城市熱島研究綜述

丁海勇+史恒暢+羅海濱

摘要：本文通過對過去50年的城市熱島研究，做了做了詳細分析和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，提出了形成城市熱島的具體原因，并對城市熱島呈現(xiàn)出的規(guī)律做了總結(jié)。對城市熱島的研究方法有多種，主要有下面的研究方法：數(shù)值模擬法和氣象資料分析法以及遙感監(jiān)測法的應(yīng)用及優(yōu)缺點，指出了在對城市熱島進行研究時，通常都會出現(xiàn)的問題和難點。針對城市熱島的解決辦法做了大量研究，并對城市熱島遙感研究的趨勢和方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：地表溫度；遙感；熱島效應(yīng)

一.引言

1.1研究背景

伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多問題狀況。人口數(shù)量不斷增加，城市加速擴建。城市化和居民的日?；顒佣喽嗌偕俣紩Τ鞘袣夂虍a(chǎn)生影響。在這些影響中，熱島效應(yīng)最為突出。城市熱島作為城市氣候的重要體現(xiàn)，它會對人類的生活以及所在的環(huán)境產(chǎn)生重大影響。所以，人們對此也是倍加關(guān)注。城市熱島是當下人類最需要優(yōu)先解決的問題。

1.2研究內(nèi)容

城市熱島效應(yīng)與暴雨、熱帶氣旋等相比，存在很大的不同。它一般不會直接引起災(zāi)害。它通常是通過改變水循環(huán)過程和大氣層結(jié)構(gòu)等對人類產(chǎn)生間接傷害。一方面是經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化速度加快，生態(tài)環(huán)境越來越嚴峻。另一方面人類對大自然的索取越來越多，這使得兩者的矛盾越來越嚴重，造成城市熱島效應(yīng)問題越來越嚴重。

二.熱島效應(yīng)

2.1熱島效應(yīng)的概念

經(jīng)過對大量的實驗數(shù)據(jù)做分析比對，現(xiàn)在基本可以確定城市的氣溫往往要比郊區(qū)高，這也是城市氣候呈現(xiàn)出的特征。如果將這些特征繪制成等溫線圖，那么必定會出現(xiàn)閉合的等溫線。人們一般會把閉合區(qū)內(nèi)的高溫區(qū)域看成孤島一般，稱其為“城市熱島”，對于這種溫差現(xiàn)象，人們稱之為“熱島效應(yīng)”，有時會統(tǒng)稱為城市熱島。

2.2熱島效應(yīng)的時空分布與形成機制

2. 2.1熱島效應(yīng)時空分布

經(jīng)過研究可以看出，熱島的空間分布有一些普遍的規(guī)律和特征可循，然而每個城市又有各自的特點，這取決于城市的地理位置、城市結(jié)構(gòu)、建筑物的密度、類型、建筑材料等。通常熱島現(xiàn)象在老城區(qū)、機場、火車站、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)等地區(qū)較為明顯等。在水平方向，城市高溫區(qū)域通常出現(xiàn)在人口多、建筑群密集、商業(yè)活動相對活躍的城區(qū)。在垂直方向，因城市間存在差異，故城市熱島強度也會有所不同。通常情況下，在白天時，城郊不會出現(xiàn)太大的區(qū)別；在夜間時，城郊氣溫存在垂直變化不同的狀況，城市的熱導(dǎo)相對比較明顯，強度也會比較大，由下而上呈現(xiàn)遞減趨勢，當達到一定高度時，會出現(xiàn)“交叉現(xiàn)象”。郊區(qū)整層通常都會表現(xiàn)為逆溫輻射。

隨著時間不斷變化，城市熱島有明顯的日變化。Oke經(jīng)過大量研究提出，處于中緯度的城市，在理想情況下，熱島強度通常呈現(xiàn)出的是夜間現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因是城鄉(xiāng)冷卻率存在差異，并不是因為加熱率存在差異。在白天時，鄉(xiāng)村加熱往往要比城內(nèi)快，熱島呈現(xiàn)減弱趨勢，這種變化現(xiàn)象不單單是出現(xiàn)在中緯度區(qū)域，在其他區(qū)域也存在相似的變化，根據(jù)徐頌、楊士宏等長時間觀測，廣州城市熱島強度在白天時會比較弱，太陽落山之后熱島強度快速提升，當?shù)酵砭劈c時，達到最高值；早晨太陽升起之后，熱島強度逐漸變?nèi)酰數(shù)较挛缫稽c時，出現(xiàn)全天最弱值1。城市熱島的時間分布則隨著季節(jié)的改成也會出現(xiàn)相應(yīng)的改變。但是在上述變化時，因地區(qū)直接存在很大的差異，會出現(xiàn)許多復(fù)雜情況。熱島效應(yīng)會因區(qū)域氣候和人們的日?；顒拥牟煌?，而呈現(xiàn)出不同。在中國季風氣候區(qū)域，城市熱島的強度會在秋冬季時期達到最高值，在春夏時期達到最低值。也有一些城市的城市熱島呈現(xiàn)周變化規(guī)律，在周六與周日時城市熱島會比較弱，其他時間則有所增強。

2.2.2熱島效應(yīng)形成機制

不少學(xué)者對城市熱島的產(chǎn)生和發(fā)展，也做了大量的研究工作，對城市熱島的產(chǎn)生和發(fā)展原因做了比較系統(tǒng)的研究和論述，主要分為以下幾點：

1.關(guān)于城市下墊面性質(zhì)的改變：由于城市受到下墊面特征的影響，城市中建有有大量的人為構(gòu)建筑、比如人們建設(shè)的樓宇、柏油路面、混凝土等的不斷增多，導(dǎo)致綠化地和水體等因素的銳減，使得下墊面的熱力屬性發(fā)生了變化。加上地面含水量的缺失，導(dǎo)致大量的熱量進入到空氣中，從而使氣溫不斷上升。

2.人為熱島效應(yīng)和大氣污染：由于社會經(jīng)濟的不斷增長，以及城市化進程的迅速加快，在工業(yè)生產(chǎn)、家庭爐灶等多方面的耗能下，廢熱排放量的增加，導(dǎo)致各個城市區(qū)域多了大量的熱量輸出。其中，數(shù)大氣污染最為顯著。城市中的工業(yè)生產(chǎn)、交通工具和人們生活習(xí)慣等因素的影響，懸浮顆粒物密集、溫室氣體量的提高以及大氣中二氧化碳、二氧化硫等有毒氣體的增多，都是導(dǎo)致熱量和污染加重的原因，其中對城市熱島效應(yīng)影響最大的是大氣總懸浮粒物和溫室氣體，由于它們會吸收下墊面熱輻射，所以容易造成溫室效應(yīng)，從而導(dǎo)致大氣溫度的升高。

3.城市規(guī)模、形狀和所處的地理位置：隨著現(xiàn)在城市化的發(fā)展，人口數(shù)量的不斷增加，城市建筑物、道路以及廣場等大面積的增多，導(dǎo)致綠化地、水體等逐漸減少，由于柏油路面和水泥地會吸收大量的太陽輻射，具有極高的蓄熱功能，因此，和綠化地比起來，更容易導(dǎo)致城市氣溫的升高，城市緩解熱島效應(yīng)的能力被削弱。

三.熱島效應(yīng)研究方法

關(guān)于城市熱島現(xiàn)象的研究，由于所研究范圍、對象以及目的的不同，所采用的方法也會不一樣，總結(jié)起來，主要分為三個部分，第一個是通過氣象運動模式做相關(guān)的數(shù)值模擬，第二個是通過氣溫資料對城市熱島進行研究，第三個是通過衛(wèi)星遙感影像反演地表溫度，從而來研究城市熱島效應(yīng)的時空分布特點。

3.1傳統(tǒng)觀測方法

傳統(tǒng)的城市熱島效應(yīng)采用的計算方法都是通過現(xiàn)代氣象數(shù)值模擬或是遙感技術(shù)來進行的，以往研究熱島效應(yīng)的方法也有多種，張景哲等學(xué)者認為，根據(jù)氣象臺所記錄的氣象數(shù)據(jù)，郊區(qū)站點和城市站點之間的差距，選用關(guān)聯(lián)的指標，就能分析出郊區(qū)或是城市在時間序列上的熱島效應(yīng)變化，這種方法具有時間跨度大的特點，可以有效分析出序列熱島的演變情況，不過研究結(jié)果多數(shù)會受到氣象站點設(shè)置的環(huán)境或是數(shù)量的影響，加上觀測點的變化以及習(xí)慣等因素都會對測定結(jié)果造成影響。選點觀測通常是利用小的氣候觀測儀進行人工布點來做水平方向測定的，有時也可以通過探空氣球觀測垂直方向的熱島變化來測量，因為采用的都是實地測量，所以會具備極高的時間分辨率，不過缺點是只能用在小范圍內(nèi)，且耗時耗力，不容易獲得大、中的溫度信息；郭勇等學(xué)者認為，除了這個方法，還有流動觀測法，此方法主要是通過便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或者是車載氣溫氣象觀測儀器來進行流動觀測與記錄的，這個方法從整體涉及到了前兩種算法的特點，能有效的克服定點觀測的局限性問題，觀測的數(shù)據(jù)也更具有代表性以及科學(xué)性，不過對于不一樣的樣線觀測，不可以同時進行，這就容易造成采集的數(shù)據(jù)缺乏可比性。

3.2數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬法是通過實際所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，在通過數(shù)學(xué)建模來實現(xiàn)的，主要是在城市邊界層模式與氣候統(tǒng)計模式的基礎(chǔ)上進行的，周淑貞與張超等學(xué)者認為，在多數(shù)情況下，此方法是用來研究尺度下的熱島環(huán)流的極限風速與動力學(xué)特征，孫旭東等學(xué)者認為，也有可能是用來分析地形共同作用于溫度分布與城市邊界層熱流特征的變化，數(shù)字模型的原理是基于貫穿數(shù)據(jù)的推算或是對城市熱島產(chǎn)生的演繹過程得出的，此方法具有省時省力的優(yōu)點，能夠降低現(xiàn)場的觀測工作量，不過，這個方法根據(jù)的模型都是在理想狀態(tài)下進行的，未考慮到研究對象在實際應(yīng)用中所遇到的復(fù)雜情況，一般說來，還不能完全替代現(xiàn)實的觀測過程。

3.3遙感反演方法

使用以往的城市熱島研究方法，由于技術(shù)不夠先進，存在著諸多局限，不能很好的研究出城市熱島的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及空間布局等方面的問題，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，現(xiàn)代的遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)解決了這些缺陷，彌補了傳統(tǒng)算法中的不足。遙感信息反演方法通常是根據(jù)熱紅外傳感器對城市地物輻射率的不同來反演的，可結(jié)合多樣數(shù)據(jù)類型來進行。

3.3.1單窗算法

單通道算法并不能自己實現(xiàn)計算，而是基于衛(wèi)星傳感器上的熱紅外通道所帶來的輻射計算出地表溫度的一種算法。這種算法需要兩個條件才能實現(xiàn)，一個是要大氣溫度的垂直廓線數(shù)據(jù)，另一個是濕度數(shù)據(jù)，通過限定的大氣模式計算大氣透過率與大氣輻射，使用大氣輻射傳輸方程來計算出地表的輻射值，如果地表的輻射率已經(jīng)知道的話，就能夠計算出地表的溫度。

3.3.2多窗算法

分窗算法也被稱之為劈窗算法，此方法是基于衛(wèi)星觀測到的熱輻射數(shù)據(jù)為標準，通過大氣所在兩個波段上的吸收率差異來消除大氣所造成的影響，然后再根據(jù)這兩個波段的線性組合算出地表的實際溫度?，F(xiàn)在，關(guān)于反演地表溫度的諸多方法中，其得到了廣泛運用，不過也有一些不足，此方法所制定的參數(shù)只能在局地上適用，不適合用于全球尺度范圍，所以，不能對真實的實際變化準確反映出來。如果大氣中的含量與地表比輻射率發(fā)生比較大的變化時，采用此種算法就會造成較大的偏差。分窗算法對于研究路面輻射率精度不夠，因為路面實況比較復(fù)雜多樣，但是對于研究海面卻具有較高精度，主要原因是海水的輻射率具有恒定性，變化不大。

3.3.3多通道多角度算法

多角度算法指的是如果大氣所處的水平方向是均勻的，此方法可通過相同的目標在不一樣的觀測角度下，研究大氣對地表輻射吸收率所存在的差異。多角度觀測可以是不一樣的衛(wèi)星對同樣的目標進行觀測，也可以是相同的衛(wèi)星在不一樣的角度下觀測，采用此方法要優(yōu)于分窗算法。不過除了擬大氣在水平方向的均勻的外，這種方法還需要一個前提條件，那便是其中的一個觀測角度需要經(jīng)過一個很長的大氣路徑，不然這種算法就無法實現(xiàn)，此外，還需要了解地表比輻射率隨著角度所發(fā)生的變化量。

截止今時，通過熱紅外遙感對地表研究的方法，已獲得不錯的成績，使用紅外感，能得到一定的地表溫度信息，和傳統(tǒng)的地表溫度測量不同的是，它的速度更快、更便捷、測量范圍也更大，可以保持信息的連續(xù)性等優(yōu)點，不過會因為大氣的影響與地表比輻射率的不穩(wěn)定性，關(guān)于地表溫度的反演精度往往會受到影響，總的來說，目前的熱外遙感還不能完成滿足人們的實際應(yīng)用精度要求，當務(wù)之急，是解決熱紅外遙感數(shù)據(jù)反演地面溫度時所存在的難點和重點。

結(jié)論：本文基于近五十年來城市熱島效益的成果做了綜合總結(jié)，對形成城市熱島的原因進行了分析，并總結(jié)了有關(guān)城市熱島的變化規(guī)律和特征，主要通過以下三種方法來研究：第一種是遙感監(jiān)測法、第二種是氣象資料分析法、第三種是數(shù)值模擬法，通過這幾種方法的應(yīng)用和優(yōu)缺點，對城市熱島的減緩對策進行了深入探討。遙感監(jiān)測具有時間同步性好、覆蓋范圍廣的特點，克服了用氣象資料研究城市熱島的不足。已有學(xué)者如何降低熱島效應(yīng)做了科學(xué)探究，例如通過可以提高太陽光反射率的材料，使用可以減少節(jié)能戶外建筑材料、改用滲透性的地面鋪裝材料等，這些將是未來熱島效應(yīng)研究的重要方向之一，而減緩城市熱島效應(yīng)是較為系統(tǒng)的綜合性項目，要想取得較好的效果，建設(shè)出綠化生態(tài)城市，需要各個方面的相互配合與努力，才能成就一個社會、經(jīng)濟以及自然和諧發(fā)展的美好愿景。