城市热岛效应研究进展.doc

彭少麟等：城市热岛效应研究进展 579城市热岛效应研究进展彭少麟1, 2，周 凯2, 3，叶有华1，粟 娟41. 中山大学生命科学学院/有害生物控制与资源利用国家重点实验室，广东 广州 510275；2. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650；3. 中国科学院研究生院, 北京 100039；4 广州市林业局，广东 广州 510000摘要：作为现代城市气候主要特征之一的城市热岛效应有日渐严重的趋势。文章综述了城市热岛的生态环境效应、热岛的主要形成机制、时空分布特征等研究状况和发展趋势；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。关键词：城市热岛；城市气候；研究进展；控制对策中图分类号：X16 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）04-0574-06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1，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2。2000年居住在城市的人口达到45%，预计到2007年将达到50%，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4, 5。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题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。1 城市热岛的生态环境效应城市气候最显著的特征之一就是热岛效应，人类很早以前就发现城市的大气环境与乡村及山区具有不同的特点。英国人Lake Howard于1833年第一次对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行文字记载7，Manley于1958年首次提出城市热岛（Urban Heat Island，UHI）的概念8。现在普遍认为，城市热岛效应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使城市温度明显高于郊区，形成类似高温孤岛的现象。研究表明，随着城市不断“摊大饼”一样的蔓延扩大及农村人口进一步向城市集中，城市热岛现象变得越来越严重，对城市生态环境的影响也是多方面的。热岛强度最大值为德国柏林13.0 、加拿大温哥华11 、中国北京9 9, 10、美国亚特兰大12 11、中国广州7.2 12、中国上海6.9 10，热岛强度令人震惊。如此之高的热岛强度不仅会带来酷热的天气，还会造成各种异常城市气象，如暖冬、飚风及暴雨等，对城市气候、工业生产和居民生活产生很大的影响，特别是在炎热的夏季。1980年7月，美国圣路易斯市和堪萨斯市遭遇罕见热浪，城市中受热岛影响的商业区，其人口死亡率分别上升了57%和64%，而未受影响的城郊地区，其死亡率上升不到10%。城市热岛不仅对城市环境质量及市民健康产生非常不利的影响，同时亦给城市生活带来很大的经济负担。持续的高温会使城市工商业用电、居民用电等能耗剧增，造成电力紧张，居民感到不适和烦躁，甚至会引起各种疾病，特别是使心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发病率增加，同时提高城市空气污染水平，特别是对大气层中臭氧的破坏。据美国能源部的估计，美国为缓解热岛效应每年要多花费高达100亿美元之巨的能源成本支出13。另一方面，热岛效应促使城市用于空调运转的耗能量(包括建筑物内、交通工具内等)上升，从而导致温室气体排放大量增加，温室气体排放又直接加速全球变暖，气温进一步上升反过来又加重热岛效应，这两者之间已经形成了恶性循环的关系。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 人为热和大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14。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 15。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16。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废气能强烈吸收地面长波辐射，并能增加大气对地面的长波逆辐射，加剧城市热岛强度。2.3 城市规模、形状和所处的地理位置城市建成率（built-up ratio）17、几何形状18与热岛强度存在明显的相关关系。如果街道走向设计或几何形状不合理，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19，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 20。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21，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22。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23。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 城市热岛的时空分布特征3.1 城市热岛强度随时间的变化热岛强度随时间主要表现出2种周期性的变化，即日变化和年变化。在晴朗无风的天气下，日变化表现为夜晚强，白昼午间弱；年变化表现为秋冬季强，夏季弱。城市热岛强度不但有周期性变化，而且还有明显的非周期性变化。引起热岛强度非周期性变化的原因主要与当时的风速、云量、天气形势和低空气温直减率有关，主要表现为风速越大，云量越多，天气形势越不稳定，低空气温直减率越大，热岛强度就越小，甚至不存在热岛，反之“热岛”强度就越大。根据过去中国50年的年平均气温数据研究认为，城市热岛效应对年平均温度的影响主要包括3个方面，即年平均温度值升高、年际间温度差异下降和气候趋势的改变，全国热岛的平均强度不到0.06 ，与全球0.05 接近25；也有研究认为，从上个世纪的70年代到90年代的20年里热岛强度以每10年0.1的速度上升26，而珠江三角洲都市群热岛强度由1983年前的0.1 上升到1993年的0.5 27；还有人估计城市化和土地利用性质的改变会使热岛以每个世纪0.27 增加幅度上升28。全国主要城市的热岛区域面积也随时间持续增加，如上海城市热岛区域面积由20世纪80年代的100 km2到90年代的800 km2。3.2 城市热岛强度随空间的变化城市热岛的水平分布表现在热岛出现在人口密集，建筑物密度大，工商业最集中的地区，而郊区则有较好的植被覆盖，或者农田密布，热岛强度小。热岛的空间分布因高度的不同而有所差别。表现在白天城郊差别不明显；夜晚城郊热岛强度差别大，并且强度的这种差别随高度的升高而下降，到一定的高度还会出现“交叉”现象。4 城市热岛的缓解对策4.1 城市绿地与森林大量研究表明，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。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Malm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。4.2 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29；使用能降温节能，缓解热岛强度的户外建筑材料30；提倡渗透性的地面铺装材料31。据估计，综合采用这些措施可在美国全国范围内每年降低大约100亿美元的能耗投入13。4.3 人为热的降低 需要向城市居民灌输环保生活理念，提倡每个人、每户家庭都要将环保的生活理念贯穿于日常生活的方方面面，变成自觉行为。居民日常生活方式的改变将是一件长期而又很有意义的工作，可直接大量降低交通运输、空调、烹饪及工业生产过程的废热。另外提高能源利用效率，实行清洁生产，或者开发利用新型高效环保能源。4.4 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。5 城市热岛效应研究展望随着世界性城市化、工业化进程的加快，热岛效应越来越明显，热岛的强度也越来越大，极大地影响着城市生态环境和城市居民日常生活，引起了各国政府的高度重视和广泛的关注。由于城市规模、人口数量、下垫面性质、工业发展水平、受影响的天气类型、地理位置不同，各个城市热岛效应所表现的特征及规律也各不相同。因此，对各个特定城市热岛的研究还有许多工作要做。在总结当前研究工作的基础之上，作者认为，将来城市热岛研究应着力于以下几个方面：5.1 大气中总悬浮颗粒物在热岛效应中的作用总悬浮颗粒物（Total Suspended Particles，TSP）是指能悬浮在空气中，空气动力学当量直径小于100 m的颗粒物，是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标，被认为是影响空气质量的首要污染物。虽然TSP在大气中的含量很少，但是因其组成复杂性、性质多样性对城市环境、居民身体健康和城市气候的危害很大。有的颗粒物本身就是有毒物质或有毒物质的载体，也可以作为大气中一些化学反应的媒介，使城市空气污染变得更加错综复杂，通过吸收和散射太阳辐射而影响气候的变化，被认为是继CO2之后导致全球气候变暖的第2个直接驱动力32。有研究认为TSP对中国的区域气候有着重要的影响，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33。不过TSP在城市热岛效应中的作用与贡献并未受到应有的重视34，国内只有对沈阳城市热岛变化趋势与TSP相关关系进行了初步探讨35，其它更多的文献只是从空气污染的角度对TSP进行相关研究。因此，应从下面3个方面加强对TSP的研究：（1）TSP在城市热岛中的贡献；（2）TSP作用的过程、速率和作用机理；（3）TSP与城市植被和城市热岛的相互关系、植被对TSP的净化。5.2 城市热岛对城市水循环的影响城市热岛作为一种典型的城市气候现象势必影响到城市的降水。研究表明，城市热岛使降水加强36；一些学者对城市热岛与雷暴的关系进行了研究后也强调热岛对产生雷暴天气起着重要作用37, 38；Dixon和Thomas（2003）分析了亚特兰大热岛产生降水的类型和原因，结果表明降水具有明显的时空分布，低湿似乎是热岛诱导降水的最重要因子，而不是热岛强度39。我国也有少数学者对热岛与降水的关系作过少量的分析。目前关于城市热岛与降水的关系中普遍认为热岛对降水促进作用，特别是加强了城市顺风区的降水。但是降水增加与热岛强度存在怎样的一种数量关系仍然未知24。在城市降水增加过程中，热岛强度还是湿度起最大作用尚有疑问，热岛与降水的数量关系模型尚需研究，城市森林在热岛与降水相互作用中的地位及TSP与其的综合作用都值得进一步研究和探讨。城市露水的研究很少40，城市露水与城市热岛关系的研究在文献中尚是空白。在水资源越来越缺乏的今天，城市水的循环应该引起我们的足够的重视。5.3 城市立体绿化 城市绿化是一个受大众普遍关注的课题，而城市立体绿化是城市绿化的发展方向，它是一项方兴未艾的事业。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。5.4 其他城市热岛可以单独影响城市的气候，但大气因子都不是孤立的存在，独立的起作用。因此，城市热岛与城市污岛之间的相互作用关系及其共同对城市气候的作用机制研究也是未来城市热岛研究的重要内容之一。国外对如何降低热岛效应的具体措施作过很好的研究，如使用提高对太阳光反射率的表面材料、使用能降温节能，缓解热岛强度的户外建筑材料、改用渗透性的地面铺装材料、城市建筑形状的设计、清洁生产的工艺等进行过有益的探索，但是国内的研究还很欠缺，需要及时跟进，这也是城市热岛研究的最终目标。前已述及，城市热岛的缓解在很大程度上有赖于生活和工作在这个城市的居民，他们环保生活理念的养成，尚需政府及科研机构等大力协同，其中科研机构责任重大。科研院所可以利用一切机会，教育市民如何从自己身边的小事作起，将城市热岛的危害降到最低。致谢：中国科学院华南植物园文军、郝容、柳新伟、杜卫兵、田胜尼、陈卓全、郝艳茹、张桂莲、肖辉林等为本文提供了帮助，特此致谢！参考文献：1 PALUMBI S R. 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