深圳市城中村的熱環(huán)境特征與熱島強度分析

郭秋萍，鄒振東，李宏永，邱國玉

北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院人居環(huán)境重點實驗室，廣東 深圳 518055

深圳市城中村的熱環(huán)境特征與熱島強度分析

郭秋萍，鄒振東，李宏永，邱國玉

北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院人居環(huán)境重點實驗室，廣東 深圳 518055

最近幾十年的全球升溫和城市化導(dǎo)致了城市地區(qū)熱環(huán)境的持續(xù)惡化。由于建筑物密集、綠化少、人口多等原因，城中村的熱環(huán)境惡化現(xiàn)象更為明顯。近年來對城中村的熱環(huán)境問題的研究，以定性討論的多，定量的研究少，其主要原因是缺乏系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)。以地處亞熱帶的特大城市深圳市為例，選取平山村及綠地為研究對象，通過一年的運動樣帶觀測，分析對比了晴天和極端高溫條件下城中村和綠地的熱環(huán)境特征、熱島強度和熱環(huán)境舒適度，探討了影響城中村熱環(huán)境的主要因素。結(jié)果表明：深圳城中村熱島效應(yīng)明顯，月份間的熱島強度關(guān)系為：降雨量少的月份熱島更強；一天中各時段的熱島強度變化特征為：熱島強度在日落之后逐漸加強，在20:00至24:00間達(dá)到最大值，在午夜后逐漸減弱，最強熱島強度出現(xiàn)于2月份的20:00時，達(dá)3.95 ℃。5月至9月深圳的熱環(huán)境特征為炎熱潮濕，熱環(huán)境極不舒適，城中村與綠地夜間溫濕指數(shù)差異明顯，城中村較綠地?zé)岘h(huán)境不舒適性增加一個等級，夜間為城中村居民室外活動最為頻繁的時候，因而對城中村居民帶來不舒適的直接感受，進(jìn)入后半夜之后會進(jìn)而影響居民的休息，增加空調(diào)等的使用，高極端高溫天氣條件下，城中村與綠地的熱環(huán)境較普通夏季平均值更為不舒適，容易引發(fā)中暑等危害。城中村人工下墊面較自然下墊面占比大，改變原有的水熱平衡且引入更多的人為熱排放，是引起熱島效應(yīng)及熱環(huán)境不舒適的主要原因。這些研究結(jié)果可以為城市規(guī)劃設(shè)計提供理論依據(jù)。

城市熱島；城中村；熱環(huán)境；深圳；舒適度

在全球變暖和城市化進(jìn)程加速的背景下，城市熱環(huán)境不斷惡化，尤其是城市高溫現(xiàn)象的頻繁發(fā)生（Schwarz和Manceur，2014；Zhao等，2014；劉勇洪和權(quán)維俊，2014），直接影響到城市的舒適度和宜居性，成為建立生態(tài)宜居城市亟需解決的問題（張理茜等，2010）。城市進(jìn)程加速帶來最顯著的影響是：農(nóng)村土地利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘型恋乩梅绞剑械纳鷳B(tài)環(huán)境發(fā)生改變。城市的主要特點包括：其一，城市是非農(nóng)業(yè)人口高密度聚居的區(qū)域；其二，城市是高強度的經(jīng)濟活動地區(qū)，具有城市交通發(fā)達(dá)、工業(yè)生產(chǎn)及商品流通和消費水平高的特點；其三，城市的下墊面有別于農(nóng)村，以水泥、瀝青、磚石、陶瓦和金屬板等堅硬密實、干燥而不透水的建筑材料，代替了原來植物覆蓋的疏松土地或空曠的荒地，具有人工建筑物、構(gòu)筑物集中的特點。同時，人工鋪砌的道路縱橫交錯，建筑物參差不齊，使城市的輪廓忽升忽降，形成人為的“立體下墊面”，在材料與幾何形狀上都與郊區(qū)有很大不同（胡序威，2003；肖榮波等，2005）。城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island，UHI）是指當(dāng)城市發(fā)展到一定程度時，城市下墊面的改變和人為排熱所引起的城區(qū)溫度明顯高于郊區(qū)的現(xiàn)象（Taha，1997）。IPCC第五次報告指出，在全球氣候變化背景下，全球變暖日趨明顯，高溫?zé)崂说陌l(fā)生頻率將繼續(xù)增加（Stocker等，2013），而城市地區(qū)由于受下墊面改變及人為活動的影響，城市熱環(huán)境和舒適度惡化，空調(diào)等設(shè)備的使用消耗了更多的能源，同時又將空調(diào)使用時產(chǎn)生的熱量排放到空氣中，形成城市地區(qū)熱環(huán)境的惡性循環(huán)，因而未來城市比之郊區(qū)，將面臨更嚴(yán)重的高溫現(xiàn)象（Chen等，2014；Dousset等，2011）。對熱環(huán)境的研究有助于認(rèn)識居民環(huán)境的舒適性。自1818年Howard L對倫敦市的研究以來已有近200年歷史，靜態(tài)觀測階段（1820─1920年）的研究以特定城市的典型代表點的單一氣象因素研究為主，動態(tài)觀測階段（1920─1960年）以汽車等工具對城市某一區(qū)域的多種氣象因素的綜合研究為主，該階段研究成果總結(jié)形成《城市氣候》（克拉特采爾，1963），新技術(shù)運用階段（1960年至今）利用衛(wèi)星遙感和航空測量等技術(shù)來認(rèn)識城市土地利用、土地覆蓋類型對城市空間熱場的分布特征的研究（Chen等，2006；Mackey等，2011）。在認(rèn)識城市能量平衡和地表特征的基礎(chǔ)上，已有研究利用計算機進(jìn)行數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)建模分析，較為成熟的模型有建立在建筑物熱量儲存基礎(chǔ)上的建筑物能量仿真模型DEO-2 Building Energy Simulation Model（Dhakal和Hanaki，2002）和建立在不同下墊面對熱量流動影響的計算機流體動力學(xué)模型CFD（Computational Fluid Dynamics）（Takahashi等，2004），這些模型的模擬范圍包括從單體建筑到街區(qū)中小尺度，但是對于邊界參數(shù)的選取對模擬結(jié)果影響較大，因此模擬結(jié)果存在一定偏差。無論是大尺度的遙感研究還是小尺度的熱環(huán)境模擬，結(jié)果均表明：增加城市綠化，增強蒸騰吸熱降溫能力，是緩解城市熱島，優(yōu)化城市熱環(huán)境的最經(jīng)濟有效的措施（Bowler等，2010；Harlan等，2006；Taha，1997），同時城市綠化能夠給人心理上的放松，增加城市的宜居性。

城中村是我國城市化過程中的一種特有現(xiàn)象，城市不斷擴大吞食近郊的農(nóng)村，使原來位于城鄉(xiāng)結(jié)合部的村莊被城市建成區(qū)用地包圍或半包圍，逐漸成為城市的組成部分。城中村與 19世紀(jì)前后西方貧民窟具有相通的性質(zhì)，即城市化進(jìn)程中居住空間分異的產(chǎn)物，是流動人口集中的低成本、高密度的城市居住區(qū)（李莉莉等，2009），具有建設(shè)布局不合理、道路交通不方便、公共設(shè)施不完善、衛(wèi)生條件不如意、居住條件不理想、安全隱患大等特點，給城市管理帶來諸多不便（張浩和韓伊波，2009），同時城中村由于建筑物布局不合理、綠化少等特點，容易引發(fā)熱環(huán)境的惡化，大大降低宜居性。改革開放帶來珠三角經(jīng)濟特區(qū)的快速發(fā)展，城中村也層出不窮，由于珠三角地區(qū)氣候炎熱潮濕，該地區(qū)的熱環(huán)境研究受到廣泛關(guān)注（李磊等，2012；羅新華，2006；張正棟和蒙金華，2013）。深圳作為中國第一個經(jīng)濟特區(qū)，經(jīng)歷了快速的城市化發(fā)展，城市化進(jìn)程的過程中產(chǎn)生了許多城中村，也帶來諸多問題。根據(jù)深圳市人民政府編制的《深圳城中村改造總體規(guī)劃綱要》（2005─2010）的相關(guān)統(tǒng)計，深圳市以行政村為單位的城中村241個，其中特區(qū)內(nèi)城中村91個，特區(qū)外城中村150個。由于深圳市城市化速度高于一般地區(qū)，城中村的開發(fā)強度很高，特區(qū)內(nèi)城中村的容積率在3.0以上，而鄰近的珠海市城中村平均容積率尚不足1.0。Tian等（2013）的研究指出，1985年后深圳城市化進(jìn)程加速，導(dǎo)致城區(qū)溫度迅速增加，尤其是日最低氣溫，1985年后較1985年前增加了1.64 ℃，這一增溫速度遠(yuǎn)高于廣東省其他城市。前人的研究較好地闡述了城市不同區(qū)域（商業(yè)區(qū)、城中村、公園等）的熱島值，指出商業(yè)區(qū)、城中村等人為活動活躍的地區(qū)熱島值高，最高可達(dá)5 ℃（李宏永，2013；李翔澤，2014；李翔澤等，2014）。在此基礎(chǔ)上，本研究利用溫濕指數(shù)的概念來評價環(huán)境的熱環(huán)境舒適度（Thom，1959），以評價城市熱島效應(yīng)對熱環(huán)境舒適性帶來的影響，以及對人體造成的影響。本研究成果在課題團(tuán)隊基于2年樣帶實驗的成果，以深圳市特區(qū)內(nèi)的平山村為例，認(rèn)識該城中村的熱環(huán)境特征，以為城市規(guī)劃中的城中村改造提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

本研究是運動樣帶實驗的研究成果之一，運動樣帶的研究范圍是深圳市南山區(qū)大學(xué)城及其周邊的一條長為 8 km的樣帶，經(jīng)緯度為 113°57′E、22°35′N，海拔高度約為20 m（圖1(a)）。前人的研究表明，土地利用類型變化對氣溫的影響范圍是150 m（Yokohari等，2001），因而研究將樣帶兩側(cè)150 m范圍內(nèi)的土地利用情況進(jìn)行劃分認(rèn)識。根據(jù)Google Earth圖及實地考察，將土地利用類型劃分為林地、草地、水體、裸露空地、道路和停車場、建筑物、磚地7種類型（Yokobori和Ohta，2009），并根據(jù)植被類型、道路寬度、建筑物特征等因素用47個劃分切點將樣帶劃分成為26個不同的樣帶段。本研究主要考慮城中村樣帶段及參考綠地樣帶段，其中，城中村（平山村）位于點25與點26之間，其平視圖如圖1(b)所示，雙向兩車道，幾乎無綠化，住宅區(qū)樓房密集、間距小，底層為商鋪。參考綠地位于點15與點16之間，周圍基本為樹林和草地，南側(cè)毗鄰塘朗山公園，可視為郊區(qū)綠地系統(tǒng)，該段位于深圳市西麗大學(xué)城內(nèi)，雙向四車道，雙側(cè)磚行道（半透水磚路面），天然雜混林（相思為主，馬尾松、合歡、垂葉榕等，行道樹為秋楓）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 溫度及濕度的觀測

樣帶實驗貫穿時間為2011年7月至2013年7月，利用電動自行車沿圖1（a）所示樣帶路線騎行，每2 h進(jìn)行1次（雨天除外）。實驗利用電動自行車作為移動觀測工具，車上裝有Garmin GPS接收機自動記錄車輛的位置（如圖 2所示）。車上同時載有Cu-Co熱電偶（分辨率0.01 ℃，較HMP60靈敏且精度高）用以測量空氣溫度，載有HMP60溫濕度傳感器用以測量空氣濕度（分辨率0.01%），熱電偶及溫濕度傳感器連接CR1000數(shù)據(jù)采集器（內(nèi)存4 MB，12 V直流電供電，8個差分通道），自動記錄數(shù)據(jù)。熱電偶和溫濕度傳感器放置在由2個不同尺寸的白色聚氯乙烯塑料管制成的套筒內(nèi)（大小塑料管的長度/直徑/厚度分別 250/80/3 mm 和230/55/2 mm，小塑料管內(nèi)外均涂黑漆，大塑料管內(nèi)涂黑漆，外包錫箔紙），套筒水平放置，口朝正前方安置在電動自行車上，以避免太陽輻射和電動自行車散熱影響。車速為每小時15 km，每次耗時30 min左右，Cu-Co熱電偶每秒鐘輸出1個數(shù)值，數(shù)據(jù)采集器記錄時間間隔為5 s。城中村與參考樣地距離較近，因此認(rèn)為兩處的溫濕度采集是同時進(jìn)行的，不做時間上的校正。

圖1 研究樣帶及城中村（b）與周圍的植被區(qū)（c）（城中村位于深圳市南山區(qū)西麗的平山村，是深圳典型的城中村，居民主要為外來務(wù)工人員）Fig. 1 The belt transect and the Urban village(b, common urban village in Shenzhen, resided mostly by migrant workers) and neighboring vegetated area (reference site)

圖2 實驗裝置示意圖Fig. 2 Observation e-bike and experimental instruments (Left: GPS device; Right: CR1000 data logger)

2.2 氣象數(shù)據(jù)觀測

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn），選擇了深圳氣象站自2011年7月至2013年7月的氣象數(shù)據(jù)，用以篩選不同天氣情況；同時在校園內(nèi)安置有小型氣象自動站，作為參照。由于深圳長夏短冬，晴天多，高溫時間長，而高溫時間內(nèi)的城市熱島引起的熱環(huán)境不舒適對人們的生活影響更為劇烈，因而本研究只選取了晴天條件下的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本研究中晴天被定義為無降水、日照時間在6 h以上、無云層或者少云層的天氣。極端高溫天被定義為日最高氣溫超過33 ℃的典型晴天。

2.3 土地利用類型的確定

結(jié)合Google Earth及實地考察，將研究區(qū)域的土地利用類型分為建筑物、磚地、馬路、林地、草地、裸地、水體7種類型（Yokobori和Ohta，2009），城中村和參考綠地均無水域面積。本研究以樣帶路線左右各150 m內(nèi)的土地利用類型為影響溫濕度的主要因素，不同土地利用類型面積除以樣帶路線150 m緩沖區(qū)的面積的值，即為該類型的土地利用類型面積占比。除水域外其余6種土地利用類型的面積占比結(jié)果如圖3所示，城中村以人為改造過的下墊面最多，以建筑物比例最高，其次是磚地和馬路，分別占比 47.16%、31.11%和 7.57%，共占比85.84%。參考綠地以自然本底的下墊面為主，林地占比51.25%，草地占比27.02%，共占比78.27%。

圖3 城中村與參考綠地不同土地利用類型面積比例Fig. 3 Percentage of different land cover types in urban village and reference site

2.4 城中村熱島強度計算

城市熱島強度即是指城市氣溫與郊區(qū)氣溫的差值，深圳市的快速城市化造成基本無郊區(qū)的格局，因而本研究類比同類研究（Yokohari等，2001），選取城市內(nèi)綠地覆蓋度高，植被類型豐富的區(qū)域作為參考綠地，本研究以參考綠地為參考段（南側(cè)毗鄰塘朗山，為自然本底保留較為完整的山體，參考綠地與塘朗山植被屬于成片的植被資源），將城中村氣溫與參考綠地氣溫的差值當(dāng)作城中村的熱島強度，其計算式如式（1）所示（Yan等，2014；Yokohari等，2001）。

其中，UHII是城市熱島強度（Urban Heat Island Intensity）。

2.5 熱環(huán)境舒適度計算

舒適是人的本能要求，人體感覺舒適的程度與氣象條件關(guān)系非常密切，這種感覺是人對氣象場中濕度、濕度、風(fēng)速及輻射等因素所構(gòu)建的熱環(huán)境的綜合感覺。研究區(qū)域內(nèi)輻射差異較小，夏季晴朗天氣條件少有大風(fēng)天氣，且風(fēng)速的影響不連續(xù)，因而研究區(qū)域夏季熱環(huán)境的影響因素是氣溫和濕度，因而利用溫度和濕度對其環(huán)境舒適性進(jìn)行評價。在評價環(huán)境舒適中，綜合考慮氣溫和濕度對人體舒適度影響的指標(biāo)中應(yīng)用最多的為Thom（Giles等，1990；Thom，1959）提出的溫濕指數(shù)（Thermal Humidity Index，簡稱THI），它的計算公式為：

其中，T為溫度（℃），RH為相對濕度（%）。THI與人體舒適度等級對應(yīng)關(guān)系如表1所示（Giles等，1990；李興榮等，2010）。

表1 溫濕指數(shù)(THI)與人體舒適度關(guān)系Table 1 The relationship between THI and thermal comfort level

李興榮等（2010）的研究指出，式（2）不切合深圳地區(qū)實際情況，由其計算得的舒適度指數(shù)日變化小，難以區(qū)分；而且所得結(jié)果，數(shù)值偏小，與國際上通行的舒適度指數(shù)與人體感覺程度的對應(yīng)關(guān)系不符。原因在于式（2）較適用于中緯度地區(qū)，而深圳靠近熱帶海洋，夏季大氣水汽含量大，即使氣溫變化不大，人體的感覺也會有很大變化，為了充分體現(xiàn)氣溫與舒適度的這一關(guān)系，也與國際上通行的舒適度指數(shù)與人體感覺程度的對應(yīng)關(guān)系一致，因而減小了原有公式中濕度項的權(quán)重，通過其研究論證及數(shù)據(jù)實證提出一個更適合深圳的舒適度評價指標(biāo)：

本研究采用式（3）來計算城中村與參考綠地的熱環(huán)境舒適度情況。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)深圳市氣象局統(tǒng)計資料，深圳市春季為 2月6日至4月20日，夏季為4月21日至11月2日，秋季為11月3日至第2年1月11日，冬季為1月12日為2月5日（深圳市氣象局，2012）。本研究使用2011年11月至2012年10月一整年的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，能夠展現(xiàn)城中村與參考綠地的熱環(huán)境特征。

3.1 城中村與參考綠地溫濕度變化特征

典型晴天條件下，城中村和參考綠地（以下簡稱綠地）的溫度和濕度呈現(xiàn)相似的規(guī)律。如圖4所示，城中村與參考綠地的溫度變化規(guī)律基本一致，與太陽輻射時長呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，日間氣溫較夜間高，夏季氣溫較冬季氣溫高。本研究以城中村與綠地各月晴天的平均溫度與濕度代表其在對應(yīng)月份的溫濕度特點，由于樣帶實驗為每2 h一次，取實驗當(dāng)天0:00至22:00為當(dāng)天的數(shù)據(jù)，24:00即第2個0:00為次日的數(shù)據(jù)，因此溫濕曲線不連續(xù)。從圖4可見，3月至6月的氣溫不斷上升，因此，次月0:00時的平均氣溫高于當(dāng)月22:00時的平均氣溫，6至8月的氣溫變化不大，因此次月0:00的平均氣溫與當(dāng)月 22:00的平均氣溫在數(shù)據(jù)上較為連續(xù)，8月至12月氣溫不斷下降，因此次月0:00的平均氣溫遠(yuǎn)小于當(dāng)月22:00的平均氣溫，12月至翌年2月深圳處于秋、冬季節(jié)，氣溫容易出現(xiàn)乍暖還寒的現(xiàn)象，因此曲線波動較大。5月份至10月份為深圳的夏季，歷時半年之久，日最高氣溫一般高于30 ℃，5月份至8月份的日最低氣溫高于25 ℃，9、10月份的日最低氣溫也高于20 ℃。2月份出現(xiàn)最低氣溫在 10 ℃左右。城中村與綠地的氣溫差異在日間較小，在夜間則很明顯。城中村與綠地的濕度數(shù)據(jù)如圖5所示，深圳常年處于高濕的環(huán)境，夜間濕度較日間大，在炎熱的夏季，夜間相對濕度可達(dá)90%左右，日間相對濕度也在40%以上。5至10月份的相對濕度在45%至90%，加上炎熱的氣溫條件，形成非常不舒適的濕熱氣候。城中村與綠地的溫濕度差異主要體現(xiàn)在夜間，濕度差異在5月份至8月份的夜間尤為明顯，一方面，城中村地區(qū)高溫引起水蒸汽的蒸發(fā)；另一方面，城中村極少有綠化，難以保存水汽，因而城中村地區(qū)濕度較綠地低。

圖4 城中村與參考綠地2011年11月至2012年10月氣溫變化趨勢（每月晴天平均值）Fig. 4 Characteristics of air temperature in urban village and reference site from November 2011 to October 2012 (daily average of each month)

圖5 城中村與參考綠地2011年11月至2012年10月相對濕度變化趨勢（每月晴天平均值）Fig. 5 Characteristics of relative humidity in urban village and reference site from November 2011 to October 2012 (daily average of each month)

3.2 城中村的熱島強度及其特征

城中村的熱島強度即指城中村與參考綠地的氣溫差值，城中村熱島強度隨時間的變化規(guī)律如圖6所示。從月份上來看，2011年11月至2012年2月，以及2012年9月至2012年10月的熱島強度較2012年3月至2012年8月熱島強度高，前者處于干燥涼爽的秋冬季節(jié)，后者處于潮濕炎熱的春夏時分。根據(jù)深圳市氣象局的降水?dāng)?shù)據(jù)可以看出，2011年11至2012年2月以及2012年9月至2012年10月的月降水量少于60 mm，其余月份的降水量大于140 mm，這與Sun等（2012）的研究結(jié)果一致，即降水量較多的月份熱島強度較弱。從日平均熱島強度來看，熱島強度一般在日落后開始增加，午夜后開始減少，日間熱島強度較夜間低，熱島強度的最大值一般出現(xiàn)在20:00至24:00。熱島強度最高的3個值分別是：2月份20:00時，3.95 ℃；9月份0:00時，3.73 ℃；9月份22:00時，2.8 ℃。18:00時至24:00時是城中村居民室外活動最為頻繁的時間，城中村此時的平均氣溫達(dá)29.55 ℃，而綠地的平均氣溫為27.84 ℃，即5月份至9月份城中村平均熱島強度達(dá) 1.71 ℃，引起城中村熱環(huán)境的不舒適，導(dǎo)致夜間熱島強度較高的因素包括下墊面的改變引起的水熱平衡的改變和人為熱排放（Chow和Roth，2006；Oke和Maxwell，1975）。

圖6 城中村自2011年11月至2012年10月熱島強度變化趨勢（每月晴天平均值）Fig. 6 Characteristics of heat island intensity in urban village from November 2011 to October 2012 (daily average of each month)

城中村的熱島效應(yīng)的出現(xiàn)主要是：由于城市化改變了區(qū)域下墊面，人為活動所釋放的熱量和大氣污染進(jìn)一步惡化熱環(huán)境。城中村以人為下墊面為主，面積占比85.84%，參考綠地以自然本底的下墊面為主，面積占比78.27%。城中村地區(qū)的人為下墊面的改變及城中村建筑物形成的“立體”下墊面，減少了地表對太陽輻射的反射率和地面長波凈輻射，反射過程在建筑群間多次反射和吸收，加之建筑材料的導(dǎo)熱率、熱容量和熱導(dǎo)納較自然下墊面大，蓄熱能力更強，因而城中村區(qū)域能夠吸收更多的太陽能量（Bowler等，2010；Taha，1997）。更多的人為下墊面占比表征了更頻繁的人為活動，進(jìn)而帶來了更多的人為排熱。人為活動排入環(huán)境中的熱量包括3個方面：人體散發(fā)出來的熱量、城市機動車及空調(diào)等設(shè)備使用釋放的熱量和生產(chǎn)活動排熱。人為活動排放的熱量占城市能量平衡中的比例首先與緯度有關(guān)，在低緯度地區(qū)占比非常少，新加坡地區(qū)人為熱與凈輻射之比為0.03%左右，在高緯度如莫斯科地區(qū)人為熱可相當(dāng)于凈輻射的 300%以上（Kalma等，1975）；同時還與氣候條件、人口密度、工業(yè)和交通運輸量等相關(guān)。此外，人工材料對自然植被的替代，導(dǎo)致城市下墊面的蓄水能力不足，不能提供充足的水分供給蒸發(fā)，植被的減少也削弱了蒸散發(fā)作用，導(dǎo)致溫度的波動性加大，容易出現(xiàn)極端高溫天氣（Chen等，2014；Dousset等，2011）。

3.3 極端高溫天氣條件下城中村的熱環(huán)境特征

本研究選取的高溫天為日最高氣溫高于 33 ℃的晴天，共7 d：2012年6月8日，2012年6月28日，2012年7月19日，2012年7月30日，2012年8月24日，2012年8月25日和2012年8月28日。由圖7可見（其中極熱晴天為如前所示的7 d高溫天，普通晴天為除這7 d之外6月至8月的其他晴天），極熱晴天的熱島強度普遍較普通晴天高，說明高溫天氣進(jìn)一步惡化了城中村的熱環(huán)境，造成了熱環(huán)境舒適度的進(jìn)一步惡化。同時高溫天氣增加了空調(diào)、冰箱等制冷設(shè)備的使用，排放進(jìn)入環(huán)境的熱量導(dǎo)致城中村地區(qū)氣溫的進(jìn)一步上升，形成熱環(huán)境的惡性循環(huán)。極熱晴天較普通晴天的熱島強度平均高出0.4 ℃，這一現(xiàn)象在夜間更為明顯，最大可達(dá) 0.87 ℃。因此，在極端高溫天氣情況下，城中村的熱島強度將較普通晴天更高，使得居民會加大空調(diào)等制冷設(shè)備的使用，其設(shè)備排熱進(jìn)入給空氣加溫，造成了城中村熱環(huán)境的惡性循環(huán)。

圖7 極端高溫天氣情況下城中村熱島強度特點（誤差棒正負(fù)為一個標(biāo)準(zhǔn)差）Fig. 7 Characteristics of heat island intensity in extremely hot days in urban village

3.4 城中村與參考綠地?zé)岘h(huán)境舒適度特征

采用“2.5”中式（3）的計算方法，分別計算了城中村和綠地夏季熱環(huán)境舒適度。其計算結(jié)果如圖8所示。

從月份上來看，城中村和綠地最不舒適的月份為6、7、8月份，這與日常生活的感覺相符合，5、9月份次之，10月份由于溫度和濕度較之其他時間下降，熱環(huán)境較為舒適。從每月平均結(jié)果來看，日間，城中村與綠地的熱環(huán)境舒適度基本一致，差別主要出現(xiàn)在夜間，這一結(jié)果與城中村夜間較高的熱島強度相一致。以熱環(huán)境最不舒適的6月份至8月份為例：20:00至22:00時，城中村仍然處于“很熱”的熱環(huán)境狀態(tài)，而綠地已經(jīng)轉(zhuǎn)為“炎熱”的熱環(huán)境狀態(tài)；0:00至6:00時，城中村處于“炎熱”的熱環(huán)境狀態(tài)，綠地則已經(jīng)轉(zhuǎn)為“較熱”的熱環(huán)境狀態(tài)。由此可見，城中村在夜間的熱環(huán)境舒適度整整較綠地高出了一個熱等級，如果人們在此時進(jìn)行室外活動，更容易引起中暑。由圖3可見，城中村地區(qū)以建筑物、磚地、馬路等人為下墊面為主，綠地以林地、草地等自然下墊面為主。建筑物、磚地和馬路是城市化進(jìn)程中人為改變了自然下墊面的產(chǎn)物，粗糙度、反射率、導(dǎo)熱率、蓄熱量和透水蓄水量等發(fā)生改變，從而改變了城市的水熱平衡（Bowler等，2010；Taha，1997；徐涵秋，2009），是引發(fā)城市熱島效應(yīng)的主要因素。同時這些土地利用類型也意味著更多的人類活動，如建筑物帶來居民活動的空調(diào)等熱排放，馬路意味著更多的交通熱排放。而林地、草地、裸地、水體是自然界原本可能存在的土地利用類型，能夠較好地將熱環(huán)境穩(wěn)定在較為舒適的水平。人工建筑的增加、綠化的減少和人為活動的增加，帶來溫度和濕度的差異，引發(fā)了城中村的熱環(huán)境不舒適。

圖8 城中村與參考綠地在夏季的舒適度特征（每月晴天平均值）Fig. 8 Characteristics of thermal comfort index in summer in urban village and reference site (daily average of each month)

圖9 城中村與參考綠地極端高溫天氣條件下的舒適度特征（誤差棒正負(fù)為一個標(biāo)準(zhǔn)差）Fig. 9 Characteristics of thermal humidity index in urban village and reference site during extremely hot days

進(jìn)一步，筆者研究了極端高溫天氣情況下城中村的熱舒適情況，其日期選取同“3.3”。如圖9所示。日間，城中村與綠地均處于很熱甚至酷熱的熱環(huán)境，但城中村與綠地的舒適度差別在18:00時之后逐漸拉大，該現(xiàn)象將一直持續(xù)到次日凌晨。在0:00至6:00時和20:00至22:00時，城中村較綠地的熱環(huán)境舒適度均高出一個等級，居民在城中村和綠地進(jìn)行室外活動的舒適感覺差別明顯，城中村的室外活動可能引起中暑。

從上述的研究結(jié)果可以看出，城中村最強的熱島強度出現(xiàn)于2月份和9月份，但是這2個月份深圳市的氣溫并不最高，因而并不會對熱環(huán)境的舒適性造成非常惡劣的影響。2月份城中村熱島強度出現(xiàn)全年最高值3.95 ℃，但由于2月份深圳市處于冬季，城中村的熱島效應(yīng)使得城中村區(qū)域更為溫暖，反倒增加了城中村的熱環(huán)境舒適性。然而5月份至 10月份，城中村的熱島效應(yīng)導(dǎo)致其溫濕指數(shù)較綠地高，將引起城中村的熱環(huán)境較綠地?zé)岘h(huán)境的不舒適性。在3.2中可見，深圳典型城中村的熱島效應(yīng)在干燥季節(jié)較潮濕季節(jié)更為明顯，推斷其原因是在干燥季節(jié)，土壤含水量土壤水分減少，空氣中水分子也會減少。城中村區(qū)域由于植被稀少，地面以房屋和磚地為主（有空隙），綠地植被茂盛，地面以樹林和草地為主，因而城中村區(qū)域蒸散發(fā)量的減少較綠地更為明顯，蒸散發(fā)的降溫效果也更為不明顯，因而容易出現(xiàn)較強的熱島效應(yīng)（Sun等，2012；Zhao等，2014）。而深圳市熱環(huán)境的不舒適性在潮濕季節(jié)更為明顯，這首先是與深圳市“雨熱同期”的氣候特點有關(guān)，夏季的高氣溫和高濕度直接引起熱環(huán)境的不舒適。城中村由于熱島的加溫作用，在夏季較之綠地更為不舒適，這主要是因為植被的減少，增加植被能夠有效調(diào)節(jié)熱環(huán)境的舒適性，在極端高溫天氣其作用更為明顯。

綜上，城中村區(qū)域在冬季的加溫作用雖然可以使冬天暖和舒適，但是在夏季由于熱島效應(yīng)會引起熱環(huán)境的不舒適，由于深圳市“冬短夏長”的特點，應(yīng)當(dāng)增加植被覆蓋度，從而有效調(diào)節(jié)熱環(huán)境的舒適性。

4 結(jié)論

（1）城中村熱島的特點為：降雨少月份的熱島效應(yīng)較降雨多月份的更強，夜間的熱島效應(yīng)較日間的更強。城中村的熱島強度的日間變化規(guī)律是，在18:00之后開始增加，在20:00至24:00達(dá)到最大值，在午夜后減少。

（2）在18:00至24:00時為城中村及附近居民室外活動最為頻繁的時間段，5月至9月該時段城中村溫度將比綠地平均高出 1.71 ℃，引起城中村地區(qū)熱環(huán)境的不舒適，增加空調(diào)等使用容易導(dǎo)致熱環(huán)境的惡性循環(huán)。

（3）極端高溫天氣條件下的熱島強度較普通晴天的更強，這一現(xiàn)象在夜間更為明顯，兩者的差值最大可達(dá)0.87 ℃。

（4）研究區(qū)域的城中村與綠地夏季炎熱潮濕，熱環(huán)境極不舒適。城中村與綠地溫濕指數(shù)有較大差異，且這一差異在夜間更為明顯，城中村在夜間的熱環(huán)境舒適度較綠地增加了一個熱等級，對城中村居民的生活造成一定影響。

（5）城中村人工下墊面面積占比大、自然下墊面面積占比小，改變了原有下墊面的水熱平衡，增加了人為熱的排放，是造成城中村氣溫較綠地高、熱環(huán)境較綠地差的主要因素。

致謝：參加本項目野外觀測的有王水山、李翔澤、夏青、俞業(yè)夔、鄢春華、郝祥林、向皎等人，在此向他們表示衷心的感謝。沒有他們的付出和努力，就不可能完成這項耗費和投入巨大的項目。

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Analysis on the Thermal Environment of Urban Village in Shenzhen

GUO Qiuping, ZOU Zhendong, LI Hongyong, QIU Guoyu
Key Laboratory for Urban Habitat Environment Science and Technology, School of Environment and Energy, Peking University, Shenzhen 518055, China

Climate change and urbanization lead to worse thermal environment in urban area. Urban village is an endemism in China, with dense buildings and few vegetation, resulting in terrible thermal environment. The research focuses on Pingshan Village of Shenzhen, a typical urban village in Pearl River Delta Region. According to air temperature and relative humidity data obtained by mobile traverses from November 2011 to October 2012, the research analyzed the characteristic of urban heat island intensities in fine weather days, extreme hot days, together with thermal comfort index of urban village comparing to those of green space. Shenzhen was affected by tropical monsoon climate of South Asia, with summertime lasting for half a year, with highest air temperature of 30 ℃ and highest relative humidity of 90%. The results showed that urban heat island intensities during dry months were stronger than those of wet months. Urban heat island intensity of urban village usually increased after sunset and decreased after midnight, with highest value occurred in the time between 20:00 and 24:00, reaching 3.95 ℃ at 20:00 of February. Shenzhen experiences summertime from May to September, with hot and humid weather. During this period of time, the Average urban heat island intensity was 1.71 ℃ from 18:00 to 24:00, when residents returned to urban village, making an uncomfortable environment for them. Moreover, the research calculated thermal humidity index (THI) to figure out the differences of thermal environment situation between urban village and green space. The thermal environment was terrible during June to August of both areas, while THI of urban village was higher than reference green space, meaning worse thermal environment, especially during nighttime. The thermal environment got worse during extremely hot days in urban village, leading to higher urban heat island intensities and higher THI, resulting in more terrible thermal environment. The terrible thermal environment of urban village was ascribed to changing of underlying surface from natural land to artificial land, leading to changes of heat balance and water balance.

urban heat island; urban village; thermal environment; Shenzhen; thermal comfort

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.009

X16

A

1674-5906（2015）03-0427-09

郭秋萍，鄒振東，李宏永，邱國玉. 深圳市城中村的熱環(huán)境特征與熱島強度分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(3): 427-435.

GUO Qiuping, ZOU Zhendong, LI Hongyong, QIU Guoyu. Analysis on the Thermal Environment of Urban Village in Shenzhen [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 427-435.

深圳城市熱環(huán)境、植被蒸騰及其降溫效果的實驗研究（JCYJ2014041714423187）；深圳市知識創(chuàng)新計劃（JCYJ20130331145022339）

郭秋萍（1990年），女，碩士研究生，研究方向為城市熱環(huán)境研究。E-mail: guoqp08@gmail.com *通信作者：邱國玉（1963年生），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境與能源信息工程方向的研究。E-mail: qiugy@pkusz.edu.cn

2014-12-08