城市热岛效应的研究

城市热岛效应的研究
042 气候2班 王玥彤
一:北京
北京城市坐落在平原上,三面环山.北部和东北部是属于燕山山脉的军都山,西部是太行山的北段,称西山.北京市近年来城市发展迅速.据统计,80年代以来,北京城区扩建出现了加速趋势,1981年全市建成区面积为3492km ,2000年达到5002
km .伴随城市发展,人口数量也迅速增长,1982年为923万,2000年为1357万人,2004年增加到1500万.此外,城市的能源消耗也大幅度增长,据统计,1980年北京市以标准煤折算的能源消耗为1685万吨,2000年增加到4211万t 吨20a 间增加了215倍.随着城市的发展、人口的增加和大量能源的消耗,城市人为热和下垫面热储存大量增加,城市的热岛效应相应发生变化.
1，冬季热岛效应
应用北京地区20个常规地面气象观测站1990~2004年1月的观测资料,分析了北京冬季近15a 城市热岛特征及其演变趋势;此外,在常规气象观测资料的基础上,加上了城区的天安门、白家庄2个自动观测站的资料,以及中国科学院大气物理研究所LAPC 325m 气象铁塔的资料,进一步分析了2003年1月一个强热岛的日变化特征及其气象影响因子,着重分析了城市强热岛形成和消失过程近地层气象要素演变,并与弱热岛的情况进行了对比分析,以综合分析北京城市化发展至今,冬季强热岛的特征及影响其形成、减弱和消失的相关气象因子。

研究手段：运用观测资料，Tu 表示城区地面气温,用Ts 表示郊区地面气温,用Tu-s 表示城市热岛强度。

热岛强度定义为海淀站气温与顺义和大兴2站平均气温之差.这样定义的热岛强度不是很客观,但是,在这同一标准下得到的结果对了解北京城市热岛效应仍然是有意义的.
结果：北京冬季1月份1天4个时次多年平均热岛,02时最强,08时次强,14时最弱,20时次弱.夜间热岛要强于白天.白天向夜间过渡,热岛加强;而夜间向白天过渡,热岛减弱.
近15a 来北京冬季夜间城市热岛强度趋势上是增强的;热岛强度与城区地面气温正相关,地面气温越高,热岛强度越大.须指出,白天城市热岛相对夜间要弱许多,没有增强的趋势;白天热岛强度和城区地面气温之间的这种相关不明显。

强热岛效应，强热岛日1天4个时次的热岛强度,02时最强,08时次强,14时最弱,20时次弱.强热岛出现在夜间,而白天强热岛减弱.白天向夜间过渡,热岛加强;夜间向白天过渡,热岛减弱,与多年平均状况的结果是一致的。

而弱热岛效应不论白天还是夜晚热岛效应都弱。

北京地区冬季夜间存在城市强热岛,城市强热岛是多个因子综合作用下形成的.白天日照充足的晴夜,北京地区城郊均出现并维持弱的地面风场(最大风速小于210mPs,多个测站甚至出现静风),夜间城区近地大气层出现并维持弱的风场(风速在210mPs 以下)以及夜间城区近地大气层逆温的形成和维持,使郊区地面气温下降速率和幅度远大于城区,促使夜间城市强热岛形成和维持
2 春季
应用北京地区地面气象观测台1990-2004年4月的气温资料,分析了近15 a 北京春季城市热岛特征,还分析了春季一个强热岛形成和减弱消失过程的气象影响因子,强热岛在夜间形成的原因是日落后郊区地面大气降温速率和幅度远大于城区地面大气。

白天有日照的晴夜北京城、郊地面风场很弱(<1. 0 m/s),多个测站甚至出现静风,同时城区垂直方向上15 m 高度以下持续存在很弱(<1. 5 m/s)的风场,城区320 m 高度以下大气持续存在强逆温,这些因素共
同促使春季强热岛的形成和维持。

强热岛在白天减弱消失的原因是日出后太阳辐射的加热作用引起郊区地面大气升温速率和幅度大于城区地面大气,同时城区大气稳定度减弱、城区大气逆温消失、城郊地面风速增加。

研究方法：在常规气象观测资料的基础上,加上了城区的天安门、白家庄、公主坟3个自动观测站的资料以及中国科学院大气物理研究所LAPC 325 m气象铁塔的资料,分析了2003年4月一个强热岛的日变化特征及其形成、减弱和消失过程相关气象要素特征,以综合研究北京城市化发展至今春季强热岛特征及影响强热岛形成、减弱和消失的气象因子。

结论：(1)北京春季夜间特定条件下存在强热岛,强度夜间强于白天,强热岛中心在白家庄、天安门、公主坟连线的主城区;强度的日变化明显;白天强热岛会减弱消失。

(2)北京地区春季城市强热岛存在于夜间,强热岛是多个因子共同作用形成的。

夜间强热岛形成的直接原因是日落后郊区地面气温下降速率和幅度远大于城区。

有日照的晴夜北京城、郊均出现并维持弱的地面风场(风速在1.0m /s以下),多个测站甚至出现静风,且夜间城区低层大气出现并维持弱的风场(风速在1.5m /s以下)并有强逆温的形成和维持,它们是影响夜间强热岛形成和维持的重要气象因子。

(3)北京地区春季强热岛在白天会迅速减弱消失。

强热岛减弱消失与太阳辐射的关系密切。

白天强热岛减弱消失的直接原因是日出后郊区地面气温上升速率和幅度大于城区。

白天太阳辐射的加热作用引起大气稳定度减弱、逆温消失以及白天风速增大均是城市热岛迅速减弱并最终消失的重要原因
3 夏季热岛效应
应用中科院大气所325m铁塔的梯度观测资料对发生在北京市的夏季强热岛天气的边界层气象特征进行了分析。

结果表明发生在夜间的北京市夏季强热岛其边界层存在很强的逆温层结，并且逆温层较厚，低层风速较小，一般不超过2.0m/s，但白天随着太阳短波辐射的加强，逆温结构很快被破坏，城市热岛强度也迅速减弱。

研究方法：本文应用中国科学院大气物理研究所325m铁塔的每20/次的气象要素梯度观测资料，对发生在2000年7月23日的北京市夏季强热岛天气的边界层气象特征进行了初步分析，325m铁塔垂直共分15层。

观测高度分别为离地面8,15,32,47,65,80,103,120,140,160,200,240,280,320m。

结论：北京市的夏季城市热岛非常明显，强热岛主要发生在夜间的02时和20时而白天城市热岛减弱较快。

北京市城市热岛有明显的日变化，城市强热岛主要发生在02时和20时，而08时和14时热岛强度很弱。

城市强热岛出现时，低层大气存在稳定的逆温结构，逆温强度可达到0.244°/10m,并且,逆温层较厚。

城市强热岛出现时：低层风速不大一般在2m/s之内。

但风速随高度增加较快。

4 热岛效应的流动观测
采用车载气象观测仪器结合GPS定位、连续数据采集系统的流动观测方法研究了北京城区内不同城市地表覆盖物对城市局地小气候的影响和气象要素分布,发现城市下垫面分布与城市的温度和湿度有密切关系,一般在城市建筑物密集、水体和植被少的区域具有较高的气温和较低的相对湿度,在建筑物稀疏和植被、水体较多的区域则相反。

观测结果表明,流动观测方法是对常规气象观测资料的有益补充,也是城市气候观测中的一种有效方法。

研究表明,近40年来北京市城市热岛效应日益显著,并与全球温室效应叠加,市区气温每10年升高0.43°,郊区气温平均每10年升高0.21e,尤其是1995年至今北京市暖冬和夏季高温异常明显,导致一些极端天气现象的出现,城市气候的变化已经威胁到居民的正常生活和身体健康。

研究方法：研究中采用流动观测方法辅助全球定位系统(GPS)观测城市不同区域温度和相对湿度并绘制轮廓图,利用遥感(RS)影像进行地物分类,然后在地理信息系统(GIS)中进行处理,并建立不同下垫面类型与城市局地小气候特征的相关关系。

由于温度、湿度存在日变化,所以需要将观测数据订正到同一时刻,以便于比较同一时刻不同区域的实际差异,选择观测区域内的海淀、西直门、公主坟、紫竹院4个自动气象站作为数据订正对照站点
结论与讨论：(1)通过两次流动观测,可以发现随着观测由郊区向城区深入,气温总体趋势是逐渐升高,城区的气温变化较大,受不同下垫面影响明显,差值可达2~3°。

(2)在城郊结合区域,气温受到水体和植被的影响较大,气温都有不同程度的降低,水体和植被区域越大,降温作用越明显。

3)在建筑密集、植被稀少以及人口密度大、商业活动强度大的地区,这些地方人为产生的热量(汽车尾气、空调等)为主导因子,增加了热岛强度,气温都普遍较高,如中关村商业区、公主坟、复兴门、建国门、西直门地区。

(4)人为措施可以明显降低环境气温,如天安门地区由于撒水后,气温形成低谷,说明城市热岛可以通过人为措施而得到一定程度的缓解。

二南京热岛效应
南京三面环山,一面向水,一方面具有比较特殊的地理环境,另一方面又是一个历史悠久的百年古城,城市化进程比较快,热岛效应应该有其特殊性。

利用4个气象站1961~2005年气温资料,对南京市的城市热岛效应进行了全面、细致的研究。

结果表明: 1)平均而言,南京市的热岛强度基本在015°左右,热岛强度的高值体现在最低气温上,极端情况可能达到6°左右; 2)南京城市热岛效应具有明显的季节变化和日变化特征,夏半年要强于冬半年,夜间强于白天; 3)随着城市规模的发展,南京市的城市热岛效应为增
强趋势,用年平均气温计算获得的热岛强度增幅为0.109℃·(10a)1
研究方法：用3个气象站分别为南京站、江浦站、江宁站,将3站气温的平均值作为南京市城市气温。

句容市毗邻南京市东部,与南京主城区纬度相近, 2003年底非农业人口仅为1418万,因此,取句容站气温资料作为对比,分析南京热岛效应特征及其变化规律。

南京站、江浦站、江宁站和句容站气温资料包括1961~2005年平均气温、最高气温、最低气温的年值、月值、日值和1991~2005年逐日4个时次(北京时间2、8、14和20时)共4种序列。

对以上4个气象站的气温资料进行如下校正:人工去除明显错误记录;对缺测的记录进行插补;按平均气温大于最低气温且小于最高气温的原则,将不符合该条件的记录去除。

结论：(1)一年中,南京城市热岛出现概率基本在80%左右,平均而言,南京的热岛强度基本在015°左右,绝大多数热岛强度小于1℃,一般不超过2℃。

热岛强度的高值体现在最低气温上,极端情况可能达到6℃左右。

(2)南京城市热岛效应具有明显的季节变化和日变化特征:以3、4和5月春季为最高, 11、12和1月秋冬季比较低,总体而言,夏半年高于冬半年;在一天中,白天的热岛强度明显低于夜间,中午前后最弱。

(3)随着城市规模的不断扩大,南京的城市热岛效应总体为增强趋势,尤其是以改革开放后
的20世纪80~90年代最为明显。

(4)南京城市建设和绿化水平的提高,是2000年后南京城市热岛强度下降的重要原因
三城市热岛效应对城市规划的影响
城市热岛效应具有明显的时空分布特征,它的形成与城市下垫面性质和城市能耗等许多因子有关。

城市热岛效应对城市空气动力学、城市森林规划、城市色彩规划、城市能源规划以及城市规模等方面都具有极大的影响。

城市规划部门和有关专家应根据城市热岛效应的形成机制及其时空分布特征,制定合理的城市规划,以期最大限度地消除或缓解城市热岛效应,实现经济、社会和自然的和谐发展。

结果：
1城市热岛效应对城市空气动力学的影响
选择通气流畅的地形进行城市建设;因地制宜,对城市的各个功能区进行合理布局，调整和完善旧城区的建设与布局。

有江、河、湖、海分布的城市,要充分利用江河湖海的风以及水能降温增湿特点,在它们的沿岸留出足够的空间,让风和水汽能进入城市;主干道路的走向应与城市主导风向一致。

2城市热岛效应对城市色彩规划的影响
城市热岛效应与城市色彩的相互关系主要通过色彩的反射率来体现,这是因为不同颜色的物体对光的反射率不一致,从而导致城市的热平衡不一致。

在城市色彩规划中,除了考虑城市的文脉与和谐美观外,还应考虑色彩与城市热岛效应的关系,尽量用浅色的材料和涂料。

3城市热岛效应对城市森林规划的影响
城市森林能够有效的截留太阳辐射,降低大气表面温度,缓解热岛效应。

城市森林通过蒸散
能够增加大气水汽,从而降低热岛效应。

进行合理的城市森林结构搭配，加强立体绿化，最大限度保护自然湿地,努力构建人工湿地。

4 城市热岛效应对城市能源规划的影响
¹改进建筑空调技术，②积极探索和推广新能源利于技术,③在城市大力构建城市森林,在建筑的外围进行立体绿化。

④在屋顶及墙体加盖铺装材料或滤光遮阳的“双层表皮”来降低建筑物温度,从而减少空调能耗。

⑤使用浅色的建筑材料或涂料。

⑥制定相应的政策法规,推动降低空调能耗措施的落实.
5 城市规模
城市规划中,必须对城市规模进行规划,将城市的人口数量控制在一定范围之内。

参考文献：
一，北京城市热岛效应的流动观测和初步研究
二，北京春季城市热岛特征及强热岛影响因子_李兴荣
三，北京冬季城市热岛特征及强弱热岛影响因子研究_李兴荣
四，北京市夏季城市强热岛边界层气象特征
五，城市热岛效应对城市规划的影响_彭少麟
六，南京城市热岛效应研究_邱新法。