乌鲁木齐市城市热岛效应研究进展

张新莉 洪雯

【摘要】热岛效应是城市环境研究的热点之一。本文综述了近年来乌鲁木齐市城市热岛效应研究进展，总结了乌鲁木齐热岛效应具有夜间强日间弱和季节性变化显著等特征，分析了其形成的主要原因是下垫面的改变，人为热源排放，绿地和水体的破碎化以及特殊地形影响。提出了今后的研究应加强气象观测与数值模拟相结合，增加对人为热源排放的定量分析等。

【关键词】热岛效应；季节性特征；人为热排放

随着全球经济的迅速发展，越来越多的人口向城市聚集[1]。一般认为，城市是人口、资源、能量和信息高度集中的空间地域系统，也是一个政治、经济、文化、环境等实体交融的综合体，是区域的核心[2]。城市化成为社会发展的必然趋势[3]，据联合国人居署统计，中国是城市化进程最为迅速的发展中国家之一[4]。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[5-9]。

1 城市热岛效应

城市热岛是指由人类活动而形成的城市地区整体或局部温度高于周围地区温度的异常分布现象[10]。从近地面温度图上看，郊区气温变化很小，而城区高温区在温度图上就像是从海里突出海面的岛屿，因此形象地称这种效应为城市热岛[11]。Oke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[12]。城市热岛可引起市民高温中暑、光化学反应烟雾、能见度降低、城市“混浊岛”、能耗增加、城市供水困难和火灾频发等灾害，给人们的身体健康和城市经济带来不容低估的损失[13]。

城市热岛效应对周围环境最明显的影响是温度的变化，可通过温度变化来反映一个城市的热力场状况，但是使用有限的地面气象站提供的地温观测资料，很难全面掌握城市地面热岛的空间分布情况[14]。影响城市热岛的因子很多，但主要可以分为三大方面：（1）下垫面因素，包括①不透水層面积；②下垫面的热性质；③下垫面的几何形状。（2）人为热和温室气体，包括①人为热；②温室气体。（3）天气形势与气象条件。前两个因素是主要因素，因为城市的下垫面的反射率小而吸收较多的太阳辐射，奠定了城市热岛的能量基础，而城市中的大量人为热，加剧了城市的热岛效应。

2 乌鲁木齐市热岛特征

2.1 乌鲁木齐市概况

乌鲁木齐市位于亚欧大陆腹地，地处北天山北坡，准噶尔盆地南缘，是世界上距离海洋最远的内陆城市。地理坐标为东经86°37′33″～88°58′24″，北纬42°45′32″～44°08′00″。市区呈条状分布，东南西三面环山，北面为平缓的冲积平原，地势东南高，西北低，形成一个狭长葫芦状的河谷盆地[15]。自然坡度12%～15%，海拔680m～920m，属温带大陆性气候，其特点是寒暑变化剧烈，干燥少雨，光照丰富，蒸发量大，冬季寒冷漫长，夏季热而不闷，春季多大风，秋季降温迅速。受高压控制和地形的影响，四季均有下沉逆温和地形逆温层的出现。

2.2 乌鲁木齐市热岛特征

对小区域气候来说，乌鲁木齐作为干旱区绿洲型城市这一特殊的地理景观类型，受到了热岛、干岛、混浊岛和冷岛等多种气候效应的共同作用，使其在大的气候类型上交织着多种小的气候效应，温变化复杂，而其中对城市温度影响最突出的是城市热岛效应[16]。

对于乌鲁木齐地区的气温研究，尤其是城市热岛效应的研究，许多学者已经作了大量工作，赵志敏选择乌鲁木齐市气象站的气温数据作为中心市区温度，与城市郊区周边3～4个气象站的气温加权平均值对比，发现乌鲁木齐市1990-2004年建成区面积从49km2增至169km2，而城区与郊区的温差也从0.66℃增大至1.27℃[17]。普宗朝等分析了1971-2000年乌鲁木齐地区不同海拔高度气温、降水、无霜期及气温日较差等气候要素的变化趋势[18]。

根据对乌鲁木齐中心城区和周边郊区的长时间序列的气温观测对比，以及遥感模拟反演等研究结果表明：

（1）夜间热岛强度大于日间

李景林等根据乌鲁木齐和昌吉地区3个城市气象站和3个郊区气象站33年（1976-2008年）的气温观测资料分析，得出结论为城市热岛强度夜间强、白天弱[19]；吕光辉等利用MODIS热红外数据反演分析研究表明乌鲁木齐2000-2005年全年四季的夜晚均存在明显的城市热岛现象[20]。

（2）热岛效应有显著的季节性

吕光辉等利用MODIS热红外数据反演分析表明，乌鲁木齐2000-2005年夏季的白天和夜晚均存在明显的城市热岛现象；空间上，乌鲁木齐城市和附近的戈壁、荒漠温度较高，近处的中山区和远郊的高山区温度较低，区域内温差较大、热岛强度高[20]；王珊珊等根据连续43年（1961-2003年）的气象站逐月平均气温观测资料，研究表明乌鲁木齐市与达坂城、小渠子和大西沟在4～9月存在热岛效应，其中乌鲁木齐在夏季6～8月的热岛强度最大[21]。

由于资料来源的差异，也有研究持不同观点。刘卫平等将乌鲁木齐与周边地区7个站点30年（1978-2007年）的气象资料对比研究后，认为乌鲁木齐中心城区平均气温上升幅度大于郊区，冬季城郊温差逐渐增大，春夏秋3季城、郊温差逐渐缩小。冬季城区温度明显高于郊区，冬季城市热岛效应明显[22]。李景林等研究后也认为乌鲁木齐年平均热岛强度递增率为0.71℃/10a，冬季为1.06℃/10a，冬季热岛效应显著大于其他三季[19]。同样的，李珍等利用乌鲁木齐市和达坂城40年（1961-2004年）的气温资料对比结果表明，两地冬季平均气温差、平均最高温查、平均最低温差均呈非常显著的上升趋势，热岛强度增强明显。而春、夏、秋三季乌鲁木齐城市热岛强度明显减弱，出现了冷化效应，这与降水量的增加、城市绿化和城市灌溉面积的增大而产生的气候冷化有一定关系[23]。

2.3 乌鲁木齐热岛效应原因

2.3.1 城市下垫面的改变

国家实行西部大开发后，乌鲁木齐的城市建设取得了重大进展，城市的繁荣和经济的发展给乌鲁木齐带来了令人瞩目的变化。高大建筑如雨后春笋拔地而起，在市中心形成了一层层围起的高大建筑物。城市的发展改变了原有的自然条件，自然植被为建筑物、沥青或水泥马路所代替。对比2013年和2014年数据，城市建成区面积由391.2km2增加至412.26km2，而建成区绿化覆盖面积仅由37.93公顷增加到38.5公顷，也就是说，建成区增加了2106公顷，而绿化覆盖面积仅增加了0.57公顷[24]。城市建成区不断扩大，而人工绿地面积增加速率远跟不上城市发展速度，城市下垫面由土壤、植被迅速被密集建筑群、沥青和水泥路面取代，吸热更快而热容量更小，使城区储存较多热量，表现出显著的热岛效应。

2.3.2 人为热源排放

自2010年启动主城区污染源搬迁以来，乌鲁木齐主城区工业污染源基本搬离，但冬季各集中供热站和采暖锅炉排放的热量、夏季城市大量使用的空调排放的热量以及2009年开始以10万辆/年的速度递增的机动车保有量带来的汽车尾气排放量的大幅增加，都使得人为热源大量释放，使乌鲁木齐温场呈现明显的热岛效应。

2.3.3 城市绿地和水体的破碎化

（1）城市大热岛中的冷湿小岛小气候能力不强。乌鲁木齐建成区绿地主要分布在各居民区，绿地面积小，对小气候和微环境改善有限，生态效益低；乌鲁木齐市中心城区现已基本不存在自然地表水体，而集中的人工水体多零散分布在各个公园内，水体面积很小，小气候改善能力很弱；城市各成块绿地间连通性差，生态联系功能弱；沿铁路、公路、城市干路的绿色廊道景观林、防护林断续、稀疏、不成规模，对两侧空气和噪声污染的消减、防护能力弱。

（2）绿地受城市建设蚕食，破碎化严重。随着城市建设快速发展，郊区农田和山地被侵占，绿地逐渐被蚕食甚至完全消失。新开发的居民区绿地零散分布，仅在用地边角“见缝插绿”，绿地系统支离破碎，不成规模。

2.3.4 城市特殊地形

乌鲁木齐城市建成区主要是沿乌鲁木齐河古河道两岸由北向南伸展在北部平原又向东西两翼展开，呈“T”形分布，东南西三面环山，北面为平缓的冲积平原，地势东南高，西北低，形成一个狭长葫芦状的河谷盆地。特殊的地理形状，导致城市热量大量聚集后不易向外散失。

3 存在的问题及未来展望

（1）纵观关于乌鲁木齐城市热岛效应的历史研究工作，研究方法多利用历史气象观测资料进行统计分析，由于数据来源的空间和时间尺度不同，易导致研究结果的不一致，如前文所述乌鲁木齐热岛效应的不同季节性特征。今后的研究趋势应是基于实际观测数据，结合遥感和GIS技术，运用数值模拟等方法从能量场的角度对乌鲁木齐城市热岛进行更为直观且高分辨率的时-空分析，得到更为详实可靠的结论。

（2）有关城市化进程中的人为热源释放对热岛效应的研究较为薄弱，而在乌鲁木齐市还未有相关研究。今后应对城市人为热源的分布变化、热量排放等进行定量追踪，运用遥感、模型模拟等手段分析人为热源对城市热岛效应的贡献比例，为今后有效控制和减缓城市热岛效应提供理论参考和科学依据。

参考文献

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