兰州的城市热岛效应研究现状

何正强

（兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730107）

兰州的城市热岛效应研究现状

何正强

（兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730107）

兰州作为中国西北地区重要的工业基地和综合交通枢纽，其城市规模正快速发展，城市人口也逐步增加，由此导致的城市热岛效应随着城市化水平的提高而逐渐增强。对兰州市城市热岛效应的研究吸引了越来越多学者的关注。为了更好地研究兰州的城市热岛效应，了解研究现状和最新进展，综述了近六十年来兰州市城市热岛的主要研究方法和研究成果。并讨论了现有研究中存在的问题，展望了兰州市城市热岛的研究前景。

自然地理学；城市热岛；研究现状；兰州

至今为止，城市气候研究已经有近200年的历史，Lake Howard于1818年出版的 《伦敦气候》一书，是世界上公认的第一本关于城市气候的著作[1]。Manley于 1958年首次提出了城市热岛（Urban Heat Island，UHI）的概念[2]。城市热岛是一种由于城市建筑及人们活动导致的热量在城区空间范围内聚集的现象，它是城市气候最明显的特征之一。随着城市化水平不断发展，高度集中的工业、商业和居民活动使得下垫面性质被改变，温室气体排放增多，能源消耗和各种热量排放增多，这些人类活动影响了城市地一气之间物质和能量的交换，表现为城区气温高、郊区低，致使城市犹如一个温暖的岛屿[3]。Oke将城市中心区的温度最高值与郊区温度的差值定义为“热岛强度”，以此为基础对城市热岛效应进行量化分析[4]。如今，城市热岛效应已逐渐成为严重影响城市人居环境和居民健康的重要因素。城市热岛效应研究也已成为城市气候和区域气候研究中的热点问题。

1 兰州市概况

兰州，甘肃省省会，是惟一黄河穿越市区中心而过的省会城市。市区地处黄河上游，西部和南部高，东北低，黄河自西南流向东北，横穿全境，切穿山岭，形成峡谷与盆地相间的串珠形河谷，具有带状盆地城市的特征。南北两山相对高程为500～600m。年平均降水量360mm，年蒸发量1486mm，年平均气温10.3℃。兰州是西北地区重要的工业基地和综合交通枢纽，西陇海兰新经济带支点，新亚欧大陆桥中国段五大中心城市之一。2010年，兰州市建成区面积达183.85km2，常住人口就达到188万人[5]，兰州市城市规划如图1所示。2013年，兰州市实现生产总值1776.28亿元，经济增长率连续多年超过12%。尤其是国家级兰州经济技术开发区、兰州高新技术产业开发区创建以后，经济得到迅猛发展，2012年8月28日，国务院批复设立西北地区第一个、中国第五个国家级新区——兰州新区。提出要在2020年把兰州建设为西北地区现代化大都市。随着兰州市的迅速发展，兰州市的城市热岛效应越来越显著。自1953年，兰州市气温观测数据首次超过靖远县观测数据以来，兰州城郊温度差便逐年加大，城市热岛强度和倾向率也均呈逐年上升趋势。到1981年，其热岛效应强度和倾向率开始显著增强[6]。日益增强的城市热岛效应引起了越来越多学者的关注。

图1 兰州市城市规划图

2 主要研究方法

2.1 气象站法

气象站数据主要用于描述城市热岛的历史演变过程。截至目前，在对兰州市的城市热岛效应的研究中，绝大多数学者采用了气象站法监测热岛效应。主要选用兰州站(36°03′N、103°53′E，海拔1518

m)、榆中站(35°52′N、104°09′E，海拔1875m)、皋兰站(36°21′N、103°56′E，海拔1670m)、靖远站(36°34′N、104°40′E，海拔1398m)等气象站的历史数据，选取若干个温度指标，分析了兰州市或更大区域在不同发展阶段热岛特征变化情况。

2.2 定点观测法

定点观测可以分为水平和垂直2个方向。城市热岛水平分布特征一般是选用城郊若干个典型的位置，或者是利用横穿城市剖线进行观测研究。即采用离地1.5m高的气温值来研究城市温度场。垂直热岛水平分布特征则利用探空气球进行观测或将温度计置于大厦的不同高度以观测城郊气温垂直差异（低于1000m的低空）。由于该法较为耗时耗力，现有对兰州的城市热岛的研究中少有使用。

2.3 遥感法

随着地理信息的发展和遥感技术的成熟，遥感监测方法被广泛运用于城市热岛效应的研究。它具有覆盖范围广、图像直观和时间高度同步的优点，在城市热岛研究中发挥着越来越重要的作用。目前在对兰州的城市热岛研究中主要采用 Landsat7 ETM+和Landsat5 TM（130/35）为遥感数据源，通过亮度温度计算反演地表温度，进而研究热岛效应在小尺度空间上的分布以及热场分布特征与土地利用/覆被的关系。

2.4 模型模拟法

模拟预测方法是应用计算机技术利用统计模型、物理模型、数值模型和解析模型4种模型模拟研究城市热岛效应的方法。目前这4种模型在国内外的研究中已经得到广泛应用，然而在兰州的城市热岛研究中确少有使用。以上各个方法均有其优缺点，不同的研究中也采用了各自较为适宜的方法，由于气象站点法数据更易获取 （兰州中心气象台信息化资料），分析较为简单，所以大多数研究中均采用此法。定点观测法由于数据获取较为复杂，现有研究中少有使用。各研究方法使用情况见表1。

表1 各研究方法优缺点对比及研究实例

3 主要研究结果

3.1 兰州市城市热岛的时间变化特征

新中国成立以来，兰州市发展迅速，建成区面积和人口逐步增加。尤其是改革开放后，兰州市发展速度进一步增加，兰州的城市热岛效应随着城市的发展表现出阶段性特征。1949年，兰州市建成区面积为8.88km2，常住人口38.7万人[13]；1978年，兰州市建成区面积为87.47km2，常住人口93.78人；2010年，兰州市建成区面积为172.61km2，常住人口188万人[5]，随着城市的发展，城市热岛表现出相应的增长趋势（见表2）。

表2 兰州市城市发展与热岛效应阶段性特征

据研究，城市人口越多，建成区面积越大，热岛效应越明显。1万人口城市的热岛强度一般能达到0.11℃，10万人口0.32℃，100万人口0.91℃[14]。1953年前，兰州市的城市热岛效应并不明显，自1953年兰州站的监测气温首次超过靖远站后，其温差逐渐增大，城市热岛效应对兰州市气温的贡献率逐步加

大[6]，图2为近50年兰州城、郊气温的年际变化和热岛强度的变化[15]。其中20世纪60年代热岛强度约为 2.3℃，70年代约为 2.5℃，80年代约为 3.1℃，90年代约为3.5℃，近10年约为3.6℃。总体上来看，近50年城市热岛强度逐渐增强，线性趋势达到0.31℃/10a。另有大量研究认为[5-10]，现兰州市城市热岛强度约为3℃，倾向率已经高达1.0℃/10a，升温贡献率＞50%。

图2 兰州与榆中、皋兰年平均气温温差

除了对兰州市城市热岛年际变化历程的追踪，一些学者则关注了兰州城市热岛效应在小尺度时间范围内的变化过程。白虎志认为[7]热岛效应在冬季尤为显著，在日变化中以02∶00热岛效应最为明显。其顺序为：冬季＞夏季＞春季＞冬季；02∶00＞08∶00＞20∶00＞14∶00；马玉霞[8]进一步将气温分为最高温度、平均温度、最低温度三个部分进行对比研究，将热岛效应的季节变化更加细化，将序列细化为最高温：秋季＞冬季＞夏季＞春季；最低温：冬季＞春季＞秋季＞夏季。李卓伦[16]则发现兰州冬季城市热岛效应的增强速率远大于其他季节。但同时指出1990年代之前，冬季的热岛效应显著小于其他季节的热岛效应。对此产生差异可能来自各自研究所选取数据资料不同而造成。

3.2 兰州市城市热岛的空间变化特征

现有研究多集中于对于兰州市城市热岛效应的时间变化特征的研究，而对于兰州市城市热岛空间分布和变化特征的研究则相对薄弱。现有研究也主要采用遥感法，而少见定点观测法。对水平空间的研究也多余对垂直空间的研究。

对水平空间的研究中，多倾向于研究城市空间扩展和城市下垫面改变对城市热岛的影响的研究。陈榛妹[6]在1991年指出兰州存在城关区、安宁区、西固区三个城市热岛组团中心，并将城关区的热岛归因于居民采暖，将安宁区和西固区的热岛归因于工业热排放。潘竟虎[5]、张建明[17]等人通过遥感影像对比，发现兰州的城市热岛在1993年以后随着建成区面积的扩大和城市化进程的逐步发展，逐渐从三个中心向外扩散，至2010年，三个中心特征消失，全城均处于热岛高温控制下（如图3所示）。兰州市的城市热岛效应增强趋势明显。

图3 兰州市三时期地表温度空间分布示意图

除了水平空间的研究，也有少量对于垂直空间的研究，杨德保[9]利用在兰州大学校园和皋兰气象站两点的探空气球资料分析发现，在兰州200m以下的低空，城郊温差明显，而在200m～600m的中低空，城郊温差逐渐减小，至600m左右时不存在明显差异。张裕芬[18]也认为城市热效应在地面至200m影响显著，热岛效应的存在也使城市上空低层0～200m的大气逆温强度和大气逆温持续时间都远小于乡村（如图4所示）。王海啸[19]也认为城市热岛效应使低层大气中上部200m～600m增温大于郊区，200m以下因污染物削弱了到达地面的太阳辐射，增温小于郊区，并证实白天兰州低层大气中部的增温和大气混浊度具有正相关关系。陈榛妹[6]则发现，兰州市市区近地面在白天的热岛效应更强，并大于100m低空的热岛强度。而100m的低空夜间热岛效应最强，并大于近地面热岛强度，100m低空与地面的情况正好相反。

图4 兰州与皋兰1989年12月1日—5日平均温度垂直廓线

3.3 兰州市城市热岛的影响因素分析

目前对于兰州市城市热岛效应的产生原因和影响因素的研究较多，大多文献中都有提及，然而大多只是定性的描述导致城市热岛效应的可能因素，缺乏相对系统的研究。城市热岛的影响因素众多，可分为自然因素和人为因素两方面。自然要素主要包括：降水量变化、湿度、日照时数、风速、大气污染物、逆温层等；人为要素包括：城市空间扩展、土地类型改变、道路建设、人口变化、工业生产量、能源消耗量等[20-24]。季国良[25]、韩晓[26]等人从自然因素的角度出发，发现兰州市城市热岛效应与降水量变化、日照时数、风速、大气污染物、逆温层等要素之间均存在较好负相关关系，指出兰州近几十年以来，平均风速、降水量减小是造成城市热岛加剧的重要原因。不同气侯指标城效差如图5所示。

图5 不同气候指标城郊差(1961～2009)

兰州因其属于特殊的河谷型城市，城市逆温现象十分普遍，城市逆温层的出现以及城市风系统会导致城市污染物难以及时疏散，这些物质可以大量地吸收环境中热红外辐射，引起大气的进一步升温。至使城市大气吸收较多的红外辐射而升温。夜间它将大大减少地表有效长波辐射所造成的热量损耗，起到保温作用。城市热岛与逆温层和大气污染物的关系较为复杂。陈榛妹[27]在1982年关注到城市逆温层对兰州城市气温的影响，指出兰州一年四季都有逆温存在，而以200m左右的贴地逆温为最严重，贴地逆温又以冬季出现日数最多，厚度最厚，强度最强。白虎志[7]发现冬季逆温层发生频率与城市热岛强度正相关，逆温层最强最厚的时间与城市热岛最盛的时间吻合；张裕芬[18]则发现兰州市热岛强度的日夜差异与近地逆温层的发生有较好的相关性。

对兰州市城市热岛人为因素的分析相对较少，现有的研究中，主要以城市空间扩展和城市用地变化的研究，如徐昔保[13]、杨永春[28]等分析了 1950年以来兰州市城市空间扩展过程和土地类型年代际变迁。指出现在兰州市的城市空间扩展已经导致了环境的恶化。张建明[17]分析了兰州市市地表温度与NDVI(植被指数)、NDBI(建筑指数)、MNDWI(水体指数)、NDBaI(裸地指数)之间的关系（如图6所示），发现建设用地和未利用地温度最高，对热岛效应贡献最大，是城市热岛的主要贡献因子，而绿地和水体能够很好的缓解热岛效应。其他相关研究也得出类似结果。

图6 地表温度和各指数在空间上的关系

除了城市空间对城市热岛的影响，城市人口增加也是城市热岛加剧的原因之一。一个成年人即便在静坐的状态下也会与周围的环境产生一定的热量交换，大约相当于1个100W功率的灯泡向外界散发的热量①。而人类活动对产生更多的热排放，

如采暖、交通等生活热排放和工业生产等热排放。李文莉[24]发现兰州市民规律性的工作日和双休日影响了城市气温变化，平均双休日比正常工作日气温明显偏高，出现了显著的“周末效应”。而榆中的日平均气温距平的周变化不明显，甚至与兰州的变化趋势相反。可见人类活动也是导致城市热岛的重要原因之一。另据吴文恒[29]计算，兰州市中心城区的人口规模将进一步增大，其饱和人数将达342.17万。对未来兰州市的城市热岛的影响将更加显著。

4 讨论与展望

4.1 现有研究中存在的问题

1）目前已有大量关于兰州市城市热岛的研究，主要的研究人员来自兰州大学，部分来自西北师范大学、兰州城市学院等兰州本地的大学和科研单位，少有其它地区科研单位人员参与。现有研究资料和主要结论大量重复，虽然在兰州市城市热岛效应存在且在不断增强这一问题上达成一致认识，但在热岛强度、倾向率等具体数值上存在较大争议；对于兰州市四季和日内城市热岛强度最强 （弱）出现时间存在争议；对各个影响因素之间的联系和对城市热岛的贡献率缺乏研究。

2）虽然国内外有众多不同的方法研究城市热岛效应，但目前对兰州城市热岛的研究中使用的方法较为单一，主要为气象站法。在资料选取时，选择皋兰站或榆中站等不同站点，是否进行了高程校准或校准时采用的气温垂直递减率不同(0.55、0.6、0.7)导致对同一结论出现较大偏差，大多数研究未对数据做均一性检验和和其他误差订正。采用遥感法的研究中，存在以地温代替气温，以及遥感影像解译带来的误差。空间分析中也只主要考虑了兰州市城市建设用地的扩展和土地类型的变化，对于其它影响因素的分析也停留于定性或半定量的分析，缺乏定量分析，并且许多影响因素未被考虑，缺乏与其他城市的对比研究。系统性、全面性不足，研究精度有待提高。

4.2 未来研究方向的展望

1）目前兰州市城市热岛效应研究还不够全面，如缺乏兰州市全市范围内不同地区热岛效应在时间、空间变化上的高分辨率分析；缺乏兰州市城市内部热岛效应强度和变化规律的具体空间分布和差异。对兰州市经济发展，人口增长等方面导致的兰州市的城市热岛变化研究较为薄弱；缺乏与其它城市的对比分析；需要更加细致，全面的分析兰州市城市热岛效应各个影响因素之间的关系和贡献率。

2）由于城市热岛中心区域近地面气温高，与周围地区形成气压差异，周围地区近地面大气向中心区辐合，从而在城市中心区域形成一个低压旋涡，造成大气中的烟尘、氮氧化物等污染物在热岛中心区域聚集，危害人们的身体健康甚至生命。近年来中国各大城市纷纷出现了严重雾霾污染事件。其治理往往采用减产减排方式，虽效果显著但却干扰了居民和工厂的生产生活。若有有效方法降低甚至消除城市热岛效应造成的城市风系统，将有效缓解城市雾霾等污染事件的发生。而这方面的研究有待加强。

3）兰州为了降低兰州市的pm10污染物含量，兰州市自2011年开始实施人工洒水降尘措施。据了解，兰州市现有100多辆洒水车，停靠在市区多个取水点。城区主干道路，洒水每日3次，次干道路，洒水每日2次。仅城关区就有998条主次干道需要洒水压尘，每天要用去2000多吨水。每年在洒水上的花费达到4000万元。如此大规模的人工洒水作业确实改善了城区的空气质量，同时也很可能对城市热岛效应产生影响。目前对人工洒水对城市热岛的影响的研究尚属空白，若洒水对城市热岛有抑制作用，是否可以推广到其他高温城市以防高温热浪袭击等问题尚待研究。

4）2015年7月，习近平总书记在中央城镇化工作会议上呼吁建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。从当年开始，中央财政将连续三年为“海绵城市”建设试点提供资金支持。建设“海绵城市”的不仅改变了城市水资源赋存状况，同时改变了城市下垫面特征，将对城市热岛效应产生怎样的影响将是一个新的研究课题。

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