[科普中国]-热岛效应

定义

由于城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大的吸热率和更小的比热容，使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成了同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿，人们把这种现象称之为城市热岛效应。

在近地面等温线图上，郊区气温相对较低，而市区则形成一个明显的高温区，如同出露水面的岛屿，被形象的称之为“城市热岛”。城市热岛中心，气温一般比周围郊区高1℃左右，最高可达6℃以上，大城市散发的热量可以达到所接收的太阳能的2/5，从而使城市的温度升高。在城市热岛作用下，近地面产生由郊区吹向城市的热岛环流。城市热岛增强空气对流，空气中的烟尘提供了充足的水汽凝结核，故城市降水比郊区多。对欧美许多大城市研究发现，城市降水量一般比郊区多5%~10%。

城市热岛效应英文名称：Urban Heat Island Effect, 简称UHI（而非热导效应）

城市气候最显著的特征之一就是热岛效应，人类很早以前就发现城市的大气环境与乡村及山区具有不同的特点。英国人Lake Howard于1833年第一次对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行文字记载，1Manley于1958年首次提出城市热岛（Urban Heat Island，UHI）的概念。2现在普遍认为，城市热岛效应是指当城市发展到一定规模，由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等使城市温度明显高于郊区，形成类似高温孤岛的现象。3

城市人口密集、工厂及车辆排热、居民生活用能的释放、城市建筑结构及下垫面特性的综合影响等是其产生的主要原因。热岛强度有明显的日变化和季节变化。日变化表现为夜晚强、白天弱，最大值出现在晴朗无风的夜晚，上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节分布还与城市特点和气候条件有关，北京是冬季最强，夏季最弱，春秋居中，上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约1℃左右，如北京为0.7～1.0℃，上海为0.5～1.4℃，洛杉矶为0.5～1.5℃。城市热岛可影响近地层温度层结，并达到一定高度。城市全天以不稳定层结为主，而乡村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升，到一定高度向四周辐散，而附近乡村气流下沉，并沿地面向城市辐合，形成热岛环流，称为“乡村风”，这种流场在夜间尤为明显。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。

城市热岛效应是城市气候中典型的特征之一。它是城市气温比郊区气温高的现象。城市热岛的形成一方面是在现代化大城市中，人们的日常生活所发出的热量；另一方面，城市中建筑群密集，沥青和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更小的函授比热容（可吸收更多的热量），并且反射率小，吸收率大，使得城市白天吸收储存太阳能比郊区多，夜晚城市降温缓慢仍比郊区气温高。城市热岛是以市中心为热岛中心，有一股较强的暖气流在此上升，而郊外上空为相对冷的空气下沉，这样便形成了城郊环流，空气中的各种污染物在这种局地环流的作用下，聚集在城市上空，如果没有很强的冷空气，城市空气污染将加重，人类生存的环境被破坏，导致人类发生各种疾病，甚至造成死亡。

成因气候条件是造成城市热岛效应的外部因素，而城市化才是热岛形成的内因。城市热岛形成的原因主要有以下几点：

首先，是受城市下垫面特性的影响。城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏油路面，各种建筑墙面，改变了下垫面的热力属性（反射率小，热量传导较快）。这些人工构筑物吸热快而比热容小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，吸收热量多，蒸发耗热少，散失热量较慢，因而其表面温度明显高于自然下垫面。

另一个主要原因是人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料，每天都在向外排放大量的热量。

当然，城市中的大气污染也是一个重要原因。城市中的机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些大气污染物浓度大，气溶胶微粒多，会吸收下垫面热辐射，在一定程度上起了保温作用，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。（白天它大大地削弱了太阳直接辐射，城区升温减缓，有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间它将大大减少城区地表有效长波辐射所造成的热量损耗，起到保温作用，使城市比郊区“冷却”得慢，形成夜间热岛现象。）

此外，城市里中绿地、林木和水体的减少也是一个主要原因。随着城市化的发展，城市人口的增加，城市中的建筑、广场和道路等大量增加，绿地、水体等却相应减少，缓解热岛效应的能力被削弱。

原则上，一年四季都可能出现城市热岛效应。但是，对居民生活和消费构成影响的主要是夏季高温天气下的热岛效应。为了降低室内气温和使室内空气流通，人们使用空调、电扇等电器，而这些都需要消耗大量的电力。高温天气对人体健康也有不利影响。有关研究表明，环境温度高于28°C时，人们就会有不适感；温度再高还容易导致烦躁、中暑、精神紊乱等症状；气温持续高于34°C，还可导致一系列疾病，特别是使心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发病率上升，死亡率明显增加。此外，气温升高还会加快光化学反应速度，使近地面大气中臭氧浓度增加，影响人体健康。

城市热岛效应主要由以下因素影响：蒸发减少、城市下垫面反射率降低、能量输入，其强度影响为：蒸发减少0.05g/sm，热输入增加120.9w/m；城市下垫面反射率降低10%，热输入增加30w/m；人工能量输入10w/m，城市中总热输入增加160.9w/m，由于受空气对流的影响，实际热输入约20w/m，计算温升约3.5℃，这与实际比较相符。当夏季空气流通减缓时，热输入会急剧增加，由于城市蒸发系统适应性低，造成城市温度急剧上升，同时由于空调和火电厂的加速运转又会造成恶性循环，加剧城市大气温升。城市蒸发量减少也形成了城市干岛效应，造成城市上空大气稳定度升高，不易发生垂直对流，易形成近地表高温，产生严重的空气污染（例发灰霾和光化学烟雾）。

时空分布特征1 城市热岛强度随时间的变化

热岛强度随时间主要表现出2种周期性的变化，即日变化和年变化。在晴朗无风的天气下，日变化表现为夜晚强，白昼午间弱；年变化表现为秋冬季强，夏季弱。城市热岛强度不但有周期性变化，而且还有明显的非周期性变化。引起热岛强度非周期性变化的原因主要与当时的风速、云量、天气形势和低空气温直减率有关，主要表现为风速越大，云量越多，天气形势越不稳定，低空气温直减率越大，热岛强度就越小，甚至不存在热岛，反之“热岛”强度就越大。根据过去中国50年的年平均气温数据研究认为，城市热岛效应对年平均温度的影响主要包括3个方面，即年平均温度值升高、年际间温度差异下降和气候趋势的改变，全国热岛的平均强度不到0.06 ℃，与全球0.05 ℃接近；也有研究认为，从上个世纪的70年代到90年代的20年里热岛强度以每10年0.1℃的速度上升，而珠江三角洲都市群热岛强度由1983年前的0.1 ℃上升到1993年的0.5 ℃；还有人估计城市化和土地利用性质的改变会使热岛以每个世纪0.27 ℃增加幅度上升。全国主要城市的热岛区域面积也随时间持续增加，如上海城市热岛区域面积由20世纪80年代的100 km到90年代的800 km。3

2 城市热岛强度随空间的变化

城市热岛的水平分布表现在热岛出现在人口密集，建筑物密度大，工商业最集中的地区，而郊区则有较好的植被覆盖，或者农田密布，热岛强度小。热岛的空间分布因高度的不同而有所差别。表现在白天城郊差别不明显；夜晚城郊热岛强度差别大，并且强度的这种差别随高度的升高而下降，到一定的高度还会出现“交叉”现象。3

缓解对策1 城市绿地与森林

大量研究表明，城市植被、水体及湿地是城市生态系统中的重要组分，它们可减缓城市的环境压力，减轻热岛效应，最终实现城市生态系统的良性循环。城市植被通过蒸腾作用，从环境中吸收大量的热量，降低环境空气温度，增加空气湿度；同时大量吸收空气中的二氧化碳，抑制温室效应。另外，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。当一个区域的植被覆盖率达到30%时，城市绿地对热岛效应即有较明显的削弱作用，相反，植被减少则是城市热岛形成的首要贡献因子。因此，加强城市绿化，改善城市下垫面的热属性是缓解热岛效应的关键措施。研究还发现城市森林在调节城市小气候中具有明显的效果，而草地则效果不明显。因此，城市合理的乔、灌、草比率是十分重要的，时下风行的草坪热不宜提倡，至少在缓解城市热岛效应上没有起到最佳的效果。屋顶绿化是增加绿化面积或者总体绿量较为有效的方法之一，特别是在城市用地紧张，建筑密度比较大的情况下，显得更为重要。3

屋顶绿化或屋顶花园的概念最早起源于欧洲，其作用已被众多的研究所证实。屋顶花园具有如下功能：

（1）缓解城市热岛效应；（2）贮藏降雨；（3）增加休闲或其它经济价值的空间；（4）空气和水质净化。屋顶花园自著名的巴比伦空中花园以来一直为人们所熟知，基于对环境问题日益恶化的担忧，对屋顶花园的重要意义开始重新认识。2004年10月22日在瑞典的Malmö城召开主题为国际绿色屋顶研究的学术研讨会，来自瑞典、瑞士、德国和英国的学者就屋顶绿化的研究现状进行了研讨。美国芝加哥市政府启动屋顶绿化工程来降低城市温度，日本对新建筑或重新翻新的旧建筑强制进行屋顶绿化的做法值得借鉴。3

2 采用新型的城市规划与设计理念

启用生态合理的能源规划、城市开发模式、交通规划、绿地系统规划，调节城市产业结构；使用新型建筑材料，提高对太阳光的反射率；使用能降温节能，缓解热岛强度的户外建筑材料；提倡渗透性的地面铺装材料。据估计，综合采用这些措施可在美国全国范围内每年降低大约100亿美元的能耗投入。3

3 人为热的降低

需要向城市居民灌输环保生活理念，提倡每个人、每户家庭都要将环保的生活理念贯穿于日常生活的方方面面，变成自觉行为。居民日常生活方式的改变将是一件长期而又很有意义的工作，可直接大量降低交通运输、空调、烹饪及工业生产过程的废热。另外提高能源利用效率，实行清洁生产，或者开发利用新型高效环保能源。3

4 城市湿地与水体的保护

受城市化的影响，城市湿地形成了分布不均匀、面积较小、孤岛一样的湿地斑块，斑块之间的连接度下降，湿地内部生境破碎化。即便是这种业已破碎化的斑块，也可能会因城市土地开发而被侵占，挪作他用。事实上，随着城市化的进程，城市湿地与水体的面积急剧下降，其调节城市气候与热量收支平衡的生态服务功能受到很大的削弱。城市湿地与水体的保护需要城市管理当局拿出很大的勇气与坚决的措施，对不能动用的城市湿地与水体坚决予以保护。

在条件允许的情况下，应该在城市进行人工湿地的构建，这是降低热岛效应的有效方法。3

青藏高原热岛效应近代地理学的开创者之一、德国科学家洪堡1799－1804年间在南美洲安第斯山脉考察时发现，赤道附近的高山雪线，比中纬度的青藏高原许多高山的雪线低200米左右。例如：贡嘎山西坡雪线高5100米左右，而靠近赤道的厄瓜多尔基多附近的高山雪线仅约4800米多一些。这不符合常理：由于赤道地区热量较高，高山雪线通常应该从赤道向两极递降，到极地附近降至海平面。

据此，洪堡提出了青藏高原的“热岛效应”理论：对流层大气的主要直接热源是地面，或称“下垫面”，青藏高原由于下垫面大面积抬升，（相当于把“火炉”升高），故其热量较同纬度、同海拔高度的其它地区高得多，甚至比赤道附近的同海拔地区也要高得多。

青藏高原的“热岛效应”对环境的多要素影响极大，如冰川、生物等。例如，贡嘎山南坡的垂直自然带和纬度相当的峨眉山相比丰富得多，许多树木的分布界线也高于峨眉山，就是这个原理。

实际应用单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。

防止方法1．选择高效美观的绿化形式、包括街心公园、屋顶绿化和墙壁垂直绿化及水景设置，可有效地降低热岛效应，获得清新宜人的室内外环境。

2．居住区的绿化管理要建立绿化与环境相结合的管理机制并且建立相关的地方性行政法规，以保证绿化用地。

3．要统筹规划公路、高空走廊和街道这些温室气体排放较为密集的地区的绿化，营造绿色通风系统，把室外新鲜空气引进室内，以改善小气候。

4．应把消除裸地、消灭扬尘作为城市管理的重要内容。除建筑物、硬路面和林木之外，全部地表应为草坪所覆盖，甚至在树冠投影处草坪难以生长的地方，也应用碎玉米秸和锯木小块加以遮蔽，以提高地表的比热容。

5．建设若干条林荫大道，使其构成城区的带状绿色通道，逐步形成以绿色为隔离带的城区组团布局，减弱热岛效应

在现有的条件上，应考虑

1．控制使用空调器，提高建筑物隔热材料的质量，以减少人工热量的排放；改善市区道路的保水性性能。

2．建筑物淡色化以增加热量的反射。

3．提高能源的利用率，改燃煤为燃气。

4．此外， “透水性公路铺设计划”，即用透水性强的新型柏油铺设公路，以储存雨水，降低路面温度。

5．形成环市水系，调节市区气候。

减弱建议（1）要保护并增大城区的绿地、水体面积。因为城区的水体、绿地对减弱夏季城市热岛效应起着十分可观的作用。

（2）城市热岛强度随着城市发展而加强，因此在控制城市发展的同时，要控制城市人口密度、建筑物密度。因为人口高密度区也是建筑物高密度区和能量高消耗区，常形成气温的高值区。

（3）如北京市位于平原中部，三面环山。由于山谷风的影响，盛行南、北转换的风向。夜间多偏北风，白天多偏南风。因此，在扩建新市区或改建旧城区时，应适当拓宽南北走向的街道，以加强城市通风，减小城市热岛强度。

（4）减少人为热的释放，尽量将民用煤改为液化气、天然气并扩大供热面积也是根本对策。

因为水的比热大于混凝土的比热，所以在吸收相同的热量的条件下，两者升高的温度不同而形成温差，这就必然加大热力环流的循环速度，而在大气的循环过程中，环市水系又起到了二次降温的作用，这样就可以使城区温度不致过高，就达到了防止城市热岛效应的目的。

此外，市区人口稠密也是热岛效应形成的重要原因之一。所以，在今后的新城市规划时，可以考虑，在市中心只保留中央政府和市政府、旅游、金融等部门，其余部门应迁往卫星城，再通过环城地铁连接各卫星城。

（5）城市人口稠密，绿化面积较少，应多种植树木。

(6)还需控制工厂的排放。

(7)人工蒸发补偿：解决城市大气热污染的首要办法是增大蒸发量，受城市安装条件的限制，采用喷雾系统是一种高效且经济的办法。蒸发量在0.05g/sm时（白天喷雾11小时相当于2mm降雨量），大气平均降温达7℃。