Zuo Qiting第四章 城市生态系统的非生物环境Zuo Qiting自然环境人工环境生物环境是指城市中的动物、植物和微生物； 非生物环境则包括城市气候、城市水文、城市 土壤以及城市建筑和基础设施、以及城市引起 的污染等。 Zuo Qiting第一节 城市气候与空气污染v一、城市形成产生的气候变化 v城市形成下垫面的性质城市的空气垂直 分层状况改变 v化石燃料的大量使用，造成空气污染，改变了大 气组成，同时加强了人为热以及人为水气的影响 ，导致城市内部气候与周围郊区气候的差异。 v气候差异不足以改变城市所在地点原有的气候类 型，但是在许多气候要素上表现出明显的城市特征。城市空气垂直分层城市覆盖层（urban canopy layer，UCL） ：城市建筑物屋顶以下至地面。受人类活动影响最大， 与建筑物密度、高度、几何形状、门窗朝向、外壁涂料颜色、街道宽度和走向、 路面铺砌材料、人为热、人为水气的排放量等关系密切。城市边界层（urban boundary layer， UBL）：由建筑物屋顶向上到积云中部。受城市 空气污染物性质及其浓度和参差不齐屋顶的热力和动力影响，湍流混合作用显著 ，与城市覆盖层间拥着物质交换和能量交接，并受区域气候因子的影响。城市尾羽层或称“市尾烟气层”（urban plume layer，UPL）：城市下风方向。这一层 中的气流、污染物、云雾、降水和气温等都受到城市的影响。乡村边界层（rural boundary layer，RBL ）：城市尾羽层之下。城市边界层的上限高度因天气条件而异，白昼和夜晚不同，在 中纬度大城市，晴天白昼常可达10001500m，而夜晚只有200 250m左右。v二、城市的辐射与热量辐射平衡的方程式通常表示为：Q = (S+H) (1-a )+(G-E)城市中各项输入和输出如图 Zuo Qiting1. 城市的总辐射（S+H）小于郊区v由于城市中有空气污染，烟尘云雾多，透明 度低于郊区，太阳短波直接辐射（S）小于 郊区，短波散射辐射（H）虽由于气熔胶和 烟尘较多而有所增加，但增加值并不足于补 偿损失值，故城市总辐射（S+H）低于郊区 。v依据城市的位置不同，这种减少值可达15% 30%以上。Zuo Qiting下垫面的改变，导致城市下垫面反射率比郊区小 10%30%左右。总：到达城市下垫面的太阳辐射小于郊区，但由于其 下垫面的反射率也比郊区小，因而短波辐射城市与郊 区差别不大；在长波辐射中，城市空气逆辐射虽比郊 区大，但城市地面长波辐射也大于郊区，因此长波辐 射的收支城乡差别不大。 2. 城市的反射率（a）与郊区有差别Zuo Qiting3. 城市的日照时数和日照百分率小于郊区v城市中由于空气的污染物多，大气 透明度低，以及建筑物的互相遮挡 ，因此日照时数和日照百分率均小 于郊区Zuo Qiting4. 城市的热岛v由于无论中、高或低纬度的城市都有城市气温比 郊区高的现象，而这种气温的增高呈现出由中心 向外递减的现象，这种现象就被称为“城市热岛现 象”，这是城市气候中最为典型的特征之一。Zuo Qitingv 城市的热岛现象的体现 v 年均温或每日的温度的城市与郊区的比较； v 同一城市自城市化发展以来气温的对比。v 上海的城市热带效应是十分显著的，其冬季和夏季的 热岛强度分别达到6.8和4.8。城市内有植被和水面 的地方具有降低热岛强度的效果。Zuo Qiting三、城市的风和降水v 1. 城市的风速低于郊区v 城市引起的局部空气边界层的改变，将对低层气流和湍流 特征产生显著的影响。 v 具有较大粗糙度的城市下垫面，可以形成更强的热力湍流 和机械湍流，而热岛效应又会引起局地的环流。因此城市 的风场极为复杂，降水也有明显改变。Zuo Qitingv 就整体而言，城市的平均风速低于空旷的郊区。但在特殊 情况下，某些地方的风速可大于郊区。 v 城市的风速一般比郊区降低20-30%； v 在街道由于受热不匀产生环流； v 当盛行风与街道走向一致因狭管效应街道风速会高于开 阔地； v 由于热岛效应的存在城市中形成一个低压中心，形成缓 慢的热岛环流。 Zuo Qiting2. 城市的降水高于郊区v当空气中水气充足时，城市中的热力对流易于 形成对流云和对流性降水。高大建筑阻碍降水系 统的移动，导致城市降水时间延长和降水强度增 强。 v城市空气中的凝结核多，可促使水气凝结和雨 滴增大，从而增加降水。 v城市的云、雾也多于郊区，原因同上，但由于 植被和水面少，城市的相对湿度远低于郊区。Zuo Qiting城市和郊区气候特征比较要素与郊区比较要素与郊区比较1. 太阳总辐射地面总辐 射紫外辐射 冬季夏季日照时数少15%20% 少30% 少5% 少5%15%5. 云量多5%10%2. 温度 年平均静风晴天时高0.51.5 高276.降水年平均降水量降雪量雪暴多5%15% 多10%15% 多10%15% 3. 相对湿度 冬季夏季小2% 小10%7. 风速 平均风速无风日数小10%30% 多5%20%4. 雾 冬季夏季多30%100% 多10%30%8. 空气中污染 凝结核 微量气体多10倍 多550倍Zuo Qiting四、城市的空气污染城市中密集的工业、人口及化石燃料的大量使用使城 市空气中增加了许多有害成分，形成城市的空气污染。Zuo Qiting1.11.1 城市污染的固定源：污染物从固定地点城市污染的固定源：污染物从固定地点 排放，从这些固定源向空气中排放的污染物排放，从这些固定源向空气中排放的污染物 主要是来自煤炭、石油等化石燃料的燃烧，主要是来自煤炭、石油等化石燃料的燃烧， 以及工业生产过程中排放的废气。以及工业生产过程中排放的废气。1.2 1.2 城市污染的流动源：指排放污染物的地城市污染的流动源：指排放污染物的地 点不固定的污染源，主要是指交通工具，如点不固定的污染源，主要是指交通工具，如 汽车、火车、轮船等。这些排放源的排放量汽车、火车、轮船等。这些排放源的排放量 小而分散，但数目庞大而活动频繁。小而分散，但数目庞大而活动频繁。 1. 1. 城市空气污染的来源城市空气污染的来源Zuo Qiting2. 城市空气污染的主要物质v 进入城市空气的污染物种类很多，已经产生危害并为人们 认识和注意到的有100多种。分为两大类，气体污染物和 颗粒状污染物。 硫氧化物：大多数为SO2, 部分为SO3，来自于含硫矿物 燃料燃烧废气，它们与固体微粒结合，具有特别的危险性 。Zuo Qitingv 氮氧化物：主要是NO和NO2，它们是在高温条件下， 氮和空气中的氧化合生成，主要来自于汽车和以矿物燃料 为动力的发电站。 v 一氧化碳：是碳氢化合物不完全燃烧的产物，主要来 源于汽车。 v 碳氢化合物：是分子中只含有碳原子和氢原子的物质 ，它们主要是矿物燃料不完全燃烧的产物。Zuo Qitingv 颗粒状污染物：包括各种大小的固体和液体 微粒，一半来自燃料的燃烧过程或者来自于物质的粉碎过 程，有些粒状污染物的有害作用是其化学成分引起的，有 的则是仅仅是由颗粒大小造成的。颗粒直径一般在0.005 100m。根据物态颗粒可分为：烟、雾和尘。Zuo Qiting 伦敦型空气污染(煤炭型空气污染)空气污染主要组分是疏氧化物和烟尘 ，主要来自于煤燃烧过 程中的废气，所以 又称为“煤炭型空气污污染”。冬季消耗燃料较多，排放烟尘量大，再 加上之辐射逆温频率大，湍流弱，烟尘不 易扩散，因此冬季（111月）空气污染最 为严 重。3. 空气污染与其他因素Zuo Qitingv 日变化:早晨最为集中，晚间次之。当硫氧化物和雾一起 形成硫酸烟雾时毒性更大，尤其在风速低和逆温层引起的 空气滞留的条件下，危害更严重。v 历史上伦敦灾难性的空气污染事件都与当时的天气条件有 关。我国各大城市的空气污染基本上属于这种类型。Zuo Qiting 洛杉矶型空气污染(石油型空气污染)洛杉矶型空气污染是光化学烟雾， 它的一次污染物主要是氮氧化物、碳 氢化物、一氧化碳等在强烈的阳光照 射下，由光化学反应生成二次污染物 ，如以臭氧及过氧乙酸硝酸酯（PAN） 为主的光化学氧化剂。洛杉矶型空气 污染物主要来自石油和石油化工产品 的燃烧，又称“石油型空气污染”。Zuo Qiting四、 城市环境对空气污染的影响v城市空气污染程度虽然取决于污 染源排放的污染物特性和排放总 量，但是它对周围环境造成影响 的大小则和气象、地形、地物等 因素有关。Zuo Qitingv1. 气象因素 v首先是风向和风速与该地区的空气污染有着密切 的联系，风向决定着空气中污染物的输送方向， 在污染源下风的地区，空气污染就比较严重，相 反，在上风的地区，空气污染就相对较轻。风速 决定着空气中污染物的扩散稀释速度，风速越大 ，污染物受到空气稀释作用越大，同时也由于气 流扩散增强，污染物与空气的混合加强，所以在 条件基本相同时，风速越大，空气中污染物的浓 度就越低。Zuo Qiting自然界的风一般都具有湍流特征，空气中污 染物的扩散也是靠空气湍流实现的。 v一年之中，夏季的垂直温差较大，冬季较 小，冬季常出现逆温层，容易形成大气污 染； v一天之中，白天垂直温差较大，夜间较小 ，夜间容易发生大气污染。v一般说来，在冬季的夜间，如果处于无风 的天气，最容易形成大气污染。Zuo Qiting2. 地理位置和地形v我国东南临海，西北为大陆，冬季以西北风为主 ，夏季则东南风占优势，因此，在一个工业城市 里，冬季空气污染最严重的区域在城南，而夏季则在城 的西北。v不同的地形条件也会形成局部地区的特殊气流， 对当地的空气污染产生重要影响。例如，沿海地 区常出现海陆风，这是由于海水的比热和热容量 比陆地大，白天在阳光照射下，陆地升温快，所 以形成由海区吹向陆地的海风，夜间正好相反， 又转为由陆地吹向海面的陆风。沿海的工业城市，为了海运方便，一般都将工 业区设在海滨，生活区放在内地。白天污染物顺着 海风吹向内地生活区，如果生活区背面再有山，污 染物遇山阻挡产生回流，易对生活区造成严重的污 染。日本的神户、大阪、川崎、横滨等城市都存在 这种情况，成为防治空气污染的难题。在山区的工业城市中，山谷风对空气污染影响 也是很大的，白天山坡上的温度比山谷中的温度高 ，气流沿谷底向上吹，形成谷风，夜间山坡的温度 比山谷低，冷空气沿山坡滑向谷底，形成山风，这 样工厂排放出来的污染物常在谷地和坡地之间回旋，不易扩散（图415L容易形成大气污染。美国多 诺拉上利时的马斯河谷烟雾事件都与这种地形条件 有密切关系。Zuo Qiting3. 其他v此外，城市中的建筑物对污染物扩散稀释 也会产生影响，影响程度的大小与建筑物 的形状、大小、高度以及烟囱的高度有密 切关系。城市中建筑物的屋顶和街道受热 不均，可形成“街道风”，当风从城市上 空吹过时，会在街道的背风面和迎风面形 成一个局部地区环流，使得污染物在建筑 物背风面聚集，其浓度可比迎风面高出许 多，这种“街道风”对汽车排放出的污染 物的扩散的影响最为突出。Zuo Qitingv城市化的主要特征是人口集中和建筑物密度的增 加。由于城市中兴建了大量的房屋和道路，扩大 了不透水的地面，改变了降水、蒸散、渗透和地 表径流；水渠和下水管道的修建，缩短了汇流时 间，增大了径流曲线的峰值；大量的人口，在生 产和生活过程中需水量增加，减少了地下水的补 给，同时因污水排放量的增加而污染了水体，这 一切使得城市的水文特征与郊区有很大差别。第二节节 城市水文与水污污染Zuo Qitingv目前我国的668座城市中有 400多座城市缺水，而我国人 均水资源量仅是世界人均占 有量的四分之一，而且在时 空上的分布也极不均匀。Zuo Qiting一、城市的水文特征v 1. 城市的水分平衡水分平衡（QW）一般可表示为Qw= (P+R