热岛效应

热岛效应 城市热岛效应的成因及应对 摘 要:热岛效应是城市化进程中人类活动与气候系统相互作用所形成的特殊的区域性气候特征。随着城市的发展，城市对于气象灾害的承载性变得越来越脆弱，气象条件对城市发展和城市运行的影响越来越大，因此城市热岛效应的研究具有非常重要的研究意义和战略地位。基于城市气候特别是城市热岛效应的基本理论和研究，回顾了该领域研究工作的发展和研究意义，对国内外城市气候学的几个研究热点和发展趋势进行了总结分析，并在此基础上对城市热岛效应的研究工作进行了初步讨论。 关键词:城市气候 城市化 PM2.5 改善策略 立体绿化 1、前言 城市热岛效应也称“大气热污染现象”,是指当城市发展到一定规模,由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等因素使城市温度明显高于郊区,形成类似高温孤岛的现象,在气象学上被形象地称为城市热岛。可见,城市热岛反映的是一个温差的概念,只要城市与郊区有明显的温差,就可以说存在了城市热岛。 人类是自然界最大的进化驱动力，加速了全球生态系统的进化进程，同时极大地改变了自然界原有的景观，如城市景观是集聚的建筑物、集聚的产业经济、集聚的人居社区与被分割覆盖的自然及半自然的水体和绿色植被之间的网络组合。2013年居住在城市的人口达到51%，预计到2015年将达到55%，到2025年，这个比例将达到60%[3]，所以不断加速的城市化对城市气候有深远的影响。城市化对气候最重要的影响之一就是城市热岛出现和温室气体排放，已经并将继续影响城市气候。由于全世界范围内城市规模不断扩大、农村及欠发达地区的人口不断向城市集中、人为热迅速增长、城市建筑物猛增等因素，城市热岛现象从一般的气象问成为影响城市生态环境的一个重要因素。从全球变化的趋势上看，由于全球CO2浓度的增高导致温室效应的加剧[6]，城市热岛效应影响更为严重，尤其对城市居民生活质量影响更为明显。热岛效应成为科学界、管理者以至民众广泛关注的焦点。各国学者利用气象资料、遥感影像、模拟模型及布点观测等研究方法对城市热岛产生的原因、热岛强度特征、城市热岛的危害及缓解对策进行了广泛的研究。本文对国内外城市热岛效应的研究进展进行综述，并基于当前城市热岛研究的现状，提出了未来城市热岛效应研究的方向及缓解城市热岛效应的有关对策。 2、正文 1 城市热岛效应的成因 随着城市化的进程，城市人口聚集、建筑物增多、下垫面改变、交通压力增加、生产规模不断扩大以及人为热等影响日益加剧，引起了市区气象要素的变化，导致了明显的城市气候效应:热岛效应、雨岛效应、污染效应、阳伞效应、减风效应等。其中，城市热岛效应是人类活动对气候系统产生的最显著的城市气候效应，城市地表土地覆盖类型的改变使得城市局部大气和 地表温度比周围的郊区温度要高。一般来说，城市热岛强度与城市的大小存在正相关的关系。研究表明，城市热岛效应一般在冬季最为明显，而在春季相对最不明显;对于影响城市热岛效应的气象条件而言，风速是影响城市热岛效应的主要因素，风速越大，城市与郊区的温差越小。 悬浮颗粒物中PM和PM的质量浓度与人体的健康状况显著相关，已引起102.5 公众的极大关注。总悬浮颗粒物是当前大气质量监测与评价中一个重要的污染指标，被认为是影响空气质量的首要污染物。因此，许多国家都制定了严格的空气质量限制总悬浮颗粒物浓度，其中中国于1996年1月8日批准实施《环境空气质量标准》(GB3095-1996)，欧盟于1996年9月27日通过大气质量评价控制准则(96/62/EG)，美国于1996年首次也是目前世界上唯一将[18]PM纳入到大气质量标准和监测范围之内的国家。 2.5 2 城市热岛的主要形成机制 热量平衡是城市热岛形成的能量基础，城市化改变了下垫面的性质和结构，增加了人为热，从而影响城市热量平衡。研究认为，城市热量平衡各因素变化与下列因子有关。 2.1 城市下垫面性质改变 城市下垫面(地面、屋顶面等)多为水泥、柏油路面、混泥土等硬质铺砌，所占的面积约在70%,80%以上，绿地和水面相对较少，而郊区则农田密布，城乡下垫面性质的差异十分明显。城市下垫面颜色较深，对太阳辐射的反射率比郊区绿地小(即吸收率比郊区绿地大)，加上其热容量和导热率也要比郊区绿地大，所以在相同的太阳辐射条件下，城市下垫面能吸收更多的热量。另外，城市由于参差不齐的建筑物，使城市的墙壁与墙壁、墙壁与地面之间进行多次反复吸收，这为城市“热岛”的形成奠定了能量基础。城市下垫面由于贮热多、温度高，以长波辐射的形式供给大气的热量也多。加上城市近地面大气中的温室气体多，绝大部分吸收了地面的长波辐射，同时又以长波辐射的形式向地面逆辐射，从而使地面及地表空气保持较高的温度。城市下垫面性质改变导致下垫面物理和生物学特性改变，对城市、地区甚至是全球范围内的气候有十分显著的影响。 2.2 人为热来源和空气污染 城市人为热也就是人类活动产生的废热，主要来自机动车辆、工厂车间、空调运转、居民烹饪及建筑物向外散发的热量等，对城市热岛的形成起十分重要的作用。人为热排放对城市“热岛”的影响具有双重作用:一方面，直接增加了城市的热量，特别是在夏季和冬季;另一方面，城市人为热排放的同时，也大量排放煤灰、粉尘及各种污染气体，其中较多的是CO2、N2O、H2O、CH4、CFC等温室气体，形成覆盖在城市上空的“尘罩”与“气罩”，加重了城市热岛的强度。据测定，城市冬季人为热释放量很大，甚至比太阳净辐射还要大，如美国冬季旧金山的人为热最高达到75 W/m2 。城市内大量的人为释放引起城市地区局部升温，从而在温度空间分布图上出现一个个高温中心。1984年上海城区每平方公里上空所获得的人为热相当于郊区的3.2倍强， 如果再加上空调排热等其它的人为热，市区与郊区人为热的差异更大。与人为热排放的同时，还有大量污染气体排放至空气中，其中CO2。 2.3 城市规模、形状和所处的地理位置 城市建成率(built-up ratio)、几何形状与热岛强度存在明显的相关关系。如果街道走向或几何形状不合理，则密不通风，风速小热量不易散发，温室气体也难于迅速扩散，导致局部气温过高。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0.32 ?，100万人口0.91 ?。 城市地貌也是引起城市热岛的主要因素。如广州市地处低纬度，高温、多雨、湿度大;风向以北和北东及东和东南方向为主，具有通风不良和静风频率高、近地层的逆温频率高、热岛效应强等特点，而重庆市周围高山环绕，长江与嘉陵江交汇于市中心，冬季云多，阴雨天多，太阳直接辐射大为减弱，因而热岛强度没有那么大。研究还认为，沿海城市与内陆城市的热岛特征在以下几个方面存在差异:1)沿海城市日平均最大热岛强度的增加速率要比内陆城市为慢;2)沿海港口城市的热岛强度出现一个显著的年际循环变化，而内陆城市的则不明显;3)某些气象因子变量对日最大热岛强度的控制作用在不同的沿海港口城市具有相似性。 2.4总悬浮颗粒物在城市热岛效应中的作用 近年来，关于总悬浮颗粒物对城市气候的影响，受到了越来越多的人的关注。尤其是近两年来，我国出现雾霾天气状况愈发严重。从2012年起，我国气象部门开始每日发布主要城市地区的PM2.5环境质量报告。数据显示在113个全国环境保护重点城市中，33个城市的空气质量达到国家二级标准(0.20 mg/m3)，51个空气质量为三级(0.30 mg/m3)，29个城市空气质量为劣三级，分别占29.2%、45.1%和25.7%。颗粒物污染较重的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部。 而研究认为，总悬浮颗粒物(Total Suspended Particles，TSP)在城市热岛效应中起重要的作用。总悬浮颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径在0~100 µm的固体颗粒物(Particles)和液体小滴(Droplets)，包括PM10(粒径范围在0~10 µm)和PM2.5(粒径范围在10~100 µm)。 现有的研究认为，总悬浮颗粒物加剧城市热岛强度，降低昼夜间温度波动幅度，使城市大气增温、改变大气的稳定性及垂直运动，影响大范围内的大气环流和水文循环。 总悬浮颗粒物对气候的影响主要通过2种方式:一种是通过散射或吸收太阳辐射直接影响气候。总悬浮颗粒物的直接效应是将太阳辐射折射到外空;有些悬浮颗粒物如煤烟灰，可以直接吸收太阳辐射，导致城市大气增温;或者吸收红外辐射，促进温室效应的形成。 2.4 其他因素 除了城市本身的内部原因以外，还需要外部的气象条件配合，如气压场必须稳定，气压梯度小，静风或微风;天气晴朗少云或无云，大气层结构稳定，无自动对流上升运动等。我国大部分地区夏季受副热带高气压控制，以 下沉气流为主，多静风天气，近地面热量不易散发，进一步加剧了城市热岛效应[24]。 总之，热岛的形成除区域气候条件外，主要与城市化程度、人口密度、下垫面性质改变以及大气中污染物浓度增加有密切关系，并且这些影响因子以一种及其复杂的方式相互作用于城市气候。 3 城市热岛的改善策略 3.1 控制大气污染 降低机动车污染物排放量，强化机动车排气污染的管理。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(电能、天然气、液化气)的机动车，扩大清洁能源汽车在城市公共交通使用。 减低氮氧化物、二氧化硫及有机化合物(VOC)的排放，严格控制高硫高灰份煤炭的开采和推行煤炭洗选，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。要继续取缔、关停小造纸、土法炼铅铸、土法炼焦、土法炼钵、炼硫磺等污染严重的工厂企业。用静电除尘或袋式除尘器取代旋风除尘器、水膜，使水泥厂、电厂等企业粉尘除尘效率达到80%。 3.2 控制城市人口数量，并减少人为排热量 城市规模、城市人口密度与城市热岛强度的关系有可能不同,但同城市热岛的强度有直接关系。因此控制工业生产中废热的排放,将民用煤改为液化气、天然气并扩大集中供热面积,控制城市中机动车的数量,以减少废热排放的同时,采取国家宏观调控手段,控制城市规模和人口密度也是减缓城市热岛效应,促进城市健康发展的必要措施之一。 3.3 建设“城市森林”，增大城市绿量，发展立体绿化。 大量研究表明，城市植被、水体及湿地是城市生态系统中的重要组分，它们可减缓城市的环境压力，减轻热岛效应，最终实现城市生态系统的良性循环。城市植被通过蒸腾作用，从环境中吸收大量的热量，降低环境空气温度，增加空气湿度;同时大量吸收空气中的二氧化碳，抑制温室效应。另外，植物还能滞留大气中的粉尘，减少城市大气中的总悬浮颗粒物的浓度。当一个区域的植被覆盖率达到30%时，城市绿地对热岛效应即有较明显的削弱作用，相反，植被减少则是城市热岛形成的首要贡献因子。因此，加强城市绿化，改善城市下垫面的热属性是缓解热岛效应的关键措施。研究还发现城市森林在调节城市小气候中具有明显的效果，而草地则效果不明显。因此，城市合理的乔、灌、草比率是十分重要的，时下风行的草坪热不宜提倡，至少在缓解城市热岛效应上没有起到最佳的效果。屋顶绿化是增加绿化面积或者总体绿量较为有效的方法之一，特别是在城市用地紧张，建筑密度比较大的情况下，显得更为重要。 众所周知，城市绿化对城市热岛的缓解，对城市生态环境的改善具有及其重要的作用。大多数城市绿化主要是考虑城市水平方向的绿地覆盖，而对城市三维绿化即立体绿化中的垂直高度和屋顶绿化却处于起步阶段。对高速公路及其边坡和城市立交的立体绿化研究也较薄弱。在立体绿化的植物配置模式与培育技术、立体绿化的布局等方面都值得投入更多的研究，以实现“绿岛”消“热岛”，营造良好的城市绿色生态空间。 屋顶绿化或屋顶花园的概念最早起源于欧洲，其作用已被众多的研究所证实。屋顶花园具有如下功能: (1)缓解城市热岛效应;(2)贮藏降雨;(3)增加休闲或其它经济价值的空间;(4)空气和水质净化。屋顶花园自著名的巴比伦空中花园以来一直为人们所熟知，基于对环境问题日益恶化的担忧，对屋顶花园的重要意义开始重新认识。2004年10月22日在瑞典的Malmö城召开主题为国际绿色屋顶研究的学术研讨会，来自瑞典、瑞士、德国和英国的学者就屋顶绿化的研究现状进行了研讨。美国芝加哥市政府启动屋顶绿化工程来降低城市温度，日本对新建筑或重新翻新的旧建筑强制进行屋顶绿化的做法值得借鉴。 3.4 采用新型的城市规划与设计理念 启用生态合理的能源规划、城市开发模式、交通规划、绿地系统规划，调节城市产业结构;使用新型建筑材料，提高对太阳光的反射率;使用能降温节能，缓解热岛强度的户外建筑材料;提倡渗透性的地面铺装材料。 在城市建设方面，要注意留足城市的“通风道”，如市内道路要宽畅、建筑低层化、高层楼房不能集中等。完善城市道路网，构建大容量、无污染、全立交快速交通系统。首先，更新城市交通观念，积极发展大容量、快速公交车、地铁，提高公共系统的运输效率，合理地规划设置公交线路、站点，布局交通枢纽站，使站、车、人流合理衔接;其次，研究城市交通管理的现代化技术，建立交通中心控制指挥系统，在全市各主要道路路口建立自动监测网点，设立智能化的交通信号，提高交通容量。再次，加快城市道路基础设施的建设工作，拓宽道路，疏通瓶颈，实现交通运输快捷，畅通无阻。最后，搞好道路两侧的绿化、美化工作，充分发挥植物吸收机动车排气污染物，净化环境空气的功能。 3.5 城市湿地与水体的保护 受城市化的影响，城市湿地形成了分布不均匀、面积较小、孤岛一样的湿地斑块，斑块之间的连接度下降，湿地内部生境破碎化。即便是这种业已破碎化的斑块，也可能会因城市土地开发而被侵占，挪作他用。事实上，随着城市化的进程，城市湿地与水体的面积急剧下降，其调节城市气候与热量收支平衡的生态服务功能受到很大的削弱。城市湿地与水体的保护需要城市管理当局拿出很大的勇气与坚决的措施，对不能动用的城市湿地与水体坚决予以保护。 在条件允许的情况下，应该在城市进行人工湿地的构建，这是降低热岛效应的有效方法。 4 结语 城市热岛效应是城市化进程中难以避免的问题，缓解城市热岛效应是一 项综合性的系统工程，需要各方面的密切配合和共同努力，才能建设真正的 绿化生态城市，营造舒适和谐的人居环境，提高能源利用率，维持城市可持 续发展。 参考文献 [1] 彭少麟. 全球变化与可持续发展[J]. 生态学杂志, 1998, 17(2): 32,37. PENG SHAO-LIN. Global change and sustainable development[J]. Chinese Journal of Ecology, 1998, 17(2): 32,37. [2] YOSHIKADO H, TSUCHIDA M. High levels of winter air pollution under the influence of the urban heat island along the shore of Tokyo bay[J]. Journal of Applied Meteorology, 1996, 35: 1804-1813. [3] 李子华, 唐斌, 任启福. 重庆市区冬季热岛和湿岛效应的研究[J]. 地理学报, 1993, 48(4): 358-366. LI Z H, TANG B, REN Q F. A study on the effects of the heat and wet island in the city of Chongqing during wintertime[J]. Acta Geographica Sinica, 1993, 48(4): 358-366. [4] TRAVIS D J, CARLETON A.M, LAURITSEN R G. Contrails reduce daily temperature range[J]. Nature, 2002, 418: 601. [5] MENON S, HANSEN J, NAZARENKO L, et al. Climate effects of black carbon aerosols in China and India[J]. Science, 2002, 297: 2250-2253. [6] 张云海, 李法云, 刘闽. 沈阳城市热岛变化趋势及其与TSP相关关系的初步分析[J]. 环境保护科学, 2004, 30(2): 1-2. ZHANG Y H, LI F Y, LIU M. Analysis on urban Heat Island changing trend and its relation with TSP in Shenyang[J]. Environmental Protection Science, 2004, 30(2): 1-2. [7] 陆大道. 区域发展及其空间结构[M]. 北京: 科学出版社, 1999: 68,97. LU DA-DAO. Regional Development and Its Spatial Structure[M]. Beijing: Science Press, 1999: 68,97. [8] 窦建奇. 关于城市“热岛效应”的思考[J]. 武汉城市建设学院学报, 2001, 18(3-4): 76,78. DOU JIAN-QI. On urban heat island effect[J]. Journal of Wuhan Urban Construction Institute, 2001, 18(3-4): 76,78. [9] 申绍杰. 城市热岛问题与城市设计[J]. 中外建筑, 2003, 5: 20,22. SHEN SHAO-JIE. Urban heat island effect and city designing[J]. Architecture in China and Abroad, 2003, 5: 20,22. [10] 曾侠, 钱光明, 潘蔚娟. 珠江三角洲都市群城市热岛效应初步研究[J]. 气象, 2004, 30(10): 12,16. ZENG XIA, QIAN GUANGMING, PAN WEIJUA. Urban heat island effect in the urban group of the Pearl River delta[J]. Meteorology, 2004, 30(10): 12,16.