城市热岛效应的特征研究-----以长沙市为例。

城市热岛效应的特征研究--------以长沙市为例

摘要：在全球变暖和高速城市化的大背景下，世界上许多城市都出现了高强度的城市热岛效应。在城市热环境日趋恶化的今天，分析与评价城市热岛效应已成为城市气候与环境研究的重要内容。本文分别从时间与空间两个角度出发，结合历史气象数据分析了长沙市的热岛效应特点，总结了其热岛效应的变化规律，并探讨了改善城市热岛效应的策略及意义。

关键词：城市热岛效应变化规律改善策略

1.城市热岛效应的成因及危害

1.1城市热岛

由于城市地面覆盖物多，发热体多，加上密集的城市人口生活和生产中产生大量的人为热，造成市中心的温度高于郊区温度，且市内各区的温度分布也不一样。如果绘制出等温曲线，就会看到与岛屿的等高线极为相似，这种气温分布现象称为“热岛效应”。可见，城市热岛效应反映了一个温差的概念，只要城市与郊区有明显温差，就可以说存在城市热岛。

2014年冬季长沙市冬季等UHI强度图

1.2形成原因

全球变暖的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。一般认为城市热岛效应是由以下三个原因造成的:

（1）城市下垫面的特殊性。城市内有大量的人工建筑物如混凝土、柏油路面、各种建筑墙面等，这些人工构筑物吸热快而热容量小，改变了下垫面的热力属性。如在夏天，草坪温度32℃、树冠温度30℃时，水泥地面的温度可以达到57℃，柏油马路的温度更高达63℃。这样的下垫面强烈地吸收太阳辐射能量，然后再将其中的大部分热以辐射的方式传送给大气，使空气得到过多的热量，气温急剧升高。白天，在相同的太阳辐射条件下，它们对太阳光的吸收率比自然下垫面(绿地、水面等)高，升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面。到了晚上，大气又发挥其保温的效应，使得城市与郊区的温差更加明显。

（2）自然大气的成分组成改变。正常的空气中含21%氧气和78%氮气，还有1%是其他物质。而城市中由于大量的机动车、工业生产以及居民生活等人为因素的影响，城区大气中CO 、x x NO SO 、等有毒气体浓度大，总悬浮颗粒物密集,温室气体的含量高。其中对城市热岛效应影响最显著的是城市大气总悬浮颗粒物与温室气体的影响。

总悬浮颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径在0～100μm 的固体颗粒物和

液体小滴，包括PM10(粒径范围在 0～10μm)和PM2.5(粒径范=围在10～100 μm)。研究认为，总悬浮颗粒物在城市热岛效应中起重要作用。总悬浮颗粒物加剧城市热岛强度，降低昼夜间温度波动幅度，使城市大气增温、改变大气的稳定性及垂直运动，影响大范围内的大气环流和水循环，促进温室效应的形成。

（3）人工热源的影响。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要消耗各种燃料，把大量的废热排放到城市大气中。

（4）区域气候的影响

不同地理位置的城市，诸如海滨和内陆处在不同的大气候背景下，受到海陆风、海洋比热容大的影响，海滨城市日变化最大热岛强度比内陆要低，增幅也缓慢。并且发现沿海港口城市的热岛强度年变化有循环变化的规律，内陆城市则不明显。有时外部气象条件，如气压场稳定、气压梯度小、无风无对流运动，热量不易散发也会加剧城市热岛效应。热岛不仅在不同城市气候条件下，有时在同一城市不同气象背景气候条件下城市热岛强度和时空分布特征效应也不相同。

1.3热岛效应的危害

主要危害有：（1）造成城市上空污染物的聚集；（2）城市地面散发的热气形成近地面暖气团,城市烟尘被暖气团所笼罩不能及时扩散，形成对人体有害的烟尘污，导致咽炎、气管炎等呼吸道疾病；（3）造成酸雨等各种环境问题。（4）加剧供电紧张，增加城市居民的生活负担。

2.长沙的气候条件简介

长沙属亚热带季风性湿润气候。气候特征是：气候温和，降水充沛，雨热同期，四季分明。长沙市区年平均气温 17.2℃，各县 16.8℃—17.3℃，年积温为5457℃，市区年均降水量 1361.6 毫米，各县年均降水量 1358.6～1552.5 毫米。长沙夏冬季长，春秋季短，夏季约 118—127 天，冬季 117—122 天，春季 61—64 天，秋季 59—69 天。春温变化大，夏初雨水多，伏秋高温久，冬季严寒少。 3月下旬至 5月中旬，冷暖空气相互交绥，形成连绵阴雨低温寡照天气。从5月下旬起，气温显著提高，夏季日平均气温在30℃以上有85天，气温高于35℃的炎热日，年平均约30天，盛夏酷热少雨。9月下旬后，白天较暖，入夜转凉，降水量减少，低云量日多。从11月下旬至第二年3月中旬节届冬令，长沙气候平均气温低于0℃的严寒期很短暂，全年以1月最冷，月平均为4.4℃—5.1℃。

3.数据分析与讨论

利用网站http://rp5.ru/可以收集到历年长沙市的气象数据，采用统计学的方法，对市区和郊区的温度差异及其变化特征进行对比分析。

热岛效应强度的数学定义式为：()()()i T i T i UHI sub urb -=

式中()i T urb 为市区观测站平均温度；()i T sub 为郊区观测站平均温度。

3.1长沙四季UHI 强度日变化对比

在长沙2014年四个季节中各选择一个月（春季5月；夏季8月；秋季9月；冬季11月）的逐时气温为采样对象，由公式()()()i T i T i UHI sub urb -=计算出热岛强度，作图如下。

统计结果分析：从2014年长沙四季UHI 日变化图中可以看出，四个季节夜晚的热岛强度比白天大得多。0:00~04：00时段热岛强度基本保持不变；上午05:00~08:00左右，太阳升起，热岛强度出现迅速减小的现象。到中午即11:00~14:00之间，热岛强度降至最低值。16:00开始热岛强度开始迅速增加，直至20:00之后，增加的速度减慢，到23:00至次日00:00达到最大值。

原因分析：城区大量的人为热释放及城乡下垫面蓄热辐射能力差异是造成这一过程的主要原因。且大气层的稳定性昼夜发生变化，造成白天风速一般比夜间大，白天热量湍流交换强烈，夜间比较稳定，热岛强度加强。冬季居民取暖消耗燃料排放热量，造成城区温度上升，UHI 强度高于其他季节。

3.2长沙2014年冬季日平均热岛强度频率分布

选取长沙市2014年11月份共90天的实时温度为采样对象，计算出冬季一天24小时的热岛强度，统计分布情况作图如下：

2014年长沙四季UHI 日变化图