城市水气系统协同作用对雾霾影响的研究

张春赫

湛蓝的天空成了稀缺资源，每天都能畅快地呼吸几乎变为一种奢望，一旦发生严重的雾霾，“等风来”成了人们最迫切的企盼，这是一种戏谑，更是一种无奈。雾霾天气的产生不仅仅因为大气污染物的过量排放，城市化水平的提高带来的城市本身气候和水文方面的变化也起到了一定的推波助澜的作用。

一、城市化对城市水气系统的影响

城市小气候——热岛效应。由于城市化的进程不断加快，大量的农业用地和荒地转化为城市用地，下垫面性质发生改变，城市人口快速增长，致使城市内部人为热量和过量温室气体排放。市中心温度最高，逐渐向郊区降低，就如同在平面图上表示海洋中岛屿的等等高线分布图一样，城市犹如海洋中的孤岛，出现城市温度高于郊区温度的现象，这一现象被称为城市热岛效应。

如果将建筑物和人类活动较少的，地面温度较低的郊区看作水面，那么地面温度较高的城市就被称为 “ 热岛”。城市热岛的成因可归类为五点：（1）大气逆辐射强。城市内部交通工具废气排放，建筑工地飞扬大量的粉尘，工业活动废气的排放，人类生活垃圾的不妥当的处理等。都导致了城市内部产生大量的温室气体，太阳的短波辐射可以通过温室气体到达地球表面，但是地面长波辐射却被这些温室气截留，它们就像保鲜膜般覆盖在城市上空，保留城市内部的热量，阻止城市内部的热量向外围扩散。这也在一定程度上加强了城市的热岛效应。（2）城市内部平均风速小，向外输送的热量少。城市向外输送的热量少，另外的原因是在城市建筑阻挡作用下，市区内部通風水平下降，平均风速小。摩擦力越大风力越小，城市下垫面颗粒粗大，对风速削弱作用强导。城市内部热量差异小，气压梯度不明显，导致城市内部风力小。城市静风助长了城市热岛效应的气焰。（3）城市下垫面对太阳辐射的吸收率大。城市硬化的下垫面，主要以深色水泥，砖块等比热容较小的建筑材料组成，加之植被覆盖率以及天然河湖面积急剧缩减，对城市温度的调节作用微弱。所以无论光照强弱，城市吸收的热量都要比郊区多。（4）热转换消耗热量少。城市内部地表能够停留的水量小，大气降水几乎通过地下排水设施排走，或城市储水建设保留，可以被热力转换的水量微乎其微，因此消耗的热量也相应减少，不利于城市多余热量的耗费。城市活动生产热量，但是却极少消耗和排出热量，这也是热岛效应的主要成因。（5）城市基本活动释放出的热量较多；工业冷却排放废热，人类生活中的热量排放，诸如交通工具热量排放，生活取暖、制冷热量排放等等，都促进和加剧了城市热岛效应。

二、城市化过程中对城市水循环的影响

城市不断的兴建和发展后，城市气候和下垫面都有明显的变化。由于城市中，人口、建筑物以及工业部门的高度集中，在城市热岛效应，凝结核效应（烟、尘增多），以及建筑物高大引起的对城市风的阻碍效应等影响下，城市雨岛效应便凸显出来，通常，城市上空的降水量比郊区农村的降水量多约5%-17%。城市中大面积的天然植被和耕地被混凝土建筑物代替。城市产生降水后，硬化的地表起伏小洼地少，保留水的能力减小，下渗水量骤减，人类为了防止“城市看海”现象发生，大力兴建城市排水设施，地下人工排水、储水系统成为大气降水的归宿，大大减少了城市的下渗量，导致地下水位降低，地下水层含水量减少。另外，城市地表建筑物颜色深，能够吸收更多的太阳辐射，蒸发能力强。降水量少的枯水季节，城市地表可蒸发的水量少，但是城市的蒸发力不变，很容易导致城市空气干燥，增加了城市扬尘天气发生的频率。

三、城市水气系统及人类活动对雾霾的影响

1.城市风对雾霾的影响

现代城市中高楼密集，犹如一片“混凝土热带雨林”，严重阻碍城市内部空气流通，形成城市静风、无风等环境，使城市内部产生的生活、生产、交通等排放的污染物不能够迅速有效地扩散，容易形成高浓度的污染，加重城市雾霾。伴随城市建成区不断扩张，城市规模越来越大，高楼密集，城市屋顶界面越来越高，对风速的的阻碍作用越来越大，严重影响局部地区的空间质量，通常将盛行风风速小于2m/s的状况称为静风状态，根据气象观测，长期处于静风状态的城市可称为静风城市。前人的研究已经证实，严重污染的发生、雾霾的产生与城市气候的这种大气稳定状态紧密相关。

城市的热岛效应使郊区空气向城市汇合，形成所谓“城市风”。由于夜晚城市与乡村之间的温差比较大，所以城市风夜晚较盛，近地面“城市风”由郊区吹响城市，可将郊区工业区污染物吹向城区，导致市中心的污染物浓度远远高于郊区。白天城郊之间热力差异小，城市风在高楼的阻挡作用下，以及地粗糙下垫面产生的巨大摩擦力作用下，风力微弱，这样使得城市内部污染物不易扩散，在城市中滞留。

2.城市降水特征对雾霾的影响

城市化所造成的区域降水时空分布，受城区热岛环流及近地大气逆温层的影响，以北方季风区城市为例，在受到低压控制下的季节，在城市热岛效应和城市中相对较多的凝结核的作用下，使得城市地区降水量，比四周郊区增加5%—17%，汛期的雷暴雨量增多10%—40%[2]，形成城市雨岛效应；在高气压控制的季节，气流方向以下沉为主，上升状况微弱。在高压控制区，存在大规模下沉气流，由于下沉气流的绝热增温作用，致使该地形成下沉逆温，冬季，下沉逆温与锋面逆温结合一起形成一个由地面开始，数百米高的逆温层，逆温形成，大气稳定，气流运动速率小，难以降水。降水，夏秋多春冬少的分布规律不利于污染物的扩散。因此北方城市的雾霾天气一般在春冬季多发。