城市熱島效應研究進展與發展趨勢

李祥余

摘 要：隨著全球氣候變暖和城市化飛速發展，越來越多的人進入城市，城市熱島現象對城市環境和居民健康產生很大的影響，受到許多學者和公眾的關注。文中簡要回顧了城市熱島效應概念的由來和度量方法及其時間、空間分別特征；詳細闡述了城市下墊面改變、人為熱釋放、大氣污染和氣象條件四個城市熱島主要形成因子；全面歸納了氣象資料法、定點觀測法、流動觀測法、遙感測定法和數值模擬法五種城市熱島監測方法；系統總結了其對城市氣候、水文、大氣環境、生物習性、能量代謝和居民健康六個影響方面；探討了如何采取新型建筑材料、減少人為熱量排放、科學合理規劃城市和增加綠地水體面積四種途徑減緩城市熱島措施；最后展望了城市熱島在研究內容和研究方法的發展方向。

關鍵詞：城市熱島；熱污染；熱島強度；分布特征；監測方法

隨著我國城鎮化進程飛速發展和城鎮化水平的不斷提高，越來越多的農業人口進入城市變成城鎮居民，《2012中國新型城市化報告》顯示，2011年我國城市化率首次突破50%，這意味著我國一半以上的人口將居住在城鎮里。快速城鎮化積極推動了我國經濟發展，但同時也帶來了一些環境問題，城市熱島效應是其中之一，它是一種城市熱污染。城市熱島效應是指城區氣溫高于周邊村郊的現象，因而系統研究城市熱島效應不僅能為城市規劃和可持續發展提供理論依據，也對保障身心健康具有重要的現實意義。

1 城市熱島的定義和度量

1.1 城市熱島的定義

城市熱島現象最早見于記載的可能是1818年英國出版的《倫敦氣候》一書。作者Luck Howard在對倫敦城郊氣溫進行同時對比研究后最先發現倫敦城區氣溫比郊區高的現象[1]。隨后直到1958年，Manley[2]首次將這種城區氣溫高于郊區的現象命名為“城市熱島效應”。

1.2 城市熱島的度量

1982年，Oke[3]將城區溫度最大值與郊區溫度的差值定義為城市熱島強度。通常，城市熱島的強弱一般用城市氣溫與郊區同期氣溫差值的大小來表示，稱為“城市熱島強度”。城市熱島強度的度量方法主要有單站氣溫變化趨勢法、一個或若干個城市站和一個或若干個郊區（鄉村）站氣溫變化趨勢比較法、一對或一組城市與郊區站平均（最高、最低）氣溫差比較法、城市和城郊固定站網的溫度分布法、橫穿城市截面的氣溫分布法和工作日與休息日溫差比較法六種方法。

2 城市熱島分布特征

2.1 時間分布特征

城市熱島具有有期性變化和非周期性變化兩種時間分布特征。周期變化以日變化、季變化和年變化比較明顯。日變化在晴朗無風時表現為白天弱，夜晚強，最大值發生在日落后2-5h；季變化表現為秋、冬季強，夏季弱。非周期變化主要受風速、云量、天氣和貼地層氣溫遞減率等影響，它們之間相互關系是若風速越大、云量越多、天氣越不穩定、貼地層氣溫遞減率越大，則熱島強度越小，乃至熱島現象消失；相反，熱島強度就越大[4]。

2.2 水平空間分布特征

水平空間分布特征主要指熱島強度從城中心到郊區逐漸遞減的趨勢。一般情況下是離城市中心距離越遠，城市熱島強度越弱。城市熱島的分布與城市土地利用格局及城市地理地貌環境關系密切[5]，呈現出單中心、多中心、線狀、輻射狀，網格狀等多種形式。同一城市內，上述熱島水平空間分布特征可長期共存，在一定條件下也可相互轉化[6]。

2.3 垂直空間分布特征

城市熱島的空間分布因高度的不同而具有明顯的垂直空間分布特征。在垂直空間分布上包括城市大氣熱島、城市地面熱島和城市地下熱島三個組成部分。簡單地說，與城市的形成和發展有關的地面熱異常就是城市地面熱島；與城市地面熱島相對應，地面以上和地面以下的熱異常則分別稱為城市大氣熱島和城市地下熱島[7]。

3 城市熱島主要形成機制

城市熱島形成的前提是熱量平衡，地表吸收太陽短波輻射的熱量是形成城市熱島效應的根本熱源。它形成機制主要分為內因和外因兩個方面。內因主要為城市下墊面性質和結構的改變、人為熱量釋放、大氣污染等；外因主要為天氣形勢、風速、云量等局地氣象條件。

3.1 下墊面改變

伴隨城市化的推進，城區越來越多的綠地和濕地被以磚石、水泥和瀝青等材料為主的建筑物和道路等下墊面所取代。這些材料熱容量、導熱率比郊區自然界的下墊面要大得多，而對太陽光的反射率低、吸收率大。城、郊下墊面的導熱率、熱容量等熱性質的差異，導致城市下墊面的儲熱量顯著高于郊區[8，9]。由于城內建筑物高低不一，太陽輻射在城區街谷、墻壁、地面經過多次反復、吸收，從而奠定了城市熱島形成的能量基礎，城、郊下墊面熱性質不同是產生溫差晝夜變化的根本原因。

3.2 人為熱釋放

城市人為熱在城市熱島形成中發揮著十分重要的作用，它主要來源于人類生產和生活向外排放的熱量；同時，城市中的粉塵和二氧化碳等大氣污染物吸收地表長波輻射，導致城區溫度升高。城市人為熱排放對城市熱島具有雙重的影響。一方面，直接增加了城內的熱量，尤其是在夏、冬季；另一方面，大量煙塵和各種溫室氣體等污染物隨同人為熱一起排到大氣中，在城市上空形成了“塵罩”與“氣罩”，增大了城市熱島強度[10]。

3.3 大氣污染

大氣環境污染在城市熱島形成中起著非常復雜和特殊的作用[11，12]。大量來自工業生產和生活的粉塵、氮氧化物和二氧化碳等大氣污染物在城區聚集，像一張厚毯子籠蓋在城市上空。這些溫室氣體會吸收下墊面長波熱輻射，產生溫室效應，進而推高了大氣升溫。白天溫室氣體通過散射削弱了太陽直接輻射，減緩城市升溫，有時甚至出現城市“冷島”效應；夜間它通過吸收地表長波輻射減少熱量損耗，發揮保溫功能，使城區比郊區氣溫降得慢，從而形成夜間城市熱島。

3.4 氣象條件

在下墊面因子、人為熱釋放量、大氣污染程度等基本相同的情況下，城市熱島效應在同一城市不同時間內的有無和強弱取決于城市當時的天氣狀況和氣象條件[13]。當氣壓場穩定，氣壓梯度小，大氣層結構穩定，無自動對流上升運動等天氣形勢有利于城市熱島效應的形成。當低云量多時，熱島強度小；反之，當低云量少時，熱島強度增強；晴空時，熱島強度大。當城市風速大時，大氣層結不穩定，城、郊間空氣縱橫方向混合作用較強，城、郊溫差不明顯。當風速較小時，大氣層結穩定，不利于城、郊間空氣混合流動，此時城、郊間溫差會顯現出來，形成熱島效應。

4 城市熱島的監測方法

4.1 氣象資料法

城市熱島效應研究最傳統、最原始的方法就是運用氣象站觀測的歷史數據，選擇一個或幾個溫度對象，研究一個城市或地區在不同發展進程中城市熱島的變化特征。氣象站的時間序列數據能反映城市熱島效應的歷史演變軌跡[14]。

4.2 定點觀測法

定點觀測法有水平和垂直兩種方向，它能反映同一時間不同地點或同一地點不同時間的溫度變化情況。研究城市熱島效應水平分布特征應在水平方向進行觀測。水平定點觀測法通常選取若干個典型的城、郊觀測地點，測定比較多項氣溫指標，也可利用城市橫剖線進行觀測分析。垂直定點觀測法城是利用鐵塔或系留氣球在不同垂向高度懸掛溫度探頭來測量氣溫的方法[15]。

4.3 流動觀測法

流動觀測法一般是通過車輛的流動，利用安裝在流動車輛上的溫度傳感器和便攜式數據采集器采集的數據來研究城、郊溫度差異的方法[16]。流動觀測法具有利用有限的設備獲取盡可能多的連續點位溫度進行城市溫場斷面分析的優點[17]。

4.4 遙感測定法

遙感測定分析法是利用熱紅外傳感器大范圍觀測城市地表溫度，然后再通過計算、解譯、分析獲得地物熱量空間分布的方法。隨著Landsat TM衛星影像、TM/ETM+熱紅外波段遙感圖象數據、EOS/M0DIS數據的廣泛應用和RS、GIS、GPS、EIS等4S技術的成熟，衛星遙感技術在城市熱島研究中發揮巨大的作用，遙感技術能分析大面積、同步和動態地監測地面熱場的分布和變化情況[18，19]。

4.5 數值模擬法

城市熱島研究常用數值模擬主要有數學模型和實驗室模擬兩大類。數值模擬主要有RAMS、RBLM、MM5、WRF/NCAR等模型[20]。實驗室模擬有Streuter的高斯模型、Minhalakakou等人工神經網絡模型等代表。數值模擬法以理論研究為主，減少現場觀測；實驗室模擬應考慮不同城市的現實情況環境差異，添加一些現場實測邊界數據進行模型校正，從而提高模擬的準確度。

5 城市熱島的影響

文中主要從城市氣候、水文、大氣環境、生物習性、能量代謝和居民健康六個方面說明城市熱島的影響。

5.1 城市氣候

城市熱島對城市氣候的影響主要原因是城區氣溫較高導致城市暖空氣上升，到達某一高度后開始向四周輻散，城郊農村溫度較低氣流下降，沿地面向城區輻合，構成熱島環流，稱為“城郊風”。城市熱島還在一定程度上影響城市空氣濕度、云量和降水等。城區的蒸發量和蒸騰量都比郊區小很多，而城區氣溫又比郊區高，致使城區空氣相對濕度和絕對濕度都較小。然而當達到某種條件的時候，城區夜間絕對濕度也可能很高，形成“城市濕島”。城市熱島導致城區的凝露量、霜凍天數、下雪量等都比郊區小。城市熱島、干島、濕島、雨島和混濁島“五島”之間可相互轉換彼此影響[21]。

5.2 城市水文

炎熱氣候的城市增溫可通過改變地表能量平衡、以及熱通量和近地表的水汽通量的方式影響著水資源[22]。熱島效應對云的形成和運動、局地降雨和降雨機制產生影響，導致城區水文特征發生變化。城區的降水量和地表徑流都比周圍農村地區明顯偏大，但蒸發量、地下徑流又比周邊農村地區明顯偏小。其主要原因是在靜風條件下，熱島導致城區空氣上升，氣壓相對較小，郊區農村較冷空氣流向城區，城郊空氣發生對流運動，形成降雨。因此，通常認為城市熱島增加了城市中心及其下風向范圍內的降雨量。

5.3 城市大氣環境

城市熱島導致城市中盛行上升氣流，上升氣流推動大氣中懸浮的粉塵微粒向上運動，從而空易在城市上空形成微粒團粒結構云團，造成嚴重的城區貼地層大氣污染。城郊間熱島環流的存在帶動城區上空的污染物隨熱島環流向城郊四周輻散，下沉到郊區地面附近后又隨著地面冷氣流向城市中心輻合，污染物難以輸出城區[13]。

5.4 城市生物習性

城市熱島效應對城市植物的影響主要表現為植物發芽、開花時間提前，落葉、休眠時間延遲[23]。城市生物多樣性受到影響的主要原因是生境的破壞。一方面，市區氣溫升高，無霜期延長，極端低溫偏少，使得原本不屬于該區系生長的植物也能在城市繁殖生長。另一方面，溫度的上升，特別是極端高溫的升高，又限制了某些植物的生長[24]。

5.5 城市能量代謝

城市熱島效應直接影響著城市能量的消耗。許多觀測研究表明[25，26]，城市熱島效應導致夏季城市空調冷度日數比郊區多很多，在大型城市表現尤為明顯；冬季市區熱度日數比郊區明顯偏低，為居民節省了燃料。

5.6 城市居民健康

城市熱島一個最為重要的影響就是危害城市居民的健康。特別是在炎熱的夏季，持續高溫導致中暑、心情煩躁、精神紊亂、工作效率降低。長期生活在熱島中心的居民多見消化不良、食欲減退、潰瘍病和胃腸道病等消化系統疾病，另外其神經系統方面也受到較嚴重的損害，比如煩躁、憂郁、失眠、壓抑、記憶力下降、精神萎靡等癥狀[27]。

6 城市熱島減緩措施

減緩城市熱島的措施主要是通過減少太陽間接輻射和人為熱排放兩方面。

6.1 采用新型建筑材料

使用淺色、高反射率具一定孔隙度的建筑表面材料和透水性、保水性好的鋪修路面材料，可使整個城市的總體反照率增大，從而緩解城市熱島強度；因為涼爽或綠色屋頂可降低進入建筑物的熱傳導，從而直接減少空調的使用[28]。另外，涼爽屋頂和涼爽路面可以改變地表能量平衡，能使周圍環境溫度更低，從而反過來將減少空調的使用。同時，要多建設可滲透地面，積極倡導在城市人行道、居住小區等鋪設可滲透地磚或混凝土路面。

6.2 減少人為熱量排放

盡量將民用煤改為液化氣、天然氣并擴大供熱面積也是減緩城市熱島效應重要對策。大力開發使用太陽能、風能等可再生能源，避免使用太多煤炭和燃油等；同時，實行清潔生產機制，推廣集中供熱，提高能源利用效率，特別是交通運輸和工業生產的能源利用效率，盡量少排人為熱和溫室氣體。

6.3 擴大綠地水體面積

城市綠地、水體及濕地可減緩城市熱島效應，最終實現城市生態系統的良性運轉。大力發展城市綠化是減緩熱島效應的關鍵措施[29]。城市綠地和城市森林能吸收太陽短波輻射，植被吸收的大部分輻射能量用于植物蒸騰耗熱，并在光合作用中轉化為化學能，大大減少了用于增加環境溫度的熱量，進而降溫增濕；同時，吸收大量空氣中的二氧化碳，抑制了溫室效應。另外，綠地中的園林植物還能滯留大氣中的粉塵，減少城市大氣中的總懸浮顆粒物的濃度。

6.4 科學合理規劃城市

運用生態設計和施工的理念來建設、規劃和設計城市。譬如，通過改變城市大樓和街道的布局和走向利于自然風進出城區，控制好城區建筑密度和建筑間距，改變市區建筑空間布局，避免市內建筑呈團塊狀分布。要統籌規劃公路、高空走廊和街道等溫室氣體排放較密集地區的綠化，營造綠色通風系統，把市外新鮮空氣引進市內，加快市區與郊區的空氣流通，以改善小氣候。

7 城市熱島研究主要發展趨勢

7.1 研究范圍縱深拓展

當前，城市熱島研究主要集中在某一城市或地區的中小尺度大氣城市熱島和地表城市熱島的時空分布特征、影響因素、防治措施等上面，而對大尺度、跨區域及地下城市熱島的研究甚少。今后，在宏觀上，會從地上、地表和地下更大尺度的四維時空范圍著手，以全球的視角研究城鎮化與全球變化雙重作用下的城市熱島效應，進一步拓寬城市熱島研究內容和范圍的時空尺度。在微觀上，會細微到城市的一條公路、一棟建筑、某一行為、某一流行病等。

7.2 研究方法交叉融合

伴隨高時間、高空間、高光譜分辨率傳感器、三維成像儀、新一代遙感衛星的發展和應用，基于地表溫度、植被指數、熱力景觀等多平臺、多尺度、多角度的遙感反演技術，氣象站歷史記錄數據、人工實地測量數據和邊界層數值模擬等多方法、多技術手段的綜合運用與交叉融合將是城市熱島研究方法的發展趨勢。

參考文獻

[1]Howard L. The Climate of London： Deduced from Meteorological Observations， Volume 1[M]. Reissue： Cambridge University Press， 2012： 376pp.

[2]Manley G. On the frequency of snowfall in metropolitan England[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society， 1958， 84（359）： 70-72.

[3]Oke TR. The energetic basis of the urban heat island[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society， 1982， 108（455）： 1-24.

[4]Kim YH，Baik JJ. Spatial and temporal structure of the urban heat island in Seoul[J]. Journal of Applied Meteorology， 2005， 44（5）：591-605.

[5]劉壽東，姜潤，王成剛，等. 南京夏季城市熱島時空分布特征的觀測分析[J].大氣科學學報， 2014， 37（1）： 19-27.

[6]肖榮波，歐陽志云，李偉峰，等. 城市熱島時空特征及其影響因素[J].氣象科學， 2007， 27（2）： 230-236.

[7]Huang S，Taniguchi M，Yamano M， et al. Detecting urbanization effects on surface and subsurface thermal environment - A case study of Osaka[J]. Science of the Total Environment， 2009， 407（9）：3142-3152.

[8]Rizwan AM，Dennis YCL，Liu C. A review on the generation， determination and mitigation of Urban Heat Island[J]. Journal of Environmental Sciences， 2008， 20（1）： 120-128.

[9]Kalnay E，Cai M. Impact of urbanization and land-use change on climate[J]. Nature， 2003， 423（6939）： 528-531.

[10]彭少麟，周凱，葉有華，等. 城市熱島效應研究進展[J].生態環境， 2005， 14（4）： 574-579.

[11]徐祥德.城市化環境大氣污染模型動力學問題[J].應用氣象學報， 2002， 13（U01）：1-12.

[12]壽亦萱，張大林. 城市熱島效應的研究進展與展望[J].氣象學報， 2012，70（3）：338-353.

[13]徐祥德，湯緒，徐大海. 城市化環境氣象學引論[M].北京： 氣象出版社， 2002： 62-80.

[14]朱家其，湯緒，江灝.上海市城區氣溫變化及城市熱島[J].高原氣象， 2006，25（6）：1154-1160.

[15]肖榮波，歐陽志云，張兆明，等. 城市熱島效應監測方法研究進展[J]. 氣象， 2005，31（11）：3-6.

[16]李志乾，鞏彩蘭，胡勇，等. 城市熱島遙感研究進展[J]. 遙感信息， 2009（4）：100-105.

[17]郭勇，龍步菊，劉偉東，等. 北京城市熱島效應的流動觀測和初步研究[J]. 氣象科技， 2006， 34（6）： 656-661.

[18]江樟焰，陳云浩，李京. 基于Landsat TM數據的北京城市熱島研究[J]. 武漢大學學報：信息科學版， 2006， 31（2）： 120-123.

[19]張勇，余濤，顧行發，等. CBERS-02 IRMSS熱紅外數據地表溫度反演及其在城市熱島效應定量化分析中的應用[J].遙感學報，2006， 10（5）：789-797.

[20]葉麗梅，江志紅，霍飛. 南京地區下墊面變化對城市熱島效應影響的數值模擬[J].大氣科學學報， 2014， 37（5）：642-652.

[21]周淑貞，束炯. 城市氣候學[M].北京：氣象出版社，1994：618.

[22] Bornstein R，Lin QL. Urban heat islands and summertime convective thunderstorms in Atlanta： three case studies[J]. Atmospheric Environment，2000， 34（3）：507-516.

[23] Mimet A，Pellissier V，Quenol H， et al. Urbanisation induces early flowering： evidence from Platanus acerifolia and Prunus cerasus[J]. International Journal of Biometeorology， 2009， 53（3）： 287-298.

[24]肖榮波，歐陽志云，李偉峰，等. 城市熱島的生態環境效應[J].生態學報， 2005， 25（8）： 2055-2060.

[25]謝莊，蘇德斌，虞海燕，等. 北京地區熱度日和冷度日的變化特征[J]. 應用氣象學報，2007， 18（2）：232-236.

[26]姜逢清，胡汝驥，李珍. 新疆主要城市的采暖與制冷度日數（Ⅱ）——近45年來的變化趨勢[J].干旱區地理，2007，30（5）：629-636.

[27]薛志成. 城市熱島效應威脅人類健康[J].安全與健康， 2002， （07S）：15-16.

[28] Simpson JR，McPherson EG. The effects of roof albedo modification on cooling loads of scale model residences in Tucson， Arizona[J]. Energy and Buildings， 1997， 25（2）：127-137.

[29]王文娟，鄧榮鑫. 城市綠地對城市熱島緩解效應研究[J]. 地理空間信息，2014，12（4）： 52-54+59.