大气影响城市：热带沙漠与热带草原气候

地球是一个两极稍扁平的球体。它的平均半径约为6370km，赤道周长近4万公里。地球被一种奇妙的混合气体——空气所组成的大气层包围着，人类与种类繁多的动植物生活于其中。我们呼吸着空气并穿行其间，我们的目光穿透其中，我们感受着天气的变幻莫测。大气层可分为均质层和非均质层。均质层的大气密度更大，更接近于地面，厚度为100km左右。如果把地球比喻成一个漂亮的苹果，均质层也就仅相当于薄薄的苹果皮。在均质层中的所有气体物质受地心引力的作用都紧紧地包围着陆地和海洋，根据主要物理属性的差异，均质层还可分成三个明显相互区别的亚层：最远的是中间层，它是到非均质层的过渡区域，靠近地面的是对流层，而平流层位于中间层与对流层之间。[15]

在海平面处，空气的组成为78.1%的氮气（N2）、20.9%的氧气（O2）、0.93%的氩气（Ar）和0.034%的二氧化碳（CO2）。空气中还含有其他浓度非常低的气体（小于百万分之一）：氖气、氦气、甲烷、氪气、氢气、一氧化氮、氙气、臭氧、二氧化氮、一氧化碳（CO）和氨气（NH3）。

在大气层内，水以气、液、固三种状态出现，状态变化对大气循环相当重要。云层里水分的液化能形成显著的低压，出现各种各样的变化，既有平静的露与雾，也有狂暴的雷电和龙卷风，还有风雨过后美丽的彩虹。

大气层是一个位于地面和外太空之间开放的系统，蕴含着巨大的能量。太阳表面上的任何变化，如太阳黑子的活动或物质释放量的变化都会影响到我们的大气层。幸运的是，地磁层和大气层起到了很好的缓冲作用，较好地保护了地球上的生命。任何地球本身的重大变化也会影响到大气层。例如，工业灾害、战争或火山爆发，特别是工业时代所产生的大量二氧化碳，对大气层造成了重大破坏，所波及的范围已经遍及各大洲，影响深远。[16]

大气圈的特点是：动力作用活跃，持续的水平运动和垂直对流形成了各种时间与空间尺度的天气现象，大气圈的底层是接近地球表面十几公里厚的对流层，它集中了整个大气圈中约3/4的质量和几乎全部的水汽，是大气圈中最活跃、变化最剧烈和最复杂的部分，雷、电、风、云、雨及寒潮、台风等各种天气现象都在这一层中发生。

大气中的水汽对地球气候具有重要意义。大气中的水汽来自海洋、江河、湖泊和陆地表面的蒸发、植物的蒸腾，以及其他含水物质的蒸发。大气中的水汽随大气温度变化发生相变，形成云和降水，是地球上淡水的主要来源。水的相变和水分循环过程把大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈紧密地联系在一起，对气候系统的大气环流，能量转换、输送及变化有重要影响。

（一）气候与城镇

世界主要气候类型有：热带雨林气候，气候特点是全年高温多雨；热带沙漠气候，特点是全年干旱少雨；热带季风气候，特点是全年气温高，雨季集中；热带草原气候，特点是终年高温，干、湿季明显交替；地中海气候，特点是冬季温和多雨，夏季炎热干燥；亚热带季风和亚热带湿润气候，特点是冬季温和少雨，夏季高温多雨；温带大陆性气候，特点是冬寒夏热，干旱少雨；温带季风气候，特点是冬季寒冷干燥，夏季高温多雨；温带海洋性气候，特点是全年温和多雨；高原山地气候，特点是气候垂直变化明显，气温随高度的增加而降低；亚寒带针叶林气候，特点是冬长严寒，夏短温暖；寒带苔原气候，特点是全年严寒；寒带冰原气候，特点是全年酷寒。

热带雨林气候分布在南北纬10°之间，典型地区如亚马孙河流域、刚果河流域和印度尼西亚地区，代表城市有亚洲的吉隆坡（马来西亚）、新加坡市（新加坡）、斯里巴加湾市（文莱）、雅加达（印尼）、万隆（印尼）、泗水（印尼）、宿务（菲律宾）、达沃（菲律宾）；非洲的科纳克里（几内亚）、蒙罗维亚（利比里亚）、阿比让（科特迪瓦）、阿克拉（加纳）、洛美（多哥）、拉各斯（尼日利亚）、雅温得（喀麦隆）、利伯维尔（加蓬）；大洋洲的汤斯维尔（澳大利亚）、莫尔兹比港（巴布亚新几内亚）、维拉港（瓦努阿图）、苏瓦（斐济）、阿加尼亚（关岛）、帕皮提（法属波利尼西亚）；北美洲的哈瓦那（古巴）、金斯敦（牙买加）、圣多明各（多米尼加）、圣胡安（波多黎各）、卡斯特里（圣卢西亚）、布里奇敦（巴巴多斯）、巴拿马城（巴拿马）；南美洲的帕拉马里博（苏里南）、乔治敦（圭亚那）、马瑙斯（巴西）、贝伦（巴西）、萨尔瓦多（巴西）、伊基托斯（秘鲁）等。

热带沙漠气候主要分布在撒哈拉地区、阿拉伯半岛，代表城市如阿斯旺。阿斯旺是埃及最热、最干燥的城市之一，也是世界上最干燥的人类居住地之一。冬季短而温和，夏季长而炎热，全年无稳定降水，多年平均降水量为零。在古埃及时期，阿斯旺被认为是埃及民族的发源地。它位于尼罗河第一瀑布以北，是埃及和努比亚之间的贸易重镇。

热带季风气候主要分布在亚洲中南半岛、印度半岛，代表城市如孟买。孟买是印度人口最多的城市，人口约为1300万，也是世界人口最多的城市之一。孟买由于地处热带，濒临阿拉伯海，大体上可分为两个主要季节——湿季和干季。湿季介于5月和10月之间，特点是湿度很高，气温超过30℃。在6月和9月之间，季风给这座城市带来了丰沛的降雨，占该市年降雨量2200毫米的绝大部分。干季介于11月和次年4月之间，特点是湿度中等，气温温暖或炎热。[17]

热带草原气候主要分布在非洲中部、南美洲巴西、澳大利亚大陆北部和南部，代表城市如巴马科。巴马科是马里共和国首都，是该国的政治、经济、教育、交通和通信中心，也是该国最大的城市。巴马科为典型的热带草原气候，一年大致可分为旱季和雨季。5～10月为雨季，多暴雨；11月～次年4月为旱季，降水很少。全年高温炎热，最高温度可超过40℃。巴马科位于尼日尔河河畔，宁静的尼日尔河像一条墨绿色的彩带，从西向东将巴马科市区分成两部分。而1200米长的巴马科大桥横架南北，又把城市的两部分连成一体。

地中海气候主要分布在地中海沿岸，代表城市如罗马。罗马是意大利首都及全国政治、经济、文化和交通中心，是世界著名的历史文化名城，古罗马文明的发祥地，因建城历史悠久并保存大量古迹而被称为“永恒之城”。罗马地处地中海沿岸，是典型的地中海气候，年平均气温15.5℃，年降水量880毫米。每年4～6月气候最为宜人；7月和8月是最热和最干燥的季节，平均气温24.5～24.7℃，降水量14～22毫米，8月的日最高气温可以超过32℃；9月中旬至10月是最为晴朗的季节，被称为“罗马的美丽十月天”；10～12月是最潮湿的季节，降水量可达106～128毫米；12月的平均最高气温约为14℃；1月最寒冷，平均气温为6.9℃。罗马市中心面积有1200多平方千米。罗马同时是全世界天主教会的中枢，拥有700多座教堂与修道院、7所天主教大学，市内的梵蒂冈城是罗马主教即天主教会教宗及圣座的驻地。罗马与佛罗伦萨同为意大利文艺复兴中心，现今仍保存有相当丰富的文艺复兴与巴洛克风貌；1980年，罗马的历史城区被列为世界文化遗产。[18]

亚热带季风和亚热带湿润气候主要分布在我国秦岭—淮河以南地区、美国密西西比平原、南美洲拉普拉塔平原，代表城市如上海。上海四季分明，日照充分，雨量充沛。气候温和湿润，年平均气温17.0℃。春（4～5月）、秋（10～11月）较短，冬（12～次年3月）、夏（6～9月）较长。有春雨、梅雨、秋雨三个雨期，因而5～9月为上海的汛期，降水量达全年的60%左右。[19]

温带大陆性气候主要分布在欧亚大陆和北美大陆的内陆地区，代表城市如乌兰巴托。乌兰巴托，蒙古国首都，位于蒙古高原中部，面积4704.4平方千米，冬季最低气温达－40℃，夏季最高气温达35℃，年平均气温－1.5℃。1月平均气温－15～－22℃，夜间有时可达－39℃；夏季短而炎热，7月平均气温20～22℃，最高可达39.5℃。年平均降水280毫米，一年中有180天为晴天，无霜期109天。

温带季风气候主要分布在我国华北、东北和日本、朝鲜半岛，代表城市如北京。北京四季分明，春季多风和沙尘，夏季炎热多雨，秋季晴朗干燥，冬季寒冷且大风猛烈。其中春季和秋季很短，大概一个月出头左右；而夏季和冬季则很长，各接近五个月。北京季风性特征明显，全年60%的降水集中在夏季的7、8月份，而其他季节空气较为干燥。年平均气温约为12.9℃。最冷月（1月）平均气温为－3.1℃，最热月（7月）平均气温为26.7℃。最大年降水量为1404.6毫米，最大24小时降水量为404.2毫米，平均年最大积雪深度为7.5厘米，历史最大积雪深度为33.5厘米。[20]

温带海洋性气候主要分布在欧洲西部，代表城市如伦敦。伦敦夏季通常温暖，时而炎热，7月平均最高温度为24℃。冬季通常湿冷，气温变化较小。降雪时有发生，对交通会产生一定影响。春季和夏季气候相近，较为宜人。作为大城市，伦敦受热岛效应影响显著，市中心气温有时比郊区要高出5℃。

高原山地气候主要分布在青藏高原、南美洲安第斯山脉，代表城市如拉萨。拉萨海拔3650米，位于一个四面环山的小盆地，是青藏高原的中心。周围山地达5000米，一条雅鲁藏布江的支流——拉萨河（又称“吉曲”）贯穿该市，已知藏语称拉萨河为“蓝色欢乐之波”。它贯穿念青唐古拉山的雪域高峰和峡谷，延伸315公里。此河在曲水流入雅鲁藏布江，形成大面积景观。拉萨地势平坦且天气温和，日均温8℃，冬夏舒适。它享有每年3000小时、125天的阳光，比中国其他大多数城市多，所以有时被称为“日光城”。拉萨年均降水量500毫米。雨季主要在7～9月。夏天雨季和秋季被认为一年最佳的季节，下雨多在夜间，在白天大多是晴日。[21]

亚寒带针叶林气候主要分布在亚欧大陆和北美大陆的北部，代表城市如雅库茨克。雅库茨克属亚寒带针叶林气候，是世界上最寒冷的城市之一，冬季天气相当寒冷，1月平均气温接近－40℃，最低可降至－60℃以下，极端最低气温－64.4℃；夏季天气普遍凉爽，最高气温一般不超过30℃，但有时气温也可以高至35～38℃，极端最高气温38.4℃。气温绝对年较差达102.8℃，是世界气温绝对年较差最大的城市，气候相当极端。[22]雅库茨克位于北纬62°，是俄罗斯萨哈（雅库特）自治共和国的首府，距北冰洋极近，是萨哈共和国的科学、文化和经济中心，建于1632年，从莫斯科到雅库茨克市距离为8468公里。由于雅库茨克市建于永久冻土层上，因此有“冰城”之称。

（二）城市空气

和城市中所有其他生物一样，我们每天都沐浴在城市的空气中。而城市空气的组成又极大地取决于由建筑环境决定的微气象环境和污染物。自然地表上方的空气中包含了很多种气体、气溶胶和颗粒物，其中有些是生物体和生物多样性重要的组成部分。空气的基本成分是：78%的氮气（N2）、21%的O2、0.039%的CO2、1%的氩以及氖、氦、甲烷（CH4）等各种微量气体。水汽的含量大约在0～4%。城市空气除了含有这些化学成分之外，还包含人类活动产生的污染物。如冶炼厂产生SO2和重金属；裸露的路面上产生PM；造纸厂产生SO2；炼油厂产生HCs；还有人类燃烧产生的CO2、CO和PM。虽然来源于其他地方，风将这些物质大部分传送到城市地区，成为城市污染的重要组分。(www.xing528.com)

简单说来，十大城市空气污染物及引起的生态环境影响包括：

（1）CO2。在土壤中形成厌氧条件，导致根系生长停滞，土壤动物减少，出现厌氧细菌和分解。同时，也是一种主要的导致全球变暖的温室气体。

（2）CO。减少脊椎动物血液中氧气的输送，导致死亡。

（3）SO2。损伤植物叶组织，导致植物死亡。降低pH值，形成酸雨腐蚀石灰石、混凝土、砖缝中的砂浆以及雕塑。

（4）NOx。二氧化氮（NO2）是主要的问题所在；一氧化氮（NO）带来的问题不大；一氧化二氮（N2O）主要来自生物燃料燃烧，包括薪柴做饭、取暖和森林及稀树草原的火灾。氮氧化物可能导致光化学烟雾。

（5）HCs。烃，或可挥发性化合物（VOCs），包括多种石油衍生物，包括多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons）。烃可能导致光化学烟雾。

（6）O3光化学烟雾。氮氧化物与烃在阳光、高温和O2存在的条件下产生光化学烟雾，反应速度随温度上升迅速加快。

（7）Tox。有毒物质包括有机化合物，如苯、甲醛、氯仿、氯甲烷、多氯联苯（polychlorinated biphenyls）、农药（如敌敌畏）和含镉的化合物。人类经历的最严重的工业空气污染发生在1984年。在印度博帕尔市，一家大型工厂排放了大量甲基异氰酸酯，扩散至城市区域，导致4000人死亡，20万人受伤。

（8）HM。重金属阻碍很多微生物和分解过程，包括根系生长。

（9）PM。颗粒物损害叶片和植物生长。PM2.5（直径小于2.5μm）包括更小的煤颗粒物和飞灰颗粒，尤其会对呼吸系统造成危害。

（10）CFL。氯氟烃破坏平流层中的臭氧分子（是导致“臭氧空洞”的原因），增加穿过大气层的紫外线辐射，对生物体产生伤害。[23]

（三）城市热岛

城市热岛效应是指城市气温比周边气温高的现象。由于城市的建筑物密集、道路集中、植被较少、居民的活动繁多等，同一时间点城市的气温普遍高于周边的郊区气温。相关研究表明，城市热岛中心的气温一般比周围郊区高1℃左右，最高可达6℃以上。[24]

通过处理环境中的自然和人为因素以及太阳能，创造适宜和健康的生活与工作场所，是自有记载的人类历史开始以来城市居民所关注的事情。在炎热的地中海气候下，城镇布局形式往往基于蜿蜒狭窄的小路紧密排布合院住宅，从而获得最大量的阴影。合院房屋、建筑物沿狭窄的街道聚集分布，是典型的中东和地中海城镇的特征，通过引导夜间凉风以及在白天使冷空气停驻而保持凉爽。在非洲和西班牙，许多城市使用凉棚或走廊，为街道遮挡中午火热的太阳。北非地中海沿岸的城市将街道与海岸线呈垂直布置，引导海风传入。

在拥有大广场和宽阔街道的城市，控制日照最有效的因素是植被，尤其是树。森林树冠吸收的热能是相当可观的。在晴朗的仲夏，枫树密实的树冠可减少日照中80%的短波辐射。森林还可以降低气温，比开放广场最多可以低6℃。在夏季和冬季遭受极端气温的地区，落叶树有很大的优势，其在炎热的夏季可提供遮阴，在寒冷的冬季则允许阳光直射地面。

在朝南向的建筑墙体表面，爬墙类藤本植物具有类似的功能。从生物学上看，植物叶片是一种高效的太阳能收集器：在夏季，叶子利用日照生长，通过烟囱效应以及叶片的蒸腾，使得植物和建筑之间产生空气流通，从而起到降温的作用；在冬季，层层叠叠的叶片形成了绝缘层，使得建筑周围有一层静止的空气层。由此，通常被视为建筑立面额外装饰的爬藤，在能源节约和生物作用方面具有了意义。

屋顶花园除了减少暴雨期径流排水量之外，还可以改善水质，创造鸟类栖息地，因此在气候控制方面具有多种功能。屋顶绿化的经济利益已被认识到，包括减少制冷和供热的消费并提供经济利益。芝加哥市的一项能源研究估计，如果城市中所有的屋顶都被绿化，高峰期能源需求的减少量将相当于一个小型核电站的发电量，每年可节约能源成本1亿美元左右。德国杜塞尔多夫市规定，要求大而平的屋顶设置屋顶花园，斯图加特积极鼓励这一规定的实施。

（四）城市雾霾的治理

治理雾霾需要加大对可吸入颗粒物、氮氧化物等污染气体排放控制。2013年我国启动了大气污染防治行动，到2019年，已经取得了巨大成绩。北京平均细颗粒物（PM2.5）的浓度达到了42微克/立方米。尽管北京市各区大气污染健康损失在2015—2016年内已呈现降低的趋势，但这并不意味着大气污染治理可以懈怠。2016年北京市大气污染健康损失为2009年的1.10倍，大气污染情况仍然不容乐观。根据《北京市PM2.5来源解析》，机动车、燃煤、工业生产、扬尘等是本地PM2.5排放的主要来源。而氮氧化物方面，城市氮氧化物污染区则主要来源于机动车尾气、燃煤排放。因此，为了促进“健康中国”战略的实现，必须多管齐下，切实从全市机动车、燃煤、工业生产、扬尘以及区域联防联控等方面入手，采取多项有力措施治理北京市雾霾污染，尤其要严格管控机动车尾气排放。[25]

治理雾霾污染是一项系统性工程，需要合理规划布局城市人口，完善产业结构的优化升级、区城产业合理布局及产业承接转移平台建设，提高能源利用效率，促进煤炭等化石能源的清洁利用和新能源开发，推动绿色科技成果的转化，进一步提高FDI及绿色甄别。建立健全“政府—市场—公众”三位一体的治理监督体系。雾霾污染治理需要从科学的顶层设计入手，倒逼经济结构转型调整，将雾霾污染指标列入地方政府考核体系，建立污染治理负债表。加大公共投入，形成示范引领效应，盘活社会资金，为雾霾污染治理提供资金、技术保障。建立企业环保账户，对于环保、节能等行为给予正评价，对于浪费资源、破坏环境的行为给予负评价，环保账户与企业信誉、银行贷款挂钩，形成良性机制。加强社会监督，支持第三方监督，支持民间组织参与雾霾治理，鼓励以媒体、公益组织为代表的第三方力量进行监督，降低政府监督成本，提高社会监督效果。