城市热岛效应的影响机理及其作用规律_以上海市为例_彭保发

地理学报

ACTA GEOGRAPHICA SINICA

第68卷第11期2013年11月

V ol.68,No.11Nov.,2013

收稿日期：2013-07-20;修订日期：2013-09-11

基金项目：上海市地质调查研究院资助项目(2012(D)-014(F));教育部人文社科一般项目(12YJAZH146);湖南省社科基

金委托项目(12JD53)[Foundation:Shanghai Institute of Geology Survey Fund Project,No.2012(D)-014(F);Humanities and Social Science Fund Project of Ministry of Education of China,No.12YJAZH146;Social Sci-ence Fund Project of Hunan Province,No.12JD53]

作者简介：彭保发,男,湖南桃源人,博士,教授,中国地理学会会员(S110009108M),主要研究方向为资源生态利用。

E-mail:pengbaofa@

通讯作者：石忆邵,男,湖南新邵人,博士,教授,博士生导师,中国地理学会会员(S110006010M),主要研究方向为城市

与区域经济。E-mail:shiyishao@

1461-1471页

城市热岛效应的影响机理及其作用规律

——以上海市为例彭保发1,石忆邵2,王贺封2,王亚力1

(1.湖南文理学院资源环境与旅游学院,湖南常德415000;

2.同济大学测绘与地理信息学院,上海200092)

摘要：以上海市为例，从土地利用规模和强度的变化、类型和布局的变化、利用方式的变化三个方面揭示其对热岛效应的影响机理；实证分析结果表明：(1)土地城市化是上海城市热岛强度的主要影响因素；就建成区扩张对热岛强度的具体影响而言，累积效应大于其增量效应；(2)工业化、房地产开发、人口增长对上海城市热岛强度均具有较大的影响；就经济发展和能源消耗对城市热岛强度的具体影响而言，密度效应通常大于其规模效应；就全社会房屋竣工面积、20层以上高层建筑数量对热岛强度的影响而言，累积效应小于增量效应；就人口增长对城市热岛强度的具体影响而言，密度效应与规模效应大体相近；(3)土地利用和城市发展模式的差异导致了城市热岛效应的空间差异。

关键词：热岛效应；影响因素；密度效应；规模效应；累积效应；增量效应；关联性规律DOI:10.11821/dlxb201311002

1引言

城市热岛是指由于城市化所引起的城市地表及大气温度高于周边非城市环境的一种现象。而使城市热岛形成和加强的效应，即称为“城市热岛效应”。通常用市中心区温度减去城市郊区温度作为热岛强度的度量指标。多年来，各国学者围绕城市热岛的形成原因[1-2]、形态与结构[3-4]、过程与变化[5]、机制与模拟[6-7]等四个方面展开了大量研究。研究发现，城市化建设改变了城市中大气动力学特征和下垫面热交换性质，造成了地表覆盖和土地利用的迅速改变，对城市热岛的形成具有促进作用。城市规模越大，人口越多，城市热岛强度也就越强。一个城市热岛的形成与发展与其所处的地理位置及其几何形状关系密切。城市中厂矿、企业、机关单位及城市居民生活等人为热的释放，也能促进城市热岛的形成[8-9]。不少研究表明，城市热岛的形成与天气条件有较大的关联，城市热岛不仅与风速关系密切，热岛强度的强弱也随云量的多少而改变。天气晴朗少云、静风、气压梯度小等气候条件，能进一步促进城市热岛效应的形成和加剧。很多研究还表明，土地利用及植被覆盖变化是城市热岛效应形成、演变的主要因素[10-14]。因为每种土地利用类型的热学特征、辐射特征、人为热不同，表现为水泥、瓦片结构的建筑物、广场、居民地、桥面、道路等城市用地类型人为释放热量大、温度高，而以土壤为主的裸地、植被以及水体等温度低。因此，随着城市的扩展，土地利用类型的变化，城市热岛效应会产生相应的变化。

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68卷一些学者也分别利用历年气象观测资料或选点观测[8,10-11]、数值模拟、遥感反演[15-17]等方法，对上海城市热岛效应展开实证分析，取得了明显的进展。但总体而言，对城市热岛效应的特点与成因的研究较多，而对其影响因素及作用机理的研究相对薄弱；有些文献对城市热岛效应的测度仅根据市区和郊区两个测点的数据，样本覆盖面较窄；有的研究时段较短，难以反映其长期的变化状况。这些问题都将影响到城市热岛效应及其影响因素研究的客观性和科学性。此外，以往的研究方法总体上呈现出实证分析偏多而规范研究不足的特点，很少有学者从大量的实证研究中进行一般性的规律总结和探索。因此，本文结合对上海的实证研究，分析归纳和总结提炼城市热岛效应的若干作用规律，包括规模效应、密度效应、累积效应、增量效应、关联性规律等，以供学界进一步研讨。

2数据采集与处理

利用气象观测资料是研究城市热岛效应的经典方法。本文利用1961-2010年上海市区及郊区共11个站点的历史气象资料进行热岛效应分析，以市区和郊区的月、季节、年平均气温同步温差表示各种时间尺度的城市热岛强度。市区的观测值通常采用位于城区的徐家汇测站的观测资料，郊区的观测值采用上海10个郊区(县)气象局观测值的平均值来代表。选择10个郊区(县)的观测平均值作为郊区观测值的代表有两个原因：①由于上海市三面环水(东临大海，北接长江，南靠杭州湾)，各郊区站由于所在地理位置的差异(靠近水面或不靠近水面)，其观测值之间本身就有明显的差异，任一郊县站的观测值与城区观测值之间的差异都不能完全反映城区热岛效应的强弱，10站的平均值就能很好地描述上海郊区的平均气温状况，并可剔除少数测站在期间进行搬迁或改造而带来的影响；②10个测站平均值的变化也能很好地代表上海地区的平均气温状况，且基本上排除了城市发展对气温观测的影响，更多地反映区域气温本身的自然变化。本文所统计的年平均气温为当年12个月值的算术平均值。季节采用气象季节定义，即1、2月和上年的12月为冬季，3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季。

经济规模和经济密度、能源消耗规模和能源消耗强度、人口规模和人口密度、全社会房屋竣工面积、高层建筑数量等初始数据主要来源于历年上海统计年鉴，或依此计算获得。由于能源消耗缺少1985以前的数据，常住人口缺少1978以前的数据，故分析时段分别定为1985-2010年、1978-2010年。由于全社会房屋竣工面积缺少1981以前的数据，高层建筑缺少1980以前的数据，故其分析时段分别定为1981-2010年、1980-2010年。

3上海城市热岛强度变化分析

1961-1970年间，上海城、郊热岛强度的升温速率约为0.09o C/10年(图1)；1971-1980年间，上海城、郊热岛强度的升温速率增至0.12o C/10年；1981-1990年间，上海城、郊热岛强度的升温速率又降为0.09o C/10年；1991-2000年间，上海城、郊热岛强度的升温速率约为0.22o C/10年；2001-2006年间，上海城、郊热岛强度的升温速率约为0.17o C/5年，但自2006年以来，上海城、郊的热岛强度已经明显减弱。由此可见，1991-2006年间是上海城、郊热岛强度增长最快的时期，这一时期也是上海工业化和城市化发展最迅速的时期。

若以城区和郊区的温差大于0.8o C的区域为热岛面积，1960-1970年上海热岛面积局限在市区的100km2范围内。但从1980年开始突然扩大到400km2以上，增加了3倍。到1990年代后期，更是扩展到近郊地区，热岛总面积超过800km2，达到60-70年代的8倍。到2010年，全市热岛总面积已超过1500km2。

另据统计分析，1981-2010年间上海地区春、夏、秋、冬四季热岛效应均有所增强，