城市熱環境發展及緩解方案研究綜述

官雨潔 吳濱

（1 福州市氣象局，福州 350008；2 福建省氣候中心，福州 350008）

0 引言

近年來隨著城市化進程加快，快速增加的建筑物和人口使供熱制冷負荷加大，從而導致城市溫度升高。城市的高層建筑阻止了空氣的流動，加劇了城市熱島，使城市熱環境狀況嚴峻，給人們的正常生活帶來了嚴重威脅[1]。雖然城市高溫不會像熱帶氣旋、暴雨等強烈天氣那樣直接造成重大的自然災害，但會通過改變局地的能量平衡、水循環過程、大氣邊界層結構、污染物傳播和擴散規律等對人類生產生活產生間接的危害[1-2]。城市熱環境與人們生活密切相關，從目前的研究現狀來看，城市熱環境已發展成為一個跨學科領域的問題[3]，不僅是大氣科學研究關注的焦點，還受到環境、地理、水文、生態、衛生和城鎮規劃等方面的關注。國內外學者對城市熱環境問題以及人類與城市環境的相互影響進行了大量的監測和研究。為全面了解城市熱環境現狀，本文疏理了目前城市熱環境發展及緩解方案的研究進展，力求為深刻理解、準確評估城市熱環境對區域甚至全球環境效應提供一定理論支撐。

1 城市熱環境的影響因子

影響城市熱環境的因子可分為五類：城市形態結構、社會經濟、氣象條件、生物物理學和生物化學。

1.1 城市形態結構因子

城市形態結構因子主要包括建筑物高寬比、天穹可見度等[4]。建筑物高寬比是建筑物遮擋效應的指示因子，其值越高表示建筑物越高，街道寬度越窄，對地面的遮擋效應也就越明顯。天穹可見度將天空作為凈長波輻射的能量匯，城市中任意一點所能見到的天空范圍會直接影響城市冠層的冷卻效率。城市形態結構對城市熱環境的影響主要在3個方面[4]：1）建筑物遮擋導致城市冠層內部多次反射增加太陽短波輻射吸收；2）建筑物遮擋導致感熱湍流交換效率降低，不利于城市冠層熱量擴散；3）建筑物遮擋導致地表長波輻射限制在城市冠層內部，不利于地表降溫。

1.2 社會經濟因子

社會經濟因子一般通過人口、城市面積等表示。Oke[5]針對北美、歐洲21個城市研究發現，城市熱島強度在靜風無云的夜間，與人口存在顯著正相關關系，由此驗證城市熱島強度與城市大小之間存在緊密聯系的假設。Zhao等[3]研究發現北美地區夜間城鄉溫差與人口呈現顯著正相關性。但是，各個社會經濟因素與城市熱環境的關系不應孤立看待，城市的地理位置、地形和氣候因素等方面的影響也需考慮。

1.3 氣象相關影響因子

氣象影響因子主要包括風速、云量和降水。城市氣溫隨風速和云量降低而升高，風速和云量可作為湍流和輻射傳輸的表征[4]，且與大氣穩定度相關。靜風、少云的夜間城市地區大氣穩定度高，不利于熱量傳輸，導致城市氣溫上升。云量較少或者無云的夜間，城鄉之間地表輻射降溫差異愈加明顯。強風、暴雨能迅速帶走城市產生的熱量使城市氣溫下降。

1.4 生物物理學因子

生物物理學因子一般從城市地表能量平衡入手。城市建筑物墻體、道路等材料使城市地區白天會吸收更多的太陽短波輻射，夜間會釋放出更多的儲熱量，因此相比鄉村地區城市晝夜高溫明顯。城市地區植被覆蓋率較低，不透水面積較大，與鄉村相比通過植被蒸騰、土壤蒸發等作用導致的潛熱交換效率降低，不利于城市地區的熱量擴散。此外，人為熱排放是城市地區所特有的額外能量來源[4]，也是影響城市熱環境的關鍵因子，其主要由建筑物耗能排放、交通排放和人體新陳代謝三個部分組成[6]。

1.5 生物化學因子

生物化學因子主要表現在氣溶膠對城市熱環境的影響。早在1981年，Oke[6]就將空氣污染列為城市熱島的影響因素之一。他指出大氣污染物會通過吸收入射太陽短波輻射和地表長波輻射造成大氣增溫，增加向下長波輻射從而進一步增強城市熱島。很多城鄉同期長波輻射對比觀測試驗均證實了城市向下長波輻射比鄉村地區要高的觀點。加拿大Brandon地區1979年春、夏季13次夜間輻射觀測顯示，城市地區平均比鄉村地區多接收10.7%的向下長波輻射[7]。2011年全年北京城市地區白天比鄉村地區的向下長波輻射多3%～15%[8]。氣溶膠是大氣污染物的重要成分，一方面氣溶膠顆粒散射太陽短波輻射，從而削弱到達地面的太陽輻射導致地表吸收凈輻射量減少；另一方面氣溶膠顆粒散射地表長波輻射，從而造成向下長波輻射量增加，而這一效應在大氣透明窗波段（8～12 μm）尤為明顯[9]。值得注意的是，氣溶膠光學輻射特性與氣溶膠成分、區域排放源密切相關，氣溶膠對城市熱環境的影響應該受到足夠的重視。

2 城市熱環境的研究方法

城市熱環境的研究方法經歷了從傳統觀測至遙感技術應用，再到模型模擬幾個階段，研究的時空分辨率有了很大提高。

2.1 定點觀測資料的分析

早期城市熱環境的研究主要是根據定點觀測的城鄉氣溫資料進行的[5]。定點觀測平臺通常為地面氣象臺站或者移動觀測車。通過對城市站點進行不同時段觀測以及對多個城鄉站點進行對比觀測，得到城市熱環境日變化、分布和強度等信息。此方法因受限于地面氣象站點的選擇及其周圍環境的變化問題，較難滿足各類城市熱環境問題的研究，目前城市熱環境研究中單純依賴傳統觀測的研究越來越少。

2.2 遙感技術應用

遙感資料觀測目前已為城市熱環境研究的主力。Rao[10]于1972年最早使用這一方法研究了城市熱島，之后遙感觀測方法逐漸受到青睞。遙感方法是一種間接手段，其主要原理是通過衛星或機載平臺搭載的傳感器接收地表輻射信息并進一步轉化為地表溫度，在此期間不考慮任何可能影響長波輻射從地表發射傳輸至傳感器的因素，最終的地表溫度需要對大氣傳輸系數、地表發射率等進行校正[11]。地表溫度數據包括地表輻射、熱動力特性信號，利用遙感觀測得到的地表溫度數據需量化后再進行城市熱環境研究。遙感觀測除去易受到云量影響的限制外，相比于地面觀測具有空間覆蓋范圍大、時空分辨率高的特點，有利于進行不同地區的同時期城市熱環境比較。

遙感資料主要用于三個方面[11]。第一方面是采用遙感觀測數據研究城市熱環境及其和地表特性的關系。利用AVHRR、Landsat等影像結合土地覆蓋類型數據評估地表溫度的空間變化，研究其變化特征與地表特征因子如天穹可見度[12]、地表材料[13]以及歸一化植被指數（NDVI）[14]的關系。第二方面是將遙感觀測數據應用于城市能量平衡研究。這個通常需要結合城市氣候模式，例如將遙感觀測的地表溫度數據耦合到大氣模型中來估算地表能量通量或者通過輸出模式的地表特性（熱擴散率、水汽含量）來進一步研究其與地表溫度的關系[15-16]。之前廣泛應用于農田、植被表面基于遙感數據的熱量傳輸（bulk heat transfer）方法也被應用于城市地區[17]。第三方面是將遙感觀測應用于大氣城市熱島（Atmospheric Urban Heat Island）和地表城市熱島（SUHI）相互聯系的研究中。很多研究將同期近地面氣溫和遙感地表溫度結合來揭示地表溫度-空氣溫度的關系[13,18]。其中不少研究是基于一個科學假設：遙感地表溫度相比于氣溫可以更準確地監測城市熱島并且修正城市因素對氣溫的影響[19-20]。

2.3 模型模擬研究

利用模型模擬城市熱環境不僅可以有力地支持觀測分析，而且能加深對具體物理過程的理解。早期城市地表模型主要專注于調整地表特征因子例如粗糙度長度、反照率、熱導率等，之后研究者開始考慮城市形態結構對城市能量和輻射過程的影響[21]。直到本世紀初耦合城市參數化方案的陸面過程模型才開始逐漸發展起來。Masson[22]將城市參數化方案分為三大類：經驗模型、將植被模型修改調試應用于城市冠層的模型、包含三維城市冠層的單層或多層模型。經驗模型主要指通過觀測數據建立統計關系，例如LUMPS（Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme）模型[23]，這一方法很大程度上受制于觀測期間的條件。植被模型通過重點調試地表特性參數如反照率、粗糙度、零平面位移、地表發射率、熱容量等，使其適用于城市地區的模擬。前兩種模型較為簡單，但是無法全面地揭示城市對氣候影響的基礎過程。Masson[24]和Kusaka[25]最早建立單層城市冠層模型（UCM），該模型已經被廣泛嵌套到MM5、WRF等中尺度模式并進行調試[26]。單層冠層模型具有較多優點如計算代價小、充分考慮城市形態參數和人類活動影響、可與陸面模式耦合[27]。多層城市冠層模型相對于單層城市冠層模型更為復雜，計算量大，但考慮到的因素更多[27]（即對城市冠層進行分層計算使得模型對城市特征的描述更加精準）。其中耦合了單層城市冠層模型的模擬被廣泛運用于城市熱環境研究。Oleson等[28]將城市通量塔觀測到的氣溫、通量數據分別與模型結果進行對比并表明該模型可以較為準確模擬城市輻射和能量交換過程。苗世光等[29]發現耦合城市冠層模式后可在一定程度上改善近地層氣象要素的預報效果，有效提高模式對城市氣象要素的模擬能力。氣候模式，比如NCAR的Community Earth System Model（CESM）中也耦合了單層城市冠層模型。

3 緩解城市熱環境的主要方案

在氣候變化背景下，人類不但面臨全球增溫的負面影響還經歷著城市高溫熱脅迫等考驗，為了改善人類的生存環境，城市熱環境的緩解方案研究開始成為焦點。

3.1 增加城市地區反照率

增加城市地區反照率具體方法就是增加建筑物屋頂、墻體以及道路等表面的反照率，使得進入城市冠層的太陽短波輻射減少。美國芝加哥市在1995年通過比較實施前后的城市熱環境發現增加屋頂反照率可有效降低熱島強度[30]。大多數冷屋頂的研究方案都將注意力放在減少可見光波段的太陽輻射，但其實近紅外波段（700～2500 nm）的太陽輻射占到達地表總太陽輻射的52%左右，比可見光波段（400～700 nm）所占比例還要高9%。因此有研究者開始關注冷色屋頂材料，用于有效反射近紅外波段太陽輻射[31]，涂刷這種冷色染料在屋頂上或者再覆蓋一層高可見光反照率的材料，可起到冷卻屋頂的作用。此外還可采用熱變色材料，其對溫度敏感，在高溫情況下其反照率會隨之變高[32]。但這些材料均存在使用年限的問題，由于外界環境風化導致材料老化、煙灰沉降覆蓋在材料表面等原因，會使得材料高反照率性能降低。除屋頂外，道路也是城市表面的重要組成部分，大多數道路材料是瀝青或者水泥，反照率都相對較低。Pomerantz等[33]分析了多種材料包括冷色、高反照率水泥、種草磚、滲透磚的反射特性，其中一些高性能材料已經用于鋪設美國部分城市的道路。高反照率道路還能提高夜間道路照明性能，節省路燈照明的能源消耗，如普通瀝青路需要每千米24盞固定路燈才能達到夜間標準照明等級，而采用一種高反照率的水泥材料只需要17盞固定路燈即可[34]。在較冷的氣候或供暖超過制冷季節的氣候中，高反射率材料可能會導致供暖熱負荷顯著增加，因此冷卻屋頂適用于具有較長的制冷季節和較短的供熱季節的氣候區[31-32]。

3.2 增加城市地區蒸發量

要增加城市地區蒸發量，首先要擴大城市綠地、森林覆蓋面積。植被蒸散有利于潛熱擴散，降低城市溫度，同時，植被通過光合作用吸收二氧化碳，可以有效控制城市溫室氣體排放，降低溫室效應。在屋頂上種植植被來緩解城市熱環境的方法通常稱為綠色屋頂，綠色屋頂通過降低屋頂表面溫度，有利于城市建筑節能，同時還能改善建筑物周邊微氣象環境。綠色屋頂對城市熱環境的緩解效應已經在很多城市如紐約、新加坡、歐洲部分城市以及臺北展開應用[35-39]。通過栽種爬墻植物從而覆蓋城市建筑物墻壁也可以起到緩解城市熱環境的作用，新加坡有研究發現綠色墻壁可使最高溫度降低10 K[40]。

城市公園作為城市地區植被最為集中的區域，降溫效果十分明顯。很多研究表明城市公園的降溫效果可以延伸至其外圍數百米甚至上千米的區域[41]，在不同氣候區城市與市區公園的溫度差異對比都發現城市公園是明顯的“冷島”[42-43]。

3.3 節能減排

節能減排狹義而言，指節約能源和減少環境有害物排放。緩解城市熱環境最基本的措施就是減少人為熱排放，可從生活方式的改變以及相關方面的技術革新入手。如采取適當的生活出行方式減少空調、汽車等使用，改進工業設備等來減少熱排放。我國各大城市均已展開太陽能、風能、水能等可再生資源的開發和利用，大力推廣節能型電器設備；合理控制私家車出行數量，注重發展城市公共交通，并逐步開始用電作為車輛燃料；建筑物采用反射、遮光玻璃起到保溫隔熱的作用等等。此外，將排放的廢熱重新利用也可在一定程度上緩解城市熱環境，如有效回收空調系統的廢熱廢能并再次利用來滿足城市集中供暖等從而減少人為熱排放。

3.4 城市通風廊道

城市通風廊道的建設能有效減小建筑設施對風的消減作用，增加城市內部與城市冷源之間的空氣交換，促進空氣流動，改善城市熱環境。風對城市形態極為敏感，建筑物高度、密度、街道的長高比、縱橫比和方向都對城市通風起著重要作用[44-45]。城市通風廊道的研究是以大氣候環境為背景，通過對城市建設及地形地貌等相互作用所形成的復雜場來了解城市不同區域的通風潛力，從而衡量空氣流通效率對緩解城市熱環境的貢獻程度。由于研究空間范圍較大，一般通過相關矢量或者柵格數據進行分析。Ren等[46]通過WRF模型為成都設計城市通風廊道以緩解城市熱壓力；武漢打造通風廊道利用自然風和水體流動性帶走中心城市濕熱空氣，改善中心城區微氣候，使武漢夏季最高溫度平均下降1～2 ℃[47]；合肥市為保持城市的通風效益，在城市東南側保留了未開發的農田保護區作為東南風的引風口，引入冷平流來調節市區溫度[48]。但在建筑物、街道范圍內，所評估的城市通風性能大多是基于理想化模型展開的，實際上通風廊道只是給出一個大致方向，效果存在不穩定性、不連續性且受環境因素影響大，具有一定的隨機性。

4 結語與展望

本文總結了近些年來城市熱環境方面的研究成果，概述了城市熱環境的觀測、研究方法以及緩解方案的研究進展。目前，我國關于城市熱環境的研究在深度和廣度上有了一定的擴展，但與國際的相關工作相比，除了具有挑戰性的研究問題外，還需做大量的基礎性工作以便得到更長遠的研究發展。

1）完善城市基礎數據資料庫。利用衛星遙感資料建立有關地形、土地使用、植被、土壤的城市地表信息庫，在代表性城市開展地表通量、城市冠層特征和生態環境的綜合觀測以建立交通、建筑物、樹木、公園以及人口分布的城市類型數據庫，使得城市模擬更符合實際，以便給出優化的城市規劃方案，建設生態型城市。

2）城市群及復雜地形區的熱環境監測。城市之間的距離不斷縮短，使城市熱環境不再是一個局地天氣現象，城市群間的熱環流與能量平衡、邊界層結構、盛行風向風速之間的關系不容忽視。依山臨水而建的城市熱環境會不可避免地受到海陸風和地形環流的影響，從而改變城市湍流能量、地表溫度、濕度、風場等，如何區分它們帶來的影響也值得深入思考。

3）實行多樣的緩解措施。單一的改善措施在提供降溫效果的同時可能存在一些負面影響，而各種措施聯合作用所產生的影響效果評估目前較少。如何利用城市熱環境的變化規律來采取相對應的生態措施，探索多種降溫措施聯合使之向有利于城市居民生活和工業生產的方向發展也是未來研究應關注的問題之一。

4）不斷拓展研究尺度。針對某一尺度的研究結果在不同的時間和空間尺度上有很大差異，針對單個建筑、小區域或全球尺度的模擬研究所需的數值模型區別很大，參數也明顯不同，因此需要不斷拓展各尺度的研究，建立多尺度城市系統，從而了解城市熱的（非）周期性變化和地區差異變化對城市氣候的影響。