣候的影響，城市氣候與郊區氣候的差異及其形成原因，對居民健康的影響，城市氣候的改良途徑和方法等。
城市氣候的基本特徵
城市氣候既受所屬區域大氣候背景的影響，又反映了城市化後人類活動所產生的作用。不同氣候區的城市氣候不盡相同，但也存在一些共同的城市氣候特徵，集中表現在“五島”效應。
城市熱島效應與熱島環流
由於城市下墊面的特殊性質，城市人類活動釋放大量的二氧化碳等溫室氣體，加上人為熱源的影響，使城市氣溫明顯高於郊區，這種現象稱為城市熱島效應。國內外許多學者的研究表明，城市熱島強度夜間大於白天，日落以後城郊溫差迅速增大，日出以後明顯減小。城市熱島效應不僅在近地面氣溫中有反映，而且對城市的邊界層大氣環流產生影響。由於城市熱島效應，市區中心空氣受熱不斷上升，四周郊區相對較冷的空氣向城區輻合補充，熱島中心上升的空氣到一定高度又向四周郊區輻散下沉，形成一種局地的熱島環流（見圖）。這種環流在晴朗少雲，背景風場極其微弱的靜穩天氣條件下最為明顯。雖然城市熱島效應夜間強於白天，但由於夜間郊區大氣層結穩定，有時還存在逆溫層，因此夜間的上升氣流層不強；而白天郊區大氣層結本身不穩定，流入城市後上升速度快，所以城市熱島環流白天要比夜間強，而且夜間的郊區風還具有陣性。
乾島或濕島
城市對空氣濕度的影響比較複雜。由於下墊面多為建築物和不透水地面，雨後徑流係數大，蒸發和蒸騰量較小，進入大氣的水汽量少，加上城市氣溫又比郊區高，通常城市空氣的絕對濕度和相對濕度都要低於鄰近的郊區。尤其是盛夏季節郊區農作物與林草植被生長茂密，城郊之間蒸散量的差值更大。城市由於建築物密集和高低不一，下墊面的粗糙度大，加上熱島環流，機械湍流和熱力湍流都要強於郊區，通過湍流垂直交換向上層輸送的水汽量比郊區多。兩種效應的疊加導致城區近地面水汽壓小於郊區，形成“城市乾島”。但到夜晚，風速減小，空氣層結穩定，郊區氣溫下降更快，使飽和水汽壓減低，大量水汽在地表凝成露水，使存留於低層空氣的水汽減少，水汽壓迅速降低。而城區因受熱島效應影響，凝露量遠比郊區少，夜晚湍流也減弱，與上層空氣的水汽交換量減少，使城區近地面的水汽壓要高於郊區，從絕對濕度的角度又形成了“城市濕島”現象。
混濁島
投射到地表的太陽輻射可分為兩部分：以平行光線方式射來的直接陽光稱為直接輻射S，穿過大氣圈受空氣分子、懸浮顆粒物和雲滴散射向四面八方發出的稱為散射輻射D。在相同強度的太陽輻射下，混濁空氣中的粒子散射要比干潔空氣強度更大，而直接輻射卻受到攔截和削弱。氣象學家以D／S表示大氣的混濁度或混濁度因子。城市大氣污染遠比郊區嚴重，工業生產、交通運輸和居民爐灶等排放的煙塵遠比郊區多，又大多是吸水力很強的凝結核，在城市中垂直湍流的作用下有利於低雲的發展。大量觀測資料證明，城區低雲量多於附近郊區，也使得城市的散射輻射比郊區強，直接輻射比郊區弱，大氣混濁度顯著大於郊區，形成城市的“混濁島”效應。
雨島
關於城市對降水的影響國際上存在不少爭論。美國曾在中部平原密蘇里州聖路易斯及附近郊區設定稠密的雨量觀測網進行持續5年的觀測研究，證實城市及其下風方確有“雨島效應”，即城市及其下風方的降水比其他地方多。我國周淑貞等分析上海地區170多個雨量觀測站點的資料，結合天氣形勢進行眾多個例分析和分類統計，發現上海城市對降水的影響以汛期（5—9月）的暴雨比較明顯，在近30年的汛期降水分布上市區降水量均明顯高於郊區，呈現清晰的城市雨島效應，而非汛期（10月—次年4月）及年平均雨量分布上則無此現象。城市雨島形成的條件是在大氣環流較弱，有利於在城區產生降水的大尺度天氣形勢下，由於城市熱島所產生的局地氣流的輻合上升，有利於對流雨的發展；城市的下墊面粗糙度大，對移動滯緩的降雨系統有阻障效應，使其移速更為緩慢，延長了城區降雨時間，再加上城區空氣中凝結核多，其化學組分不同，粒徑大小不一，當有較多大核（如硝酸鹽等）存在時有促進暖雲降水的作用。上述種種因素的影響，會“誘導”暴雨最大強度的落點位於市區及其下風方向，形成“城市雨島”。
下墊面和人類活動對城市氣候的影響
下墊面是氣候形成的重要因素，是指在熱量、動量和水汽交換過程中與大氣相互作用的地球表面（土壤、草地、水體等），下墊面性質對大氣溫度、濕度、風等有很大影響。城市氣候的形成與原有下墊面性質改變和人類活動強度密切相關，城市下墊面是導致城市氣候形成的直接原因。從景觀生態學的角度看，各種類型的城市下墊面（包括人工建築、水面、綠地等）的空間形態和結構布局構成了城市的景觀格局，其特徵一般可從景觀組分和景觀格局兩個層次分析。景觀組分層次的研究強調某種下墊面類型對大氣環境影響的物理效應；而景觀格局層次的研究更注重景觀組分的空間組合效應，包括若干下墊面斑塊的組合效應及整個城市景觀的布局效應。另外，城市化的推進加劇了土地利用方式和密集的社會經濟活動，導致城市能源消耗和人為釋放熱量的增大，對氣候產生了重大的影響。
城市發展對城市熱島效應的影響
對過去50年的中國年平均氣溫數據研究表明，城市熱島效應的影響主要包括年平均氣溫升高、年際間溫差減小和氣候趨勢改變三個方面。宋艷玲等利用北京市近40年氣候資料研究分析北京市市區與郊區平均氣溫日、季、年際和年代變化特徵，發現40年中以1995年11月24日市區與郊區日平均氣溫溫差最大，達4—6℃；季節變化中，市區與郊區溫差以冬季最大，為1—11℃，春季最小，僅為0.26℃；年際變化1961—1977年期間市區與郊區溫差較小，而1978—2000年市區與郊區溫差已增大到0.62℃，熱島效應明顯增強；年代際變化中，市區與郊區溫差以20世紀60年代最小，僅為0.13℃，20世紀90年代增大到0.78℃。張光智等分析了北京及市郊地區共16個標準國家氣候站的1961—2000年40年溫度資料，發現北京城區與郊區溫度是同位相升降，且郊區溫度一直低於城區。其溫差維持並同位相振盪，溫度逐年升高，城區與郊區溫差逐年增大，表明北京熱島效應一直穩定存在，而且北京的熱島效應在隨時間加劇。我國的許多城市都具有這一特點。
對日照、能見度、雲量和霧的影響
城市日照時數的多寡取決於緯度、季節和大氣透明度。同一城市日照時數城郊差異的時空變化則主要取決於大氣透明度。隨著城市的發展，年平均日照時數和日照百分率逐漸減少。如20世紀70年代與20世紀60年代相比，浙江省義烏市區的日照時數和日照百分率降低幅度很小；20世紀80年代以後明顯減少，原因是小商品市場發展很快帶動了城市規模迅速擴大，交通運輸和工業耗能迅猛增加，加上缺乏完善的污染防治措施和設備，空氣污染物日益增多，大氣透明度降低。香港天文台對能見度低於8km的逐小時計算，在剔除了霧、薄霧、雨及95%以上的高濕天氣後，能見度在1968—2006年期間有變差的趨勢。低能見度出現在1968—1987年期間為53小時，但1988—2006年期間增加到595小時。隨著城市的發展，城市總雲量和低雲量也有逐漸增多的趨勢。一方面在同一時期城市雲量比郊區多，另一方面在同一城市隨著城市的發展，低雲量越來越多。城市發展對霧的產生存在雙重影響。一方面隨著城市的發展大氣凝結核增多，大風和靜風日數減少，小風或微風日數增多，有利於霧的形成；另一方面由於“熱島”與“乾島”效應不斷加強，又不利於霧的形成。城市發展是否有利於霧的形成要看哪方面占優勢。眾多觀測和研究表明在城市發展早期霧日多於鄉村，當城市發展到一定程度，由於“熱島”和“乾島”效應加強，霧日數趨向於減少。
城市發展對大氣污染的影響
城市發展與大氣污染關係密切。經濟高速發展的珠江三角洲地區氮氧化物年平均值從1990年起超過國家二級標準且逐年快速增長，1995年高達0.118mg/m3。隨著城市現代化進程，能源結構也在變化。由於原煤仍然是我國的主要能源，燃燒後產生大量懸浮顆粒物和污染氣體，使我國多數城市的大氣污染以煤煙型為主。但20世紀90年代以來由於機動車數量的快速增長和石油、天然氣等優質能源的比重增加，北京、上海、廣州等大城市的大氣污染已由單純的煤煙型向煤煙與機動車尾氣混合型改變，氮氧化物的比重也在增加。從地理分布看，北方城市大氣懸浮顆粒物和二氧化硫濃度均高於南方，大中城市的大氣污染又較中小城市重。近10年來，我國大氣中懸浮顆粒物和二氧化硫濃度呈緩慢下降趨勢，這主要得益於煤的消耗量穩中有降，部分城市工業布局和產業結構的調整以及能源結構的改變也促成了城市地區大氣污染物濃度的降低，但同時也造成大氣污染有向農村地區擴散的趨勢。城市化發展和人類活動的增加，特別是城市交通與建築工地揚塵及工業煙塵排放，使城市空氣中的塵粒和氣溶膠劇增，容易形成霧和霾，使能見度降低。尤其是北方城市每到深秋和初冬常發生連續兩天以上的大霧天氣，對交通影響極大。北京市20世紀80年代後期以來，年霧霾日數維持在200天上下，比20世紀60年代和70年代的100～150天明顯增加。城區年平均能見度也從20世紀60年代的16～20千米下降到20世紀90年代的10～12千米。2000—2007年北京市政府加大了大氣污染治理的力度，霧霾日數已明顯減少，大氣環境質量二級以上天數逐年增加，並保證了2008年8—9月奧運會與特殊奧運會期間北京市的大氣環境質量有了明顯改善。
城市發展對雷電和降水的影響
通常雷電發生在山區較多，平原較少。城市由於存在熱島效應導致對流活動加強，雷電在城市比鄉村要多。如北京城區年雷電日數比周圍平原郊區多2～8天，而且隨著北京城市規模的擴大，雷電日數也在不斷加強，城區年雷電日數20世紀50年代為30天，20世紀90年代前期已增加到46天。關於城市化對降水的影響存在較多爭議，有的認為城市化有使降水增加的效應，尤其是城市下風方；有的認為城市化對降水有減少的效應；有人認為城市化對降水無影響；還有人認為城市化使對流性降水明顯增多。
城市化影響降水的機制
（1）城市熱島環流使大氣層結變得不穩定，有利於熱力對流的產生，容易形成對流雲和對流性降水。
（2）城市空氣凝結核豐富有利於水汽凝結和產生降水。
（3）摩擦阻擋效應。城市參差不齊的建築物對氣流有機械阻障、觸發湍流和抬升作用，使雲滴凝結碰並增長形成降水。城市下墊面對天氣系統的移動的阻滯作用使其移速減慢，增加降水持續時間。
上述三個因子作用往往使城市降水多於郊區。如北京市1981—1987年城區年降水量平均比郊區多9%，上海市1960—1989年市區汛期平均降水量比郊區多33%（周淑貞，束炯1994），廣州市20世紀70年代平均降水量比郊區多93%。美國聖路易斯市1971—1975年的試驗研究表明，城區夏季降水次數、總降水量和大暴雨平均雨強都明顯增大。雷雨次數增多且降水量占到夏半年各月降雨量的50%，88％的雷暴都伴有降水。位於市區下風向的東北部工業區降水約增加30%～35%。美國休斯敦（4311站）在城市化後（1984—1999年）年平均降水分布由於城市下墊面作用下午出現頻率增加，後半夜和清晨減少。
城市氣候的研究現狀和動態
由於城市擴展伴隨著一系列環境問題，對城市可持續發展、人類健康和生態環境保護帶來明顯或潛在的負面影響，因而城市氣象研究和城市氣象服務受到各國的高度重視。
城市氣候學
城市氣候學是一門新興的交叉學科，無論基礎研究還是套用研究都存在許多亟待解決的科學問題和難題。經濟社會的迅速發展對城市氣候研究的需求日益增加，城市氣候的有關研究也隨著氣象科技的發展而逐漸深入。20世紀70年代以來，世界氣象組織和世界衛生組織召開了一系列國際會議研討城市氣候環境問題。美國在20世紀70年代開展了為期5年的大城市氣象觀測試驗，之後麻省理工學院、哈佛大學與墨西哥開展了針對墨西哥城的合作研究項目，德拉瓦大學建立了城市高溫熱浪預報系統，英國、德國、日本開展了東京城市氣象研究。進入20世紀90年代，已開發國家的城市氣象研究發展加快，德國在城市發展規劃和建設中考慮了氣候條件及城市建設對局地氣象環境的影響，日本根據地域特點開展了城市氣象與減災、氣象與疾病等方面的研究。面對城市化的快速發展，開發中國家也非常重視城市氣象服務。20世紀90年代初期，墨西哥政府投資450萬美元與美國合作開展了墨西哥城空氣品質研究計畫。一些與城市環境氣象有關的國際機構及研究計畫相繼確立，開展了氣候變化、溫室氣體排放、空氣品質（城市氣流模擬及城市大氣化學試驗）和大氣污染評估、城市植被與大氣相互作用、城市地區及建築物附近湍流輸送與擴散過程、城市風與環流系統、城市與周圍地區中尺度相互作用、城市能量收支和水收支、城市熱島效應及其對長期氣溫紀錄的可能幹擾、城市對天氣的影響等方面的試驗研究。當前全球城市氣象的研究熱點問題有：城市邊界層陸氣相互作用及湍流輸送、城市天氣預報技術、城市空氣品質、城市大氣環境探測、城市氣候、城市水資源及能源利用、城市熱島效應及熱浪、城市生物氣象學及生態城市模型、城市規劃和策略等。上述城市氣候研究為開展城市氣象災害發生機理與減災途徑研究提供了重要的理論基礎。
氣候效應
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