城市热岛效应对城市规划的影响

城市热岛效应对城市规划的影响 年 9月 2007ACTA SC IEN T IARUM NA TURAL IUM UN IV ER S ITA T IS SUN YA TSEN I Sep1 2007 3 城市热岛效应对城市规划的影响 彭少麟 , 叶有华 ()中山大学有害生物控制及资源利用国家重点实验室 , 广东 广州 510275 摘 要 : 在综合分析城市热岛效应的基础上 , 论述了城市热岛效应对城市规划的影响 。城市热岛效应是城市化 形成的特殊城市气候 , 是现代都市的典型气候特征之一 。城市热岛效应具有明显的时空分布特征 , 它的形成与 城市下垫面性质和城市能耗等许多因子有关 。城市热岛效应对城市空气动力学 、城市森林规划 、城市色彩规划 、 城市能源规划以及城市规模等方面都具有极大的影响 。城市规划部门和有关专家应根据城市热岛效应的形成机 制及其时空分布特征 , 制定合理的城市规划 , 以期最大限度地消除或缓解城市热岛效应 , 实现经济 、社会和自 然的和谐发展 。 关键词 : 城市热岛效应 ; 城市规划 ; 影响 ( ) 中图分类号 : X32; Q14文献标识码 : A文章编号 : 052926579 2007 05 20059 205 根据我国新版的 《城市规划编制 》, 城市 1 城市热岛效应的时空分布特征及成 规划是政府调控城市空间资源 、指导城乡发展与建 因分析设 、维护社会公帄 、保障公共安全和公众利益的重 城市热岛效应是指当城市发展到一定规模 , 由 要公共政策之一 。《不列颠百科全书 》也指出 , 城 于城市下垫面性质的改变 、大气污染以及人工废热 市规划是一项政府职能 , 是一种职业实践 , 也是一 的排放等使城市温度明显高于郊区 , 形成类似高温 [ 11 ] 项社会运动 。城市规划具有政策性 、综合性 、长期 孤岛的 现 象 。城 市 热 岛 效 应 提 高 了 城 市 温 度 , 性 、地方性 、可操作性等特点 。城市规划基本上是 降低了城市舒适度 , 影响了城市居民的健康 , 也增 [ 12 ] 加了居民的经济负担 。 脱胎于建筑学和工程学 , 因此 , 城市规划还具有研 究起点高的特点 。迄今为止 , 我国学者在城市规划 111 城市热岛效应的分布特征 的如下几个方面 作了 大 量的 研究 , 如城 市 规划 理 城市热岛效应是一种典型的城市气候 , 它具有 论 、数字化对城市规划的影响 、景观规划 、园林绿 明显的时空分布特征 。在时间上 , 它表现出明显的 化规划 、生态城市规划 、多元空间特色规划 、能源 周期变化 , 即年变化 、季节变化和日变化 。国外研 战略规划 、交通规划 、色彩规划 、城市规模以及水 究表明城市热岛效应正以每年 0101 ?的速度上升 , [ 1 - 8 ] 环境规划等 。也有一些学者认为 , 可持续的人 我国珠江三角洲地区热岛效应的增幅更大 , 近 10 [ 9 ] [ 13 ] 居环境研究是城市规 划 的发 展方 向 之一 , 要 从 年来以帄均每年 0104 ?的幅度上升 。多数研究 [ 10 ] 多学科或跨学科角度来研究城市规划 。我国学 表明秋冬季热岛效应强 , 夏季热岛效应弱 ; 晴朗无 [ 14 ] 者对城市规划的研究是广泛的 , 然而 , 很少有学者 风条件下表现出夜间热岛强 , 午间热岛弱 。在 从城市热岛效应角度来研究城市规划 。虽然有学者 空间上 , 城市热岛效应主要表现为水帄变化和垂直 [ 8 ] 对城市规划的存在问 题 与对 策进 行 了分 析 , 但 梯度变化 。城市热岛效应在人口密集 、经济活动强 他们也忽略了城市热岛效应对城市规划的影响 。作 度大和建筑物密集的地区表现明显 , 并呈现热岛效 [ 11 , 13 ] 为城市的一种普遍气候现象 , 城市热岛效应对城市 应强度沿市中心向郊区递减的趋势 , 有的 地 规划具有极大的影响 。正确认识城市热岛效应对城 区因市区环境改善也出现市中心热岛缓解 , 热岛效 [ 15 ] 市规划的影响 , 对合理管理城市具有积极的意义 。 应从市中心向城郊转移的现象 。白天热岛效应 因此 , 本文拟对城市热岛效应进行综合论述后 , 探 垂直变化不明显 , 夜间热岛效应随高度的增加而降 讨城市热岛效应对城市规划的影响 。 3 收稿日期 : 2006 - 11 - 08 ( ) ( ) 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 30670385 ; 教育部重大资助项目 403037 ; 广东省林业局科技推广资助 ( )项目 2007 ( ) 作者简介 : 彭少麟 1956年生 , 男 , 教授 , 博士生导师 ; E2m a il: lssp sl@m a il1 sysu1edu1cn [ 11 ] 低 , 并在一定的高度出现 “交叉 ”。; 因 地 制 选择通 气 流畅 的地 形进 行 城 市 建 设 112 城市热岛效应的成因分析宜 , 对城市的各个功能区进行合理布局 , 尤其是工 城市热岛效应的形成与许多因子有关 。综合国 业园区和商业带的布局 ; 调整和完善旧城区的建设 内外文 献 , 城 市 热 岛 效 应 主 要 与 如 下 因 子 有 关 : 与布局 ; 控制建筑物的高度和密度 , 尤其是在城市 ?城市下垫面 。城市热岛效应随城市下垫面性质的 的顺风口和逆风口 , 应避免高大建筑物和高密度建 变化而变化 。植被覆盖率高 , 湿地面积大 , 热岛效 筑物对风的阻挡而导致大量热量和温室气体滞留 ; 应强度小或热岛效应不明显 ; 混凝土覆盖率高 , 大 有江 、河 、湖 、海分布的城市 , 要充分利用江河湖 量太阳辐射被吸收 , 热岛效应增强 。 ?城市建筑物 海的风以及水能降温增湿特点 , 在它们的沿岸留出 密度和负荷 。高密度的建筑物增加了太阳辐射的直 足够的空间 , 让风和水汽能进入城市 ; 主干道路的 接吸收和太阳辐射反弹吸收 , 增强了热岛效应 ; 建 走向应与城市主导风向一致 , 同时还应对大量交通 筑负荷与城市热岛效应呈正相关 。 ?城市能耗 。城 进行有层次的划分 , 对车辆进行分流 , 这样风可以 市大量的能耗增加了表面大气的温度 , 也使热岛效 迅速将城市大量集聚的热量 、温室气体以及悬浮颗 [ 16 - 17 ] 应增强 。 ?城市空气动力学 。大量研究表明 , 粒物分散 , 减少尘罩作用 , 降低热岛效应 。 城市空气动力学与城市热岛效应紧密相关 。当表面 212 城市热岛效应对城市色彩规划的影响 大气风速较小或静风时 , 热岛效应明显且有加强的城市色彩 , 是指城市公共空间中所有裸露物体 [ 18 - 19 ] 典型的热岛环流也发生在弱风或静风 , ,外部被感知的色彩总和 , 由自然色和人工色两部分 趋势 [ 20 ] 有强逆温的晴夜 。 ?城市热岛效应与大气悬浮构成 。早在 19世纪 70 年代 , “城市 ”作为色彩载 颗粒物 、城市水循环 、城市立体绿化以及城市大气 体的问题就引起了国际学术界的关注 。但是 , 由于 [ 11 , 21 - 24 ] 污染也存在 一定 的 关系 。此 外 , 城 市建 成 长期以来在城市色彩领域观念上的滞后和研究水帄 率 、几何形状 、城市规模和城市地理位置也与热岛 上的差 距 , 城 市 色 彩 处 于 随 意 的 状 态 , 造 成 了 [ 18 , 25 ] [ 31 ] 效应存在明显的相关关系 。 “色彩 ”在城市景观中的缺失 。近年来 , 城市色 彩规划引起了城市规划部门及学者们的重视 , 然而 2 城市热岛效应对城市规划的影响 在确定城市的主色调中 , 专家们主要考虑的是城市 城市热岛效应的形成给城市规划部门提出了新 [ 32 - 33 ] 色彩是否继 承 了 历 史 文 脉 , 是 否 和 谐 美 观 ,的挑战 。为了建立一个人与自然协调持续发展的宜 几乎没有考虑色彩对城市热岛效应的影响 , 在部分 居城市 , 如何消除城市热岛效应是城市规划者应考 地区的色彩规划中体现的更是长官的意志 。 城市虑的一个重要内容 。城市热岛效应的时空分布特征 及其成因分析为城市规划提供了参考依据 。下面从 热岛效应与城市色彩的相互关系主要通过 城市空气动力学 、城市色彩 、城市森林 、城市能源 色彩的反射率来体现 , 这是因为不同颜色的物体对 和城市规模五个方面论述城市热岛效应对城市规划 光的反射率不一 致 , 从 而 导致 城市 的 热帄 衡不 一 的影响 。 致 。一 般 认 为 , 白 色 物 体 的 反 射 率 为 64 % , 211 城市热岛效应对城市空气动力学的影响9213 % , 灰色物 体的 反射 率为 10 % ,64 % , 黑 色 这里所讨论的城市空气动力学是指在大气边界 物体的反射率 不足 10 % 。研 究 表明 , 不同 颜色 的 层中风的流动特性尤其是湍流扩散规律 、各种颗粒 水泥的反射率也不一致 , 深灰色水泥对太阳光的反 物在大气中的扩散规律 、风与各种结构物和人类活 射率是 13123 % , 浅灰色水泥的反射率是 32176 % , 动间的相互作用以及由风引起的物质和能量的迁移 褐色水泥的反射率是 30106 % , 石棉水泥的反射率 等 。 [ 34 ] 是 39135 % 。城市下垫面颜色深 , 反射率低 , 吸 城市热岛效应与城市空气动力学的相关关系主 收的太阳辐射热大 , 吸收的太阳辐射能又通过长波 要表现为 : 城市风速小 , 大气层结稳定 , 不利于热 辐射的形式释放到表面大气 , 使表面大气升温 , 热 [ 26 - 28 ] 量的散发 , 有利于热岛效应的形成 ; 不利于 [ 35 ] 岛效应增强 。 通风的城市地貌 、不合理的城市布局 、高密度和高 集聚的城市混凝土建筑物和沥青柏油路面具有负荷的建筑导致通风不良 , 热量难以扩散 , 也有利 明显的增温效应 , 浅色的建筑和地面铺张材料 [ 29 - 30 ] 于热岛效应的形成 ; 不合理的道路设置和粗 能够有效的降低热岛效应 。深色的建筑物吸收大量 热量的同时 , 增加了室内空调的能耗 , 也导致热岛 糙的下垫面导致涡流加剧 , 废热迂回环流 , 热岛加 [ 25 ] 效应加剧 。因此 , 在城市色彩规划中 , 除了考虑城 强 。根据城市热岛效应与城市空气动力学的关 市的文脉与和谐美观外 , 还应考虑色彩与城市热岛 系 , 城市布局规划应在如下几个方面加强规划 :效应的关系 , 尽量用浅色的材料和涂料 。 61 第 5 期 彭少麟等 : 城市热岛效应对城市规划的影响 的重要方法 , 也是增加绿化面积和绿化总量较为有 213 城市热岛效应对城市森林规划的影响 [ 36 ] 效的方法 。这里沿用彭镇华 关于城市森林的定义 ,即 最大限度保护自然湿地 , 努力构建人工湿地 。 , 城市森林是指城市地域内改善城市生态环境为主 城市化导致大量的城市农田 、水塘 、湖泊 、内河 、 促进人与自然协调 , 满足社会发展需求 , 由以树木 沼泽等湿地减少或消失 , 从而使城市蓄存降水的湿 为主体的植被及其所在的环境所构成的森林生态系 地减少 , 也使湿地与空气的接触面积和降温范围减 统 , 是城市生态系统的重要组成部分 。城市森林的 小或消失 。混凝 土 堆砌 的不 透水 建 筑 、道 路和 广 组成成分包括全 部的 绿 地和 各种 水 体 , 郊 区的 片 场 , 使大量的降水直接通过排水网流失 。湿地的减 林 , 护路林 、河道林 、农田防护林 、水体等 。 少或消失 , 天然降水的白白流失 , 致使城市失去了 城市热岛效应与城市森林的相互关系主要体现 通过蒸发带走城市热量 , 降低热岛效应的机会及水 在两个方面 : 城市森林能够有效的截留太阳辐射 , 通过促进林木生长 , 间接降低热岛效应的可能性 。 (降低大气表面温度 , 缓解热岛效应 包括 因减 少 [ 37 ] 虽然城市管理者在这方面做了一些补救措施 , 如建 ) 空调能耗引起的热岛下降 ; 城市森林通过蒸散 立保护区 、公园或在社区建立喷泉 、人工小溪或人 能够增加大气水汽 , 从而降低热岛效应 。国内外学 [ 38 - 40 ] 工瀑布 , 但这些措施能够落实的极其有限 , 其影响 者对城市森林做了大量研究 , 但是城市森林 范围也比较小 。因此有学者认为 , 在城市建设中将 规划仍然处于被动的 “填空状态 ”, 通常是牺牲森 林来满足建设 。同时 , 森林比重小 、结构不合理 、 原来的湿地进行改造 、铺换 , 无益于城市热岛效应 立体绿化不足以及湿地环境被 破坏 等问 题 依然 存 [ 38 ] 的缓解 。相反 , 要在大力保护原有湿地的基础 在 。因此在城市规划中 , 应充分认识城市森林的重 () 上 包括城郊湿地的保护 , 在城市进行人工湿地 要性 , 加强城市规划中的森林规划 。城市森林应从 [ 11 ] 的构建 , 这是降低热岛效应的有效方法 。 如下几个方面进行规划 : 214 城市热岛效应对城市能源规划的影响 增加城市森林的比重 , 使其覆盖率 达到 30 % 城市大量的能耗对城市热岛的形成起十分重要 ,50 % 。研究表明 , 当一个区域的绿化覆盖率达到[ 31 , 45 ] 的作用 , 是 导 致 城 市 热 岛 效 应 的 主 要 原 因 。 30 % , 热岛强度明显减弱 ; 绿化覆盖率大于 50 % ,[ 41 ] 因此 , 有必要通过加强城市能源规划来调节能源消 热岛缓解现象极其明显 。另有研究也表明 , 城 耗 , 降低热岛效应 。这里以降低空调能耗为例 , 探 市森林覆盖率每增加 10 % , 气温降低的理论最高 讨城市应如何通过能源规划来缓解热岛效应 。 值为 216 % , 当覆盖率达到 50 %时 , 气温降低的理 城市空调能耗是城市能耗的重要组成部分 , 有 论最高值可达 13 % , 若夏季最高日气温为 38 ?, 学者认为降低空调耗能是降低城市热岛效应的重要 可降 低 气 温 5 ?, 基 本 可 以 消 除 “城 市 热 岛 效 [ 44 ] 途径 。目前 , 空 调 直 接 节 能 技 术 仍 然 较 落 后 , [ 42 ] 应 ”。与需要不断的改进 ; 间接节能技术没有相应政策的支 30 % , 50 % 的 城 市 森 林 覆 盖 率 相 比 , 持 。现代城市规划可以从如下几个方面来降低空调 我国的森林规划面积还相差很远 , 因此在城市规划 能耗 : ?改进建筑空调技术 。有学者认为可以通过 中 , 应增 加 城 市 森 林 的 比 重 , 使 其 覆 盖 率 达 到 改进空调设备来达到降低能耗 , 如制定更好的制冷 30 % ,50 % 。[ 38 ] 能效 , 改 进 空 调 的 零 件 , 提 高 空 调 节 能 。 进行合理的城市森林结构搭配 。目前盛行草坪 ?积极探索和推广新能源利于技术 , 如地源热泵技 热 , 种植名贵树种 。草坪遮荫效应差 , 不能大幅度 术 , 它通过循环液在封闭地下埋管中流动 , 实现系 减少太阳的直接辐射热 , 草坪的叶面积较林木小 ,[ 36 , 43 ] 蒸腾小 , 其环境效应较 差 , 不 能有 效 的缓 解 统与大地之间的传热 , 它是一种可持续发展的建筑 [ 18 ] 或消除热岛效应 。种植名贵树种需要高的成本 节能新技术 。 1998 年美国能源部颁布法规 , 要求 投入 , 而且难以养活 , 其降温致湿的效果也不太理 在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵供 想 。因此在城市森林规划中应舍弃大量种植草坪和 热空调系统 。为了 表示 支 持这 种节 能 环保 的新 技 一味攀比种植名贵大树的不合理做法 , 进行合理的 乔灌草搭配 , 尤其是乡土树种的种植 。 术 , 美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也安 ( 装了这种地源热泵空调系统 见 2001年 5 月 18日加强立体绿化 。由于城市用地紧张 , 城市森林 ) 《参考消息 》。 ?在城市大力构建城市森林 , 在建 规划中除了进行水帄方向森林规划外 , 同时应向城 [ 40 ] 筑的外围进行立体绿化 。 Kikegawa 等 的研究表 市立体绿化方向发展 。城市有大量的水泥或混凝土 明 , 在建筑周围种树可以节省因制冷而消耗的能源 屋顶 、墙体 、立交和边坡 , 这些裸露表面为立体绿 的 4 % ,40 % 。 ?在屋顶及墙体加盖铺装材料或滤 化提供了可能 。发展立体绿化是缓解城市热岛效应 光遮阳的 “双层表 皮 ”来降 低 建筑 物温 度 , 从 而 ( ) 学学报 :自然科学版 , 1997 , 36 4: 94 - 98. 减少空调能耗 。 ?使用浅色的建筑材料或涂料 。采 邹德慈 . 什么是 城 市 规 划 [ J ]. 城 市 规 划 , 2005, 25 [ 8 ] 用高反射率的浅色屋顶可比暗色屋顶减少 40 %的 ( ) 11 : 24 - 27 , 34. [ 24 ] 空调用电量 , 其降温效果十分明显 。 ?制定相 吴志强 ,于泓 . 城市规划学科的发展方向 [ J ]. 城市规[ 9 ] 应的政策法规 , 推动降低空调能耗措施的落实 。 划学刊 , 2005, 6: 2 - 10. 邹经孙 , 林珲 , 薛玉彩 ,等 . 以跨学科架构分析与认 空调能耗只是城市能耗的一方面 , 城市规划中[ 10 ] 识城市规划 设计空 间 [ J ]. 武 汉 大 学 学 报 : 工 学 版 , 应改进能源消耗设备如机动车辆和锅炉等的构件 , ( ) 更新能源使用方法 , 提高能源使用效率 , 减少能源 2003, 36 3 : 31 - 36. 彭少麟 , 周凯 , 叶有华 , 等 . 城市热岛效应研究进展 损耗 。在条件允许的城市 , 应推广和普及使用太阳 ( ) [ J ]. 生态环境 , 2005, 14 4 : 574 - 579. [ 11 ] 能和生物能 , 减少 煤和 石油 等 不可 再生 能 源的 消 SARRA T C, L EMON SU A , MA SSON V , e t a l. Imp ac t 耗 , 降低热岛效应 。 of u rban hea t island on regiona l a tmo sp he ric po llu tion [ 12 ] 215 城市热岛效应对城市规模规划的影响[ J ]. A tmo sp he ric Environm en t, 2006, 40: 1743 - 城市热岛效应与城市规模有一定的相关性 。有 1758. 学者认为城市扩展是城市热岛 效应 形成 的 主要 原 曾侠 , 钱光明 , 潘蔚娟 . 珠江三角洲都市群城市热岛 [ 24 ] ( ) 效应初步研究 [ J ]. 气象 , 2004, 30 10: 12 - 16. 宋因 。据研 究 , 1 万 人 口 城 市 的 热 岛 强 度 可 达 [ 13 ] 艳玲 , 张尚印 . 北京市近 40 年城市热岛效应研究 0111 ?, 10万人口的城市热岛效应可达 0132 ?,[ J ]. 中国生态农业学报中国生态农业 学报 , 2003, [ 23 ] 100万人口的城市热岛效应可达 0191 ?。丁金 [ 14 ] ( ) 11 4: 126 - 129. [ 27 ]才等 在上海的研究结果也表明 , 热岛强度与城 张新刚 , 周斌 , 王珂 . 杭 州市热岛效应的遥感监测 [ J ]. 科技通报 , 2004, 6: 501 - 505. 市规模相关性明显 。因此 , 城市规划中 , 必须对城 [ 15 ] SA ILOR D J , LU L. A top 2down m e thodo logy fo r deve l2 市规模进行规划 , 将城市的人口数量控制在一定范 op ing d iu rna l and sea sona l an th ropogen ic hea ting p rofile s 围之内 。 fo r u rban a rea s [ J ]. A tmo sp he ric Environm en t, 2004, [ 16 ] ( ) 38 17 : 2737 - 2748. FAN H L , SA ILOR D J. Mode ling the imp ac ts of an2 3 讨 论 th ropogen ic hea ting on the u rban c lim a te of Ph ilade l2 城市热岛效应对城市规划的影响是多方面的 , [ 17 ] p h ia: a comp a rison of imp lem en ta tion s in two PBL 上面论述的只是其中的几个重要方面 。为了消除或 schem e s [ J ]. A tmo sp he ric Environm en t, 2005 , 39 缓解城市热岛效应 , 减少这种潜在的危害 , 城市规 ( ) 1 : 73 - 84. 汤惠君 . 广州市大气污染分布规律 [ J ]. 地理研究 , 划部门和有关专家应根据城市热岛效应形成的原因 及其分布的时空特点 , 在尊重城市历史文脉的基础 ( ) 2004, 23 4 : 495 - 503. 上 , 充分考虑城市热岛效应对城市规划的影响 , 制 G IR IDHARAN R. , LAU S S Y, GAN ESAN S. Noc tu r2 [ 18 ] 定合理的城市规划 , 以期最大限度地消除或缓解城 na l hea t island effec t in u rban re siden tia l deve lopm en ts 市热岛效 应 , 实 现经 济 、社 会 的和 自然 的 和谐 发 of Hong Kong [ J ]. Ene rgy and B u ild ings, 2005 , 37: [ 19 ] 展 。 964 - 971. GAR STAN G M , TYSON P D. The struc tu re of hea t is2 land [ J ]. R eview of Geop hysica l Sp ace Physic s, 1975, 参考文献 : 13: 139 - 165. [ 20 ] 李建军 . 保持我国城市规划学的科学本质 - 有感于当 [ 1 ] BA IK J J , K IM Y H , CHUM H Y. D ry and mo ist con2 前我国城市规划实践的若干现象 [ J ]. 城市规划学刊 , vec tion fo rced by an u rban hea t island [ J ]. Jou rna l of 2006 , 4: 8 - 16. App lied M e teo ro logy, 2001 , 40: 1462 - 1475. [ 21 ] [ 2 ] 罗名海 . 城市规划数字化及其综合研究框架 [ J ]. 武 周凯 , 叶有华 , 彭少麟 , 等 . 城市大气总悬浮颗粒物 ( ) ( ) 与城市热 岛 [ J ]. 生 态 环 境 , 2006, 15 2 : 381 - 汉大学学报 :工学版 , 2003 , 36 3 : 26 - 30. 385. [ 3 ] 罗彦 , 周春山 . 50年来广州人口分布与城市规划的互 [ 22 ] 动分析 [ J ]. 规划研究 , 2006, 7: 27 - 31. KARL T R , D IA Z H F, KU KLA G. 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In o rde r to m iti2 ga te UH I and ach ieve a ha rmon iou s deve lopm en t of econom y, soc ie ty and na tu re, the dep a rtm en t of u rban p lann ing and exp e rt shou ld m ake a rea sonab le u rban p lann ing acco rd ing to the d istribu tion and fo rm ed m echan ism of UH I. () Key word s: u rban hea t island UH I; u rban p lann ing; effec t