热污染城市热岛效应 城市热岛效应引发的热污染

2018-09-24 - 热污染

    城市所发出的巨大热量,使得城区成为好比在冷凉郊区农村包围中的温暖岛屿,因此得名“城市热岛”。城市热岛最早见之于科学记载的,可能是1818年英国出版的《伦敦气候》。作者L·赫华德对城市气候的两大发现,就是伦敦市中心气温比郊外高(各月平均分别高0.

热污染城市热岛效应

5℃一1.2℃),以及城乡温差夜间比白天大。我国曾观测到的最大城乡温差(城市热岛强度),上海是6.8℃(1979年11月13日20时),北京是9.0℃(1966年2月22日清晨)。

世界上热岛最强的是中高纬度的大中城市,如加拿大的温哥华11℃(1972年7月4日),德国柏林13.3℃。位于北极圈附近的美国阿拉斯加首府费尔班克斯市曾达14℃。城市中人为热源的比例,据对美国一些大城市的调查估计,来自工厂、家庭炉灶、冷气、采暖等固定热源约占3/4,而汽车、摩托、电车等移动热源约占1/4。

热污染城市热岛效应

人体和家畜等新陈代谢热量一般还不到1%。城乡温差一般是随纬度的升高而增大的。因为人为热量和太阳辐射热量余额(太阳短波热量收入减去地面长波辐射支出热量)的比值,是从赤道向高纬度迅速增加的。

热污染城市热岛效应

例如,赤道和热带的新加坡和香港仅为3%一4%,而北极圈附近的费尔班克斯高达 105%,也就是人为热量已比太阳热量余额还多!

在一年四季之中,太阳辐射热量和余额以冬季最小,加上冬季中中高纬度还有取暖热量,因此热岛效应以冬季最强。同样道理,一天之中热岛以夜间比白天为强,尤其是日落后3-5小时内为最强。因为这时城区降温速度比农村慢得多。

热污染城市热岛效应

但是,在中高纬度城市的冬季情况有所不同,因为城市还有早晚两个取暖时段的大量人为热量。例如,加拿大卡尔加里市冬季在早08时和晚20时附近有两个煤气消耗高峰(取暖和做饭),从而城市热岛强度在09时和21时也各出现一个高峰。

此外,城乡温差还有周变化,这是因为有不少国家统一规定星期日是休息日,绝大多数工厂停工,街上机动车流量也比平时少得多。例如,美国康涅狄格州纽黑文市1939-1943年5年平均,周一至周六城乡温差高达1.

2℃,而星期日只有0.6℃。后因美国把星期六也定为休息日后,马里兰州巴尔的摩市观测到冬季中星期一至五城乡温差平均0.82℃,而星期六、星期日两天平均温差仅为0.30℃。

但是,人为热量还并不是城市热岛的唯一热源,因为城乡地表吸收和储存太阳热量性能有不小差异。例如,城市下垫面对阳光热量的反射率比乡村小(一般小10%一30%),而且城市下垫面的混凝土、砖瓦、石料及钢材的热容量大,导热率也高,大量储存了白天丰富的太阳热量。

另外,城市下垫面建筑密集,街道和庭院中的"天穹可见度"比开旷郊外小得多,地面长波辐射热量在墙壁地面间多次反射,从而使得地面向宇宙空间散失的热量大大减少。

这两种原因都造成日落后降温缓慢,使城区夏季中傍晚和上半夜显得特别炎热。城乡温差除了上述年变化、周变化、日变化等周期性变化外,还有非周期性变化。这主要是由风速和云量变化引起的。风速大小对热岛强度极为重要。

因为大风不仅造成上下对流,把城市中热空气吹到城外,而且直接把郊区冷凉新鲜空气迅速源源输进城区。有文章研究了韩国四个不同规模城市的城乡温差和风速的关系,得出了风速能明显减小城乡温差的结果。而且,如果把城乡温差小于0.

5℃作为热岛消失的指标,那么840万人口的汉城在11.1米/秒时热岛才开始消失,广阳等13-15万人口城市在4-5米/秒时热岛消失,人口6万的薪岛在3.9米/秒时热岛已经不存在了。阴天或多云天气时城乡白天阳光短波辐射热量收入和地面长波辐射热量支出都减小,因而也使城乡温差减小。

例如,上海1984年进行过4次对比观测,在风速大体相同的情况下,两次晴天(5月8日和10月20日)城乡温差分别为2.5℃和2.2℃。而多云和阴天(5月28日和11月28日)城乡温差分别只有 0.4℃和0.7℃。所以上海以10-11月为全年中城乡温差最大月份的原因是因为它们正是上海全年云量最少的季节。

城市热岛的存在,使城区冬季缩短,霜雪减少,有时甚至发生郊外降雪而城内降雨的情况(如上海1996年1月17一18日)。城市热岛也使城区冬季中取暖能耗减少。但城市热岛在夏季中中、低纬度城市造成的高温,不仅使人的工作效率降低,而且造成中暑和死亡人数的增加。

例如,美国圣路易斯市1966 年7月9-14日,最高气温38.1℃一41.1℃,比热浪前后高出5.0℃一7.5℃。此时城区死亡人数由原来正常情况的35人/日陡增到152人/日。

1980年7月热浪再袭圣路易斯市和堪萨斯市,两市商业区死亡率分别增高57%和64%,而附近郊区只增加约10%。有人研究了美国洛杉矾市,指出几十年来城乡温差增加了2.8℃,全市因空调降温多耗10亿瓦电能,每小时约合15万美元。

据此推算全美国夏季因热岛效应每小时多耗空调电费数达百万美元之巨。此外,夏季高温还会加重城市供水紧张,火灾多发,以及加剧光化学烟雾灾害,等等。所以城市热岛本身也是一种污染,称为热污染。

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