城市热岛效应研究进展与发展趋势

李祥余

摘 要：随着全球气候变暖和城市化飞速发展，越来越多的人进入城市，城市热岛现象对城市环境和居民健康产生很大的影响，受到许多学者和公众的关注。文中简要回顾了城市热岛效应概念的由来和度量方法及其时间、空间分别特征；详细阐述了城市下垫面改变、人为热释放、大气污染和气象条件四个城市热岛主要形成因子；全面归纳了气象资料法、定点观测法、流动观测法、遥感测定法和数值模拟法五种城市热岛监测方法；系统总结了其对城市气候、水文、大气环境、生物习性、能量代谢和居民健康六个影响方面；探讨了如何采取新型建筑材料、减少人为热量排放、科学合理规划城市和增加绿地水体面积四种途径减缓城市热岛措施；最后展望了城市热岛在研究内容和研究方法的发展方向。

关键词：城市热岛；热污染；热岛强度；分布特征；监测方法

随着我国城镇化进程飞速发展和城镇化水平的不断提高，越来越多的农业人口进入城市变成城镇居民，《2012中国新型城市化报告》显示，2011年我国城市化率首次突破50%，这意味着我国一半以上的人口将居住在城镇里。快速城镇化积极推动了我国经济发展，但同时也带来了一些环境问题，城市热岛效应是其中之一，它是一种城市热污染。城市热岛效应是指城区气温高于周边村郊的现象，因而系统研究城市热岛效应不仅能为城市规划和可持续发展提供理论依据，也对保障身心健康具有重要的现实意义。

1 城市热岛的定义和度量

1.1 城市热岛的定义

城市热岛现象最早见于记载的可能是1818年英国出版的《伦敦气候》一书。作者Luck Howard在对伦敦城郊气温进行同时对比研究后最先发现伦敦城区气温比郊区高的现象[1]。随后直到1958年，Manley[2]首次将这种城区气温高于郊区的现象命名为“城市热岛效应”。

1.2 城市热岛的度量

1982年，Oke[3]将城区温度最大值与郊区温度的差值定义为城市热岛强度。通常，城市热岛的强弱一般用城市气温与郊区同期气温差值的大小来表示，称为“城市热岛强度”。城市热岛强度的度量方法主要有单站气温变化趋势法、一个或若干个城市站和一个或若干个郊区（乡村）站气温变化趋势比较法、一对或一组城市与郊区站平均（最高、最低）气温差比较法、城市和城郊固定站网的温度分布法、横穿城市截面的气温分布法和工作日与休息日温差比较法六种方法。

2 城市热岛分布特征

2.1 时间分布特征

城市热岛具有有期性变化和非周期性变化两种时间分布特征。周期变化以日变化、季变化和年变化比较明显。日变化在晴朗无风时表现为白天弱，夜晚强，最大值发生在日落后2-5h；季变化表现为秋、冬季强，夏季弱。非周期变化主要受风速、云量、天气和贴地层气温递减率等影响，它们之间相互关系是若风速越大、云量越多、天气越不稳定、贴地层气温递减率越大，则热岛强度越小，乃至热岛现象消失；相反，热岛强度就越大[4]。

2.2 水平空间分布特征

水平空间分布特征主要指热岛强度从城中心到郊区逐渐递减的趋势。一般情况下是离城市中心距离越远，城市热岛强度越弱。城市热岛的分布与城市土地利用格局及城市地理地貌环境关系密切[5]，呈现出单中心、多中心、线状、辐射状，网格状等多种形式。同一城市内，上述热岛水平空间分布特征可长期共存，在一定条件下也可相互转化[6]。

2.3 垂直空间分布特征

城市热岛的空间分布因高度的不同而具有明显的垂直空间分布特征。在垂直空间分布上包括城市大气热岛、城市地面热岛和城市地下热岛三个组成部分。简单地说，与城市的形成和发展有关的地面热异常就是城市地面热岛；与城市地面热岛相对应，地面以上和地面以下的热异常则分别称为城市大气热岛和城市地下热岛[7]。

3 城市热岛主要形成机制

城市热岛形成的前提是热量平衡，地表吸收太阳短波辐射的热量是形成城市热岛效应的根本热源。它形成机制主要分为内因和外因两个方面。内因主要为城市下垫面性质和结构的改变、人为热量释放、大气污染等；外因主要为天气形势、风速、云量等局地气象条件。

3.1 下垫面改变

伴随城市化的推进，城区越来越多的绿地和湿地被以砖石、水泥和沥青等材料为主的建筑物和道路等下垫面所取代。这些材料热容量、导热率比郊区自然界的下垫面要大得多，而对太阳光的反射率低、吸收率大。城、郊下垫面的导热率、热容量等热性质的差异，导致城市下垫面的储热量显著高于郊区[8，9]。由于城内建筑物高低不一，太阳辐射在城区街谷、墙壁、地面经过多次反复、吸收，从而奠定了城市热岛形成的能量基础，城、郊下垫面热性质不同是产生温差昼夜变化的根本原因。

3.2 人为热释放

城市人为热在城市热岛形成中发挥着十分重要的作用，它主要来源于人类生产和生活向外排放的热量；同时，城市中的粉尘和二氧化碳等大气污染物吸收地表长波辐射，导致城区温度升高。城市人为热排放对城市热岛具有双重的影响。一方面，直接增加了城内的热量，尤其是在夏、冬季；另一方面，大量烟尘和各种温室气体等污染物随同人为热一起排到大气中，在城市上空形成了“尘罩”与“气罩”，增大了城市热岛强度[10]。

3.3 大气污染

大气环境污染在城市热岛形成中起着非常复杂和特殊的作用[11，12]。大量来自工业生产和生活的粉尘、氮氧化物和二氧化碳等大气污染物在城区聚集，像一张厚毯子笼盖在城市上空。这些温室气体会吸收下垫面长波热辐射，产生温室效应，进而推高了大气升温。白天温室气体通过散射削弱了太阳直接辐射，减缓城市升温，有时甚至出现城市“冷岛”效应；夜间它通过吸收地表长波辐射减少热量损耗，发挥保温功能，使城区比郊区气温降得慢，从而形成夜间城市热岛。

3.4 气象条件

在下垫面因子、人为热释放量、大气污染程度等基本相同的情况下，城市热岛效应在同一城市不同时间内的有无和强弱取决于城市当时的天气状况和气象条件[13]。当气压场稳定，气压梯度小，大气层结构稳定，无自动对流上升运动等天气形势有利于城市热岛效应的形成。当低云量多时，热岛强度小；反之，当低云量少时，热岛强度增强；晴空时，热岛强度大。当城市风速大时，大气层结不稳定，城、郊间空气纵横方向混合作用较强，城、郊温差不明显。当风速较小时，大气层结稳定，不利于城、郊间空气混合流动，此时城、郊间温差会显现出来，形成热岛效应。

4 城市热岛的监测方法

4.1 气象资料法

城市热岛效应研究最传统、最原始的方法就是运用气象站观测的历史数据，选择一个或几个温度对象，研究一个城市或地区在不同发展进程中城市热岛的变化特征。气象站的时间序列数据能反映城市热岛效应的历史演变轨迹[14]。

4.2 定点观测法

定点观测法有水平和垂直两种方向，它能反映同一时间不同地点或同一地点不同时间的温度变化情况。研究城市热岛效应水平分布特征应在水平方向进行观测。水平定点观测法通常选取若干个典型的城、郊观测地点，测定比较多项气温指标，也可利用城市横剖线进行观测分析。垂直定点观测法城是利用铁塔或系留气球在不同垂向高度悬挂温度探头来测量气温的方法[15]。

4.3 流动观测法

流动观测法一般是通过车辆的流动，利用安装在流动车辆上的温度传感器和便携式数据采集器采集的数据来研究城、郊温度差异的方法[16]。流动观测法具有利用有限的设备获取尽可能多的连续点位温度进行城市温场断面分析的优点[17]。

4.4 遥感测定法

遥感测定分析法是利用热红外传感器大范围观测城市地表温度，然后再通过计算、解译、分析获得地物热量空间分布的方法。随着Landsat TM卫星影像、TM/ETM+热红外波段遥感图象数据、EOS/M0DIS数据的广泛应用和RS、GIS、GPS、EIS等4S技术的成熟，卫星遥感技术在城市热岛研究中发挥巨大的作用，遥感技术能分析大面积、同步和动态地监测地面热场的分布和变化情况[18，19]。

4.5 数值模拟法

城市热岛研究常用数值模拟主要有数学模型和实验室模拟两大类。数值模拟主要有RAMS、RBLM、MM5、WRF/NCAR等模型[20]。实验室模拟有Streuter的高斯模型、Minhalakakou等人工神经网络模型等代表。数值模拟法以理论研究为主，减少现场观测；实验室模拟应考虑不同城市的现实情况环境差异，添加一些现场实测边界数据进行模型校正，从而提高模拟的准确度。

5 城市热岛的影响

文中主要从城市气候、水文、大气环境、生物习性、能量代谢和居民健康六个方面说明城市热岛的影响。

5.1 城市气候

城市热岛对城市气候的影响主要原因是城区气温较高导致城市暖空气上升，到达某一高度后开始向四周辐散，城郊农村温度较低气流下降，沿地面向城区辐合，构成热岛环流，称为“城郊风”。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水等。城区的蒸发量和蒸腾量都比郊区小很多，而城区气温又比郊区高，致使城区空气相对湿度和绝对湿度都较小。然而当达到某种条件的时候，城区夜间绝对湿度也可能很高，形成“城市湿岛”。城市热岛导致城区的凝露量、霜冻天数、下雪量等都比郊区小。城市热岛、干岛、湿岛、雨岛和混浊岛“五岛”之间可相互转换彼此影响[21]。

5.2 城市水文

炎热气候的城市增温可通过改变地表能量平衡、以及热通量和近地表的水汽通量的方式影响着水资源[22]。热岛效应对云的形成和运动、局地降雨和降雨机制产生影响，导致城区水文特征发生变化。城区的降水量和地表径流都比周围农村地区明显偏大，但蒸发量、地下径流又比周边农村地区明显偏小。其主要原因是在静风条件下，热岛导致城区空气上升，气压相对较小，郊区农村较冷空气流向城区，城郊空气发生对流运动，形成降雨。因此，通常认为城市热岛增加了城市中心及其下风向范围内的降雨量。

5.3 城市大气环境

城市热岛导致城市中盛行上升气流，上升气流推动大气中悬浮的粉尘微粒向上运动，从而空易在城市上空形成微粒团粒结构云团，造成严重的城区贴地层大气污染。城郊间热岛环流的存在带动城区上空的污染物随热岛环流向城郊四周辐散，下沉到郊区地面附近后又随着地面冷气流向城市中心辐合，污染物难以输出城区[13]。

5.4 城市生物习性

城市热岛效应对城市植物的影响主要表现为植物发芽、开花时间提前，落叶、休眠时间延迟[23]。城市生物多样性受到影响的主要原因是生境的破坏。一方面，市区气温升高，无霜期延长，极端低温偏少，使得原本不属于该区系生长的植物也能在城市繁殖生长。另一方面，温度的上升，特别是极端高温的升高，又限制了某些植物的生长[24]。

5.5 城市能量代谢

城市热岛效应直接影响着城市能量的消耗。许多观测研究表明[25，26]，城市热岛效应导致夏季城市空调冷度日数比郊区多很多，在大型城市表现尤为明显；冬季市区热度日数比郊区明显偏低，为居民节省了燃料。

5.6 城市居民健康

城市热岛一个最为重要的影响就是危害城市居民的健康。特别是在炎热的夏季，持续高温导致中暑、心情烦躁、精神紊乱、工作效率降低。长期生活在热岛中心的居民多见消化不良、食欲减退、溃疡病和胃肠道病等消化系统疾病，另外其神经系统方面也受到较严重的损害，比如烦躁、忧郁、失眠、压抑、记忆力下降、精神萎靡等症状[27]。

6 城市热岛减缓措施

减缓城市热岛的措施主要是通过减少太阳间接辐射和人为热排放两方面。

6.1 采用新型建筑材料

使用浅色、高反射率具一定孔隙度的建筑表面材料和透水性、保水性好的铺修路面材料，可使整个城市的总体反照率增大，从而缓解城市热岛强度；因为凉爽或绿色屋顶可降低进入建筑物的热传导，从而直接减少空调的使用[28]。另外，凉爽屋顶和凉爽路面可以改变地表能量平衡，能使周围环境温度更低，从而反过来将减少空调的使用。同时，要多建设可渗透地面，积极倡导在城市人行道、居住小区等铺设可渗透地砖或混凝土路面。

6.2 减少人为热量排放

尽量将民用煤改为液化气、天然气并扩大供热面积也是减缓城市热岛效应重要对策。大力开发使用太阳能、风能等可再生能源，避免使用太多煤炭和燃油等；同时，实行清洁生产机制，推广集中供热，提高能源利用效率，特别是交通运输和工业生产的能源利用效率，尽量少排人为热和温室气体。

6.3 扩大绿地水体面积

城市绿地、水体及湿地可减缓城市热岛效应，最终实现城市生态系统的良性运转。大力发展城市绿化是减缓热岛效应的关键措施[29]。城市绿地和城市森林能吸收太阳短波辐射，植被吸收的大部分辐射能量用于植物蒸腾耗热，并在光合作用中转化为化学能，大大减少了用于增加环境温度的热量，进而降温增湿；同时，吸收大量空气中的二氧化碳，抑制了温室效应。另外，绿地中的园林植物还能滞留大气中的粉尘，减少城市大气中的总悬浮颗粒物的浓度。

6.4 科学合理规划城市

运用生态设计和施工的理念来建设、规划和设计城市。譬如，通过改变城市大楼和街道的布局和走向利于自然风进出城区，控制好城区建筑密度和建筑间距，改变市区建筑空间布局，避免市内建筑呈团块状分布。要统筹规划公路、高空走廊和街道等温室气体排放较密集地区的绿化，营造绿色通风系统，把市外新鲜空气引进市内，加快市区与郊区的空气流通，以改善小气候。

7 城市热岛研究主要发展趋势

7.1 研究范围纵深拓展

当前，城市热岛研究主要集中在某一城市或地区的中小尺度大气城市热岛和地表城市热岛的时空分布特征、影响因素、防治措施等上面，而对大尺度、跨区域及地下城市热岛的研究甚少。今后，在宏观上，会从地上、地表和地下更大尺度的四维时空范围着手，以全球的视角研究城镇化与全球变化双重作用下的城市热岛效应，进一步拓宽城市热岛研究内容和范围的时空尺度。在微观上，会细微到城市的一条公路、一栋建筑、某一行为、某一流行病等。

7.2 研究方法交叉融合

伴随高时间、高空间、高光谱分辨率传感器、三维成像仪、新一代遥感卫星的发展和应用，基于地表温度、植被指数、热力景观等多平台、多尺度、多角度的遥感反演技术，气象站历史记录数据、人工实地测量数据和边界层数值模拟等多方法、多技术手段的综合运用与交叉融合将是城市热岛研究方法的发展趋势。

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