（气象学专业论文）合肥城市热岛特征研究.pdf

摘要 城市是人类社会发展的一个缩影，是自然与人类物质、能量的聚集点。城市化 反映了一个地区的开发和进步，也标志着一个时代的文化和文明。随着全球变暖和 城市系统的日趋复杂，城市与郊区温度差异问题急待解决。研究城市热岛特征，是 发现和解决城郊温差问题的一个重要途径。 本论文根据合肥城市热岛气象观测资料和合肥与郊县气象台站常年地面观测 信息对合肥市区热岛特征进行综合分析研究，并应用n o a m a v h r r 卫星影像资料 对下垫面温度采用卫星反演分订正方案，解决温度高分辨率分析问题。本研究主要 得出以下的结果： l 、在城市下垫面景观对热岛影响的研究中，研究结果发现合肥四季均有城市 热岛效应；夏季热岛强度明显的同时，合肥西北角的董铺水库表现显著的“冷湖效 应”，最强可达- 2 7 ；2 0 年间合肥的等温线有了很大的变化，与城市发展相对应； 对不同景观进行数值模拟，得出城市片林的分时拟和方程： r y = 一o 3 1 x 8 8 x + o 3 3 ( 料) ( 0 6 时一1 4 1 1 q ) 城市片林( 农大南门) l y ；一0 0 8 x 2 + 1 6 8 x 一2 5 5( 料) ( 1 4 耐一2 2 时) 2 、根据合肥与郊县气象台站常年地面观测信息，对合肥城市热岛变化特征进 行综合分析，结果表明1 9 9 6 年后城市热岛效应明显增强，其中2 0 0 3 年城市热岛日 平均最大，达到1 0 8 ；为了预测未来合肥市日平均a t u - r 变化特点，根据多年平 均资料作线性回归，得方程y = 0 0 0 8 7 x + 0 2 5 5 8 ( p 0 0 1 ) ；对热岛效应的多年资料 研究，表明合肥市年平均气温序列存在明显的1 2 年周期。 3 、在r s 技术的运用中，采用形象的图示、遥感图像三通道合成法和卫星地温 反演法。由四季的热岛交化，看出城区热岛区域被分裂为几部分；有云系或风作用 时，城区热源比较零散，冷热源相互交错，城区热岛效应不明显；从夏季高温反演 来看，最大温差在合肥电厂测点，为1 6 5 2 ，午后时分的反演精度没有达到 1 的 精度要求。 4 、在城市忧进程的研究中，城区人口数与城市热岛强度的最佳拟合方程为 y = 3 2 4 8 e - 0 0 6 x 2 ”，合肥市城市入口增长仍属于中小城市的增长范畴；由建成区面 积与城市热岛强度变化的趋势来看，两者成正相关关系，最佳拟合方程分别为。y = 1 5 1 4 1 + 1 6 1 8 5 x ，表明城市发展对城市热岛有很大的影响。 本论文较为系统的分析了城市热岛特征，提出了未来对城市热岛效应研究和发 展的方向；以及在实际应用预报和弱化城市热岛效应现象工作中，应采取的措施和 方法的思考。 关键词城市热岛卫星影像下垫面地表温度反演 a b s t r a c t t h eu r b a ni sam i n i a t u r et h a tt h eh u m a ns o c i e t yd e v e l o p s ，a n dt h es p o tw h i c ht h e n 刮：i 勰t h eh u m a n 加m t e ra n dt h e 衄e r g yg a t h e r s t h eu r b a n i z a t i o nr e f l e c t sal o c a l s d e v e l o p m e n ta n dt h ep r o g r e s s ，a n da l s os y m b o l i z e sc u l t u r ea n dt h ec i v i l i z a t i o no f at i m e c h a n g e st h ew 黝u r b a ns y s t e ma l o n gw i t ht h ew h o l ew o r l dt ob em o r ec o m p l e x ，t h e c o n t r a s tq u e s t i o nb e t w e e nu r b a na n dt h es u b u r bt e m p e r a t u r eu r g e n t l yn e e d st os o l v e s t u d i e st h ec h a r a c t e f i s t i co f u r b a nh e a ti s l a n d , i sa l li m p o r t a n tw a yw h i c hd i s c o v e r e sa n d s o l v e sa nu r b a n - s u b u r bt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e n i sp a p e r , u s i n gt h es c e n eo b s e r v a t i o ne x p e r i m e n tm a t e r i a li ns u m m e r2 0 0 5a n d t h eh e f e iu r b a nd i s t r i c ta n dt h es u b u r bs t a t i o nc o n v e n t i o nm e t e o r o l o g i c a ld 砒a c o n d u c t s t h eg e n e r a l i z e da n a t y s i sr e s e a r c ht ot h ec h a r a c t e r i s t i co fu r b a nh e a ti s l a n di nh e f 研a n d u s i n gt h es a t d l i t ei n v e r s i o ns t e p - r e v i s i n gp l a nt 0u n d e r l y i n gs 曲t e m p e r a t u r eb yt h e n o a a a v h r rs a t e l l i t ei n l l g em a t e r i a l ，a n ds 1 0 v e st e m p e r a t u r eh i g hr e s o l u t i o na n a l y s i s q u e s t i o n n er e s e a r c hh a sm a i n l yd o n et h eb e l o w r e s e a r c hw o r k ： 1 s t , u n d e rt h er e s e a r c hm a tu n d e r l y i n gs u r f a c el a n d s c a p et ot h eu r b a nh e a ti s l a n d i n f l u e n c e , t h ef i n d i n g sd i s c o v e r e dt h a th e 颤c i t yh a v et h eu r b a nh e a ti s l a n de f f e c ti nf o u r s e a s o n s ；s u m m e rh e a ti s l a n di n t e n s i t yi so b v i o u sa tt l l es a m et i m e , d o n gp ur e s e r v o i r , i n h e f e in o r t h w e s tc o m e l ，r e m a r k a b l yp e r f o r m “c o l dl a k ee f f e c t ”，i sl a r g e s t l yr e a c h - 2 7 ； d u r i n g2 0y e a r sh e f e i st h e r m o i s o p l e t hh a dt h eb i gc h a n g e ，c o r r e s p o n d i n gw i t ht h eu r b a n d e v e l o p m e n t ；c a r r i e so nt h ev a l u es i m u l a t i o nt ot h ed i f f e r e n tl a n d s c a p e ，o b t a i nt h a tt h e t i m e - s h a r i n ge q u a t i o no f t h eu r b a np i e c ef o r e s t ： r y = _ o 3l x 锄8 8 x + o 3 3 ( ) ( 0 6 ：0 0 - 1 4 ：0 0 ) u r b a np i e c ef o r e s t ( a r t a r j l y = - o 0 8 x 0 1 6 8 x - 2 5 5 ( ) ( 1 4 ：0 0 2 2 ：0 0 ) 2 n d , a c e n r d i n gt oh e f e ia n dt h es u b u r b a nc o u n t i e sm e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t o r y , w h i c h s t a n d sy e a rt oy e a rt h es u r f a c eo b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o n , c a i t i e so nt h eg e n e r a l i z e d a n a l y s i st ot h eu r b a nh e a ti 8 1 a n dc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eu r b a n h e a ti s l a n de f f e c to b v i o u s l ye n h a n c e da f t e r1 9 8 6y e a r s , i n2 0 0 3d a i l ya v e r a g eo f h eu r b a n h e a t i s l a n dw a sb i g g e s t , a c h i e v e s1 0 8 ：i no r d e rt of o r e c a s t t h ef u t u r ec h a n g e c h a r a c t e r i s t i co fd a i l ya v e r a g e t u - ri nh e f e i ，a c c o r d i n gt ot h em u l t i - a n n u a lm c a l 坞 m a t e r i a ll i n e a rr e t u r n , w i l lr e s u l ti ne q u a t i o ny - - 0 0 0 8 7 x + 0 2 5 5 8 衅o 0 1 ) ；t ot h em a n y y e a r sm a t e r i a lr e s e a r c ho f h e a ti s l a n de f f e c t , i n d i c a t e st h a tt h e r ei se x i s t e n c eo b v i o u s1 2 y e a rc y c l e si nh e f e ia n n u a lm e a nt e m p e r a t u r es e q u e n c e 3 r d , i nt h er st e c h n o l o g yu t i l i z a t i o n , u s i n gh i l _ t g eg r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o n t h r e e l c h a n n e l ss y n t h e s i so ft h er e m o t es e n s i n gp i c t u r ea n di n v e r s i o no fg r o u n dt e m p e r a t u r ei n s a t e l l i t e b yt h ef o u rs e & , q o n sh e a ti s l a n dc h a n g e , t h eu r a b nh e a ti s l a n dr e g i o ni sd i v i d e d s e v e r a lp a r t s ；w h e nc l o u d0 1 b r e e z e ，t h eu r b a nh e a ts o 嗽i ss c a t 喊t h ec o l d h e a t s o r r c 地m u t u a l l yi n t c r l o c k s ，a n dt h ee f f e c to fu r b a nh e a ti s l a n di sn o to b v i o u s ；f r o mt h e s u m m e rh i 【g ht e m p e r a t u r ei n v e r s i o n ，t h em a x i m u mt e m p e r a m r ed i f f e r e n c ei nt h eh e f e i p o w e rp l a n tm e a s u r i n g p o i n ：c ，i s1 6 5 2 ( 2 , t h et i m e - s h a r i n gi n v e r s i o np r e c i s i o ni sn o tv e r y a c c u r a t ei nt h ea f 妇l o o l l 4 t h , i nt h eu r b a n i z e da d v a n c e m e n tr e s e a r c h , t h e b e s t - f i t e q u a t i o n i s y = 3 。2 4 8 e - 0 0 6 0 蛳b e t a , v e i nt h ec i t yp o p u l a t i o nn u m b e ra n dt h ec i t yh o ti s l a n di n t e n s i t y t h eh e f e iu r b a np o p u l a t i o ng r o ws t i l lh e l o n g st ot h es m a l lc i t yg r o w t hc a t e g o r yf r o mt h e c i t yp o p u l a t i o nn u m h e r ；b e t w e e nt h eb u i l t - u pd i s t r i c ta r e aa n dt h eu r b a nh e a ti s l a n d i m e a s i t yc h a n g et e n d e n c y , t w of a c t sb e c o m e st h ec o r r e l a t i o n a lr e l a t i o n s , 1 r i 砖b e s t - f i t e q u a t i o nr e s p e c t i v e l yi s , y = 1 5 1 4 1 + 1 6 1 8 5 x , s h o wt h a tt h eu r b a nd e v d o p m e n th a st h e v e r yt r e m e n d o u si n f l u e n c et ot h eu r b a nh e a ti s l a n d t h i sp a p e ra n a l y s i ss y s t e m a t i c a l l yt h ec h u r a e t e f i s t i co fu r b a nh e a ti s l a n d , p r o p o s e d t h eu r b a nh e a ti s l a n de f f e c tr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nf u t u r e ；a d o p t m e a s u r ea n dm e t h o dp o n d e ra sw e l la sf o r e c a s t sa n da r e n u s t e si nt h eu r b a nh e a ti s l a n d e f f e c tp h e n o m e n o nw o r ki nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d su r b a nh e a ti s l a n d s a t e l l i t ei n l a g e u n d e r l y i n gs u r f a c e i n v e r s i o no f g r o u n dt e m p e r a t u r e i v 1 文献综述 气候是城市重要的环境要素。人类活动对气候的影响，在城市气候中表现最为 突出，正确了解城市气候特点，对于城市建设布局，建筑设计和城市绿化等都有重 要意义。一个城市的气候优劣，固然首先决定于大气候条件，但小气候的调节也不 应忽视。同样的气候，如果布局合理，设施适宜，人们可以得到有益于身体健康和 社会经济活动的气候环境；否则，也会出现阳光不足、通风不良、气温较高的不良 影响“。 关于城市热岛的研究由来已久。1 8 2 0 年，英国化学家和业余气象家l a k e h o w a r d 在其所著的城市气候一书中首先提出城郊气温的差别，即城市热岛效应。继而 各国的许多学者分别利用不同的研究工具对世界各地的城市气温进行研究，获取了 大量的观测资料，取得了显著的成果啪1 。如s e h m i d t 利用汽车装备气象观测仪器做 流动观测，与定点观测相结合，绘制出统一时刻的气象要素等值线图。又有k r a t z e r 在总结前人的关于城市气候研究的工作的基础上，著有世界上第一部通论性的城市 气候学专著城市气候，其中有关于城市热岛的综合论述。早期对城市热岛的研 究，多偏重予中高纬度地区，如英国的伦敦、法国的巴黎、德国的慕尼黑、北美的 多伦多等城市。近年来啡3 ，对低纬度地区的城市的研究表明，这些城市同样存在显 著的热岛效应。如n a k a m u r a 于1 9 7 8 年对肯尼亚首都内罗毕的气温观测说明，该城 市不仅存在热岛效应，而且其热岛强度较大，达到1 5 4 0 c 。s h a m 对吉隆坡的多 次气温同步观测发现城区温度明显高于郊区。总之，无论城市的地理位置如何，以 及所处于的不同气候区，城市热岛效应都是存在的，所不同的是热岛强度的大小。 1 1 城市热岛产生的原因 城市热岛是城市化气候的主要特征之一，是城市化对城市气候影响最明显的表 现。大量的观测对比和分析研究确认”，城市热岛是城市气候中最普遍存在的气 候分布特征。如果绘制成等温线图，则形成等温线闭合状态的高温区，这一高温区 形象地被比喻为立于四周较低温度的乡村海洋中的孤岛，称为“城市热岛”。这种 城市气温高于四周郊区气温的现象称为“城市热岛效应”，有时也被简称为城市热 岛蝤。从农村到城市的气温空间分布情况看，由农村至城市边缘的近郊时，气温陡 然升高，形成“陡崖”，到了城市，温度梯度比较平缓，形成“高原”，到了市中心， 人口和建筑密度增加。温度值大小，则称为城市热岛强度( t u r ) 。研究城市热岛 的成因，强度和分布，对于城市环境保护和人居环境的规划都有着重要的意义 城市热岛是在城市化的人为因素和居地天气气象条件共同作用下形成的。 在城市化过程中下垫面性质的改变最为突出嘲。城市中除少量绿化地外，绝大 部分为人工铺砌的道路、广场、建筑物和构筑物。其下垫面的导热率和热容量都比 郊区大：城市下垫面的不透水面积比城郊要大，降水后雨水很快从排水管道流失， 因此在城市中可供蒸腾的水分比郊区少，其获得的净辐射用于蒸散的潜热源比郊区 少，而用于下垫面增温和向空气输送的感热则比郊区多：同时城市中建筑物群构成 的城市“街谷”中的墙壁与墙壁之间，墙壁与地面之间，在太阳照射下会产生多次 的反射和吸收，在其它条件相同的情况下，能够比郊区获得较多的太阳辐射能，加 上城市“街谷”中风速较小，热量不易外散，这些都导致城区的气温高于郊区。 城市中由于人口密度和能量消耗量都比郊区大，其排放至大气中的人为热、温 室气体及其在工业生产、交通运输等过程中排放的污染物都比城郊多，这些都在城 市热岛形成中起着定的作用眦，。在中高纬度城市特别是在冬季，城市中排放大量 的人为热是城市热岛形成的一个重要原因；而城市中的温室气体如二氧化碳和水汽 等都吸收地面长波辐射，然后再以长波逆辐射的形式投向地表，使地表增温；城市 大气中悬浮的颗粒状污染物在白天能吸收一定波长的太阳辐射，夜间笼罩在城区上 空，能增加长波逆辐射，使城市覆盖层内的长波净辐射损失减少，对加强夜间城市 强度是有利的。 同一时期，在同一城市的热岛现象却时有时无、时强时弱，这是因为城市热岛 的形成，不仅受人为因素( 下垫面性质的改变、人为热、温室气体和污染物的排放) 的作用，还受到天气形势和气象条件的制约。在不同纬度、不同区域气候条件下， 不同城市、不同季节和一天中不同的时段各因素在城市热岛形成中所起作用的程度 是不同的。大量的观测事实证明，稳定的、气压梯度小的天气形势是有利于城市热 岛的形成的。另外，云量的多少( 尤其是低云量) 对于热岛的形成起着非常重要的 作用，云量多时不利于热岛的形成，云量少时则热岛强度增强；风速也与热岛效应 里明显的负相关，城市风速小时有利于热岛的形成“”。 城市热岛效应是多种因素综合作用的结果。徐祥德等咖将城市热岛的形成原因 归纳为以下三个方面：城市下垫面的影响，包括下垫面的不透水性、下垫面的热 性质及其下垫葱的几何性状( 即街谷) 对城市热岛的影响：人为热的影响，对城 市近地面层的空气有加热作用；大气候条件的影响，地理位置不同的城市表现出 不同的城市气候特征，即使同一城市，在不同的天气气候条件下，城市热岛效应也 表现不同。 张景哲“”等用多元回归和逐步回归的方法对北京市气温与城市下垫面结构的 关系进行了分析；s a i t o h 等指出城市热量释放的来源包括化学燃料( 石油、丙烷 和电力等) 、交通，人口等；赵宗慈，丁一汇等m 1 指出城市规模越大，人口越多， 气温增温越明显；孙旭东等o ”通过对西安市城市边界层热岛的数值模拟，结合西安 市1 9 8 3 年秋冬城郊气象场的观测资料及能源耗量，评估了城市人为热的增加对未 2 来城市热岛强度的影响；杨德保等洲对兰州气候与“热岛效应”进行了综合分析， 发现兰州市热岛的形成除天气条件外，主要与城市发展、人口增加、下垫面改善及 大气中污染物浓度增加有关；吴可军等选取最佳方案将卫星遥感的地面温度转换 成地面空气温度，得出结论，三种不同的城市下垫面对城市热岛的形成、加强和减 弱具有不同的影响；徐兆生等州利用1 9 8 2 1 9 8 5 年期间北京苏俄舍得城市气候站观 测资料。讨论了城市热状况，指出城郊升降温速率的差异、城市建筑物的阻挡作用 是形成城市热岛的原因之一。 1 2 城市热岛研究方法 影响城市热岛的因素及其相互之间的关系是多变的。热岛的边界具有不确定 性，随着时间、空间的变化而变化。热岛的水平结构和垂直结构也很复杂，要比较 耪确地描述城市热岛特征有很大的困难，因此研究的方法也是层出不穷，各有优劣 从以往的研究情况看，研究方法主要有以下四类。第一是通过城市和郊区的历年气 象资料的对比分析来研究城市热岛的动态和现状“。“。第二是通过遥感卫片、航空 资料。通过计算机技术，解释热岛特征“”。第三是通过建立数学模拟“”。第四 是通过布点观测“”叮。布点观测又可分为三类，一是通过探空气球，可以得到包括 热岛垂直结构在内的现状和变化动态；二是通过小气候观测仪、人工布点观测；三 是通过汽车等交通工具进行流动观测，一般是往返观测。 1 3城市热岛效应特征分析 从大量观测资料来看，城市热岛强度有明显的周期性变化和非周期性变化。在 周期性变化中有日变化、季节变化和某些地区按星期日序的周变化。非周期变化主 要是指气象条件的变化。 1 3 ，1 周期性变化 1 3 1 1 日变化 一般情况下，在风速较小的晴空或少云天气条件下，城市热岛强度大都是夜晚 强，白昼弱。o k e 伽根据中纬度大量实测记录归纳出在“理想状态”下( 城、郊地 形平坦，天气晴朗、小风) 城市热岛强度日变化的模式曲线。该曲线显示出，在日 落后，由于城区气温下降缓慢，相对于快速降温的郊区大气来说，形成城市热岛， 日落后3 5 小时达到最强。子夜以后，热岛强度开始逐渐减小。日出后到了近中 午，城、郊温差变得很小，甚至有些地区郊区气温高于城区气温。 对此各国学者进行了大量的研究，如c h a n d l e r 对英国莱斯特“”、h a g e 对加拿 大的埃德蒙顿嘲、o k e 等对蒙特利尔和温哥华、l e e 对伦敦渊等城市热岛日变化 的研究结果与o k e 归纳的情况具有一致性，只是夜间热岛强度出现时间各有不同。 3 我国的广州嘲、上海嘲、南京洲、哈尔滨嘲等城市的热岛强度日变化也呈现出0 k e 所提出的变化状况。 1 3 1 2 季节变化 热岛强度的季节变化十分复杂，它随区域气候条件和城市人为因素而变化，没 有固定的模式。就我国来说，处于副热带和温带的气候影响下，城市热岛表现为冬 季和秋季最强，夏季和晚春最弱。 北京的城市热岛在各季节有明显变化嗍。北方的其他几个城市( 兰州、沈阳等) 的城市热岛强度的变化规律与其有一致性。上海则是秋季最强，夏季最弱；广州也 是冬季最强，但最弱的是春季。 如表1 所示啪1 ，处于南副热带上的广州，春、夏风速大，熟岛强度弱，而且还 会出现凉岛。北副热带上的上海，秋季云量最少，秋高气爽，风速也小，热岛效应 表现强。冬季的北京，温带的气候条件本身就非常有利于城市热岛效应的发展，再 加上人工取暖的增多，1 2 月和1 月的热岛效应表现特别明显。 囊i 我国三城市热岛强度逐月变化( 平均气温) ( 单位：) t a b l e1t h r e ec i t ym o n t h l y c h a n g e so f u r b a nh e a ti s l a n di n t e n s i t yi nc h i n a ( u n i t ： c ) 月份123 4 5 678 9 1 0 1 1 1 2 统计年份 广州0 7 0 40 1- 0 1- 0 0 30 1- 0 10 10 30 , 50 61 41 9 8 1 1 9 8 2 上海0 70 60 4 0 40 30 10 30 20 81 o0 , 90 , 81 9 8 4 - 1 9 8 8 北京2 41 81 21 2 1 8 2 0 1 61 22 01 41 , 82 21 9 8 2 - 1 9 8 5 1 3 1 3 周变化 根据国外的一些研究表明，因为周末为统一的休假日，周末的热岛强度明显降 低。这种变化主要受人为热因素的影响。在我国目前还没有关于此类的相关报道。 1 3 2非周期性变化 造成城市热岛强度非周期性变化的原因有气象条件和人为因素两方面。在气象 条件中以风速、云量、太阳直接辐射、低层空气直减率等为最重要因素：在人为因 素中则以空调耗热量和车流量两者的关系最密切。 1 3 2 1 气象条件 对气象条件的研究，人们主要是在大量观测的基础上，回归总结出热岛强度与 不同气象要素之间的方程式。如s u n d b o r g 总结出的瑞典鸟卜萨拉市的热岛强度与 总云量、风速、气温、水汽压的回归方程式。同样，在其他城市也总结出了类似的 方程式m 1 。从这些方程式中可以总结出，各地城市热岛强度与风速的关系最大，而 且风速、风向的不同还会使城市热岛中心的位置发生位移；当风速达到某一临界值 v l i m 时，城市热岛就不存在。这一重要结论为城市热岛的研究开辟了新途径。 1 3 2 2人为因素 4 人们研究城市热岛与城市规模、人口数量的关系，得到许多经验公式。o k e 根 据北美1 8 个城市和欧洲1 1 个城市的资料，进行统计分析得出最大热岛强度t u r ， m a 】( 与城市人口p 相关的回归方程如下： t u - r ，m a x = 3 0 6 崦p - 6 7 9 ( 适用于北美) t u - r ，m a x = 2 0 1 】口gp - 4 0 6 ( 适用于欧溯) 嘲 对人为因素的研究，人们也采用相同的方法，总结出临界风速v l i m 与城市人 口数的经验公式v l i m = 3 4 l o g p 1 1 6 1 ，式中p 为城市人口数。经观测证实，它 与实际情况是基本一致的。许多学者在研究城市热岛强度地区差异后，得出不同规 模、地形平坦的城镇热岛强度的近似值模型：t u r m 0 2 5 p “4 u ”，其中p 为城 市人口，千人：v 为城市平均风速，m s 。 f l u k a 于1 9 8 3 年研究得出人口与城市最大热岛强度是非线性的，p a r k 对韩国 首尔等城市热岛的研究，也指出城市人口数与最大热岛强度之间的关系是非线性 的。人们还对不同的下垫面类型和城市热岛的关系进行了研究，在相同的气象条件 下，不同下垫面类型的气温还是有很大的不同的。c h a n d l e r 曾经对城市中建筑物 的密度与热岛关系进行了研究，指出英国城市热岛强度与城区观测点5 0 0 m 范围内 的建筑物面积密度关系最大。经过计算，晚间热岛强度与该范围内建筑密度的正相 关系数高达0 9 嘲。 1 3 3城市热岛的垂直结构 以上的分析均是对城市热岛的水平分布而言的。研究城市热岛的垂直结构，有 利于理解城市热岛的垂直发展情况、对大气上空相关气象要素和大尺度气候状况的 影响以及它在城市热岛存在的天气条件下，城市中大气污染物的扩散研究等。 对城市热岛垂直结构的研究还可以看到城市对气温的另一方面的影响，即空气 层结逆温的变化。由于城市下垫面粗糙度增大，使得湍流活动增强，加上城市上空 烟雾比较多，即减少了白天的日射量，又阻碍了夜间地面有效辐射量降温，所以城 区接地逆温出现的次数明显少于郊区咖。 1 9 5 2 年d u c k w o r t h 和s a n d b e r g 首次利用探空气球对城市热岛的垂直结构进行 了观测研究。事实证明，城市热岛所及的高度在l o o m 左右。在此高度以下，城市 温度比郊区高，过此高度后，则城市上空的气温反而比郊区低。这就是所谓的“交 叉现象”( c r o s s o v e re f f e c t ) 。此后，人们又采用飞机携带观测仪器、建造气象铁 塔等方法进行垂直方向的观测，得到大量可靠的数据，绘制出了城市热岛强度随高 度的变化规律。 随着大气边界层理论的发展，人们在大量观测资料的基础上，已经能够绘制出 大气边界层，尤其是近地层大气的风速、温度垂直分布线，即风、温廓线。这些廊 线更有助于认识城市热岛的垂直结构。日出前，城区在l o o 2 0 0 m 以上有悬浮逆温， 郊区在3 0 0 m 以下存在接地逆温，4 0 0 m 以上的高度城区和郊区的逆温层消失，温度 里较小的直减率，大气层结趋于稳定；日出后，城郊的逆温层逐渐减弱和抬高热岛 效应随之减弱；午后时段，城郊垂直温度差异不大，下垫面由于辐射加热后以湍流 方式向空气层输送热量；日落后，由于郊区地面降温较快，很快出现接地逆温，而 城区则出现悬浮逆温。这就是利用廓线分析热岛的日变化的原因 1 4 不同类型城市热岛成因分析 1 4 1 高原城市热岛强度对比分析 同是高原城市，但热岛强度却大不相同，地处黄土高原上的兰州市和西宁市的 热岛强度较大，在1 9 8 1 1 9 9 8 年，其平均值分别为3 。3 0 嘲和3 。4 3 坼】，而在此 期问云贵高原上的楚雄市的热岛强度平均值为l1 0 ，而昆明市为1 2 0 卿，景 洪市为0 5 0 ，位于内蒙古高原上的呼和浩特热岛强度才0 1 3 洲。为什么同 是高原城市，熟岛强度却有如此大的差异呢? 这说明下垫面性质对城市热岛形成有 影响。兰州市、西宁市地处我国的大西北，降水量少，植被稀少，郊区地表干燥裸 露，空气流通，辐射冷却更强烈，因而郊区失热多于城市，兰州市是以重工业为主 的大城市，城市人为热量比郊区多，在加上大气烟尘、c 0 2 浓度增加等原因，使城 市大气逆辐射增多，从而使城市气温高于郊区，城市热岛效应显著，而且兰州三面 环山，晚上较大的山风有利于热岛环流的形成和加强。位于云贵高原上的昆明市、 楚雄市、景洪市等，由于受西南季风的影响，年降雨量远远大于兰州市和西宁市， 一年四季如春。植物生长茂盛，到处绿树成阴，春意盎然，植被可缓解城市的热岛 效应，城市规模也比兰州市小，使其城市的热岛强度比兰州市弱。特别是景洪市位 于西双版纳森林覆盖区，植被高大茂密，对城市热岛强度的削弱作用更强，其城市 热岛强度明显低于昆明市和楚雄市。热岛强度最小的是位于内蒙古高原上的呼和浩 特，主要是由于郊区以牧业为主，到处是草原，草原对气候有一定的调节作用，再 加上地势平坦，风速较大，使城乡温差减小，导致城市热岛不明显。由此可见，城 市的下垫面性质和城市周围的环境等对城市热岛强度有加强或削弱的作用。 1 4 2 平原城市热岛强度的对比分析 通过1 9 9 9 年资料分析得知，沈阳市为2 7 0 c “”，大连市为1 2 6 c 呻1 ，地处辽 河平原的沈阳市的热岛强度明显高于濒临黄海、渤海的大连市。位于华北平原的济 南市和郑州市两城市对比，通过1 9 5 6 1 9 9 0 年资料分析，济南市热岛强度为1 0 5 蚴，郑州市热岛强度为1 9 0 c t 嘲，靠近内陆的郑州市的热岛强度明显高于濒临黄 海、渤海的济南市。同位于长江中下游平原的上海市和杭州市，通过1 9 9 7 1 9 9 8 年的资料分析，上海市热岛强度约为i 7 0 ，而杭州市约为0 9 3 c ，上海市 和杭州市尽管都濒临东海，但是上海市的城市规模比杭蝌市大，人口比杭州多，所 以近年来，上海市热岛强度明显强于杭州市。从上面分析可以看出，濒临海洋的城 市由于受海洋影响大，气候温和湿润，说明水面缓解了城市热岛强度，另外城市规 模对热岛强度也有一定的影响作用 i a 3 纬度相差不大的高原城市和平原城市热岛强度对比 位于低纬度的昆明市、楚雄市比深圳市热岛效应明显，例如楚雄市热岛强度 1 9 8 6 1 9 9 2 年为1 2 ，而此期闻，深圳市为0 5 5 。位于中纬度的城市，兰州 市在1 9 8 1 1 9 9 0 年期间，热岛强度为3 3 0 嘲，西宁市为3 4 3 0 姗，与之纬度相 差不多的平原城市济南市为1 4 0 湖，郑州市为1 9 5 ( 2 t 捌，高原城市的热岛强度 明显大于平原城市。但其中也有例外i 近年来上海市比昆明市、楚雄市热岛效应明 显，沈阳市、大连市的热岛强度比呼和浩特明显；呼和浩特由于四周下垫面草原覆 盖，在加上地势比较平坦，风速较大，这些条件的综合作用对热岛强度有削弱作用， 所以热岛强度特别弱。从分析得知，大部分城市在纬度相近、城市规模相差不多的 情况下，高原城市热岛强度大于平原城市热岛强度，说明海拔高度等地形条件对城 市热岛的形成也有一定的影响，大气环流对城市热岛也有一定的影响，例如昆明、 楚雄等云贵高原城市主要位于西南季风气候区，而上海、济南等大城市主要位于东 亚季风气候区，不同的区域气候背景会引起热岛强度的变化。杨梅学等提出，兰州 市若去掉地形因子的影响，热岛强度比原来降低1 8 5 1 ，热岛环流将变得更弱。 1 4 4 不同城市热岛强度季节变化对比分析 不同城市热岛强度季节变化规律各异。1 ，楚雄、昆明、景洪等云贵高原城市， 热岛强度最大值出现在1 1 月次年4 月( 干季) ，以春季的3 、4 月份最大；热岛 强度最低值出现在( 5 月1 0 月) ( 雨季) ，以夏季的6 、7 月份最小。而上海、济 南、北京等大城市秋、冬季节热岛强度大，夏季最小。原因主要是云南位于西南季 风区，干湿季分明，干季主要受大陆性气团的控制，晴好天气多，空气湿度小，云 量少，此外冬季气温低，大气层结构稳定，郊区由于植被干枯，地表裸露，空气流 通，辐射冷却更比城市强烈，因此城郊温差大，城市热岛比较明显，尤其是3 、4 月份是云南太阳辐射量最大、极端最高气温出现的时节，气温高、云量少，城郊温 差达到最大；而雨季，主要受孟加拉湾暖湿气团控制，阴雨天气多，9 0 的降水集 中于5 1 0 月份，不利于热岛的形成和发展，尤其6 、7 月最为突出，所以夏季的6 、 7 月热岛强度出现最低值。上海。1 等大城市位于东亚季风气候区，夏季多云，风速 亦偏大，城市热岛不明显；秋季少云，“秋高气爽”风速又偏小，热岛强度最大； 冬季由于天冷，城市人为取暖放热较多，城市热岛也较明显、楚雄、昆明等云贵高 原城市，热岛强度的日变化规律与上海、北京等大城市相似。 总之，影响城市热岛强度的因素很多，除人工热源之外，地形条件、地表性质、 城市规模、大气环流、区域气候等因子都会对城市热岛产生影响，可以认为城市热 岛是以上几个因素共同作用的结果，而且各大城市的热岛强度的变化规律也各有特 点。 1 5 城市热岛不同研究方法的分析 1 5 1城郊温差分析方法 大多数学者采用o k e l 4 7 j 所提出的城市热岛强度定义，即以热岛中心气温( 高峰) 减去同时间同高度( 通常是距地1 5 m 高处) 附近郊区的气温差值来表示熟岛强度 也有人主张用城市各站平均气温与同时间同高度附近郊区各站的平均气温的差值 来表示嗍。但是目前为止，国内外城市中为了研究城市气候而设置的气象站不多， 也不可能每天都进行流动观测，因此往往取城区某一代表性的观测站与郊区另一具 有代表性的观测站的气温资料进行对比，以此来表示热岛强度的变化b 1 1 。随着城市 气候研究工作的进展，人们对城市热岛的研究也逐渐深入，一些新的理论和研究方 法也逐渐发展起来。 1 5 2数理分析方法 数理方法也应用在了城市气候学研究上，1 9 8 7 年o k e 提出城市能量平衡方程， 这使人们对城市热岛的研究有了一定的理论依据。o k e 提出的理论如下：取城市边 界层和城市覆盖层两层中间的一个界面a b c d 作为活动界面，以此活动面为基础， 测城市“建筑物一空气一地面系统”( b u i l d i n g - - a i r - - g r o u n dv o l u m e ) 的能量平 衡方程表示如下：q n + q f = q l 十q e + q s + q a 式中q n 为净辐射( 辐射平衡) ；q f 为人为热( a n t h r o p o g e n i ch e a t ) ；q h 为下 垫面与空气间湍流显热( 或称可感热) 交换，简称做地一气显热交换；q e 为下垫 面和空气间潜热交换，简称做地一气潜热交换；q s 为下垫面内部( 包括建筑物和 地面等) 贮热量变化；o a 为热平流量的变化。 1 5 3卫星遥感分析方法 气象卫星资料和遥感手段在城市气候研究中的应用增强，比如应用美国n 0 从 的a v h r r 资料分析城市下垫面温度、下垫面反射率并据此研究城市下垫面的辐射平 衡及应用同步观测进行回归分析，找出城市下垫面温度热岛和气温热岛的关系。 p a r k 根据1 9 8 2 年的观测资料，将其研究区域在卫星图片上划分多个0 5 * 0 5 k m 的 小网格，把当地的土地利用和下垫面分为不同的类型，然后在每块小网格上计算出 各种土地利用类型所占小块面积的百分比，求出了热岛强度与不同下垫面类型的回 归方程删。在我国，应用气象卫星对城市热岛现象使用四个季节的昼夜数据进行的 处理和分析，与航空热红外扫描的结果高度一致，从最终应用分析的角度来看，二 者的应用效果差距极小，而成本是无法比较的；北京大学张景哲曾经利用卫星图片 进行下垫面分类工作，这是我国利用卫星图片来进行城市气候学研究的一次有益的 尝试。“。 1 5 4航片分析方法 0 人们还利用直升飞机携带仪器在空中观测，拍摄相片，进行城市热岛垂直范 围和水平范围的研究。a h a u e r 和g a m a r o t a ，j c c o i n e r m j 曾利用城市航空照 片进行城市下垫面分类研究，但是由于航空照片代价很高，不容易得到，所以使它 的使用受到了限制。 1 6 城市热岛目前的研究热点 到上个世纪8 0 年代，随着传感技术和航天技术的发展，应用航空像片和卫星 影像进行城市专题研究也日趋成熟。大量的彩色、熟红外遥感技术被应用于城市扩 展分析、城市环境监测。全球环境变化中的人文领域计划( i h d p ) 的“土地利用和 土地覆盖变化”( l u c c ) 研究计划的提出和1 9 9 8 年美国原副总统戈尔的“数字地球” 概念的提出，世界许多国家也相继成立相关的组织机构进行“数字国家”的研究， 在一些省、市区域范围内，各地政府也纷纷配合“数字国家”，提出了“数字城市” 的概念，并进行了大量的相关研究工作，取缛了一定的成效。在这种宏观背景下， 城市成为世界各国研究的重点。