城市熱島研究

孫政 張航 董明軒 張辰毓

摘 要：隨著土地利用類型和下墊面性質(zhì)的改變，原有區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，導(dǎo)致城市溫度上升。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，“城市熱島”逐漸成為人們廣泛關(guān)注的話題。本文從城市熱島的測量與模擬入手，綜述了城市熱島研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：城市;熱島效應(yīng);觀測;方法

中圖分類號：P463.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0143-03

Research on Urban Heat Island

SUN Zheng ZHANG Hang DONG Mingxuan ZHANG Chenyu

（Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130022）

Abstract： With the change of land use type and the nature of the underlying surface， the original regional ecosystem is destroyed， resulting in an increase in urban temperature. With the advancement of urbanization， "urban heat island" has gradually become a topic of widespread concern. This paper started with the measurement and simulation of urban heat islands， and summarized the current status of urban heat island research.

Keywords： urban;heat island effect;observation;method

隨著城市化的快速推進(jìn)，土地開發(fā)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，土地利用類型發(fā)生顯著變化，下墊面性質(zhì)發(fā)生改變，使得城市溫度上升，這就是城市熱島效應(yīng)。城市熱島測量對分析區(qū)域天氣影響具有十分重要的意義，人們要構(gòu)建城市熱島模型，加大研究力度，減少城市熱島的負(fù)面影響。

1 熱島測量

1.1 固定站測量

固定站測量是分析城市熱島的最簡單、最常見的方法，比較分析兩個(gè)或多個(gè)固定位置測得的天氣數(shù)據(jù)。世界上，大多數(shù)城市都有氣象站，這些氣象站積累了當(dāng)?shù)囟嗄甑臍鉁?、風(fēng)速、云量、濕度和降水量等信息。一些站點(diǎn)還測定當(dāng)?shù)靥栞椛淞俊?/p>

固定站數(shù)據(jù)有三種常用方式：一是比較城市氣象站和農(nóng)村氣象站的數(shù)據(jù);二是研究多個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)區(qū)域性的二維影響;三是調(diào)查大量歷史數(shù)據(jù)，評估城市熱島的發(fā)展趨勢。

如果局部區(qū)域不能被現(xiàn)有測站很好地覆蓋，則可以利用周圍測站數(shù)據(jù)代替研究位置的數(shù)據(jù)。測站數(shù)據(jù)應(yīng)至少包括溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向四個(gè)方面。總輻射表是一種儀器，用于測量太陽輻射強(qiáng)度。

1.2 移動(dòng)導(dǎo)線測量

在城市周圍，固定站通常數(shù)量較少，無法清晰顯示熱島的二維圖像。建立臨時(shí)站點(diǎn)，在其他固定位置收集數(shù)據(jù)，成本較高，也難以實(shí)現(xiàn)。所以，移動(dòng)導(dǎo)線測量是研究城市熱島的一種經(jīng)濟(jì)方法。

一般來說，移動(dòng)導(dǎo)線測量需要借助交通工具，行駛路徑固定，到達(dá)待測位置后，僅使用一套氣象儀器即可讀數(shù)。如果研究區(qū)域較小，人們可以步行或騎自行車。如果研究區(qū)域較大，人們可以乘坐公共交通工具或駕駛小汽車出行。

移動(dòng)導(dǎo)線測量方法存在缺陷。一是無法同時(shí)記錄不同位置的測量結(jié)果，雖然可以同時(shí)使用兩套或多套移動(dòng)設(shè)備，但設(shè)備成本會(huì)顯著增加。二是雖然移動(dòng)導(dǎo)線測量可以在1 h內(nèi)完成，但是其間氣象條件可能會(huì)發(fā)生很大變化。通常，人們需要將移動(dòng)測量結(jié)果與一個(gè)或多個(gè)固定位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)一基準(zhǔn)。

1.3 遙感測量

固定站測量和移動(dòng)導(dǎo)線測量通常用于監(jiān)測城市周圍的氣溫。遙感可用于測量地表溫度和其他特征，方法是測量屋頂、人行道、植被和裸露地面等反射的能量。飛機(jī)或衛(wèi)星搭載的傳感器可以拍攝城市及其周圍環(huán)境的能量圖像。

遙感可以實(shí)現(xiàn)城市下墊面溫度的可視化。然而，遙感僅顯示城市溫度的鳥瞰圖，而忽略了墻壁和植被的溫度以及樹木下的溫度。對于城市熱島而言，這些垂直和陰影表面測量十分重要。所以，有研究將這些垂直信息添加到遙感數(shù)據(jù)中，以產(chǎn)生真實(shí)、完整的三維表面溫度[1]。

另外，遙感平臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間限制了城市的實(shí)時(shí)觀測效果。一些衛(wèi)星可以提供晝夜的地表能量對比影像。人們可以利用飛機(jī)平臺(tái)彌補(bǔ)觀測時(shí)間間隔的缺陷。

1.4 輻射能的垂直感應(yīng)

城市熱島會(huì)影響上層大氣空間的溫度，尤其是對流層。大多數(shù)影響局限于邊界層。白天，空氣被加熱，邊界層最厚。到了晚上，地表溫度往往比大氣層低，邊界層收縮。農(nóng)村和城市的邊界層存在顯著差異，人們可以通過測量了解城市熱島對局部區(qū)域天氣的影響。

1.5 輻射能量守恒

地表流入和流出能量測量可以用于分析城市熱島效應(yīng)，了解城市熱島的成因。地表能量有兩種來源。一是人為因素，如建筑物、機(jī)械和人釋放的能量，二是凈輻射，即被吸收、未被反射的太陽能量。任何時(shí)刻，熱量必須通過風(fēng)進(jìn)行對流，通過水分蒸發(fā)、植物蒸騰而消散或存儲(chǔ)在地表中。能量平衡試驗(yàn)使用大量設(shè)備來測量流入和流出表面的能量。

2 熱島模擬

2.1 建筑能源模型

建筑能源模型用于測定建筑物供暖和制冷的能量。這些模型非常復(fù)雜，可以查看建筑物的位置、幾何形狀、建筑、照明情況、加熱和冷卻系統(tǒng)以及日常運(yùn)行模式。通過建立熱島測量建模，人們可以估算建筑能源消耗。建筑能源模型可用于評估各種節(jié)能設(shè)施，為緩解熱島效應(yīng)提供方案。

最常用的建筑能源模型是DOE-2，這是美國能源部花費(fèi)數(shù)十年時(shí)間開發(fā)的軟件。盡管該軟件在2001年被更高級的EnergyPlus軟件所取代，但是EnergyPlus只有少量的用戶界面可用，難以執(zhí)行，所以具有大量簡化用戶界面的最終版DOE-2.1E仍然是大多數(shù)節(jié)能工作的計(jì)算基礎(chǔ)工具。

DOE-2存在一些限制，它無法正確計(jì)算風(fēng)引起的屋頂對流傳熱，也無法解決閣樓或通風(fēng)空間中的輻射傳熱。該軟件計(jì)算時(shí)，假定屋頂隔熱性能穩(wěn)定，不隨溫度變化[2]。

盡管如此，該工具還是許多熱島研究中估算建筑能耗的有效手段[3]。

2.2 頂層能量計(jì)算

可供使用的建筑能源模型計(jì)算器主要有三種。

一是美國環(huán)境保護(hù)署“能源之星”計(jì)劃開發(fā)的工具，這個(gè)計(jì)算器可以通過屋頂產(chǎn)品估算節(jié)省的能源和資金，可用于研究空調(diào)建筑物。輸入計(jì)算器的信息包括建筑物的年齡、類型及位置，加熱和冷卻系統(tǒng)的效率，當(dāng)?shù)氐哪茉闯杀?，屋頂面積，隔熱層和屋頂類型。

二是由美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的另一種工具，它有兩個(gè)版本：一個(gè)用于低坡屋頂?shù)慕ㄖ?，另一個(gè)用于陡坡屋頂?shù)慕ㄖ?。此?jì)算器函數(shù)基于屋頂傳熱模型進(jìn)行校準(zhǔn)，以匹配屋頂和天花板測試組件的結(jié)果[4]。該模型的輸入信息包括建筑物位置、屋頂隔熱等級、擬建屋頂?shù)奶柗瓷渎屎蜔彷椛渎省⒐┡椭评湎到y(tǒng)的能源成本和效率。計(jì)算器的輸出信息包括與黑色屋頂相比每年節(jié)省的成本和每年的供暖能源損失。計(jì)算器還可以計(jì)算減少峰值用電量時(shí)降低的能耗。

三是美國屋面工程協(xié)會(huì)開發(fā)的EnergyWise，它詳細(xì)地介紹了使用的屋頂類型，分析了不同配置如何影響能源使用。

2.3 城市峽谷和舒適度模型

城市峽谷模型可用來闡明城市熱島成因[5]。它可以用于評估城市的幾何形狀如何影響城市天氣變化[6]，研究城市天氣如何影響建筑物的能源使用[7]。

舒適度模型使用類似于城市峽谷模型的函數(shù)來評估不同條件下的人體舒適度。OUTCOMES模型是一種基于天氣和周圍環(huán)境特征來計(jì)算人體舒適度的工具。Grant等利用它觀察了樹蔭對生存環(huán)境舒適度的改善效果[8]。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)模型

生態(tài)系統(tǒng)模型著眼于分析城市植被的影響。它主要有兩種模型，即美國林業(yè)署開發(fā)的CITYgreen和美國農(nóng)業(yè)部森林服務(wù)處開發(fā)的i-Tree。

CITYgreen是一個(gè)基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的模型，用于評估一個(gè)地區(qū)的樹木、植被如何減少雨水徑流、改善空氣質(zhì)量、減少能源消耗和存儲(chǔ)碳。它可用于評估城市植被的經(jīng)濟(jì)效益。

i-Tree是一套用于評估城市樹木成本和收益的工具。它的兩個(gè)主要組件是UFORE（評估樹木對環(huán)境的影響的工具）和STRATUM（評估樹木的成本和收益的工具）。完整的軟件包可估算樹木管理成本和價(jià)值，評估樹木在節(jié)能、改善空氣質(zhì)量、減少二氧化碳、控制雨水和財(cái)產(chǎn)價(jià)值方面的價(jià)值。

2.5 區(qū)域模型

區(qū)域模型可用于評估城市熱島緩解對區(qū)域氣溫和空氣污染的影響。人們已經(jīng)能夠綜合運(yùn)用氣象學(xué)和光化學(xué)理論，對熱島效應(yīng)進(jìn)行建模[9]。

3 結(jié)語

城市熱島效應(yīng)使城市溫度升高，給人們的生活帶來諸多不便。其研究和防控工作早已展開，本文從測量方法與模型模擬兩個(gè)角度綜述了其研究現(xiàn)狀。單獨(dú)開展熱島測量，人們僅能了解熱島情況，只有配合使用熱島模型，才能更好地了解城市熱島原理，采取有效的應(yīng)對措施。

參考文獻(xiàn)：

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