热岛效应

城市热岛效应

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1，Manley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。

城市热岛效应是由于人为原因，改变了城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素，进而引起的城市小气候变化现象，最显著的特征之一就是城市气温比郊区气温高的现象，该现象属于城市气候最明显的特征之一。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%。由于一股较强的暖气流在热岛中心上升，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。

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 km3。

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，但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。

成因和影响

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。

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。

缓解对策

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。

1、城市绿地与森林：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。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。另外，草地在调节城市小气候中具有明显的效果不明显，因此，城市要合理调配乔、灌、草的比率。

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；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。

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。

4、城市湿地与水体的保护：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：青藏高原由于下垫面（对流层大气的主要直接热源地面）大面积抬升，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

太阳能电池：一般不单独使用，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。