城市熱島緩解措施定量比較研究

孟春雷

（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089）

城市熱島緩解措施定量比較研究

孟春雷

（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089）

城市熱島是城市氣象及全球變化研究熱點(diǎn)。本文對(duì)城市熱島形成機(jī)理進(jìn)行了分析，并且在此基礎(chǔ)上提出了緩解城市熱島的三種措施，即：減少人為熱排放、增加反照率和城市綠化。本文采用城市陸面模式（Integrated urban land surface model，簡(jiǎn)稱IUM）對(duì)不同措施下城市地表溫度進(jìn)行模擬。敏感性分析表明，三種措施都能夠不同程度的緩解城市熱島尤其是白天城市熱島。

城市熱島；城市人為熱；反照率；植被覆蓋率；地表輻射溫度

0 引言

城市熱島與全球氣候變暖有關(guān)，是全球氣候變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。同時(shí)，城市熱島往往會(huì)通過改變局地的能量平衡、水循環(huán)過程、大氣邊界層結(jié)構(gòu)、污染物傳播和擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生間接的危害［1］。酷熱天氣的增加給人們生活和工作帶來嚴(yán)重影響，損害人類身體健康，增加了城市能耗；熱島現(xiàn)象加劇了大氣污染，城市地面散發(fā)的熱氣形成近地面暖氣團(tuán)，使城市煙塵流通受阻，形成對(duì)人體有害的煙塵穹隆等。

由于城市熱島的危害，熱島效應(yīng)緩解措施的選擇就顯得非常重要。由于白色屋頂和墻壁具有較高的反照率，可以降低屋頂和墻壁表面的溫度，因此研究表明，將屋頂和墻壁的顏色粉刷成白色可以顯著改善城市熱環(huán)境，尤其是可以降低白天的溫度［2-5］。此外，增加綠化面積有助于增加城市蒸氣散發(fā)，從而降低城市地表溫度［2-3，6］。 城市熱島效應(yīng)（UH I）根據(jù)不同定義方法可以分為近地面氣溫UHI、城市邊界層頂氣溫UHI和地表溫度UHI［7］等。其中，地表溫度UH I更為明顯，并且是導(dǎo)致近地面氣溫UHI及城市邊界層頂氣溫UH I的根本原因之一。

本文從形成城市熱島的根本原因出發(fā)，分析了城市地表溫度UH I形成機(jī)理，提出了緩解城市熱島的三種措施。然后采用城市陸面模式對(duì)不同措施下城市地表溫度進(jìn)行模擬，對(duì)不同類型、不同程度的城市熱島緩解措施進(jìn)行定量比較研究。

1 城市熱島緩解措施

1.1 機(jī)理分析

城市熱島形成的根本原因在于城區(qū)地表輻射溫度高于非城區(qū)地表輻射溫度。地表輻射溫度受輻射平衡方程及能量平衡方程控制。

地表凈輻射可以表示如下：

式中，Rn為地表凈輻射，α為地表反照率，S↓為下行短波輻射，ε為地表發(fā)射率，L↓為下行長(zhǎng)波輻射，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，Trad為地表輻射溫度。

由式（1）可以看出，與凈輻射有關(guān)的地表參數(shù)主要包括地表反照率和發(fā)射率。城市地表反照率與發(fā)射率偏低均可以導(dǎo)致凈輻射偏高。

地表輻射溫度是混合像元溫度，與裸地地表溫度及地表植被溫度有關(guān)。

地表能量平衡是指凈輻射、潛熱通量、感熱通量和地表熱通量之間的平衡過程。基于傅立葉熱傳導(dǎo)定律和熱力學(xué)第二定律，城市地表能量平衡可以表示如下：

式中，c為地表熱容，Δz為表層厚度，Tg為地表溫度，t為時(shí)間，tk為地表熱導(dǎo)率，T2為表層下土壤溫度，Rn，g為地表凈輻射，Hg為地表感熱通量，LEg為地表潛熱通量，A為人為熱。由式（2）可以看出，城市地表溫度與凈輻射成正比，因此緩解城市熱島需要增加城市反照率與發(fā)射率。同時(shí)，緩解城市熱島需要減少人為熱排放。

地表感熱通量與地氣間溫度差成正比，與感熱阻抗成反比，可以表示如下：

式中，Cp為空氣比熱容，θa為空氣位溫，rah為感熱阻抗。

地表潛熱通量與地氣間比濕差成正比，與潛熱阻抗成反比，可以表示如下：

式中，ρ為空氣密度，qg為地表比濕，q為空氣比濕，raw為潛熱阻抗。

由式（2）（3）（4）可以看出，緩解城市熱島需要增加潛熱通量，即增加地表比濕。由于地表比濕與土壤表層濕度有關(guān)，因此緩解城市熱島需要增加表層土壤濕度。

葉面能量平衡方程可以表示如下：

式中，Rn，c為葉面凈輻射，Hc為葉面感熱通量，LEc為葉面潛熱通量。由式（5）可以看出，緩解城市熱島需要增加葉面潛熱通量，即增加植被覆蓋率。

由于植被蒸騰作用，葉面溫度通常要小于地表溫度，因此增加植被覆蓋率可以進(jìn)一步降低地表輻射溫度。

1.2 緩解措施確定

通過上述分析確定城市熱島緩解措施如下：

（1）減少人為熱排放，可以采用節(jié)能減排措施及綠色能源。

（2）增加地表反照率，可以通過采用粉刷屋頂墻壁等措施解決。

（3）增加植被覆蓋率，加強(qiáng)城市綠化。

2 敏感分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)了13組試驗(yàn)，定量比較城市熱島緩解措施對(duì)地表輻射溫度的影響。試驗(yàn)1為控制試驗(yàn)；試驗(yàn)2至6減少人為熱排放；試驗(yàn)7至9增加反照率；試驗(yàn)10至12增加植被覆蓋率；試驗(yàn)13采取所有緩解措施。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Exper im ent Design

2.2 模式與數(shù)據(jù)

本文采用城市陸面模式（Integrated urban land surface model，簡(jiǎn)稱IUM）［8］模擬城市地表輻射溫度。IUM基于通用陸面模式（Common land model，簡(jiǎn)稱CoLM）［9］構(gòu)建，模式保留了CoLM模式在自然下墊面的全部特性，加強(qiáng)了模式在城市或人為下墊面的模擬和預(yù)報(bào)能力。

驗(yàn)證站點(diǎn)選擇北京市海淀氣象站，氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)來自于自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬時(shí)間為2009年5月1日至20日。

2.3 模擬結(jié)果及分析

圖1為不同人為熱排放情況下，日最高地表溫度結(jié)果比較?？梢钥闯?，日最高地表溫度隨著人為熱排放減少呈均勻下降趨勢(shì)。在日最高地表溫度較高的日子里，下降幅度較小，約為0.05 K/Wm2；在日最高地表溫度較低的日子里，下降幅度較大，約為0.07 K/Wm2。原因是日地表溫度較高的天數(shù)凈輻射較高，人為熱所占比例較低；日地表溫度較低的天數(shù)凈輻射較低，人為熱所占比例較高。

圖1 不同人為熱排放情況下，日最高地表溫度結(jié)果比較Fig.1 Com parison of the Diurna l M axim um Surface Radiative Tem peratures in Differen t Anthropogenic Heat Conditions

圖2為不同人為熱排放情況下，日最低地表溫度結(jié)果比較。可以看出，日最低地表溫度隨著人為熱排放減少同樣呈均勻下降趨勢(shì)，不過相對(duì)于日最高地表溫度下降幅度較小，約為0.04 K/ Wm2。這是因?yàn)橐归g人為熱排放較小的緣故。

圖2 不同人為熱排放情況下，日最低地表溫度結(jié)果比較Fig.2 Com parison of the D iurnal M inim um Su r face Radiative Tem peratures in Different Anthropogenic Heat Conditions

圖3為不同地表反照率情況下，日最高地表溫度結(jié)果比較?？梢钥闯觯兆罡叩乇頊囟入S著反照率增加呈均勻下降趨勢(shì)。在日最高地表溫度較高的天數(shù)，下降幅度較大，反照率每增加0.05，約下降3 K；在日最高地表溫度較低的天數(shù)，下降幅度較小，反照率每增加0.05，約下降1 K。原因是凈輻射與反照率直接相關(guān)，日地表溫度較高的天數(shù)凈輻射較高，因此增加反照率對(duì)凈輻射影響較大。

圖3 不同反照率情況下，日最高地表溫度結(jié)果比較Fig.3 Com parison of the Diurnal M axim um Sur face Radiative Tem peratures in Different A lbedo conditions

圖4為不同地表反照率情況下，日最低地表溫度結(jié)果比較?？梢钥闯?，日最低地表溫度隨著反照率增加呈下降趨勢(shì)，但下降幅度很小，這是因?yàn)橐归g太陽(yáng)輻射為零，因此反照率變化對(duì)凈輻射沒有任何影響，日最低地表溫度變化的原因是因?yàn)榘滋斓乇磔椛錅囟劝l(fā)生了變化。

圖4 不同反照率情況下，日最低地表溫度結(jié)果比較Fig.4 Com par ison of the Diurnal M inim um Sur face Rad iative Tem peratures in Different A lbedo conditions

圖5為不同植被覆蓋率情況下，日最高地表溫度結(jié)果比較?？梢钥闯觯脖桓采w率增加為0.1時(shí)，日最高地表溫度下降幅度不大，在日最高地表溫度較低的天數(shù)，甚至沒有發(fā)生變化。但是當(dāng)植被覆蓋率增加為0.2～0.3時(shí)，日最高地表溫度下降幅度較大。植被覆蓋主要通過增加地表蒸發(fā)與蒸騰降低地表溫度，本文將葉面積指數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為5，植被覆蓋對(duì)地表輻射溫度的影響仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖6為不同植被覆蓋率情況下，日最低地表溫度結(jié)果比較?？梢钥闯?，日最低地表溫度隨著植被覆蓋率增加反而有所上升?？梢钥闯?，植被覆蓋率增加為0.1時(shí)，日最低地表溫度升高幅度較大，但是當(dāng)植被覆蓋率增加為0.2～0.3時(shí)，日最高地表溫度上升幅度不大。主要原因是夜間植被蒸發(fā)與蒸騰為負(fù)值，另外植被下墊面特性與城市不透水面不同，熱容較大，熱導(dǎo)率較小，因此地表溫度日間變化較小。

圖5 不同植被覆蓋率情況下，日最高地表溫度結(jié)果比較Fig.5 Com parison of the Diurnal M aximum Surface Radiative Tem peratures in Different Fractional Vegetation Covers（FVC）

圖6 不同植被覆蓋率情況下，日最低地表溫度結(jié)果比較Fig.6 Com parison of the Diurnal M inim um Surface Radiative Tem peratures in Differen t Fractional Vegetation Covers（FVC）

圖7為采取所有措施情況下（試驗(yàn)13）與控制試驗(yàn)地表溫度模擬結(jié)果比較?？梢钥闯?，白天溫度較高時(shí)，地表溫度下降較為明顯；夜間溫度較低時(shí)地表溫度反而有所上升，原因主要是植被覆蓋率增加可以升高夜間地表溫度。表2為采取不同措施情況下地表溫度模擬結(jié)果與控制試驗(yàn)的差值。由表2可以看出，所有措施都可以緩解白天高溫城市熱島，相比較而言增加地表反照率對(duì)于城市熱島緩解最為明顯，植被覆蓋率只有在提高到一定水平后對(duì)白天城市熱島才有較明顯的緩解，減少人為熱排放對(duì)城市熱島緩解能力相對(duì)較小，采取所有措施時(shí)白天最高地表溫度可以下降13.42 K。緩解夜間城市熱島主要措施是減少人為熱排放，增加反照率對(duì)于緩解夜間城市熱島作用有限，增加植被覆蓋率反而會(huì)加強(qiáng)夜間城市熱島。

圖7 采取所有措施情況下（試驗(yàn)13）與控制試驗(yàn)地表溫度模擬結(jié)果比較Fig.7 Com par ison of the Su r face Radiative Tem peratures of Experim ent 13 and Exper im ent 1

3 結(jié)論

通過對(duì)不同城市熱島緩解措施情況下城市地表輻射溫度模擬結(jié)果進(jìn)行定量分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）日最高地表溫度隨著人為熱排放的減少呈均勻下降趨勢(shì)。在日最高地表溫度較高的時(shí)候，下降幅度較?。辉谌兆罡叩乇頊囟容^低的時(shí)候，下降幅度較大。日最低地表溫度隨著人為熱排放減少同樣呈均勻下降趨勢(shì)，不過相對(duì)于日最高地表溫度下降幅度較小。

（2）日最高地表溫度隨著反照率增加呈均勻下降趨勢(shì)。在日最高地表溫度較高的時(shí)候，下降幅度較大；在日最高地表溫度較低的時(shí)候，下降幅度較小。日最低地表溫度隨著反照率增加呈下降趨勢(shì)，但下降幅度很小。

（3）植被覆蓋率較小時(shí)，與植被覆蓋率為零時(shí)相比，日最高地表溫度下降幅度不大。但是當(dāng)植被覆蓋率較大時(shí)，日最高地表溫度下降幅度較大；日最低地表溫度隨著植被覆蓋率增加反而有所上升。

表2 采取不同措施情況下地表溫度模擬結(jié)果與控制試驗(yàn)的差值Tab.2 Differences between the Sur face Radiative Tem perature and the Control Experim ent under the condition of different m easures

（4）所有措施都可以緩解白天高溫城市熱島，相比較而言增加地表反照率對(duì)于城市熱島緩解最為明顯，植被覆蓋率只有在提高到一定水平后對(duì)白天城市熱島才有較明顯的緩解，減少人為熱排放對(duì)城市熱島緩解能力相對(duì)較小。緩解夜間城市熱島的主要措施是減少人為熱排放，增加反照率對(duì)于緩解夜間城市熱島作用有限，增加植被覆蓋率反而會(huì)加強(qiáng)夜間城市熱島。

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Quantitative Com parisons of Urban Heat Island M itigation M easures

Meng Chunlei

（Institute of Urban Meteorology，China Meteorological Adm inistration，Beijing 100089，China）

Urban heat island（UHI）is ametropolitan area that is significantly warmer than its surrounding rural areas due to human activities.It is a research focus in the field of urban meteorology and global change.This paper analyzes the formation mechanism of UHI，and puts forward three measures to mitigate UHI，that is：reducing the exhaust em ission of anthropogenic heat；increasing the albedo；urban greening，respectively.This paper uses the integrated urban land surfacemodel（IUM）to simulate the urban land surface temperature under differentmitigation measures.The sensitivity analysis indicates that these three measures can mitigate UHI in daytime in different degrees，but not all of themeasures can mitigate UHI at night.

urban heat island；urban anthropogenic heat；albedo；fractional vegetation cover；urban land surface temperature

X16

A

1673-8047（2014）02-0001-06

2014-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金 （41005056，41375114）

孟春雷（1976—），男，博士，副研究員，主要從事陸面模式研究。