城市热岛缓解措施定量比较研究

孟春雷

（中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089）

城市热岛缓解措施定量比较研究

孟春雷

（中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089）

城市热岛是城市气象及全球变化研究热点。本文对城市热岛形成机理进行了分析，并且在此基础上提出了缓解城市热岛的三种措施，即：减少人为热排放、增加反照率和城市绿化。本文采用城市陆面模式（Integrated urban land surface model，简称IUM）对不同措施下城市地表温度进行模拟。敏感性分析表明，三种措施都能够不同程度的缓解城市热岛尤其是白天城市热岛。

城市热岛；城市人为热；反照率；植被覆盖率；地表辐射温度

0 引言

城市热岛与全球气候变暖有关，是全球气候变化研究领域的热点。同时，城市热岛往往会通过改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边界层结构、污染物传播和扩散规律，对人类生产、生活产生间接的危害［1］。酷热天气的增加给人们生活和工作带来严重影响，损害人类身体健康，增加了城市能耗；热岛现象加剧了大气污染，城市地面散发的热气形成近地面暖气团，使城市烟尘流通受阻，形成对人体有害的烟尘穹隆等。

由于城市热岛的危害，热岛效应缓解措施的选择就显得非常重要。由于白色屋顶和墙壁具有较高的反照率，可以降低屋顶和墙壁表面的温度，因此研究表明，将屋顶和墙壁的颜色粉刷成白色可以显著改善城市热环境，尤其是可以降低白天的温度［2-5］。此外，增加绿化面积有助于增加城市蒸气散发，从而降低城市地表温度［2-3，6］。 城市热岛效应（UH I）根据不同定义方法可以分为近地面气温UHI、城市边界层顶气温UHI和地表温度UHI［7］等。其中，地表温度UH I更为明显，并且是导致近地面气温UHI及城市边界层顶气温UH I的根本原因之一。

本文从形成城市热岛的根本原因出发，分析了城市地表温度UH I形成机理，提出了缓解城市热岛的三种措施。然后采用城市陆面模式对不同措施下城市地表温度进行模拟，对不同类型、不同程度的城市热岛缓解措施进行定量比较研究。

1 城市热岛缓解措施

1.1 机理分析

城市热岛形成的根本原因在于城区地表辐射温度高于非城区地表辐射温度。地表辐射温度受辐射平衡方程及能量平衡方程控制。

地表净辐射可以表示如下：

式中，Rn为地表净辐射，α为地表反照率，S↓为下行短波辐射，ε为地表发射率，L↓为下行长波辐射，σ为Stefan-Boltzmann常数，Trad为地表辐射温度。

由式（1）可以看出，与净辐射有关的地表参数主要包括地表反照率和发射率。城市地表反照率与发射率偏低均可以导致净辐射偏高。

地表辐射温度是混合像元温度，与裸地地表温度及地表植被温度有关。

地表能量平衡是指净辐射、潜热通量、感热通量和地表热通量之间的平衡过程。基于傅立叶热传导定律和热力学第二定律，城市地表能量平衡可以表示如下：

式中，c为地表热容，Δz为表层厚度，Tg为地表温度，t为时间，tk为地表热导率，T2为表层下土壤温度，Rn，g为地表净辐射，Hg为地表感热通量，LEg为地表潜热通量，A为人为热。由式（2）可以看出，城市地表温度与净辐射成正比，因此缓解城市热岛需要增加城市反照率与发射率。同时，缓解城市热岛需要减少人为热排放。

地表感热通量与地气间温度差成正比，与感热阻抗成反比，可以表示如下：

式中，Cp为空气比热容，θa为空气位温，rah为感热阻抗。

地表潜热通量与地气间比湿差成正比，与潜热阻抗成反比，可以表示如下：

式中，ρ为空气密度，qg为地表比湿，q为空气比湿，raw为潜热阻抗。

由式（2）（3）（4）可以看出，缓解城市热岛需要增加潜热通量，即增加地表比湿。由于地表比湿与土壤表层湿度有关，因此缓解城市热岛需要增加表层土壤湿度。

叶面能量平衡方程可以表示如下：

式中，Rn，c为叶面净辐射，Hc为叶面感热通量，LEc为叶面潜热通量。由式（5）可以看出，缓解城市热岛需要增加叶面潜热通量，即增加植被覆盖率。

由于植被蒸腾作用，叶面温度通常要小于地表温度，因此增加植被覆盖率可以进一步降低地表辐射温度。

1.2 缓解措施确定

通过上述分析确定城市热岛缓解措施如下：

（1）减少人为热排放，可以采用节能减排措施及绿色能源。

（2）增加地表反照率，可以通过采用粉刷屋顶墙壁等措施解决。

（3）增加植被覆盖率，加强城市绿化。

2 敏感分析

2.1 试验设计

我们设计了13组试验，定量比较城市热岛缓解措施对地表辐射温度的影响。试验1为控制试验；试验2至6减少人为热排放；试验7至9增加反照率；试验10至12增加植被覆盖率；试验13采取所有缓解措施。试验设计如表1所示。

表1 试验设计Tab.1 Exper im ent Design

2.2 模式与数据

本文采用城市陆面模式（Integrated urban land surface model，简称IUM）［8］模拟城市地表辐射温度。IUM基于通用陆面模式（Common land model，简称CoLM）［9］构建，模式保留了CoLM模式在自然下垫面的全部特性，加强了模式在城市或人为下垫面的模拟和预报能力。

验证站点选择北京市海淀气象站，气象强迫数据来自于自动站观测数据，模拟时间为2009年5月1日至20日。

2.3 模拟结果及分析

图1为不同人为热排放情况下，日最高地表温度结果比较。可以看出，日最高地表温度随着人为热排放减少呈均匀下降趋势。在日最高地表温度较高的日子里，下降幅度较小，约为0.05 K/Wm2；在日最高地表温度较低的日子里，下降幅度较大，约为0.07 K/Wm2。原因是日地表温度较高的天数净辐射较高，人为热所占比例较低；日地表温度较低的天数净辐射较低，人为热所占比例较高。

图1 不同人为热排放情况下，日最高地表温度结果比较Fig.1 Com parison of the Diurna l M axim um Surface Radiative Tem peratures in Differen t Anthropogenic Heat Conditions

图2为不同人为热排放情况下，日最低地表温度结果比较。可以看出，日最低地表温度随着人为热排放减少同样呈均匀下降趋势，不过相对于日最高地表温度下降幅度较小，约为0.04 K/ Wm2。这是因为夜间人为热排放较小的缘故。

图2 不同人为热排放情况下，日最低地表温度结果比较Fig.2 Com parison of the D iurnal M inim um Su r face Radiative Tem peratures in Different Anthropogenic Heat Conditions

图3为不同地表反照率情况下，日最高地表温度结果比较。可以看出，日最高地表温度随着反照率增加呈均匀下降趋势。在日最高地表温度较高的天数，下降幅度较大，反照率每增加0.05，约下降3 K；在日最高地表温度较低的天数，下降幅度较小，反照率每增加0.05，约下降1 K。原因是净辐射与反照率直接相关，日地表温度较高的天数净辐射较高，因此增加反照率对净辐射影响较大。

图3 不同反照率情况下，日最高地表温度结果比较Fig.3 Com parison of the Diurnal M axim um Sur face Radiative Tem peratures in Different A lbedo conditions

图4为不同地表反照率情况下，日最低地表温度结果比较。可以看出，日最低地表温度随着反照率增加呈下降趋势，但下降幅度很小，这是因为夜间太阳辐射为零，因此反照率变化对净辐射没有任何影响，日最低地表温度变化的原因是因为白天地表辐射温度发生了变化。

图4 不同反照率情况下，日最低地表温度结果比较Fig.4 Com par ison of the Diurnal M inim um Sur face Rad iative Tem peratures in Different A lbedo conditions

图5为不同植被覆盖率情况下，日最高地表温度结果比较。可以看出，植被覆盖率增加为0.1时，日最高地表温度下降幅度不大，在日最高地表温度较低的天数，甚至没有发生变化。但是当植被覆盖率增加为0.2～0.3时，日最高地表温度下降幅度较大。植被覆盖主要通过增加地表蒸发与蒸腾降低地表温度，本文将叶面积指数统一设定为5，植被覆盖对地表辐射温度的影响仍需进一步验证。

图6为不同植被覆盖率情况下，日最低地表温度结果比较。可以看出，日最低地表温度随着植被覆盖率增加反而有所上升。可以看出，植被覆盖率增加为0.1时，日最低地表温度升高幅度较大，但是当植被覆盖率增加为0.2～0.3时，日最高地表温度上升幅度不大。主要原因是夜间植被蒸发与蒸腾为负值，另外植被下垫面特性与城市不透水面不同，热容较大，热导率较小，因此地表温度日间变化较小。

图5 不同植被覆盖率情况下，日最高地表温度结果比较Fig.5 Com parison of the Diurnal M aximum Surface Radiative Tem peratures in Different Fractional Vegetation Covers（FVC）

图6 不同植被覆盖率情况下，日最低地表温度结果比较Fig.6 Com parison of the Diurnal M inim um Surface Radiative Tem peratures in Differen t Fractional Vegetation Covers（FVC）

图7为采取所有措施情况下（试验13）与控制试验地表温度模拟结果比较。可以看出，白天温度较高时，地表温度下降较为明显；夜间温度较低时地表温度反而有所上升，原因主要是植被覆盖率增加可以升高夜间地表温度。表2为采取不同措施情况下地表温度模拟结果与控制试验的差值。由表2可以看出，所有措施都可以缓解白天高温城市热岛，相比较而言增加地表反照率对于城市热岛缓解最为明显，植被覆盖率只有在提高到一定水平后对白天城市热岛才有较明显的缓解，减少人为热排放对城市热岛缓解能力相对较小，采取所有措施时白天最高地表温度可以下降13.42 K。缓解夜间城市热岛主要措施是减少人为热排放，增加反照率对于缓解夜间城市热岛作用有限，增加植被覆盖率反而会加强夜间城市热岛。

图7 采取所有措施情况下（试验13）与控制试验地表温度模拟结果比较Fig.7 Com par ison of the Su r face Radiative Tem peratures of Experim ent 13 and Exper im ent 1

3 结论

通过对不同城市热岛缓解措施情况下城市地表辐射温度模拟结果进行定量分析，可以得出以下结论：

（1）日最高地表温度随着人为热排放的减少呈均匀下降趋势。在日最高地表温度较高的时候，下降幅度较小；在日最高地表温度较低的时候，下降幅度较大。日最低地表温度随着人为热排放减少同样呈均匀下降趋势，不过相对于日最高地表温度下降幅度较小。

（2）日最高地表温度随着反照率增加呈均匀下降趋势。在日最高地表温度较高的时候，下降幅度较大；在日最高地表温度较低的时候，下降幅度较小。日最低地表温度随着反照率增加呈下降趋势，但下降幅度很小。

（3）植被覆盖率较小时，与植被覆盖率为零时相比，日最高地表温度下降幅度不大。但是当植被覆盖率较大时，日最高地表温度下降幅度较大；日最低地表温度随着植被覆盖率增加反而有所上升。

表2 采取不同措施情况下地表温度模拟结果与控制试验的差值Tab.2 Differences between the Sur face Radiative Tem perature and the Control Experim ent under the condition of different m easures

（4）所有措施都可以缓解白天高温城市热岛，相比较而言增加地表反照率对于城市热岛缓解最为明显，植被覆盖率只有在提高到一定水平后对白天城市热岛才有较明显的缓解，减少人为热排放对城市热岛缓解能力相对较小。缓解夜间城市热岛的主要措施是减少人为热排放，增加反照率对于缓解夜间城市热岛作用有限，增加植被覆盖率反而会加强夜间城市热岛。

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Quantitative Com parisons of Urban Heat Island M itigation M easures

Meng Chunlei

（Institute of Urban Meteorology，China Meteorological Adm inistration，Beijing 100089，China）

Urban heat island（UHI）is ametropolitan area that is significantly warmer than its surrounding rural areas due to human activities.It is a research focus in the field of urban meteorology and global change.This paper analyzes the formation mechanism of UHI，and puts forward three measures to mitigate UHI，that is：reducing the exhaust em ission of anthropogenic heat；increasing the albedo；urban greening，respectively.This paper uses the integrated urban land surfacemodel（IUM）to simulate the urban land surface temperature under differentmitigation measures.The sensitivity analysis indicates that these three measures can mitigate UHI in daytime in different degrees，but not all of themeasures can mitigate UHI at night.

urban heat island；urban anthropogenic heat；albedo；fractional vegetation cover；urban land surface temperature

X16

A

1673-8047（2014）02-0001-06

2014-03-31

国家自然科学基金 （41005056，41375114）

孟春雷（1976—），男，博士，副研究员，主要从事陆面模式研究。