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热岛效应:“发烧”的城市

时间:2014-01-02 作者:未详 点击:

  入夏以来,频繁的雷暴导致北京首都机场的航班大面积延误,让那些“空中飞人”们只能眼看着错过的会议干瞪眼。其中最严重的一次发生在6月7日夜间,夜空上千次地被“撕裂”——这是北京地区今年以来遭遇的最强雷电。无独有偶,5月底,连续的雷雨天气在美国密苏里州乔普林市引发了龙卷风,造成136人死亡,这是美国近60年以来单次致死人数最多的一次龙卷风袭击。
  
  雷雨天气正在城市里演变得更加暴烈,对这一现象,气象研究人员已经注意到,并早已对此展开了研究。
  
  美国普度大学5月底公布了他们为期两年的研究结果。该校农学系副教授德福·奈约奇解释说,造成城市雷暴天气增多的原因有好几种,首当其冲的便是“城市热岛效应”。其次,城市中的高层建筑会改变风向,即所谓“地表粗糙效应”。此外,城市中较高的大气污染水平,也会对云层状况产生影响。
  
  实际上,所谓的地表粗糙效应与大气污染这两个因素,还是与城市热岛效应密切相关。热岛效应是造成城市里很多异常气象的“祸首或帮凶”。根据国内学者的总结,热岛效应会改变云和雾的发展,增加闪电的频率,带来暖冬、飓风和暴雨等。热岛的存在,使城区的凝露量、结霜量、霜冻日数、下雪频率和积雪时间都小于郊区。
  
  发烧的城市
  
  自1820年英国气象学家霍华德发现伦敦城市和郊区存在温差现象,并将此称之为“热岛效应”以来,学者们就不断发现,热岛效应不仅影响城市的生态环境,还对城市居民的健康产生威胁。
  
  长期以来,全球有50%的人口居住在城市。在最近20年里,这个数字上升到80%。城市是现代经济的命脉,但同时也是一个“大锅炉”。由于热岛效应的影响,热浪引发的死亡率呈现迅速上升的趋势,尤其是夜间的热浪,更易致人死亡。
  
  2003年8月的一场热浪,造成巴黎近5000人死亡,这在当时引发了一场关于天气致死的课题研究。张平和他的同事在美国国家航空航天局(NASA)的戈达德空间飞行中心利用卫星数据,比较了全球几千个城市不同的热量生成特点后发现,最强大最密集的热岛,仍绝大多数集中在高度密集的发达城市。
  
  在那些大城市里,置身于高温的夜间,尤其是连续几个晚上,就会使那些身体原本就虚弱的人的死亡风险加倍,尤其是一些特殊人群,如超过65岁的老人、婴幼儿或是有长期慢性病的人。
  
  造成热岛效应的因素有很多。首先是在城市下垫面性质的改变:道路、广场、建筑物等城市下垫面都是由沙石、沥青、钢筋混凝土、人为烧制的砖瓦和金属构件等组成。研究表明,城市下垫面反射率比郊区小10%~15%,而吸收率却较绿地和湿地大,这使得城市地表能够吸收较多的太阳短波辐射和红外长波辐射,表现出与岩石相类似的热特性,称为“城市建筑物岩石裸露化”现象。
  
  其次,城市大气污染一般要比周围郊区更重,市区内释放的二氧化碳等温室气体都能吸收地面的长波辐射并以逆辐射的形式投向地表,使地表增温。城市大气中的悬浮颗粒物,尤其是气溶胶也会产生类似的温室效应。此外,在中高纬度城市,冬季排放大量的人为热也是热岛形成的一个重要原因。
  
  研究者还发现,城市的建成率与建筑的几何形状,也会影响热岛效应的分布。城区中温度最高的区域往往与最深的城市街道相对应,即通常分布在市中心。
  
  从这个意义上讲,科学的城市规划与交通布局,将对缓解热岛效应有重要意义。
  
  此外,还有城市规模的影响。即使是1000人的小城镇,也能在长时间温度记录中观测到热岛效应的存在。城市人口越多,规模越大,热岛效应越明显。据研究,1万人口城市的热岛强度达到0。11℃,10万人口是0。32℃,100万人口的城市其热岛强度可达至0。91℃。
  
  还有学者发现,高原城市的热岛强度要明显大于平原城市。这种现象其实类似于青藏高原的“热岛效应”。
  
  早在18世纪末,近代地理学创始人之一、德国科学家洪堡在南美洲安第斯山脉考察时就发现,赤道附近的高山雪线,比中纬度的青藏高原许多高山的雪线低200米左右。例如:青藏高原东部边缘的贡嘎雪山,其西坡雪线在5100米左右,而靠近赤道的厄瓜多尔基多附近的高山雪线仅约4800米多一些。这不符合常理:由于赤道地区热量较高,高山雪线通常应该从赤道向两极递降,到极地附近降至海平面。
  
  据此,洪堡就提出了青藏高原“热岛效应”理论:对流层大气的主要直接热源是地面,青藏高原由于下垫面大面积提升,相当于把“火炉”升高,故其热量较同纬度、同海拔高度的其他地区高得多,甚至比赤道附近的同海拔地区也要高得多。
  
  热岛“呼唤“绿岛”
  
  研究城市热岛效应的形成原因,有助于人们更好地缓解与应对。在对2003年欧洲那场热浪的研究中,研究人员就发现,同时期,在拥有更多绿地的伦敦只造成了约600人的死亡,而在巴黎,这一数字却高达4867人。这说明,温度的差异与绿化面积有关。根据模拟计算的结果,植被覆盖每增长一个百分点,巴黎夏季正午的表面温度就下降0。2℃。
  
  植物是最好的隔热材料,屋顶绿化是寸土寸金的大城市中增加绿化面积的最好办法。在下午两点时,裸露屋顶表面温度可高达70℃以上,而屋顶绿化后的屋面温度只有29℃,温差高达40℃以上。国外科学研究表明:当一个城市屋顶绿化总量达到城市建筑70%时,夏天的气温将下降5℃~10℃,热岛效应可基本消除。
  
  因而,欧洲把屋顶绿化作为降解城市热岛效应的最常用和最有效的办法。近20年来,德国通过立法强制推广屋顶绿化,使一些污染严重的城市,生态环境发生了巨大改善,并基本消除了热岛效应。
  
  而根据北京市屋顶绿化协会今年1月发布的消息,我国现有可绿化屋顶73亿平方米,上海、北京等大都市各有1亿平方米以上可绿化的屋顶。
  
  其中,北京中心城区可进行绿化的平屋顶约有6979万平方米,但在1983~2007年间,北京屋顶绿化总面积只有约60万平方米,不到应绿化面积的1%。影响国内屋顶绿化发展的主要障碍是经费不足与理念的落后。
  
  在气候变暖的大趋势下,城市的热岛效应将会越来越突出。据美国能源部的估计,美国为缓解热岛效应每年要多花费高达100亿美元的能源成本支出。另一方面,热岛效应促使城市用于空调运转的耗能量上升,从而导致温室气体排放大量增加,温室气体排放又直接加速全球变暖,气温进一步上升,反过来又加重热岛效应,这两者之间已经形成了恶性循环。
  
  尽管近200年前霍华德就在《伦敦的气候》一书中首次提出“热岛效应”理论,但伦敦的市民至今仍要为该市愈发严重的热岛效应而头疼。
  
  据美国国家气象研究中心6月17日发布的最新研究结果,在全球变暖的大背景下,本世纪内英国将在夏季迎来越来越多的高温难耐的夜晚。

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