关于城市热岛效应的初步探究

关于城市热岛效应的初步探究

林麟

（建筑环境与设备工程 011230117）

摘要：由于工业及城市化的快速发展，全球气候变暖造成的城市环境质量恶化对人们的生活造成了极大的影响。分析和评价城市热岛效应已成为当前城市气候与环境研究的重要内容之一，本文就城市热岛效应的成因及影响进行了分析及说明，并对其改善方法做了进一步的探究。就下垫面在不同情况下的差异及其对城市热岛的影响进行了剖析，并进一步从住宅小区的微气候方面对城市热岛进行探究说明。

关键词：城市热岛效应 城市下垫面 反射率 微气候

一、城市热岛效应的定义

城市热岛效应(Urbanheatislandeffect)是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就象突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。

二、城市热岛效应的形成因素 形成城市热岛效应的主要因素有城市下垫面、人工热源、水气影响、空气污染、绿地减少、人口迁徙等多方面的因素。

(一)城市下垫面的影响

1、城市下垫面的定义

下垫面( underlying surface) 是指与大气下层直接接触的地球表面。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。它包括地形、地质、土壤、河流和植被等，是影响气候的重要因素之一。而城市下垫面即城市大气底部与地表的接触面。

2、对热岛效应的影响因素分析

城市下垫面在对城市热岛效应形成的影响因素中,城市下垫面特征变化的影响不容忽视。由于城市地表对于辐射的吸收、发射、反射,能量的转化,空气污染物和降水的截获,风速等都有影响。因此,研究城市下垫面特征变化对气象环境的影响不可缺少。在城市,自然的地表被人为地表所替代,使得其具有低反照率、高粗糙度,对地表热通量产生很大的影响,使得城区的近地面温度比郊区的温度高出2—10℃,产生城市热岛效应。

3、城市下垫面在近、远郊的不同之处

由于城市中心及近、远郊地表结构以及植被分布的不同，由此形成的下垫面也不同。利用对沥青、水泥、裸地和草地等4种城市下垫面地表温度的2年观测资料,系统分析了4种城市下垫面地表温度年变化特征及其影响因素,建立了地表温度模拟模型。主要结果：

（1）4种城市下垫面日平均温度、日最高温度、日最低温度的年变化特征总体与气温一致,不同下垫面间温度差异在夏半年均大于冬半年。

（2）沥青、水泥、裸地和草地的日平均温度、日最高温度全年均高于气温,以沥青最强,水泥次之,裸地和草地较弱,日最低温度与气温差异不大,表明典型城市下垫面对大气具有一定的加热作用。

（3）总云量、日平均相对湿度、日照时数等气象因子对4种下垫面温度的影响较大,云量总体上对地表以降温作用为主,相对湿度则相反。总云量和日平均相对湿度对裸地和草地等透水性下垫面温度变化影响较大。

可由此推测，随着地表面自然植被的增加，下垫面对城市气温升高的影响减小。若近郊植被分布情况少于远郊，则近郊的下垫面对城市热岛的影响大于远郊，反之则相反。

4、采用低反射率的下垫面对城市热岛有什么不好的影响

在太阳照射下,墙壁、屋顶、路面形成较为复杂的反射面,太阳辐射经过多次反射,使得在受射面上吸收的次数增多,因此被反射的能量就减少了。这就意味着城市地表对于太阳辐散的吸收增多,有利于热岛的形成。采用低反射率的下垫面会使城市气温升高，恶化城区环境。

Sailor在分析城市反照率的增加对城市热岛的影响时发现,如果反照率增加0.14将有助于降低夏季的高温1.5℃。Taha、Civerolo、Nowak等研究发现,城市下垫面对于近地面温度和空气污染有很重要的影响,如果增加城市植被覆盖和减少城区温度有助于减少空气污染。

所以住宅小区采用高反射率的地面铺装能降低小区温度，改善小区空气质量，改善住宅区微气候。

（二）大气污染物的影响

城市中的机动车辆、工业生产以及大量的人群活动，都会产生了大量的氮氧化物、二氧化碳、粉尘等大气污染物，这些物质可以大量地吸收环境中热辐射的能量，产生众所周知的温室效应，引起大气的进一步升温。

（三）人工热源的影响

工厂生产、交通运输以及居民生活都需要消耗各种燃料,把大量的废热排放到城市大气中。 随着经济快速发展,城市化进程的加快、人口、生产、交通集中,在工业生产、家庭炉灶、内燃机等方面消耗能源的同时,废热排放增多,使城市区域增加许多额外的热量输入。

（四）水汽的影响

除了绿地能够有效缓解城市热岛效应之外，水面、风等也是造成城市热岛的因素。城区密集的建筑群、纵横的道路桥梁，构成较为粗糙的城市下垫层、因而对风的阻力增大，风速减低，热量不易散失。在风速小于6 m/s时，可能产生明显的热岛效应，风速大于11 m/s时,下垫层阻力不起什么作用，此时热岛效应不太明显。

水的热容量大，在吸收相同热量的情况下，升温值最小，表现出比其他下垫

面的温度低；水面蒸发吸热，也可降低水体的温度。风能带走城市中的热量，也可以在一定程度上缓解城市热岛。因此在城市建筑物规划时,要结合当地的风向，不要把楼房全部建设成为东西走向的,要建设成为便于空气流通的模式；同时,最好将一些单位的高院墙拆掉，建成栅栏式，增加空气流通。

（5）绿地减少

城市里中绿地、林木和水体的减少也是一个主要原因。随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。城市的建筑、广场、道路等等大量增加，绿地、水体等自然因素相应减少，放热的多了，吸热的少了，缓解热岛效应的能力就被削弱了。既然城市中人工构筑物的增加、自然下垫面的减少是引起热岛效应的主要原因，那么在城市中通过各种途径增加自然下垫面的比例，便是缓解城市热岛效应的有效途径之一。

城市绿地是城市中的主要自然因素，因此大力发展城市绿化，是减轻热岛影响的关键措施。绿地能吸收太阳辐射，而所吸收的辐射能量又有大部分用于植物蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能，用于增加环境温度的热量大大减少。绿地中的园林植物，通过蒸腾作用，不断地从环境中吸收热量，降低环境空气的温度。每公顷绿地平均每天可从周围环境中吸收81.8兆焦耳的热量，相当于189台空调的制冷作用。园林植物光合作用，吸收空气中的二氧化碳，一公顷绿地，每天平均可以吸收1.8吨的二氧化碳，削弱温室效应。此外，园林植物能够滞留空气中的粉尘，每公顷绿地可以黏滞留粉尘2.2吨，降低环境大气含尘量50%左右，进一步抑制大气升温。

三、城市热岛对建筑环境的影响

由于热岛中心区域近地面气温高，大气做上升运动，与周围地区形成差异，周围地区近地面大气向中心区辐合，从而在城市中心区域形成一个低压旋涡，结果就势必造成人们生活、工业生产、交通工具运转中燃烧石化燃料而形成的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物等大气污染物质在热岛中心区域聚集，极度恶化了人们生活所在的建筑环境，危害人们的身体健康甚至生命。对居民生活和消费构成影响的主要是夏季高温天气下的热岛效应。建筑环境温度因热岛效应升高，为了降低室内气温和使室内空气流通，人们使用空调、电扇等电器，而这些都需要消耗大量的电力。

四、城市热岛效应的改善措施

（一）大力发展城市绿化

既然城市中人工构筑物的增加、自然下垫面的减少是引起热岛效应的主要原

因， 那么在城市中通过各种途径增加自然下垫面的比例，便是缓解城市热岛效应的有效途径之一。城市绿地是城市中的主要自然因素，因而大力发展城市绿化，是减轻热岛影响的关键措施。绿地能吸收太阳辐射，而所吸收的辐射能量又有大部分用于植物蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能，用于增加环境温度的热量大大减少。绿地中的园林植物，通过蒸腾作用，不断地从环境中吸收热量，降低环境空气的温度。

（二）治理机动车尾气

降低机动车污染物排放量，强化机动车排气污染的管理，可以有效地降低大气污染物的排放， 从而消弱城市热岛效应。在全市公交汽车和出租小汽车推广液化石油气，全面安装尾气净化器，减轻汽车尾气污染；依法加强对新生产机动车出厂排气达标管理；强化在用机动车监督管理；对于排气不达标的车辆，强制治理；推广使用无铅汽油，发展清洁能源的机动车，扩大清洁能源汽车在城市公共交通使用；完善城市道路网，构建大容量、无污染、全立交快速交通系统。

（三）限制工业企业的大气污染物排放

采取多种方式方法限制大气污染物的排放。如利用低负荷燃烧，适宜的燃烧空气比，二次燃烧，水或蒸汽喷射等措施减低氮氧化物的排放；使用含硫量少的燃料，使用干式或湿式脱硫设备等措施减低二氧化硫的排放；防止有机化合物从储存容器中泄漏，不使用含有机化合物的油墨，安装适当的排气处理设备等措施减低有机化合物的排放；禁止在新、改、扩建和技改项目中使用淘汰的工艺和设备，超过限期的，要坚决取缔。

（四）改善能源结构提高能源效率

减少和减轻热污染的有效办法是节约能源和直接利用太阳能。大力发展天然气、水电、可再生能源、新能源等清洁能源，发展清洁燃料公共汽车和电动公共汽车，号召有效利用工厂排出的热能，提高空调系统、能源消费机器的效率， 积极利用国外油气资源，努力降低煤炭在一次能源消费中的比重；在适宜地区大力发展沼气、节能灶、太阳能、风能等，改善能源结构；工厂要有效地回收排出的热能，提高空调系统、能源消费机器的效率。

（五）大力倡导清洁生产

清洁生产是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。引进天然气、优化城市能源消费结构，大力推行优质煤（低硫、低灰份洗精煤）及其它清洁燃料的使用。

参考文献

江小燕，张朝林，高华，苗世光.城市下垫面反照率变化对北京市热岛过程的影响. 中国气象局北京城市气象研究所,北京,100089

刘霞，王春林，景园书，麦博儒. 4种城市下垫面地表温度年变化特征及其模拟分析.热带气象学报，2011

寿亦萱，张大林. 城市热岛效应的研究进展与展望.气象学报.2012