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摘要:近年来,随着城市化进程的加快,城市热岛效应越来越严重。该文通过搜集、归纳、整理大量相关文献,较系统地反映了国内外城市热岛效应的研究现状,介绍了常规气象观测、数值模拟、遥感监测等主要研究方法,总结了城市热岛的时空变化特征,列出了土地利用规划布局、人为热的排放、建筑物的布局与设计等主要影响因素;探讨了城市热岛的缓解措施;并对城市热岛未来的研究方向进行了展望。
Key:城市热岛;研究方法;影响因素;缓解措施;展望
-7731(2019)23-0117-05
1833年,英国气候学家LakeHoward对伦敦城市中心的温度比郊区高的现象进行了文字记载,并把这种气候特征命名为“热岛效应”[1]。20世纪,城市化进程的加快增强了各种环境威胁,全球气温不断上升,且城郊气温差异更加明
显,其中城市热岛效应已成为了最突出的威胁之一[2],人们开始重视这一问题。Manley于1958年首次提出城市热岛(UHI)的概念[3]。
通过WebofScience对主题“HeatIsland”进行国外文献检索,发现目前已经发表23324篇文献。据所得数据显示,国外的研究是从20世纪60年代开始的,在2018年后有下降的趨势。说明在传统领域的研究较为成熟,可以考虑从其他创新角度进行研究,如研究各影响因素的相互关系。从图1可以看出,工程学、气象学是主要研究领域,对应的是研究技术分析和热岛的成因分析,而建筑施工学、高分子科学等对热岛效应问题起缓解作用的领域研究则相对较少,这可以指示未来的研究方向。
通过知网对主题“热岛”进行国内文献检索,发现目前已经发表4789篇文献,由论文发表的时间可以看出,国内的研究从20世纪80年代开始的,并且预测2019年的论文数量会有回升的现象,其原因是遥感技术时空分辨率的提高会对研究起到积极的作用。由图2可知,国内的研究方向对于绿地的研究相对较多,研究也最为成熟,说明绿地对于热岛的影响最为显著。
城市热岛效应是全球现代化城市气候变化最为显著的特征之一,会使气温上升,促进污染物的聚集,这不仅会对居民的生活环境和健康状况产生危害,也会破坏城市生态系统的良性循环,制约着城市经济的可持续发展[4-5]。学者们应用气象资料分析方法对北京[6-7]、上海[8]等大城市的热岛进行了研究,发现城市热岛较为严重。目前,我国广泛地经历着热岛效应,并且其空间范围在未来几年仍会进一步扩大。因此,城市规划者和政府官员必须认真对待这一问题,采取更有效的措施,防止生活环境进一步恶化[9]。
传统的城市热岛效应研究主要通过地面气象站资料进行,1972年Rao首次利用卫星遥感手段研究了城市热岛效应[10]。随着科学技术的进步,国内外学者利用常规气象观测、地面遥感监测、数值模拟等研究方法对城市热岛效应的形成机制、强度、时空变化特征、危害以及缓解对策等方面进行了广泛的研究[11]。本文主要总结了城市热岛的研究现状,分析了城市热岛的影响因素,并对未来的研究方向进行了展望。
1研究方法
城市热岛效应的研究具有阶段性,最初是利用地面气象数据进行研究,研究范围为城市大气热岛,包括城市冠层热岛和城市边界层热岛。地面气象数据虽然在时间尺度上具有连续性的优势,但往往存在着离散的点数据或线性数据代替面状数据、尺度转换精度不高、大型城市平面布局和内部结构特征分析困难等问题[12]。直到1972年,Rao首次利用卫星遥感手段研究了城市热岛效应,研究范围进一步延伸至城市地表层温度。相对于城市大气热岛而言,城市地表层温度与人体的健康和冷暖感受密切相关,既是描述城市空间热环境状况、解释城市空间热环境形成的重要参数,也是当前城市空间热环境研究的核心内容之一,属于城市地表热岛的研究范畴[13]。随着研究的深入,城市热岛效应不仅有城市地表热岛和城市大气热岛的区分,而且有宏观、中观、微观尺度的差别。由此可见,影响城市热岛的各种因素及其相互关系十分复杂。热岛没有绝对的边界,对于城市热岛的研究也就不拘泥于固定的方法。一般根据基础数据来源,将研究方法分为以下3类:
。根据监测手段的不同,又可将其细分为以下3种:一是基于气象站数据的研究,其优点是时间尺度较
长、数据获取完整,缺点是空间分辨率不高;二是基于定点观测数据的研究,其优点是精度高、仪器布置灵活,缺点是研究区域尺度较小、受周边环境影响较大且不具有连续监测的能力;三是基于移动样带数据的研究,其优点是方便获取多点数据,缺点是获取数据时间不同步、仪器灵敏度低、受周边环境影响较大。针对每种方法的优缺点,不同学者根据实际需要选取并作出适当的改进:对市区温度或郊区温度用多个气象站的平均值代替以削弱偶然误差来提高精度[14-15];用不同尺度的时间序列对城市热岛时空变化特征进行系统的分析[16-18];通过相对城市中心的距离来划分城市站和郊区站,更加合理的选取城市和郊区代表站点,客观的反映城市热岛现象[19-21]。
[22],经历了从一维、二维到三维的发展过程。其中,应用最广泛的是边界层数值模拟模型,该方法可以模拟复杂地形、人为热等的影响,比常规气象观测的研究范围更广。通过定量分析城市下垫面能量平衡与交换,以及温度场的基本特征,从而分析变化规律、深刻理解地表热量场的变化机制[23]。
,真实性和有效性不强。相比之下,遥感监测动态性好、观测范围大、获取成本低、获取时间短,最近10余年来在我国得到了越来越广泛的应用。地面遥感监测根据不同标准,可划分为不同的类型,根据遥感传感器类型可分为航空遥感数据、航天遥感数据和地面数据3类。根据监测技术主要有以下3类遥感监测方法[24]:一是基于温度的热岛监测方法,是城市热岛研究最常用、最直观的方法,原理是热红外遥感记录地表物体的各种辐射之和,经过一定处理后转换成亮温或地表温度。国内外学者根据不同热红外遥感数据的特点提出了许多反演温度的算
法,包括大气传输方程、单通道算法、多通道算法和劈窗算法,总的来说,学界普遍认为目前地表温度反演算法较为成熟、应用性和反演精度最好的是劈窗算法;二是基于植被指数的热岛监测方法,植被指数和城乡气温之间存在线性关系,可用来定性和定量地评价植被覆盖及其活力;三是基于“热力景观”的热岛监测方法,通过遥感技术和GIS技术的结合,精确地分析景观与热环境空间格局的关系,不少学者还据此建立了研究方法与评价指标体系[25-26],但不同的景观之间的邻接效应仍将其未来的研究方向。
2城市热岛的特征
对于城市热岛的特征研究,大多数研究人员选择把热岛效应定量化为热岛强度,再分析其时空变化特征[27-29],也有部分学者从最高、最低气温的变化分析城市热岛的特征[30-31]。目前的研究主要得到了城市热岛在不同时间范围内二维或三维空间上的分布规律、强度变化等,大致可以总结为:
,热岛强度随时间主要表现出周期性的变化,即日变化、年变化[32],有些学者研究了季节变化、年代际变化[33-35]。在晴朗无风的天气下,日变化较为统一,一般表现为白天弱,夜晚强;年变化大多表现为秋冬季强,夏季弱[11,32]。但由于当地的地理位置、地形、气候条件等各种因素,部分地区不符合上述规律,造成热岛强度的非周期性。李晓敏等[35]等研究发现,成都、重庆的春季热岛强度远高于其他季节的热岛强度。Forster等[36]研究发现,美国、墨西哥、日本以及中国均存在热岛的周末效应。
、建筑物密度大,自然下垫面占比小的区域,热岛强度高,而在植被或水体覆盖度高的区域,热岛强度低。从行
政区域看,热岛主要分布在中心城区和城市的其他中心地带;从土地利用类型看,热岛主要分布在工商业区域;从变化趋势看,热岛由工商业区、行政核心区向周边郊区扩展的趋势明显[11,29,32]。
3城市热岛形成的影响因素
城市热岛形成的能量基础是热量平衡、自然因素和人为因素共同作用影响这一平衡[37-38],具体表现有土地利用规划布局的改变、人为热的排放、城市建筑布局与材料等。
,给自然环境所带来的影响是多方面的,由此造成的城市热岛效应已成为了不可忽略的城市发展负面问题。一方面,城市化进程的加快和城市空间的扩展,最为直接地引发了土地利用类型的变化,土地利用类型变化是影响热岛效应的最大因素[39-41],其中,下垫面的改变是其最直接的变化之一[42]。随着城市化进程的加快,城市的下垫面以水泥、沥青路面、建筑等不透水面为主,会吸收更多的太阳辐射能;郊区的下垫面以植被、水体等自然下垫面为主,其中,植被可以通过蒸腾作用吸收大量热量,还可以通过遮阴作用和滞留尘埃作用间接地降低环境温度[43],水体比熱容大,可以有效吸收空气中的热量降低环境温度[44]。由于这种对于辐射、热量以及湿度特性的差别,显著影响热量平衡,进而引起城郊气候差别产生热岛效应。研究发现,城市下垫面的潜热输送比郊区下垫面小,而用于增温的显热比郊区多,使得城区下垫面温度比郊区高。白天城市下垫面较郊区下垫面热储量较多,而夜晚城市下垫面温度下降较于郊区较慢,有利于城市热岛的产生[45]。植被对于热岛的形成影响巨大,甚至可以逆转人口和建筑密度对于气候的影响[7,46-47]。另一方面,城市化会改变城市
布局。不透水面具有空间自相关性[48],容易形成单中心模式,这样既会导致建筑物的密集,又会导致人口的密集,然后导致热量的聚集,最终产生热岛效应。
,与人口分布高度重合[49]。人口密集处热岛作用相对明显,而人烟稀少的地方热岛作用相对很弱甚至出现冷岛。众多学者研究得出如下结论[50-51]:热岛中心大多位于工商业聚集带和人口居住密集区等人为热产生较多的区域,并且分析出日变化和周变化都与人类活动有关,尤其是周变化与人类活动周期明显相似。同时,人类活动还会产生污染气体和粉尘,如现阶段最大的气候问题——雾霾,其中的气溶胶粒子通过散射和吸收地表长波辐射起到一定的保温作用,对夜间热岛的形成做出了巨大的贡献[52],再如二氧化硫等污染物是红外辐射的良好吸收者,它们吸收的热量会在夜间释放出来,使得城市比郊区散热慢。
:一方面,城市建筑的布局会改变通风廊道,进而间接地影响散热,从微观角度影响热岛效应,并且高密度城市建筑物会阻隔路面发出的长波辐射,与邻近的建筑物抑制热对流,引起城市热岛[53],而且街区尺度的热岛效应明显,比较发现不同规划设计方式对微气候影响明显:混凝土路面覆盖率高且建筑楼层高但密度低的区域,由于通风良好,热岛效应得到了有效缓解;即使景观绿化相对丰富,但是周围高层、中间多层的规划设计对通风影响甚大,不利于热量散发;另一方面,城市建筑外墙的设计也会直接影响吸热、散热,王燕飞等[54]选取洛阳城市进行研究,发现城市建筑采用外墙外保温节能措施有效地达到了冬季建筑节能保温的效果,但是对于夏季的通风降热效力较低。城市建筑外墙的设
计,即不同的建筑材料有不同的反射率和发射率,对于传热等的作用不同[55]。
4城市热岛的缓解措施
随着城市的发展和人口的增多,城市热岛效应已成为当今城市发展面临的一个普遍的环境问题。城市热岛效应成因复杂,是人为因素和自然因素共同作用的结果,主要与土地利用规划布局、人为热的排放和污染、建筑布局与设计等有关
,植被、水体等自然下垫面的特性决定了它们对于太阳辐射有明显的隔离作用,具有改善小环境、缓解热岛效应的功能[56-58]。卢惠敏等[59]通过遥感温度反演发现连片、成规模的绿地和水体更有利于降低热岛效应,但是紧凑型城市由于土地集约利用的需要,大范围的水体和植被用地是不可能实现的[60]。通过实地研究,郭济语等[61]发现当城市绿化覆盖率达到30%以上时,热岛效应明显减弱,覆盖率达到60%时,热岛效应可消除。同时,城市布局对于热量的聚集与疏散具有重要影响。研究表明,风力作用能有效疏散热流,建设城市通风廊道可以防止废热迂回,对缓解热岛效应起到积极作用,因而对于秉持集约原则的城市布局应尽量利用此规律,其中包含道路设计与建筑布局两大主体。道路设计方面,保持植被与交通道路的分散式分布,并且在设计时应着重考虑季风的盛行风向与道路走向的问题[62],可以通过对不同热环境风险等级区域采取不同的发展控制手段,在热环境安全较好区域进行适度的城市用地挖潜,在热环境极高风险区严禁继续高强度开发并发展有效降温措施[63]。建筑布局方面,王燕飞等[64]通过气候模拟结果建议:一方面住宅区规划布局应考虑建筑
朝向顺应夏季主导风向,以利于夏季热空气及时流动排出;另一方面,城市住宅区中心应布置一定的开阔场地,以绿地或水面最佳,以利于日间对太阳热辐射的吸收和夜间对所吸收热量的释放。
,要控制人为热的产生,发达的交通道路是一大热源,控制机动车流量仍是一项必要措施,如限行;也可以通过建设地下交通来控制地面热量的排放,如地铁。另一方面,要加快人为热的吸收,可以通过发展新城的方法,实现热量从单中心向多中心的疏散与转移[65],也可以通过土地利用规划和城市布局合理配置绿化建设、建筑布局、城市通风廊道建设来达到预期目标。
,绿色屋顶指在建筑物顶部部分或全部覆盖植被,太阳辐射、外部温度、相对湿度以及风速等都会降低,而且植物通过生物代谢过程可以吸收大量的太阳辐射,从而有效降低建筑物温度[66]。因地制宜采用不同的GREI技术,可以提高能源效率、减少空气污染和增加相对湿度等,总的来说,光伏可以同时转换太阳能和降低表面温度,从而进一步冷却建筑环境[67]。另外,不少学者深入分析了自然下垫面与城市不透水面对于热量的吸收与释放差别,发现比热容差异是重要影响因素[68-69],道路建设可以采用相对高比热容的材质,如保水路面或其他新型材料。同时,建筑外墙的材质也具有十分重要的影响,它们通过反射、散射、吸收而起到保温作用,使用“冷材料”可以明显降低热岛效应[70]。
5展望
国内对热岛效应的研究已有30余年,但仍然面临着小尺度不精确性、非连续性的问题。未来可以从以下几个方面进行提高与改善: