蘭州的城市熱島效應研究現(xiàn)狀

何正強

（蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730107）

蘭州的城市熱島效應研究現(xiàn)狀

何正強

（蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730107）

蘭州作為中國西北地區(qū)重要的工業(yè)基地和綜合交通樞紐，其城市規(guī)模正快速發(fā)展，城市人口也逐步增加，由此導致的城市熱島效應隨著城市化水平的提高而逐漸增強。對蘭州市城市熱島效應的研究吸引了越來越多學者的關(guān)注。為了更好地研究蘭州的城市熱島效應，了解研究現(xiàn)狀和最新進展，綜述了近六十年來蘭州市城市熱島的主要研究方法和研究成果。并討論了現(xiàn)有研究中存在的問題，展望了蘭州市城市熱島的研究前景。

自然地理學；城市熱島；研究現(xiàn)狀；蘭州

至今為止，城市氣候研究已經(jīng)有近200年的歷史，Lake Howard于1818年出版的 《倫敦氣候》一書，是世界上公認的第一本關(guān)于城市氣候的著作[1]。Manley于 1958年首次提出了城市熱島（Urban Heat Island，UHI）的概念[2]。城市熱島是一種由于城市建筑及人們活動導致的熱量在城區(qū)空間范圍內(nèi)聚集的現(xiàn)象，它是城市氣候最明顯的特征之一。隨著城市化水平不斷發(fā)展，高度集中的工業(yè)、商業(yè)和居民活動使得下墊面性質(zhì)被改變，溫室氣體排放增多，能源消耗和各種熱量排放增多，這些人類活動影響了城市地一氣之間物質(zhì)和能量的交換，表現(xiàn)為城區(qū)氣溫高、郊區(qū)低，致使城市猶如一個溫暖的島嶼[3]。Oke將城市中心區(qū)的溫度最高值與郊區(qū)溫度的差值定義為“熱島強度”，以此為基礎(chǔ)對城市熱島效應進行量化分析[4]。如今，城市熱島效應已逐漸成為嚴重影響城市人居環(huán)境和居民健康的重要因素。城市熱島效應研究也已成為城市氣候和區(qū)域氣候研究中的熱點問題。

1 蘭州市概況

蘭州，甘肅省省會，是惟一黃河穿越市區(qū)中心而過的省會城市。市區(qū)地處黃河上游，西部和南部高，東北低，黃河自西南流向東北，橫穿全境，切穿山嶺，形成峽谷與盆地相間的串珠形河谷，具有帶狀盆地城市的特征。南北兩山相對高程為500～600m。年平均降水量360mm，年蒸發(fā)量1486mm，年平均氣溫10.3℃。蘭州是西北地區(qū)重要的工業(yè)基地和綜合交通樞紐，西隴海蘭新經(jīng)濟帶支點，新亞歐大陸橋中國段五大中心城市之一。2010年，蘭州市建成區(qū)面積達183.85km2，常住人口就達到188萬人[5]，蘭州市城市規(guī)劃如圖1所示。2013年，蘭州市實現(xiàn)生產(chǎn)總值1776.28億元，經(jīng)濟增長率連續(xù)多年超過12%。尤其是國家級蘭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、蘭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)創(chuàng)建以后，經(jīng)濟得到迅猛發(fā)展，2012年8月28日，國務院批復設立西北地區(qū)第一個、中國第五個國家級新區(qū)——蘭州新區(qū)。提出要在2020年把蘭州建設為西北地區(qū)現(xiàn)代化大都市。隨著蘭州市的迅速發(fā)展，蘭州市的城市熱島效應越來越顯著。自1953年，蘭州市氣溫觀測數(shù)據(jù)首次超過靖遠縣觀測數(shù)據(jù)以來，蘭州城郊溫度差便逐年加大，城市熱島強度和傾向率也均呈逐年上升趨勢。到1981年，其熱島效應強度和傾向率開始顯著增強[6]。日益增強的城市熱島效應引起了越來越多學者的關(guān)注。

圖1 蘭州市城市規(guī)劃圖

2 主要研究方法

2.1 氣象站法

氣象站數(shù)據(jù)主要用于描述城市熱島的歷史演變過程。截至目前，在對蘭州市的城市熱島效應的研究中，絕大多數(shù)學者采用了氣象站法監(jiān)測熱島效應。主要選用蘭州站(36°03′N、103°53′E，海拔1518

m)、榆中站(35°52′N、104°09′E，海拔1875m)、皋蘭站(36°21′N、103°56′E，海拔1670m)、靖遠站(36°34′N、104°40′E，海拔1398m)等氣象站的歷史數(shù)據(jù)，選取若干個溫度指標，分析了蘭州市或更大區(qū)域在不同發(fā)展階段熱島特征變化情況。

2.2 定點觀測法

定點觀測可以分為水平和垂直2個方向。城市熱島水平分布特征一般是選用城郊若干個典型的位置，或者是利用橫穿城市剖線進行觀測研究。即采用離地1.5m高的氣溫值來研究城市溫度場。垂直熱島水平分布特征則利用探空氣球進行觀測或?qū)囟扔嬛糜诖髲B的不同高度以觀測城郊氣溫垂直差異（低于1000m的低空）。由于該法較為耗時耗力，現(xiàn)有對蘭州的城市熱島的研究中少有使用。

2.3 遙感法

隨著地理信息的發(fā)展和遙感技術(shù)的成熟，遙感監(jiān)測方法被廣泛運用于城市熱島效應的研究。它具有覆蓋范圍廣、圖像直觀和時間高度同步的優(yōu)點，在城市熱島研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前在對蘭州的城市熱島研究中主要采用 Landsat7 ETM+和Landsat5 TM（130/35）為遙感數(shù)據(jù)源，通過亮度溫度計算反演地表溫度，進而研究熱島效應在小尺度空間上的分布以及熱場分布特征與土地利用/覆被的關(guān)系。

2.4 模型模擬法

模擬預測方法是應用計算機技術(shù)利用統(tǒng)計模型、物理模型、數(shù)值模型和解析模型4種模型模擬研究城市熱島效應的方法。目前這4種模型在國內(nèi)外的研究中已經(jīng)得到廣泛應用，然而在蘭州的城市熱島研究中確少有使用。以上各個方法均有其優(yōu)缺點，不同的研究中也采用了各自較為適宜的方法，由于氣象站點法數(shù)據(jù)更易獲取 （蘭州中心氣象臺信息化資料），分析較為簡單，所以大多數(shù)研究中均采用此法。定點觀測法由于數(shù)據(jù)獲取較為復雜，現(xiàn)有研究中少有使用。各研究方法使用情況見表1。

表1 各研究方法優(yōu)缺點對比及研究實例

3 主要研究結(jié)果

3.1 蘭州市城市熱島的時間變化特征

新中國成立以來，蘭州市發(fā)展迅速，建成區(qū)面積和人口逐步增加。尤其是改革開放后，蘭州市發(fā)展速度進一步增加，蘭州的城市熱島效應隨著城市的發(fā)展表現(xiàn)出階段性特征。1949年，蘭州市建成區(qū)面積為8.88km2，常住人口38.7萬人[13]；1978年，蘭州市建成區(qū)面積為87.47km2，常住人口93.78人；2010年，蘭州市建成區(qū)面積為172.61km2，常住人口188萬人[5]，隨著城市的發(fā)展，城市熱島表現(xiàn)出相應的增長趨勢（見表2）。

表2 蘭州市城市發(fā)展與熱島效應階段性特征

據(jù)研究，城市人口越多，建成區(qū)面積越大，熱島效應越明顯。1萬人口城市的熱島強度一般能達到0.11℃，10萬人口0.32℃，100萬人口0.91℃[14]。1953年前，蘭州市的城市熱島效應并不明顯，自1953年蘭州站的監(jiān)測氣溫首次超過靖遠站后，其溫差逐漸增大，城市熱島效應對蘭州市氣溫的貢獻率逐步加

大[6]，圖2為近50年蘭州城、郊氣溫的年際變化和熱島強度的變化[15]。其中20世紀60年代熱島強度約為 2.3℃，70年代約為 2.5℃，80年代約為 3.1℃，90年代約為3.5℃，近10年約為3.6℃?？傮w上來看，近50年城市熱島強度逐漸增強，線性趨勢達到0.31℃/10a。另有大量研究認為[5-10]，現(xiàn)蘭州市城市熱島強度約為3℃，傾向率已經(jīng)高達1.0℃/10a，升溫貢獻率＞50%。

圖2 蘭州與榆中、皋蘭年平均氣溫溫差

除了對蘭州市城市熱島年際變化歷程的追蹤，一些學者則關(guān)注了蘭州城市熱島效應在小尺度時間范圍內(nèi)的變化過程。白虎志認為[7]熱島效應在冬季尤為顯著，在日變化中以02∶00熱島效應最為明顯。其順序為：冬季＞夏季＞春季＞冬季；02∶00＞08∶00＞20∶00＞14∶00；馬玉霞[8]進一步將氣溫分為最高溫度、平均溫度、最低溫度三個部分進行對比研究，將熱島效應的季節(jié)變化更加細化，將序列細化為最高溫：秋季＞冬季＞夏季＞春季；最低溫：冬季＞春季＞秋季＞夏季。李卓倫[16]則發(fā)現(xiàn)蘭州冬季城市熱島效應的增強速率遠大于其他季節(jié)。但同時指出1990年代之前，冬季的熱島效應顯著小于其他季節(jié)的熱島效應。對此產(chǎn)生差異可能來自各自研究所選取數(shù)據(jù)資料不同而造成。

3.2 蘭州市城市熱島的空間變化特征

現(xiàn)有研究多集中于對于蘭州市城市熱島效應的時間變化特征的研究，而對于蘭州市城市熱島空間分布和變化特征的研究則相對薄弱?，F(xiàn)有研究也主要采用遙感法，而少見定點觀測法。對水平空間的研究也多余對垂直空間的研究。

對水平空間的研究中，多傾向于研究城市空間擴展和城市下墊面改變對城市熱島的影響的研究。陳榛妹[6]在1991年指出蘭州存在城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)三個城市熱島組團中心，并將城關(guān)區(qū)的熱島歸因于居民采暖，將安寧區(qū)和西固區(qū)的熱島歸因于工業(yè)熱排放。潘竟虎[5]、張建明[17]等人通過遙感影像對比，發(fā)現(xiàn)蘭州的城市熱島在1993年以后隨著建成區(qū)面積的擴大和城市化進程的逐步發(fā)展，逐漸從三個中心向外擴散，至2010年，三個中心特征消失，全城均處于熱島高溫控制下（如圖3所示）。蘭州市的城市熱島效應增強趨勢明顯。

圖3 蘭州市三時期地表溫度空間分布示意圖

除了水平空間的研究，也有少量對于垂直空間的研究，楊德保[9]利用在蘭州大學校園和皋蘭氣象站兩點的探空氣球資料分析發(fā)現(xiàn)，在蘭州200m以下的低空，城郊溫差明顯，而在200m～600m的中低空，城郊溫差逐漸減小，至600m左右時不存在明顯差異。張裕芬[18]也認為城市熱效應在地面至200m影響顯著，熱島效應的存在也使城市上空低層0～200m的大氣逆溫強度和大氣逆溫持續(xù)時間都遠小于鄉(xiāng)村（如圖4所示）。王海嘯[19]也認為城市熱島效應使低層大氣中上部200m～600m增溫大于郊區(qū)，200m以下因污染物削弱了到達地面的太陽輻射，增溫小于郊區(qū)，并證實白天蘭州低層大氣中部的增溫和大氣混濁度具有正相關(guān)關(guān)系。陳榛妹[6]則發(fā)現(xiàn)，蘭州市市區(qū)近地面在白天的熱島效應更強，并大于100m低空的熱島強度。而100m的低空夜間熱島效應最強，并大于近地面熱島強度，100m低空與地面的情況正好相反。

圖4 蘭州與皋蘭1989年12月1日—5日平均溫度垂直廓線

3.3 蘭州市城市熱島的影響因素分析

目前對于蘭州市城市熱島效應的產(chǎn)生原因和影響因素的研究較多，大多文獻中都有提及，然而大多只是定性的描述導致城市熱島效應的可能因素，缺乏相對系統(tǒng)的研究。城市熱島的影響因素眾多，可分為自然因素和人為因素兩方面。自然要素主要包括：降水量變化、濕度、日照時數(shù)、風速、大氣污染物、逆溫層等；人為要素包括：城市空間擴展、土地類型改變、道路建設、人口變化、工業(yè)生產(chǎn)量、能源消耗量等[20-24]。季國良[25]、韓曉[26]等人從自然因素的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)蘭州市城市熱島效應與降水量變化、日照時數(shù)、風速、大氣污染物、逆溫層等要素之間均存在較好負相關(guān)關(guān)系，指出蘭州近幾十年以來，平均風速、降水量減小是造成城市熱島加劇的重要原因。不同氣侯指標城效差如圖5所示。

圖5 不同氣候指標城郊差(1961～2009)

蘭州因其屬于特殊的河谷型城市，城市逆溫現(xiàn)象十分普遍，城市逆溫層的出現(xiàn)以及城市風系統(tǒng)會導致城市污染物難以及時疏散，這些物質(zhì)可以大量地吸收環(huán)境中熱紅外輻射，引起大氣的進一步升溫。至使城市大氣吸收較多的紅外輻射而升溫。夜間它將大大減少地表有效長波輻射所造成的熱量損耗，起到保溫作用。城市熱島與逆溫層和大氣污染物的關(guān)系較為復雜。陳榛妹[27]在1982年關(guān)注到城市逆溫層對蘭州城市氣溫的影響，指出蘭州一年四季都有逆溫存在，而以200m左右的貼地逆溫為最嚴重，貼地逆溫又以冬季出現(xiàn)日數(shù)最多，厚度最厚，強度最強。白虎志[7]發(fā)現(xiàn)冬季逆溫層發(fā)生頻率與城市熱島強度正相關(guān)，逆溫層最強最厚的時間與城市熱島最盛的時間吻合；張裕芬[18]則發(fā)現(xiàn)蘭州市熱島強度的日夜差異與近地逆溫層的發(fā)生有較好的相關(guān)性。

對蘭州市城市熱島人為因素的分析相對較少，現(xiàn)有的研究中，主要以城市空間擴展和城市用地變化的研究，如徐昔保[13]、楊永春[28]等分析了 1950年以來蘭州市城市空間擴展過程和土地類型年代際變遷。指出現(xiàn)在蘭州市的城市空間擴展已經(jīng)導致了環(huán)境的惡化。張建明[17]分析了蘭州市市地表溫度與NDVI(植被指數(shù))、NDBI(建筑指數(shù))、MNDWI(水體指數(shù))、NDBaI(裸地指數(shù))之間的關(guān)系（如圖6所示），發(fā)現(xiàn)建設用地和未利用地溫度最高，對熱島效應貢獻最大，是城市熱島的主要貢獻因子，而綠地和水體能夠很好的緩解熱島效應。其他相關(guān)研究也得出類似結(jié)果。

圖6 地表溫度和各指數(shù)在空間上的關(guān)系

除了城市空間對城市熱島的影響，城市人口增加也是城市熱島加劇的原因之一。一個成年人即便在靜坐的狀態(tài)下也會與周圍的環(huán)境產(chǎn)生一定的熱量交換，大約相當于1個100W功率的燈泡向外界散發(fā)的熱量①。而人類活動對產(chǎn)生更多的熱排放，

如采暖、交通等生活熱排放和工業(yè)生產(chǎn)等熱排放。李文莉[24]發(fā)現(xiàn)蘭州市民規(guī)律性的工作日和雙休日影響了城市氣溫變化，平均雙休日比正常工作日氣溫明顯偏高，出現(xiàn)了顯著的“周末效應”。而榆中的日平均氣溫距平的周變化不明顯，甚至與蘭州的變化趨勢相反?？梢娙祟惢顒右彩菍е鲁鞘袩釐u的重要原因之一。另據(jù)吳文恒[29]計算，蘭州市中心城區(qū)的人口規(guī)模將進一步增大，其飽和人數(shù)將達342.17萬。對未來蘭州市的城市熱島的影響將更加顯著。

4 討論與展望

4.1 現(xiàn)有研究中存在的問題

1）目前已有大量關(guān)于蘭州市城市熱島的研究，主要的研究人員來自蘭州大學，部分來自西北師范大學、蘭州城市學院等蘭州本地的大學和科研單位，少有其它地區(qū)科研單位人員參與?，F(xiàn)有研究資料和主要結(jié)論大量重復，雖然在蘭州市城市熱島效應存在且在不斷增強這一問題上達成一致認識，但在熱島強度、傾向率等具體數(shù)值上存在較大爭議；對于蘭州市四季和日內(nèi)城市熱島強度最強 （弱）出現(xiàn)時間存在爭議；對各個影響因素之間的聯(lián)系和對城市熱島的貢獻率缺乏研究。

2）雖然國內(nèi)外有眾多不同的方法研究城市熱島效應，但目前對蘭州城市熱島的研究中使用的方法較為單一，主要為氣象站法。在資料選取時，選擇皋蘭站或榆中站等不同站點，是否進行了高程校準或校準時采用的氣溫垂直遞減率不同(0.55、0.6、0.7)導致對同一結(jié)論出現(xiàn)較大偏差，大多數(shù)研究未對數(shù)據(jù)做均一性檢驗和和其他誤差訂正。采用遙感法的研究中，存在以地溫代替氣溫，以及遙感影像解譯帶來的誤差?？臻g分析中也只主要考慮了蘭州市城市建設用地的擴展和土地類型的變化，對于其它影響因素的分析也停留于定性或半定量的分析，缺乏定量分析，并且許多影響因素未被考慮，缺乏與其他城市的對比研究。系統(tǒng)性、全面性不足，研究精度有待提高。

4.2 未來研究方向的展望

1）目前蘭州市城市熱島效應研究還不夠全面，如缺乏蘭州市全市范圍內(nèi)不同地區(qū)熱島效應在時間、空間變化上的高分辨率分析；缺乏蘭州市城市內(nèi)部熱島效應強度和變化規(guī)律的具體空間分布和差異。對蘭州市經(jīng)濟發(fā)展，人口增長等方面導致的蘭州市的城市熱島變化研究較為薄弱；缺乏與其它城市的對比分析；需要更加細致，全面的分析蘭州市城市熱島效應各個影響因素之間的關(guān)系和貢獻率。

2）由于城市熱島中心區(qū)域近地面氣溫高，與周圍地區(qū)形成氣壓差異，周圍地區(qū)近地面大氣向中心區(qū)輻合，從而在城市中心區(qū)域形成一個低壓旋渦，造成大氣中的煙塵、氮氧化物等污染物在熱島中心區(qū)域聚集，危害人們的身體健康甚至生命。近年來中國各大城市紛紛出現(xiàn)了嚴重霧霾污染事件。其治理往往采用減產(chǎn)減排方式，雖效果顯著但卻干擾了居民和工廠的生產(chǎn)生活。若有有效方法降低甚至消除城市熱島效應造成的城市風系統(tǒng)，將有效緩解城市霧霾等污染事件的發(fā)生。而這方面的研究有待加強。

3）蘭州為了降低蘭州市的pm10污染物含量，蘭州市自2011年開始實施人工灑水降塵措施。據(jù)了解，蘭州市現(xiàn)有100多輛灑水車，?？吭谑袇^(qū)多個取水點。城區(qū)主干道路，灑水每日3次，次干道路，灑水每日2次。僅城關(guān)區(qū)就有998條主次干道需要灑水壓塵，每天要用去2000多噸水。每年在灑水上的花費達到4000萬元。如此大規(guī)模的人工灑水作業(yè)確實改善了城區(qū)的空氣質(zhì)量，同時也很可能對城市熱島效應產(chǎn)生影響。目前對人工灑水對城市熱島的影響的研究尚屬空白，若灑水對城市熱島有抑制作用，是否可以推廣到其他高溫城市以防高溫熱浪襲擊等問題尚待研究。

4）2015年7月，習近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會議上呼吁建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。從當年開始，中央財政將連續(xù)三年為“海綿城市”建設試點提供資金支持。建設“海綿城市”的不僅改變了城市水資源賦存狀況，同時改變了城市下墊面特征，將對城市熱島效應產(chǎn)生怎樣的影響將是一個新的研究課題。

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