城市热岛效应研究进展

城市热岛效应研究进展 （S7 城市气象精细预报与服务） 白杨，王晓云，姜海梅，刘寿东 （南京信息工程大学，南京，210044） 摘要：随着城市规模的高速发展和城市人口的急剧膨胀，城市下垫面结构的急剧变化和城市人为热排放的迅速增加所引起的城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市人居环境和居民健康的重要因素。城市热岛效应研究已成为城市气候和区域气候研究中的热点问题。本文综述了城市热岛的概念，概括阐述了城市热岛的形成主要受城市下垫面改变、人为热排放、自然植被以及区域气候的影响，重点介绍了地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模式模拟法三种城市热岛效应的研究方法并总结了前人研究进展和主要成果。发现由于对城市热岛效应的分析和研究不够完善和深入，分析热岛的方法存在天然的缺陷，城市下垫面本身具有的复杂性，科学的研究方法没有与高科技的监测分析手段相结合，导致解决问题的措施不全面、不彻底或者过于简单化和表面化。在方法上，传统方法局限于宏观大尺度范围内分析城区和郊区的热岛关系，而从微观小尺度上研究的较少。目前的城市热岛研究一般侧重于单纯的城市大气环境问题，内容比较局限，后期的模拟在城市边界层下部的研究较少。另外由于近地层非均一下垫面的复杂性和不完整性给数值模拟带来了一定困难。最后，本文总结了城市热岛效应研究中的难点问题并展望了未来的发展方向。基于城市热岛效应的研究现状，应当注意在开发利用新技术的同时，不忽视传统检测手段的使用，结合空间遥感技术和边界层模拟的技术，形成4S（即RS遥感技术，GPS全球定位系统，GIS地理信息系统，EIS环境信息系统）技术的多平台多尺度综合应用体系。在研究尺度上，不能只研究热岛效应在大尺度、中尺度下对城市气候的影响，还应研究其在全球气候改变后受到的影响，其热力和动力作用对全球气候变化过程的作用。 关键词：城市热岛；城市气候；研究进展 随着全球经济的迅速发展，越来越多的人口集中于城市居住。据联合国人居署统计，到2010年，全世界约有一半人口居住在城市[1]。中国是城市化进程最为迅速的发展中国家之一。

据中国社科院发布的《中国城市发展报告No.2》统计，截至2008年末，我国城镇化率已经达到45.7%，拥有6.07亿城镇人口，形成建制城市655座，其中百万人口以上特大城市118座，四百万人口以上超大城市39座[2]。由于城市人口迅速膨胀、城市规模不断扩大所引

发的城市下垫面和冠层结构的急剧变化和城市人为热排放的快速增加导致的城市热岛效应及其对区域气候系统的影响，正受到前所未有的广泛重视。严重的城市热岛效应不但影响了人们正常的生活和工作，还成为人们生活质量进一步提高和城市进一步发展的制约因素。因此，研究城市热岛效应的形成机制和特征对于采取合理有效的措施缓解热岛效应的影响，提高城市人口的生活质量，维持城市可持续发展具有重要的意义。 从上世界五十年代以来，城市热岛效应已逐渐成为城市气候学研究的热点问题之一。国内外学者利用气象资料、遥感监测、数值模型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。本文将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，总结城市热岛效应研究中的难点问题和今后的发展方向。

1 城市热岛的概念及强度 1.1 城市热岛的概念 城市热岛效应（Urban Heat Island Effect）是指城市中的空气温度明显高于城市外围郊区的现象。从近地面温度图上看，郊区气温变化很小，而城区高温区的形状像是海里突出海面的岛屿，因此形象地称之为城市热岛。 1.2 热岛强度的定义 Oke T R.定义“热岛强度”为城市中心区的温度最高值与郊区温度的差值[3]。热岛强度

大的地方在全球范围內体现在发达国家和地区，例如德国柏林、加拿大温哥华、中国北京、美国亚特兰大、中国广州、中国上海。这些城市的热岛强度非常明显[4-7]。现有的研究表明，

城市的平均温度一般比郊区高出0.5－1.0℃。 2 城市热岛的形成机制 1833年，英国气候学家赖克·霍德华（Lake Howard）在对伦敦城区和郊区的气温进行了同时间內的对比观测后，发现了城区气温比郊区气温高的现象，并且首次在《伦敦的气候》一书中记载了“热岛效应”这种气候特征[8]。这是人类真正有文字记录的

研究城市热岛效应这种特殊现象的开始，也是人类开始关注城市气象研究的的开端。100多年后的1958年，Manley首次提出城市热岛（Urban Heat Island,UHI）这一概念。热量平衡是城市热岛形成的能量基础。城市化进程改变了下垫面的性质和结构，城市人口的膨胀增加了人为热排放，从而影响了城市热量平衡形成热岛效应。现有的研究认为，城市热岛效应的形成机制、强度和时空分布特征主要与以下几个因子有关。 2.1 城市下垫面性质的改变 随着城市化进程的加快，水泥、柏油路面和混凝土结构的建筑物所占的面积比重越来越高，占城市下垫面面积的70%以上，而绿地和水体面积相对郊区较少。而郊区以植被草地水体为主，城郊下垫面差异十分显著。城郊下垫面性质差异主要表现为的表现是：城市反射率比绿地小，在相同的太阳辐射条件下，城市下垫面比郊区下垫面能吸收更多的太阳辐射，而城市下垫面的热容量比郊区下垫面小，城市下垫面吸收太阳辐射使自身升温迅速并吸收更多热量。同时城市建筑高大密集，墙体与地面、墙体与墙体之间多次反射吸收热量，使得城市近地层空气温度维持在一个高值。 2.2 人为热排放 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。居民生活中大功率用电器的使用、工业生产中化学气体以及交通运输中汽车尾气等，都在不停地向近地层大气排放大量人为热和粉尘温室气体，使城市成为一个巨大大的发热体[9]。人为热排放对城市热岛的影响

主要通过以下两个途径来实现：一方面，人为热排放直接向近地层大气供给热量，使得气温升高；另一方面，城市人为热排放的同时，也大量排放CO2、N2O、H2O、CH4、CFC等温室气体，增加了近地层大气对地表长波辐射的吸收，从而加剧加重了城市热岛的强度。据测定，城市冬季人为热排放量非常可观释放量很大，例如北方的锅炉地热供暖和南方的空调，甚至超过了比太阳净辐射还大，如美国冬季旧金山的人为热一度高达75 W/m2 [9]。

2.3 自然植被的影响 城市人口的增加，城市的扩张，使得原来的农村变为现在的郊区甚至是城镇。下垫面的土壤、水面以及土地覆盖类型逐渐减少，取而代之的是由水泥、沥青以及金属混合物组成的不透水表面，这样就导致了地表水分蒸腾作用减少、径流加速、显热的储存和传输增加以及水质降低等一系列环境问题的出现。同时绿地水体林木面积的锐减也就相当于减少了消除温室效应的天然吸收器，温室气体得不到有效大量的吸收，进而使城市成为一个热源。 2.4 区域气候的影响 不同地理位置的城市，诸如海滨和内陆处在不同的大气候背景下，受到海陆风、海洋比热容大的影响，海滨城市日变化最大热岛强度比内陆要低，增幅也缓慢。并且发现沿海港口城市会有热岛强度的一个年际循环变化，这一点内陆城市则不明显。有时候外部气象条件，例如气压场稳定、气压梯度小、无风无对流运动，热量不易散发也会加剧城市热岛效应[10]。热岛不仅在不同城市气候条件下，有时在同一城市不同气

象背景气候条件下城市热岛强度和时空分布特征效应也不尽相同[11]。 3 城市热岛效应研究方法及国内外研究进展 到目前为止，城市热岛研究的主要方法有三种，分别是地面气象资料观测法、遥感监测法和边界层数值模式模拟法。地面观测方法主要以有限的城郊固定气象台站资料为基础，配合流动观测资料进行城郊气温及地表温度对比观测。遥感监测则是利用航空航天传感器对城市下垫面温度等进行观测。边界层模式模拟是利用从一维到三维中尺度模式对特定高度下的空间区域的温、湿和风场进行空间数值模拟。 3.1 城郊气象观测数据对比方法 城郊气象观测数据对比法是最早的研究城市热岛的方法，该方法利用城区和郊区气象站多年观测数据进行对比分析的方法，使用统计学或数学模拟方法分析得出同一时期该地热岛分布、热岛强度相对大小，以及热岛强度的季节变化、日变化等特征。从最早的Howard观测到伦敦城区平均温度比郊区高1.1℃到之后的Duckworth和Sandberg[12]在San Francisco的大公园与市中心之间观测到10℃的温差，都是采用了

原始的对比观测方法得出了与Howard类似的结果。研究发现大部分城市在夏季热岛现象比冬季明显，另外风速是影响城市热岛的主要因素，风速越大，城郊温差越小，城市越大，热岛导强度越强。周淑贞等[13]最早对上海的研究发现了上海市热岛效应显

著，比郊区温度高出5℃之多，在日落后2～3h到夜间比较强。通过多年资料发现，随着上海市中心区的逐步扩展使得上海城郊温差越来越大，并且逐年年最低温度也在上升，到1984年升温幅度达到0.7℃[14]。

由于气象观测站位置和数量条件的限制，科学家们提出第二种研究城市热岛的观测方法，即布点法。利用布点观测、探空气球和或者流动车作业获得某个目的观测地的气象资料，通常会与固定气象站点资料相结合，分析得到全面动态有效的城市热岛分布状况和强度大小。例如，张景哲等[15-16]于1981年1、4、7月四个月在北京市区及郊区布置110多个观

测点，每个月连续观测5～10天，共进行64次定时观测，同时采用市郊6个气象站资料进行研究。但是回顾早期的传统城市热岛研究，基本上还是所需信息不全面，局限于点的概念研究，很难正确高效地的反映到城市结构面上，研究得的不够深入彻底。 3.2 遥感技术反演城市热岛 随着地理信息的发展和遥感技术的成熟，有学者发现了更好的研究城市热岛的方法——遥感监测。它覆盖范围广、图像直观、时间高度同步，在城市热岛研究中发挥着越来越重要的作用。遥感测定是指根据不同类型地物对太阳长波辐射的吸收情况不同，形成不同的波段辐射值，运用热红外传感器对城市地表温度进行大范围的观测，再通过计算机技术分析得到地物的不同热量分布。 城郊植被状况差距显著，基于二者植被指数的不同选取两幅不同时期的TM(4.5.6波段)彩色合成图像，对照目标城市地区，定出热岛的大概范围。其中TM-4和5波段显示陆地、植被和水体。Gallo等[18]使用NOAA/AVHRR数据获得到归一化植被指数NDVI估测城市热

岛对城郊气温差异影响，结果证明，植被指数与城郊气温之间有着显著的线性关系，而且在