热岛效应

热岛效应
一、热岛效应的定义：
热岛效应，指由于人为原因，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。

该现象，属于城市气候最明显的特征之一。

由于城市化的速度加快，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。

二、热岛效应的成因：
1、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，
各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性，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，因而其表面温度明显高于自然下垫面。

2、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。

3、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。

4、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。

这些物质会吸收下垫面热辐射，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。

5、城市建成率、几何形状，与热岛强度存在着明显的关联。

如果城市建筑走向设
计、或几何形状不合理，则不易通风，造成因风速小而热量不易散发，导致局部气温过高。

三、热岛效应的危害：
1、由于热岛中心区域近地面气温高，大气做上升运动，与周围地区形成气压差异，
周围地区近地面大气向中心区辐合，从而在城市中心区域形成一个低压旋涡，结果就势必造成人们生活、工业生产、交通工具运转中燃烧石化燃料而形成的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物等大气污染物质在热岛中心区域聚集，危害人们的身体健康甚至生命。

一方面，大量污染物在热岛中心聚集，浓度剧增，直接刺激人们的呼吸道粘膜，轻者引起咳嗽流涕，重者会诱发呼吸系统疾病，尤其是患慢性支气管炎、肺气肿、哮喘病的中老年人还会引发心脏病，死亡率高，如英国伦敦在1952年12月份，因为这
个原因死亡4000余人。

2、另一方面，大气污染物还会刺激皮肤，导致皮炎，甚而引起皮肤癌。

有的物质
如铬等，若进入眼内会刺激结膜，引起炎症，重者可导致失明。

汞的含量较多，可损害人的肾脏，引起剧烈腹痛、呕吐。

汞慢性中毒还会损害人的神经系统。

3、并且，长期生活在热岛中心区的人们会表现为情绪烦躁不安、精神萎靡、忧郁
压抑、记忆力下降、失眠、食欲减退、消化不良、溃疡增多、胃肠疾病复发等，给城市人们的工作和生活带来说不尽的烦恼。

四、热岛效应的防止及减弱方法：
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，把室外新鲜空气引进室内，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
6、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。

7、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。

8、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。

五、热岛效应的研究方法：
1、生态气候观测研究
城市热岛生态气候观测是进行城市热岛气候研究的基础，对城市热岛观测的内容包括：（1）城市覆盖层内部小气候的观测。

测点可选择停车场、公园、草地等不同性质的下垫面，及商业街区、工厂区、住宅区等不同功能区和不同走向、不同高宽比的城市街道峡谷等。

（2）城市、近郊和远郊乡村近地层对比观测。

选择无云、无风或微风这种具有典型意义的天气，对城市中心区、边缘区、近郊区和远郊区有代表意义的测点进行同步观测。

（3）城市和附近郊区较大范围的三度空间观测。

应用地面观测、低空探空系统、平衡气球、双向测风仪等仪器同时在城市和附近郊区选择适当的东西向南北向的测点进行同步三度空间的观测。

（4）城市和附近郊区下垫面特征的观测。

可以先进行直接观测，有条件的亦可利用航空遥感和卫星遥感图像进行分析，了解城乡下垫面的反射率、温度、
植被和水分可用量等特征。

2、遥感研究
通过遥感数据获取的是地表城市热岛（城市和乡村之间的地表温度差值），而不是通常意义上的城市热岛（城乡之间的气温差值）。

但目前，有不少研究者往往都是直接使用地表亮温或是通过经验性的线性或非线性关系将地表温度转换为大气温度，从而表示城市热岛。

这在晴朗、无风及无局部环流的情况下，误差较小。

然而，由于城市下垫面的性质特殊，很容易形成局地环流和局地平流，而且城市中高大建筑物形成了很多阴影，这些都对气温产生着影响。

由于受到传感器分辨率的限制，使得遥感手段获取城市区域热红外图像基本都是混合象元，这也对地温和气温转换产生了不利的影响。

所有这些都使得气温和地温之间的关系更加复杂，因而要建立地-气温度合适的关系转换，必须建立完善的地-气界面过程模型。

所以，今后很长一段时间内，如何反演城区地表真实温度及其与气温的关系将是一个重要的研究方向。

3、模拟研究
数值模型和实验室模拟将是城市热岛模拟的主要研究方向，但其他研究模型也有相当重要的地位，不同的研究模型从不同方面共同揭示城市热岛。

随着遥感技术的逐渐发展，借助于遥感数据作为模型输入量，进行大气质量、城市生态环境模拟已经成为一种趋势。

同时，建立适用于城市热岛研究的遥感与城市边界层链接模型将是城市热岛研究的重要方向。

4、城市立体绿化
城市绿化对城市热岛的缓解有着极其重要的作用。

大多数城市绿化主要是考虑城市水平方向的绿地覆盖, 而对城市三维绿化即立体绿化中的垂直高度和屋顶绿化却处于起步阶段。

对高速公路及其边坡和城市立交的立体绿化研究也较薄弱。

在立体绿化的植物配置模式与培育技术、立体绿化的布局等方面都值得投入更多的研究。

六、对热岛效应的看法：
目前城市热岛研究主要集中在热岛时空分布及其影响因子，而城市热岛及其它生态环境问题的关系尚未受到足够的重视。

因此有必要系统地研究城市热岛时空变化对城市生态系统结构、功能的影响，以及它们之间的相互作用机制，为城市规划、可持续发展提供理论依据。

随着高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率传感器的发展，尤其是相应的新一代卫星遥感的出现，大大促进了利用遥感技术定量分析物体热学性质与地表生态环境参数的关系，但遥感模型反演中的不确定性是当今面临的极大挑战之一。

由于城市热岛的复杂性决定了其研究模型的多样性。

前期的统计模型和能量平衡模型可以从宏观上描述城市热岛时空变化，实验室模型由于条件易控，可重复性强，周期短等，在进行城市热岛复杂模型研究时具有明显的优势。

数值模型可以从时空上详细研究城市热岛的产生、发展及对环境的影响，它是用数值计算方法直接求解物质守恒方程，或者求解在各种近似条件下简化形式的物质守恒方程。

它不但能求出城市热岛的产生和变化过程，还能求出城市温度场、风场以及污染物场的分部情况。

将遥感数据作为模型输入量进行大气质量、城市生态环境模拟已经成为一种趋势。

城市热岛在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率是不同的，这就决定了研究城市热岛所采用的时空尺度各不相同。

在某一尺度上观测到的城市热岛的性质、变化规律，在另一尺度上不一定有效，需要验证与修正。

综上所述，虽然研究城市热岛效应的方法以及模型有很多，但存在局限性：我国对城市热岛效应的研究尚缺乏系统性，虽然已对20多个城市进行了研究，但是大部分工作只限于主要城市，且对于不同城市类型热岛效应强度的区别和不同地区间热岛效应的对比研究很少。

另外在对城市热岛效应的数值模拟上存在局限性，观测方法上也有不足。

国外对城市热岛效应的研究范围较我国广，已探索出一些有效缓解和降低城市热岛效应的措施，但是在模型和方法上同样存在局限性。

由于影响城市热岛效应的因素多种多样，且会经常变化，致使观测结果变异很大，受人为因素影响显著。

因此，如何消除误差，提高研究的科学性和准确性是国内外学者进行研究的当务之急。

七、热岛效应的展望：
随着人们对热岛效应的认识，越来越多的缓解热岛效应的方法将被提出及应用。

但是，热岛效应并不会因为这些方法的出现而消失，至少在短时间内。

以下是我个人对于热岛效应未来状况的一些看法：
1、由于很多发展中国家及不发达国家的城市建设不完全，多数人涌入城市的状况
难以减缓；
2、欠发达国家及地区的工业发展所产生的许多不可避免的污染会间接地加剧热岛
效应；
3、要彻底改善热岛效应，必须要改变原有的城市结构，比如建筑物的材料等。

但
由于城市人口众多、系统复杂，因此想要通过改造城市的结构来改善热岛效应是很难的，这必将是一个长久的过程；
4、气候问题已经是一个全球性的问题，因此解决热岛效应必须得全世界共同参与，
但由于各个国家发展程度不同，因此其中的责任问题将会变得很复杂；
因此，热岛效应的问题在为了将会备受关注，但在改善的过程中将会有许多的困难。

但随着科学的进步，相信这不会是一个无解之题。