城市热岛效应

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城市热岛效应(Urban heat island effect, UHI effect)

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什么是城市热岛效应

  城市热岛效应是指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素,造成城市“高温化”。城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上,郊区气温变化很小,而城区则是一个高温区,就象突出海面的岛屿,由于这种岛屿代表高温的城市区域,所以就被形象地称为城市热岛。形成城市热岛效应的主要因素有城市下垫面、人工热源、水气影响、空气污染、绿地减少、人口迁徙等多方面的因素。

城市热岛效应的提出

  19世纪初,英国气候学家路克·霍德华(Luke Howard)在《伦敦的气候》[2] 一书中,首先提出了“热岛效应”的气候特征理念。随着城市建设的高速发展,城市热岛效应也变得越来越明显。海岛上的地面气温,由于高于周围海上气温,并因此形成海风环流以及海岛上空的积云对流,这是海洋热岛效应的表现。进入21世纪,由于城市人口集中,工业发达,交通拥塞,大气污染严重,且城市中的建筑大多为石头和混凝土建成,它的热容量低,热传导率高,加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用,可使城市年平均气温比郊区可高2℃,甚至更多,在温度的空间分布上,城市犹如一个温暖的岛屿,从而形成城市热岛效应。

热岛效应的基本特征

  热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象,在冬季最为明显,夜间也比白天明显,是城市气候最明显的特征之一。城市热岛效应使城市年平均气温比郊区高出1°C,甚至更多。夏季,城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6°C以上。原则上,一年四季都可能出现城市热岛效应。此外,城市密集高大的建筑物阻碍气流通行,使城市风速减小。由于城市热岛效应,城市与郊区形成了一个昼夜相同的热力环流。

城市热岛效应的形成因素

城下垫面

  热岛效应,受城市下垫面(大气底部与地表的接触面)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,各种建筑墙面等,改变了下垫面的热力属性,这些人工构筑物吸热快而热容量小,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,因而其表面温度明显高于自然下垫面。

  城市地表含水量少,热量更多地以显热形式进入空气中,导致空气升温。同时城市地表对太阳光的吸收率较自然地表高,能吸收更多的太阳辐射,进而使空气得到的热量也更多,温度升高。如夏天里,草坪温度32℃、树冠温度30℃的时候,水泥地面的温度可以达到57℃,柏油马路的温度更高达63℃,这些高温物体形成巨大的热源,烘烤着周围的大气。

  城区大量的建筑物和道路构成以砖石、水泥和沥青等材料为主的下垫层,这些材料热容量、导热率比郊区自然界的下垫层要大得多,而对太阳光的反射率低、吸收率大;因此在白天,城市下垫层表面温度远远高于气温,其中沥青路面和屋顶温度可高出气温8℃~17℃。此时下垫层的热量主要以湍流形式传导,推动周围大气上升流动,形成“涌泉风”,并使城区气温升高;在夜间城市下垫面层主要通过长波辐射,使近地面大气层温度上升。由于城区下垫层保水性差,水分蒸发散耗的热量少(地面每蒸发1g水,下垫层失去2.5kJ的潜热),所以城区潜热大,温度也高。

人工热源

  城市内拥有大量锅炉、加热器等耗能装置以及各种机动车辆。这些机器和人类生活活动都消耗大量能量,大部分以热能形式传给城市大气空间。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。工厂、机动车、居民生活等,燃烧各种燃料、消耗大量能源,无数个火炉在燃烧,都在排放热量。

水气影响

  除了绿地能够有效缓解城市热岛效应之外,水面、风等也是造成城市热岛的因素。城区密集的建筑群、纵横的道路桥梁,构成较为粗糙的城市下垫层、因而对风的阻力增大,风速减低,热量不易散失。在风速小于6 m/s时,可能产生明显的热岛效应,风速大于11 m/s时,下垫层阻力不起什么作用,此时热岛效应不太明显。

  水的热容量大,在吸收相同热量的情况下,升温值最小,表现出比其他下垫面的温度低;水面蒸发吸热,也可降低水体的温度。风能带走城市中的热量,也可以在一定程度上缓解城市热岛。因此在城市建筑物规划时,要结合当地的风向,不要把楼房全部建设成为东西走向的,要建设成为便于空气流通的模式;同时,最好将一些单位的高院墙拆掉,建成栅栏式,增加空气流通。

空气污染

  城市中的机动车辆、工业生产以及大量的人群活动,产生了大量的氮氧化物、二氧化碳、粉尘等,这些物质可以大量地吸收环境中热辐射的能量,产生众所周知的温室效应,引起大气的进一步升温。市大气污染使得城区空气质量下降,烟尘、SO2、NOx,CO含量增加,这些物质都是红外辐射的良好吸收者,至使城市大气吸收较多的红外辐射而升温。

  大气污染在城市热岛效应中起着相当复杂特殊的作用。来自工业生产、交通运输以及日常生活中的大气污染物在城区浓度特别大,它像一张厚厚的毯子覆盖在城市上空,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。

绿地减少

  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。城市的建筑、广场、道路等等大量增加,绿地、水体等自然因素相应减少,放热的多了,吸热的少了,缓解热岛效应的能力就被削弱了。既然城市中人工构筑物的增加、自然下垫面的减少是引起热岛效应的主要原因,那么在城市中通过各种途径增加自然下垫面的比例,便是缓解城市热岛效应的有效途径之一。

  城市绿地是城市中的主要自然因素,因此大力发展城市绿化,是减轻热岛影响的关键措施。绿地能吸收太阳辐射,而所吸收的辐射能量又有大部分用于植物蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能,用于增加环境温度的热量大大减少。绿地中的园林植物,通过蒸腾作用,不断地从环境中吸收热量,降低环境空气的温度。每公顷绿地平均每天可从周围环境中吸收81.8兆焦耳的热量,相当于189台空调的制冷作用。园林植物光合作用,吸收空气中的二氧化碳,一公顷绿地,每天平均可以吸收1.8吨的二氧化碳,削弱温室效应。此外,园林植物能够滞留空气中的粉尘,每公顷绿地可以黏滞留粉尘2.2吨,降低环境大气含尘量50%左右,进一步抑制大气升温。

热岛效应的防治措施

绿化环境

  研究表明:城市绿化覆盖率与热岛强度成反比,绿化覆盖率越高,则热岛强度越低,当覆盖率大于30%后,热岛效应得到明显的削弱;覆盖率大于50%,绿地对热岛的削减作用极其明显。规模大于3公顷且绿化覆盖率达到60%以上的集中绿地,基本上与郊区自然下垫面的温度相当,即消除了热岛现象,在城市中形成了以绿地为中心的低温区域,成为人们户外游憩活动的优良环境。

  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,把市外新鲜空气引进市内,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。

减少排放

  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。提高能源的利用率,改燃煤为燃气。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。

城市规划

  从城市气象规划设计出发应考虑:

  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、建筑物淡色化以增加热量的反射。

  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。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。

  6、提高人工水蒸发补给,例如喷泉、喷雾、细水雾浇灌。

  7、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。

  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。综上所述,热岛效应给人们带来的危害的确不小,但若能够正确的利用已有的技术,控制城市的过快发展,合理规划城市,这个问题并非不可解决。

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