城市是人类活动的中心，在城市里人口密集，下垫面变化最大。工商业和交通运输频繁，耗能最多，有大量温室气体、“人为热”、“人为水汽”、微尘和污染物排放至大气中。因此人类活动对气候的影响在城市中表现最为突出。城市气候是在区域气候背景上，经过城市化后，在人类活动影响下而形成的一种特殊局地气候。在80年代初期美国学者兰兹葆曾将城市与郊区各气候要素的对比总结如表8·9所示。

从大量观测事实看来，城市气候的特征可归纳为城市“五岛”效应（混浊岛、热岛、干岛、湿岛、雨岛）和风速减小、多变。

表8·9  城市与郊区气候特征比较*

（一）城市混浊岛效应

城市混浊岛效应主要有四个方面的表现。首先城市大气中的污染物质比郊区多，仅就凝结核一项而论，在海洋上大气平均凝结核含量为940粒/cm³，绝对最大值为39800粒/cm³；而在大城市的空气中平均为147000粒/cm³，为海洋上的156倍，绝对最大值竟达4000000粒/cm³，也超出海洋上绝对最大值100倍以上。再以上海为例，根据近5年（1986—1990年）监测结果，大气中SO₂和NO_x两种气体污染物城区平均浓度分别比郊县高8.7倍和2.4倍。

其次，城市大气中因凝结核多，低空的热力湍流和机械湍流又比较强，因此其低云量和以低云量为标准的阴天日数（低云量≥8的日数）远比郊区多。据上海近十年（1980—1989年）统计，城区平均低云量为4.0，郊区为2.9。城区一年中阴天（低云量≥8）日数为60天而郊区平均只有31天，晴天（低云量≤2）则相反，城区为132天而郊区平均却有178天。欧美大城市如慕尼黑、布达佩斯和纽约等亦观测到类似的现象。

第三，城市大气中因污染物和低云量多，使日照时数减少，太阳直接辐射（S）大大削弱，而因散射粒子多，其太阳散射辐射（D）却比干洁空气中为强。在以D/S表示的大气混浊度（又称混浊度因子turbidity foctor）的地区分布上，城区明显大于郊区。根据上海近27年（1959—1985年）观测资料统计计算，上海城区混浊度因子比同时期郊区平均高15.8％。在上海混浊度因子分布图上，城区呈现出一个明显的混浊岛（图8.19）。在国外许多城市亦有类似现象。

第四，城市混浊岛效应还表现在城区的能见度小于郊区。这是因为城市大气中颗粒状污染物多，它们对光线有散射和吸收作用，有减小能见度的效应。当城区空气中二氧化氮NO₂浓度极大时，会使天空呈棕褐色，在这样的天色背景下，使分辨目标物的距离发生困难，造成视程障碍。此外城市中由于汽车排出废气中的一次污染物——氮氧化合物和碳氢化物，在强烈阳光照射下，经光化学反应，会形成一种浅蓝色烟雾，称为光化学烟雾，能导致城市能见度恶化。美国洛杉矶、日本东京和我国兰州等城市均有此现象。

表8·10 城市热岛形成的因素

（二）城市热岛效应

根据大量观测事实证明，城市气温经常比其四周郊区为高。特别是当天气晴朗无风时，城区气温T_u与郊区气温T_r的差值ΔT_u-r（又称热岛强度）更大。例如上海在1984年10月22日20时天晴，风速1.8m/s，广大郊区气温在13℃上下，一进入城区气温陡然升高（图8·20），等温线密集，气温梯度陡峻，老城区气温在17℃以上，好像一个“热岛”矗立在农村较凉的“海洋”之上。城市中人口密集区和工厂区气温最高，成为热岛中的“高峰”（又称热岛中心），城中心62中学气温高达18.6℃比近郊川沙、嘉定高出5.6℃，比远郊松江高出6.5℃，类似此种强热岛在上海一年四季均可出现，尤以秋冬季节晴稳无风天气下出现频率最大。

世界上大大小小的城市，无论其纬度位置、海陆位置、地形起伏有何不同，都能观测到热岛效应。而其热岛强度又与城市规模、人口密度、能源消耗量和建筑物密度等密切有关。

城市热岛的形成有多种因素（详见表8·10），其中下垫面因素、人为热和温室气体的排放是人

图8·20上海城市热岛图1984年10月22日20时类活动影响的两个方面。但在同一城市，在不同天气形势和气象条件下，热岛效应有时非常明显（晴稳、无风），热岛强度可达6℃—10℃上下，有时则甚微弱或不明显（大风、极端不稳定）。

由于热岛效应经常存在，大城市的月平均和年平均气温经常高于附近郊区。

（三）城市干岛和湿岛效应

在表8·8中指出城市相对湿度比郊区小，有明显的干岛效应，这是城市气候中普遍的特征。城市对大气中水汽压的影响则比较复杂，以上海为例，据近7年（1984—1990年）城区11个站水汽压e_u和相对湿度RH_u的平均值与同时期周围4个近郊站平均水汽压e_r和相对湿度RH_r相比较（见表8·11），

有明显的日变化。据实测ΔRh_u-r的绝对值虽有变化，但皆为负值。全天皆呈现出“城市干岛效应”。Δe_u-r的日变化则不同，如果按一天中4个观测时刻（02、08、14、20时），分别计算其平均值，则发现在一年中多数月份夜间02时城区平均水汽压e_u却高于郊区的e_r（表8·12），出现“城市湿岛”。在暖季4月至11月有明显的干岛与湿岛昼夜交替的现象，其中尤以8月份为最突出。图8·22、8·23给出1984年8月13日14时（城市干岛）和同日02时（城市湿岛）干岛与湿岛昼夜交替的一次实例，此类现象在欧美许多城市大都经常出现于暖季。

表8·11上海各月平均水汽压（hPa）和相对湿度(％）的城郊对比(1084—1990年）

表8·12上海逐月各观测时刻城郊平均水汽压差值（hPa）（1984年）

上述现象的形成，既与下垫面因素又与天气条件密切相关。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（绿地面积小，可供蒸发的水汽量少）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。城区由于下垫面粗糙度大（建筑群密集、高低不齐），又有热岛效应，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”。到了夜晚，风速减小，空气层结稳定，郊区气温下降快，饱和水汽压减低，有大量水汽在地表凝结成露水，存留于低层空气中的水汽量少，水汽压迅速降低。城区因有热岛效应，其凝露量远比郊区少，夜晚湍流弱，与上层空气间的水汽交换量小，城区近地面的水汽压乃高于郊区，出现“城市湿岛”。这种由于城郊凝露量不同而形成的城市湿岛，称为“凝露湿岛”，且大都在日落后若干小时内形成，在夜间维持。图8·22即是凝露湿岛的一个实例，在日出后因郊区气温升高，露水蒸发，很快郊区水汽压又高于城区，即转变为城市干岛。在城市干岛和城市湿岛出现时，必伴有城市热岛，这是因为城市干岛是城市热岛形成的原因之一（城市消耗于蒸散的热量少），而城市湿岛的形成又必须先具备城市热岛的存在。

城区平均水汽压比郊区低，再加上有热岛效应，其相对湿度比郊区显得更小。以上海为例，上海近7年（1984—1990年）年平均相对湿度，城中心区不足74％，而郊区则在80％以上，呈现出明显的城市干岛（图略）。经普查，即使在水汽压分布呈现城市湿岛时，在相对湿度的分布上仍是城区小于四周郊区。

在国外，城市干岛与湿岛的研究以英国的莱斯特、加拿大的埃德蒙顿、美国的芝加哥和圣路易斯等城市为著称。其关于城市湿岛的形成多数归因于城郊凝露量的差异，少数论及因城区融雪比郊区快，在郊区尚有积雪时，城区因雪水融化蒸发，空气中水汽压增高，因而形成城市湿岛。根据笔者对上海1984年全年逐日逐个观测时刻大气中水汽压的城郊对比分析，还发现上海城市湿岛的形成，除上述凝露湿岛外，还有结霜湿岛、雾天湿岛、雨天湿岛和雪天湿岛等，它们都必须在风小而伴有城市热岛时，才能出现。

（四）城市雨岛效应

城市对降水影响问题，国际上存在着不少争论。1971—1975年美国曾在其中部平原密苏里州的圣路易斯城及其附近郊区设置了稠密的雨量观测网，运用先进技术进行持续5年的大城市气象观测实验（METROMEX），证实了城市及其下风方向确有促使降水增多的“雨岛”效应。这方面的观测研究资料甚多，以上海为例，根据本地区170多个雨量观测站点的资料，结合天气形势，进行众多个例分析和分类统计，发现上海城市对降水的影响以汛期（5—9月）暴雨比较明显。在上海近30年（1960—1989年）汛期降水分布图上（图8·24），城区的降水量明显高于郊区，呈现出清晰的城市雨岛。在非汛期（10月至次年4月）及年平均降水量分布图（图略）上则无此现象。

城市雨岛形成的条件是①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，由于城市热岛环流所产生的局地气流的辐合上升，有利于对流雨的发展；②城市下垫面粗糙度大，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；③城区空气中凝结核多，其化学组分不同，粒径大小不一，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雨岛。

城市不仅影响降水量的分布，并且因为大气中的SO₂和NO₂甚多，在一系列复杂的化学反应之下，形成硫酸和硝酸，通过成雨过程（rian out）和冲刷过程（wash out）成为“酸雨”降落，为害甚大。

（五）城市平均风速小、局地差异大、有热岛环流

城市下垫面粗糙度大，有减低平均风速的效应。这可以通过以下两方面的对比来证明：①同一地点在其城市发展的历史过程中风速的前后对比；②同一时期城市和郊区风速的对比。国内外大城市这方面的实测资料甚多，仍以上海为例，上海气象台自1884年即开始有风速观测记录，迄今已有一百余年。在百余年来，上海城市发展速度甚快，市区人口增加34倍强，房屋建筑密度增加亦快，年平均风速逐年明显地变小（表8·13）。

表8·13  上海气象台历年年平均风速（m/s）(1984-1990年)

由表8·12可见，无论风速仪安装在何高度，其在同一高度所测得的风速，都是随着上海城市的发展，风速逐时段递减。以距地面12m的风速而论，最近5年（1986—1990年）的平均风速比90多年前（1894—1900年）的平均风速要减小34.2％。再从图8·25看，近10年上海城中心区平均风速（2.5m/s）要比远郊南汇（3.7m/s）小32.4％。

在大范围内，气压梯度极小的天气形势下，特别是晴夜，由于城市热岛的存在，在城区形成一个弱低压中心，并出现上升气流。郊区近地面的空气乃从四面八方流入城市，风向热岛中心辐合。

由热岛中心上升的空气在一定高度上又流向郊区，在郊区下沉，形成一个缓慢的热岛环流，又称城市风系（图8·26），这种风系有利于污染物在城区集聚形成尘盖，有利于城区低云和局部对流雨的形成。我国上海、北京等城市都曾观测到此类城市热岛环流的存在。

此外，城市内部因街道走向、宽度、两侧建筑物的高度、型式和朝向不同，各地所获得的太阳辐射能就有明显的差异，在盛行风微弱时或无风时会产生局地热力环流。又当盛行风吹过鳞次栉比、参差不齐的建筑物时，因阻障效应产生不同的升降气流、涡动和绕流等，使风的局地变化更为复杂。

[设本页为书签]