城市气候为何与郊区大不同？因为城市化产生了五大气候效应

图虫创意

在城市的喧嚣中，有一种气象现象悄然发生，它被称为“城市雨岛效应”。想象一下，当你在城市的某个角落享受着一场突如其来的阵雨，而几公里之外的郊区却滴雨未落，这便是城市雨岛效应的奇妙之处。

（1）什么是城市的雨岛效应？

城市雨岛效应，是指在城市地区由于特殊的地表特性和人类活动，导致降雨量比周边的自然区域显著增多的现象。这种现象就像是城市上空多了一朵“雨云”，它们在城市上空聚集，为城市带来比郊区更多的雨水。

19世纪的气象学家和城市规划者已经注意到了城市地区降雨模式的变化。然而，这种现象的系统研究和量化分析是在20世纪后半叶随着气象监测网络的建立和卫星遥感技术的发展而变得更加精确。城市雨岛效应在许多大城市中都有所观察到，尤其是在那些气候条件和城市化程度较高的地区。例如，东京、洛杉矶、纽约、伦敦、北京和上海等大城市都有明显的城市雨岛效应(周淑贞, 1988; 张富国, 1991; Shepherd and Burian, 2003; 曹琨 et al., 2009; 孟丹 et al., 2017)。这些城市由于其高建筑物密度、大量的人为热源和较少的绿地和水体，使得城市中心的降雨量往往高于周边自然区域。

要讨论城市的雨岛效应的形成，我们首先得了解另外一种效应，即城市热岛效应。城市中的建筑物、混凝土和沥青路面在阳光炙烤下升温速度非常快，使得城市中心的温度远超周围自然区域，另外城市中心人类活动更多，也会产生大量的热量，这些都会推高城市的气温，所以城市比周围自然区域的气温高，处于自然区域包围中的城市看起来像是一个大自然中突出的热岛一样，所以叫做城市热岛效应。

因为城市中气温高，所以城市中更容易产生上升气流，热空气上升到高空遇冷，凝结成云导致降雨，而到了高空之后，空气向周围扩散，在郊区下沉，从而形成局部的热力环流，远远看过去，城市里乌云滚滚，自然区域艳阳高照，城市看起来像是一个雨岛一样。另外，城市中建筑多，林立的高楼大厦被比喻为“钢筋水泥的森林”，这使的城市下垫面粗糙度大，大气低层平均风速减小，对移动滞缓的降雨系统有一定的阻碍效应，也会是城区雨时增长。再加上城区里空气质量一般比乡村差，空气中凝结核多，也有利于云（特别是低云）的形成，其中有些粒径较大的凝结核，一般是硝酸盐类凝结核，有促进暖匀降水的作用，这多种因素相结合，会是城区和城市下风方向云雨更。根据针对济南的研究表明，中心城区随着城市进程的发展，“雨岛效应”导致平均降雨量增加约15%(李鹏 et al., 2020)，而根据对上海的研究，市区的降水年增长率是郊区的1.6倍(曹琨 et al., 2009)。对于北京2021年7月21日的特大暴雨的研究表明，降雨过程中，热岛和雨岛效应都存在，并且二者相关性在雨强最大时段最为明显(孟丹 et al., 2017)。

（2）城市化带来的五岛效应？

除了雨岛和热岛，城市还有干岛、湿岛和浑浊岛效应，这些效应之间存在着密切的关联，它们共同塑造了城市独特的微气候。这五岛效应共同作用，使得城市环境更加复杂多变，对城市规划、建筑设计和居民生活产生了深远的影响。

干岛效应，指的是城市比周围自然区域空气更为干燥，这是因为城市中的混凝土和沥青等不透水表面减少了自然地表的水分蒸发，同时，城市中的植被覆盖通常少于自然区域，植被的蒸腾作用减弱，减少了空气中的水分，这都可以导致空气中的水汽含量降低，从而比周围的自然区域更干燥，形成干岛效应。

另一个看起来似乎矛盾的效应是湿岛效应，即市区比周围自然区域空气更湿润，这是因为在有些时段，城市中的水面、湿地和植被等自然和人工水体的蒸发作用增加了空气中的水汽含量，城市中的工业生产、居民生活和商业活动等人类活动产生的水分排放，如空调冷凝水和灌溉等，也有助于提高空气湿度，从而使市区比周围的自然区域更湿润，形成湿岛效应。

而混浊岛效应是指城市里空气质量比自然区域差的现象。城市环境中，由于工业排放、交通尾气、建筑施工和道路扬尘等人为活动，空气中的悬浮颗粒物等污染物显著增加，导致能见度降低和空气质量恶化，这种现象在城市地区可能比周围自然区域更为明显，所以成为混浊岛效用。

值得注意的是，这五种效应的强度和特征可能会因地理位置、城市规模、城市布局和当地气候条件等因素而有所不同。以北京为例，夏季城区降水多于郊区，呈现“雨岛”效应，而冬季城区和郊区降雨量几乎相同，雨岛并不突出。另外，城区硬下垫面排水更快，所以城区夏季湿度比郊区低，呈现出“干岛”效应，而冬季则相反，由于城区人工水体面积比较大，生产和生活用水多，加上冬季的热岛效应，所以冬季“湿岛”效应比较明显。

（3）应对雨岛效应

雨岛的形成对于城市防洪而言带来的挑战不小，如果排泄不畅，大量雨水在街道上横冲直撞，低洼的下沉涵洞、车库、地铁等都面临巨大的挑战。根据国家统计局数据，2023年末，城镇人口占全国人口的比重为66.16%，比2022年提高0.94个百分点，未来5年常住人口城镇化率提升至接近70%。目前全球正处于城镇化快速发展期,根据联合国人口署的预测, 2030 年世界上发展中国家或地区的城市化率将超过50%，2050年将有2/3的人口居住在城市，雨岛效应提醒我们，城市发展需要综合考虑气候、环境和人类活动的影响，以宜居和可持续发展为目标。

因此，这些年，国内外很多城市开始呼唤绿地回归，给城市中引入更多的绿地、水体和公园，甚至小区里也增加雨水花园等，希望通过这些改造，在改善人居环境的同时，也减缓热岛和雨岛效应，同时减少干岛、湿岛和浑浊岛效应，使城市更加宜居。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：魏科

审核：戴云伟 中国气象局 高级工程师

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司