城市热岛效应的产生及研讨方法

城市热岛效应的产生及研讨方法工 摘 要：本文在简述城市化进程中城市热岛效应内涵的基础上，分析了城市热岛效应产生的原因和热岛效应给人们的工作、生活带来的不利影响， 介绍了城市热岛效应研究的几种方法，探讨了遥感技术应用于城市热岛效应的前景及进一步研究的意义。关键词：城市化 热岛效应 遥感 前景1 热岛效应产生的原因热岛效应是由多方面的原因造成的，主要原因是城市规模不断扩大和城市迅速发展,城市中高楼林立,建筑物高度集中。城市地面导热性比松土或湿土高出数倍,并且热容量很高，散热速度快,大量接受太阳辐射，并积蓄能量，吸收和反射、辐射的热量大量被积聚、截留在不太流通的城市街道空间，从而产生热岛效应。热岛的产生还受到地理条件和自然条件的影响，街道的走向对城市通风的影响也是热岛产生的原因。城市人口集中，空调的密集使用排出热气，进入空气，形成一个恶性循环。垃圾废弃物集中,汽车尾气排放的CO2也是城市热岛产生的原因之一。同时有利于减少热岛强度的因素在城市中又被削弱，首先,在城市中缺乏高大的树木以及灌木和草地，特别是高大的乔木,因为植物能有效地阻挡、吸收太阳辐射、净化空气、减轻热岛强度；其次，－1－建筑物阻碍空气流通，风速减小。另外，城市中水体缺乏，蒸发量少，植被缺乏，蒸腾量也少，也增加了热岛强度。2 热岛效应的危害2.1 夏季发病率提高。夏季中暑与高温关系十分密切，每年都有因高温而中暑甚至引发死亡的事情发生， 尤其在日最高温度超过 37℃时，中暑病人、患肠胃疾病病人和高血压、冠心病发作的病人明显增加，由于高温导致死亡的人数也明显增加，温度升高与中暑的死亡率成正比关系。2.2 光化学污染加剧。在高温季节，汽车尾气和工厂排放的废气中的氮氧化物和碳氢化物， 经光化学反应形成一种浅蓝色的烟雾，在热岛的影响下，形成二次污染物，不易沉降，空气混浊，造成散射光，显著降低能见度，水平视程缩短，不利于车辆的行驶安全，对人的眼睛有强烈的刺激作用， 也容易引发呼吸道感染。城市热岛强度越大， 太阳辐射强度越大，这种光化学烟雾浓度就越大，危害性就越强。2.3 热岛效应加重了污染。 由于有热岛的存在， 城市中盛行上升气流。城市空气中悬浮着大量的烟尘等微粒 ,因而城市上空便易形成以这些微粒为团粒结构的云团。 造成城市地区的近地层空气污染严重。3 城市热岛效应的研究方法－2－3.1 测试点法。测试点法是指根据热力学定律和城市热岛效应的分布状况， 从水平和垂直方向进行观测的方法。 城市热岛效应由于受多种复杂因素的影响，因时因地因气候条件的不同，在不断的发生变化，根据其变化的多样性， 可以采取固定位置、定点观测的方法， 了解同一地区不同时间的气温变化和同一时间不同测试点的气温变化， 测试点法可以从水平和垂直两个方向进行城市热岛的观测。在水平方向对城市热岛效应进行观测， 研究热岛水平分布特征，一般选择城市和郊区若干个典型的观测位置， 进行多项温度气候指标的测定比较， 也可以利用横穿城市剖线进行观测研究。李有等在 2001年11月7日到8日同时对郑州市的气温、 温度、风速进行观测，把郑州市及其近郊划分为 30个等网络点，选取有代表性的24个网络点，绘制了信息丰富的郑州市秋季城市热岛效应的日变化图。测试点法在垂直方向一般采用在不同垂直高度安放铁塔或在气球上悬挂温度传感器的方法。张一平等利用这一方法，对昆明城市热岛进行研究，获得了昆明城市热岛效应的垂直分布特征图。测试点法发展至今更多的采用的是水平与垂直相结合的方法，这两种方法的有机结合更能准确的测定城市中热岛效应－3－的变化情况，为全面监测热岛效应的变化提供了更为丰富的数据。3.2 遥感测定分析法。遥感测定分析法是指不同地物对太阳长波辐射的吸收情况不同， 形成不同波段辐射值， 运用热红外传感器对城市地表温度进行大范围的观测，再通过计算机技术，进行室内解译，分析得到地物的热量空间分布的方法。遥感技术应用于城市热场分析能够大面积、 同步和动态地监测地面热场的分布和变化情况。 赵云升等利用 LANDSAT图像，采用TM6图像增强和密度分割的方法获得了长春市地面热场等级图，获得模拟图像；方圣辉和刘俊怡则结合 2000年9月21日的LANDSAT7ETM+数据和1997年9月21日的LANDSAT5数据，利用LANDSAT图像对武汉市城市进行热岛效应分析，得出武汉市城市热岛效应不断增强的结果。遥感测定分析法研究城市热岛的变化， 包括四个步骤：首先，对研究城市地理条件、温度、气候特征进行概括分析。其次，应用图像处理的方法， 进行灰度拉伸和密度分割， 利用亮温计算模式，获得亮温数据。再次，进行几何纠正、配准与镶嵌，并进行剪切与密度分割。最后得出热场中心分布区与热场结构特征。3.3 气温对比分析法。气温对比分析法是指对某地区城市与乡村的观测站一定年份内季、年平均温度资料进行对比分－4－析，得出城市热岛效应变化趋势的方法。地面温度观测表明，近100年来全球的温度有明显的增暖趋势，在这 100年间全球平均地表温度上升了 0.3～0.6℃。运用气象站提供的气象数据可以详细的描述城市热岛效应的历史演变过程。郭家林和王永波利用 1960年到2000年哈尔滨地区近年的地面观测资料，分析了各县市的平均气温和最高、最低气温的变化规律及其差异。结果显示哈尔滨自20世纪80年代后，城市气温有增暖的趋势。气温对比分析法的过程：首先，利用各类城区观测站与乡村站的气温纪录对比分析，确定研究年份内历年气温城乡变化结果。然后，按四季划分，计算春、夏、秋、冬年平均温度变化的线性趋势。最后，进行数据分析，得出历年气温的变化，分析热岛效应的增强趋势。白虎志等在 2004年对甘肃省热岛效应的研究中选取甘肃省 1961年到2002年间38个观测站的数据对甘肃省城区和乡村气温进行了分析，得出了“近 40多年来城市热岛效应对基本/基准站年平均温度的增温贡献率为 18.5%，对城市站年平均温度的增温贡献率为 37.6%，季节增温率冬季最大，秋季次之，春夏季最小，城市热岛效应对季节增暖的贡献率则为春季最大，夏季次之，秋冬季最小”的结论。3.4 模拟预测法。模拟预测法是在城市热岛效应研究中－5－应用计算机技术运用的统计模型、 数值模型、解析模型和物理模型四种模型模拟城市热岛效应变化的方法。 这四种模型已经广泛地应用于理论和实践研究， 其中物理模型是有多种云物理和边界层的物理过程和四维固化功能。实验室模拟最有代表性的是Streutker 的高斯模型、Mihalakakou 等人工神经网络模型，这些模型为城市热岛研究提供了好的预测方法。 模拟预测法以理论分析为主，减少了现场观测，实验室模拟有一定的通用性而现实情况则复杂多变，这一方法应该在针对不同城市的环境差异进行模型校正提高预测准确度上进行更进一步的研究。4 遥感技术在城市热岛效应研究中的应用前景4.1 地面实测与遥感图像相结合的热岛数据源。 根据温度数据源而获得的热岛分布图可分为两种，一种是对 1.5m高的气象变化监测所得温度数据进行选值得到的空气温度热岛分布图，而这种方法由于受到监测点数量的限制， 一般是对数据进行插值得出空气温度热岛分布图。二是通过对遥感的热红外图像进行温度反演，获得地表辐射温度，最终从遥感图像的热红外波段获得地表辐射温度热岛分布图。这两种热岛分布图中，第一种方法的分布图是选用1.5m高的空气温度作为热岛数据源，相比遥感技术获得的地表辐射温度更能直接的表达人体所感受到的热岛信息，但这一方法是建立在大量数据监测点上的， 目前我国所－6－拥有的数据量还达不到这一要求，往往地表热量分布图更符合实际发展的需要。遥感图像具备易获得、范围广、数据丰富的特点，不受监测范围的限制，所以应该把地表温度热岛图和通过遥感图像获得的地表辐射温度图结合起来。4.2 热红外遥感技术更广泛的应用到热岛效应研究。 近年来随着高空间分辨率、 高光谱分辨率和高时间分辨率传感器的发展，利用热红外遥感技术进行城市热岛研究是一种趋势， 卫星热红外遥感技术的发展与完善为监测城市热场提供了可靠、 全面的手段，通过热红外遥感技术可以了解城区的内部构造， 有助于全面的了解城市的热岛效应的发展趋势， 但地表热红外辐射及比辐射率的方向性问题、 非同温混合像元的分解以及多平台、 多尺度数据之间的整合等遥感理论问题急需解决， 应综合运用多种测定技术，以保证数据准确、测试精度提高。参考文献：张贡生，王廷科，郑俊义.与城市化进程高度相关的因素解读[J].兰州商学院学报，2006，1(22):31.陈雨军，陈爱民.中国城市化:实证分析与对策研究[C]. 厦门: 厦门大学出版社， 2002.[3] 孙飒梅，卢昌义 . 遥感监测城市热岛强度及其作为生态监测指标的探讨 [J]. 厦门大学学报(自然科学版)，2002，41(1):66-70.－7－HowardL.ClimateofLondonDeducedfromMetrological Observations (Vol. 1) [M]. 3rd edition.London:HarveyandDoltonPress,1833:348.王惠想，张伟捷.建筑空调能耗与城市热岛效应[J].河北建筑科技学院报， 2004，21(1):23-27.王菲，肖勇全.太阳辐射对不同建筑群产生温升效果的探讨[J]. 山东建筑工程学院学报， 2004，19(1):59-62.沈立新，鲍淳松.关于城市热岛问题的综述[J].浙江林业科技，2000，3（20):89-90.毛恒青，朱蓉.城市的低空气温分布特征及其对大气污染物扩散的影响[J].城市环境与城市生态，1997，10(2):31-35.孙天纵，周坚华.城市遥感[M].上海:上海科学技术文献出版社，1995:59-86.李有，郑敬刚，杨志清，等.郑州市深秋热岛效应初探[J].河南科学，2002，5(20):553-554.张一平，何云玲，马友鑫．昆明城市热岛效应立体分布特征[J].高原气象，2002，21(6):604-609.[12] 卢曦．城市热岛效应的研究模型 [J]．环境技术，2003，43-46.赵云升，杜嘉，宋开山，等.基于卫星遥感的夏季长－8－春市城区热场分析 [J]. 地理科学，2006，1(26):70-71.方圣辉，刘俊怡.利用LANDSAT数据对武汉市进行热岛效应分析[J].测绘信息与工程，2005，30(2):1-2.白虎志，任国玉，张爱英