城市氣候為何與郊區(qū)大不同？因為城市化產(chǎn)生了五大氣候效應(yīng)

圖蟲創(chuàng)意

在城市的喧囂中，有一種氣象現(xiàn)象悄然發(fā)生，它被稱為“城市雨島效應(yīng)”。想象一下，當(dāng)你在城市的某個角落享受著一場突如其來的陣雨，而幾公里之外的郊區(qū)卻滴雨未落，這便是城市雨島效應(yīng)的奇妙之處。

（1）什么是城市的雨島效應(yīng)？

城市雨島效應(yīng)，是指在城市地區(qū)由于特殊的地表特性和人類活動，導(dǎo)致降雨量比周邊的自然區(qū)域顯著增多的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就像是城市上空多了一朵“雨云”，它們在城市上空聚集，為城市帶來比郊區(qū)更多的雨水。

19世紀(jì)的氣象學(xué)家和城市規(guī)劃者已經(jīng)注意到了城市地區(qū)降雨模式的變化。然而，這種現(xiàn)象的系統(tǒng)研究和量化分析是在20世紀(jì)后半葉隨著氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立和衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展而變得更加精確。城市雨島效應(yīng)在許多大城市中都有所觀察到，尤其是在那些氣候條件和城市化程度較高的地區(qū)。例如，東京、洛杉磯、紐約、倫敦、北京和上海等大城市都有明顯的城市雨島效應(yīng)(周淑貞, 1988; 張富國, 1991; Shepherd and Burian, 2003; 曹琨 et al., 2009; 孟丹 et al., 2017)。這些城市由于其高建筑物密度、大量的人為熱源和較少的綠地和水體，使得城市中心的降雨量往往高于周邊自然區(qū)域。

要討論城市的雨島效應(yīng)的形成，我們首先得了解另外一種效應(yīng)，即城市熱島效應(yīng)。城市中的建筑物、混凝土和瀝青路面在陽光炙烤下升溫速度非?？?，使得城市中心的溫度遠(yuǎn)超周圍自然區(qū)域，另外城市中心人類活動更多，也會產(chǎn)生大量的熱量，這些都會推高城市的氣溫，所以城市比周圍自然區(qū)域的氣溫高，處于自然區(qū)域包圍中的城市看起來像是一個大自然中突出的熱島一樣，所以叫做城市熱島效應(yīng)。

因為城市中氣溫高，所以城市中更容易產(chǎn)生上升氣流，熱空氣上升到高空遇冷，凝結(jié)成云導(dǎo)致降雨，而到了高空之后，空氣向周圍擴(kuò)散，在郊區(qū)下沉，從而形成局部的熱力環(huán)流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看過去，城市里烏云滾滾，自然區(qū)域艷陽高照，城市看起來像是一個雨島一樣。另外，城市中建筑多，林立的高樓大廈被比喻為“鋼筋水泥的森林”，這使的城市下墊面粗糙度大，大氣低層平均風(fēng)速減小，對移動滯緩的降雨系統(tǒng)有一定的阻礙效應(yīng)，也會是城區(qū)雨時增長。再加上城區(qū)里空氣質(zhì)量一般比鄉(xiāng)村差，空氣中凝結(jié)核多，也有利于云（特別是低云）的形成，其中有些粒徑較大的凝結(jié)核，一般是硝酸鹽類凝結(jié)核，有促進(jìn)暖勻降水的作用，這多種因素相結(jié)合，會是城區(qū)和城市下風(fēng)方向云雨更。根據(jù)針對濟(jì)南的研究表明，中心城區(qū)隨著城市進(jìn)程的發(fā)展，“雨島效應(yīng)”導(dǎo)致平均降雨量增加約15%(李鵬 et al., 2020)，而根據(jù)對上海的研究，市區(qū)的降水年增長率是郊區(qū)的1.6倍(曹琨 et al., 2009)。對于北京2021年7月21日的特大暴雨的研究表明，降雨過程中，熱島和雨島效應(yīng)都存在，并且二者相關(guān)性在雨強(qiáng)最大時段最為明顯(孟丹 et al., 2017)。

（2）城市化帶來的五島效應(yīng)？

除了雨島和熱島，城市還有干島、濕島和渾濁島效應(yīng)，這些效應(yīng)之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，它們共同塑造了城市獨特的微氣候。這五島效應(yīng)共同作用，使得城市環(huán)境更加復(fù)雜多變，對城市規(guī)劃、建筑設(shè)計和居民生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

干島效應(yīng)，指的是城市比周圍自然區(qū)域空氣更為干燥，這是因為城市中的混凝土和瀝青等不透水表面減少了自然地表的水分蒸發(fā)，同時，城市中的植被覆蓋通常少于自然區(qū)域，植被的蒸騰作用減弱，減少了空氣中的水分，這都可以導(dǎo)致空氣中的水汽含量降低，從而比周圍的自然區(qū)域更干燥，形成干島效應(yīng)。

另一個看起來似乎矛盾的效應(yīng)是濕島效應(yīng)，即市區(qū)比周圍自然區(qū)域空氣更濕潤，這是因為在有些時段，城市中的水面、濕地和植被等自然和人工水體的蒸發(fā)作用增加了空氣中的水汽含量，城市中的工業(yè)生產(chǎn)、居民生活和商業(yè)活動等人類活動產(chǎn)生的水分排放，如空調(diào)冷凝水和灌溉等，也有助于提高空氣濕度，從而使市區(qū)比周圍的自然區(qū)域更濕潤，形成濕島效應(yīng)。

而混濁島效應(yīng)是指城市里空氣質(zhì)量比自然區(qū)域差的現(xiàn)象。城市環(huán)境中，由于工業(yè)排放、交通尾氣、建筑施工和道路揚塵等人為活動，空氣中的懸浮顆粒物等污染物顯著增加，導(dǎo)致能見度降低和空氣質(zhì)量惡化，這種現(xiàn)象在城市地區(qū)可能比周圍自然區(qū)域更為明顯，所以成為混濁島效用。

值得注意的是，這五種效應(yīng)的強(qiáng)度和特征可能會因地理位置、城市規(guī)模、城市布局和當(dāng)?shù)貧夂驐l件等因素而有所不同。以北京為例，夏季城區(qū)降水多于郊區(qū)，呈現(xiàn)“雨島”效應(yīng)，而冬季城區(qū)和郊區(qū)降雨量幾乎相同，雨島并不突出。另外，城區(qū)硬下墊面排水更快，所以城區(qū)夏季濕度比郊區(qū)低，呈現(xiàn)出“干島”效應(yīng)，而冬季則相反，由于城區(qū)人工水體面積比較大，生產(chǎn)和生活用水多，加上冬季的熱島效應(yīng)，所以冬季“濕島”效應(yīng)比較明顯。

（3）應(yīng)對雨島效應(yīng)

雨島的形成對于城市防洪而言帶來的挑戰(zhàn)不小，如果排泄不暢，大量雨水在街道上橫沖直撞，低洼的下沉涵洞、車庫、地鐵等都面臨巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2023年末，城鎮(zhèn)人口占全國人口的比重為66.16%，比2022年提高0.94個百分點，未來5年常住人口城鎮(zhèn)化率提升至接近70%。目前全球正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展期,根據(jù)聯(lián)合國人口署的預(yù)測, 2030 年世界上發(fā)展中國家或地區(qū)的城市化率將超過50%，2050年將有2/3的人口居住在城市，雨島效應(yīng)提醒我們，城市發(fā)展需要綜合考慮氣候、環(huán)境和人類活動的影響，以宜居和可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)。

因此，這些年，國內(nèi)外很多城市開始呼喚綠地回歸，給城市中引入更多的綠地、水體和公園，甚至小區(qū)里也增加雨水花園等，希望通過這些改造，在改善人居環(huán)境的同時，也減緩熱島和雨島效應(yīng)，同時減少干島、濕島和渾濁島效應(yīng)，使城市更加宜居。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：魏科

審核：戴云偉 中國氣象局 高級工程師

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司