城市熱島效應(yīng)對(duì)人體健康影響研究綜述

聶敬娣, 張俊華, 黃波, 2, *

城市熱島效應(yīng)對(duì)人體健康影響研究綜述

聶敬娣1, 張俊華1, 黃波1, 2, *

1. 中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100872 2. 香港中文大學(xué)地理與資源學(xué)系, 香港 999077

城市熱島效應(yīng)改變了城市局部氣候環(huán)境, 對(duì)人體健康構(gòu)成了極大的威脅。隨著城市的發(fā)展和城市人口的增加, 城市熱島效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重。在此背景下, 城市熱島效應(yīng)對(duì)人類健康的影響成為研究熱點(diǎn)。本文從熱島效應(yīng)與人體健康的定量分析、熱島環(huán)境下弱勢(shì)群體識(shí)別以及熱島效應(yīng)緩解措施等方面, 總結(jié)了近年來(lái)眾多學(xué)者關(guān)于熱島效應(yīng)對(duì)健康影響的研究, 為城市建設(shè)管理者預(yù)防并減少城市熱島效應(yīng)對(duì)城市居民健康的影響、建設(shè)生態(tài)文明城市提供參考。研究表明: 1) 城市熱島效應(yīng)不僅可以通過(guò)熱危害直接威脅人體健康, 還可以通過(guò)加重空氣污染間接增加呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病等的發(fā)病率; 2) 老人、嬰兒、低收入者、患病人群、學(xué)歷較低者和體力勞動(dòng)者等是熱島效應(yīng)中的弱勢(shì)群體; 3) 改善城市風(fēng)環(huán)境, 種植綠色植被, 增加城市地表反射率等措施可以有效緩解城市熱島效應(yīng), 減緩熱島效應(yīng)對(duì)人體健康的影響。

城市熱島效應(yīng); 城市化; 人體健康; 熱風(fēng)險(xiǎn)

0 前言

城市化和工業(yè)化發(fā)展極大地提高了城市居民的生活質(zhì)量,但與此同時(shí)也影響了城市的自然環(huán)境和氣候, 其中以城市熱島效應(yīng)最為顯著。城市熱島效應(yīng)(Urban Heat Island, UHI) 在1958年被Manley正式定義[1], 表現(xiàn)為城市的溫度相對(duì)于周圍自然地區(qū)較高, 在區(qū)域空間溫度分布中呈現(xiàn)島狀分布[2]。這一現(xiàn)象最早于1833年被記錄于文獻(xiàn)中[3], 其強(qiáng)度一般用城市與周圍鄉(xiāng)村地區(qū)溫度的差異表示[4]。城市熱島效應(yīng)現(xiàn)已被普遍認(rèn)為是城市最顯著的氣候特征。

城市較高的溫度對(duì)城市居民的健康有著顯著的負(fù)面影響[5-8]。城市熱島效應(yīng)提高了冠心病[9-11]、心臟病[12]等疾病發(fā)病率, 加重呼吸系統(tǒng)疾病[13]。同時(shí), 溫度較高的熱環(huán)境使城市居民的死亡率和患病率明顯上升, 增加了城市居民的健康風(fēng)險(xiǎn)[14]。隨著城市化的加速以及全球氣候變化加劇, 熱島效應(yīng)日趨嚴(yán)重, 城市居民的健康風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)上升[15]。截止到2014年, 全球范圍內(nèi)已有超過(guò)50%的人口居住在城市地區(qū), 根據(jù)預(yù)測(cè)這一數(shù)字在2050年將達(dá)到66%[16]。人口的大量涌入使得城市資源消耗量大幅上升, 增加了城市的人為熱排放量, 同時(shí)增加的人口也加快了城市的擴(kuò)張速度, 導(dǎo)致更為嚴(yán)重的城市熱島效應(yīng)[17]。

探究熱島效應(yīng)對(duì)人體健康的影響可以輔助決策者制定相關(guān)政策和措施以緩解熱島效應(yīng)對(duì)健康的危害, 保護(hù)城市居民生命財(cái)產(chǎn)安全。近年來(lái), 這一領(lǐng)域吸引了諸多學(xué)者的探索, 并取得了許多有價(jià)值和有借鑒意義的成果。本文梳理了相關(guān)文獻(xiàn), 從熱島效應(yīng)與人體健康的定量分析、熱島環(huán)境下弱勢(shì)群體識(shí)別以及熱島效應(yīng)緩解措施等方面, 總結(jié)了近年來(lái)眾多學(xué)者關(guān)于熱島效應(yīng)對(duì)于人體健康影響的研究。

1 城市熱島的形成

城市規(guī)模不論大小, 都存在著不同程度的熱島效應(yīng), 促使熱島效應(yīng)形成的因素有多個(gè)方面。城市的發(fā)展改變了其所在區(qū)域的下墊面, 是熱島效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因之一。城市下墊面是城市表層能量收支的界面, 調(diào)節(jié)和控制著城市生態(tài)系統(tǒng)的水分收支和能量收支, 并最終影響城市熱環(huán)境[18]。隨著城市化進(jìn)程的加快, 原本以植被、水體、土壤等土地覆蓋類型為主的自然表面逐漸被高熱容的、高導(dǎo)熱率、低反照率的瀝青、水泥等高蓄熱的不透水面取代。由此, 城市下墊面對(duì)太陽(yáng)輻射低反照率和高吸收率使得地表溫度隨著空氣中的熱量增多而逐漸升高[19]。加之城市不透水面蒸發(fā)冷卻潛力有限, 加速了城市熱島效應(yīng)的形成。另一方面, 城市中高樓林立, 建筑密集, 基礎(chǔ)設(shè)施材料存在較大差異, 導(dǎo)致太陽(yáng)輻射在城市建筑之間多次反射, 大量聚集于城市建筑群內(nèi), 進(jìn)而加速了城市熱島效應(yīng)的擴(kuò)散[20]。

人為熱也是城市熱島效應(yīng)形成的主要熱量來(lái)源。人為熱是指由人類生活生產(chǎn)活動(dòng)而釋放到大氣中的熱量, 具有較明顯的區(qū)域集聚性, 主要集中在城市區(qū)域[21]。人類活動(dòng)直接向大氣中排放大量熱量, 從而使得大氣溫度升高, 加劇了城市的熱島效應(yīng)[22]。同時(shí), 由于人類工業(yè)活動(dòng)所產(chǎn)生的大量CO2、N2O等溫室氣體和顆粒污染物排放到大氣中, 增加了近地層大氣對(duì)地表長(zhǎng)波輻射的吸收, 進(jìn)一步加劇了城市熱島效應(yīng)。除上述因素外, 云量、氣壓、空氣濕度和風(fēng)速等氣象要素也顯著影響著城市熱島的產(chǎn)生。

現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法主要分為地面監(jiān)測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬三種。地面監(jiān)測(cè)方法通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取的實(shí)時(shí)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)城市熱島效應(yīng)進(jìn)行研究[23-25], 該方法準(zhǔn)確度高, 但存在站點(diǎn)位置和數(shù)量的限制; 基于遙感影像反演地表溫度的熱島效應(yīng)監(jiān)測(cè)手段能夠提供全面的城市熱島分布圖, 同時(shí), 能克服傳統(tǒng)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法與城市下墊面、人口分布情況等結(jié)合的缺點(diǎn), 具有較好的時(shí)間周期性[26-28], 但若應(yīng)用于復(fù)雜現(xiàn)實(shí)條件(如下墊面粗糙、熱性質(zhì)差異大等), 則易產(chǎn)生較大誤差[29]; 數(shù)值模擬是在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)上, 利用計(jì)算機(jī)模擬城市熱島, 從而對(duì)能量平衡和溫度的時(shí)空變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[30-32]。該方法所獲得的數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率, 但模擬過(guò)程中由于數(shù)據(jù)不完整或下墊面復(fù)雜性使得模型中近地面的氣象因素分析易產(chǎn)生誤差。

2 熱島對(duì)人體健康影響的研究方法

熱島效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致城市居民死亡率以及患病率的上升, 因此定量分析溫度與死亡率或患病率之間的關(guān)系可用于評(píng)估熱島效應(yīng)對(duì)健康的影響。此外, 應(yīng)對(duì)熱島效應(yīng)的健康風(fēng)險(xiǎn)管理也已成為新的重要研究方向之一, 綜合全面的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估和合理的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避對(duì)于城市管理具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 定量分析

流行病學(xué)理論是定量評(píng)估大氣環(huán)境對(duì)人體健康影響的基礎(chǔ), 其中時(shí)間序列(time-series)與病例交叉設(shè)計(jì)(case-crossover design)兩種流行病學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于溫度與死亡率或患病率關(guān)系的定量分析[33-35]。通過(guò)基于時(shí)間序列分析和病例交叉設(shè)計(jì)的研究方法可以識(shí)別出脆弱群體, 并量化熱島效應(yīng)導(dǎo)致的溫度升高與超額死亡率或患病率之間的關(guān)系。

2.1.1 時(shí)間序列方法

時(shí)間序列方法通過(guò)對(duì)一系列時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析, 識(shí)別出影響熱島效應(yīng)對(duì)人體健康危害程度的因素。通過(guò)對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)線性回歸分析, Curriero描述了1973年美國(guó)東部11個(gè)大型城市的氣溫-死亡率關(guān)系, 并探索與這種溫度-死亡率關(guān)系變化相關(guān)的城市特征來(lái)估算死亡率的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)[36]。Ai Ishigami對(duì)3個(gè)城市的日死亡率數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間序列研究, 發(fā)現(xiàn)年齡和性別等因素的差別導(dǎo)致不同人群在熱島環(huán)境下面臨的熱風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)不同[37]。Dan基于時(shí)間序列方法針對(duì)極端高溫天氣事件對(duì)高度城市化和人口稠密的亞熱帶城市的死亡率的影響進(jìn)行了探討, 識(shí)別出了影響人體健康的條件閾值[38]。時(shí)間序列方法具有較好的時(shí)間連續(xù)性, 但數(shù)據(jù)收集時(shí)間長(zhǎng), 獲取難度較高。

2.1.2 病例交叉設(shè)計(jì)方法

病例交叉的研究方法最早由Maclure提出, 基本思想是比較同一研究對(duì)象在某一緊急事件發(fā)生前一段時(shí)間的暴露情況與未發(fā)生事件的某段時(shí)間內(nèi)的暴露情況, 以揭示該事件與某現(xiàn)象之間的關(guān)系[39], 觀察得出可疑病因與疾病和健康狀況之間的關(guān)聯(lián)。Stafoggia采用病例交叉設(shè)計(jì)來(lái)評(píng)價(jià)意大利四個(gè)城市平均表觀溫度與死亡率之間的關(guān)系及其影響因素, 分析出由溫度升高引起健康受損的群體[40]。Xu基于長(zhǎng)時(shí)間序列的1814個(gè)巴西城市炎熱季節(jié)時(shí)的住院和天氣數(shù)據(jù), 利用病例交叉方法發(fā)現(xiàn)了全球變暖對(duì)營(yíng)養(yǎng)不良發(fā)病率的直接影響[41]。Varghese等人采用基于時(shí)間分層的病例交叉設(shè)計(jì), 量化了環(huán)境溫度對(duì)工傷和疾病等職業(yè)傷害風(fēng)險(xiǎn)的影響, 并發(fā)現(xiàn)此影響受地理環(huán)境影響明顯[42]。病例交叉設(shè)計(jì)以研究對(duì)象自身作為對(duì)照, 不需要設(shè)置其他對(duì)照組, 并且能通過(guò)選擇對(duì)照期控制混雜, 但該方法不適用于暴露效應(yīng)期較長(zhǎng)或存在嚴(yán)重滯留的情況。

2.2 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(health risk assessment) , 又被稱為健康危險(xiǎn)度評(píng)價(jià), 旨在量化大氣環(huán)境對(duì)于人體健康的影響, 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)一般包括暴露-反演關(guān)系分析、暴露評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)危害的定量評(píng)估三部分[43]。常用作相關(guān)政府部門決策的科學(xué)支持。常用的方法有空間格局分析方法和模擬分析預(yù)測(cè)方法兩種。

2.2.1 空間格局分析方法

熱島效應(yīng)是一個(gè)空間分布現(xiàn)象, 受地理位置、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)等因素的影響, 同一城市的不同區(qū)域所面臨的健康風(fēng)險(xiǎn)是不同的。通過(guò)分析城市由于熱島效應(yīng)產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)的空間格局能夠識(shí)別出一個(gè)城市的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 有助于預(yù)防和應(yīng)對(duì)城市熱島效應(yīng)帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)。

分析一個(gè)城市的健康風(fēng)險(xiǎn)空間格局通常利用GIS制圖來(lái)展現(xiàn)。Reid利用人口、土地利用等數(shù)據(jù), 制作了美國(guó)熱浪天氣下的脆弱性制圖, 分析了美國(guó)的健康風(fēng)險(xiǎn)空間格局[44]。Tomlinson結(jié)合遙感城市熱島數(shù)據(jù)與商業(yè)社會(huì)數(shù)據(jù), 評(píng)價(jià)了英國(guó)伯明翰市的熱環(huán)境, 以突出潛在的熱健康風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域[45]; 陳倩融合多源遙感數(shù)據(jù)、人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的高溫?zé)崂巳巳航】碉L(fēng)險(xiǎn)分布格局進(jìn)行分析與評(píng)價(jià), 并識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因子[46]。

2.2.2 模擬分析預(yù)測(cè)方法

利用高分辨率區(qū)域天氣和氣候模型進(jìn)行的建模研究可以提供一種有效的方法來(lái)描述溫度的空間變化, 進(jìn)而分析熱島效應(yīng)對(duì)健康的影響。使用模擬分析的方法研究熱島效應(yīng)可以避免傳統(tǒng)觀測(cè)手段的一些局限。Macintyre利用區(qū)域氣象天氣研究預(yù)報(bào)模型(WRF)與城市冠層模型模擬了西米德蘭地區(qū)的城市熱島效應(yīng), 并模擬改良城市屋頂反射率對(duì)城市熱島效應(yīng)的影響[47]。同樣以西米德蘭地區(qū)為研究區(qū), Heaviside通過(guò)模擬土地利用的變化對(duì)溫度造成的影響, 來(lái)分析該地區(qū)不同溫度下, 溫度與死亡率之間的關(guān)系[48]。Stone結(jié)合WRF模型、土地覆被模型和健康影響模型, 模擬了氣候變化條件下植被覆蓋度和地表反照率對(duì)城市熱島導(dǎo)致的高溫死亡率的減緩作用[49]。

3 熱島對(duì)人體健康的危害

3.1 提高熱風(fēng)險(xiǎn)

城市熱島效應(yīng)對(duì)人體健康最直接的危害來(lái)自熱風(fēng)險(xiǎn), 并且由熱島效應(yīng)導(dǎo)致的熱風(fēng)險(xiǎn)會(huì)在熱浪天氣中加重。熱浪事件頻發(fā)已成為影響健康的重要公共衛(wèi)生問(wèn)題,對(duì)人體健康造成極大威脅[50]。熱浪導(dǎo)致死亡的一個(gè)重要原因是生理冷卻需求增加了心血管系統(tǒng)負(fù)擔(dān)[51]。高溫與由心腦血管系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的死亡和與熱相關(guān)的中暑、脫水導(dǎo)致的死亡密切相關(guān)[52]。由于城市熱島效應(yīng), 熱浪對(duì)城市的危害比對(duì)鄉(xiāng)村嚴(yán)重的多。20世紀(jì)以來(lái), 世界各地城市發(fā)生熱浪災(zāi)害對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。1995年英國(guó)和芝加哥發(fā)生的熱浪災(zāi)害對(duì)城市居民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[9,53]。1999年印度的熱浪導(dǎo)致了15000人死亡[54]。2003年夏天西歐的熱浪也造成了嚴(yán)重后果, 尤其是西班牙和法國(guó), 估計(jì)約有35000人受到影響[55]。

熱浪除最直接造成人類死亡外, 也會(huì)引發(fā)相關(guān)疾病發(fā)病率的升高。在炎熱的環(huán)境中, 人體溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn), 器官負(fù)荷增加, 加重病人的病情。在熱浪天氣中, 呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病的發(fā)病率明顯上升。由于全球氣候變化和城市熱島效應(yīng)的影響, 21世紀(jì)熱浪在強(qiáng)度、頻率及持續(xù)時(shí)間上都會(huì)明顯增加[56]。因此, 減少熱浪的影響, 預(yù)測(cè)熱風(fēng)險(xiǎn)程度, 完善預(yù)防措施極為重要。

3.2 加重空氣污染

城市熱島和城市空氣污染之間存在密切的相互作用[57]。受城市熱島效應(yīng)的影響, 城市中心存在一股上升氣流, 在郊區(qū)下沉, 同時(shí)郊區(qū)的冷空氣吹向城市, 行成一個(gè)閉合的大氣環(huán)流圈。在這個(gè)環(huán)流圈中, 郊區(qū)吹向城市的冷空氣包含大量的空氣污染物, 降低了城市空氣質(zhì)量, 并且大量聚集的污染物有助于霧的產(chǎn)生, 嚴(yán)重危害城市居民健康。并且熱島效應(yīng)生成的環(huán)流圈會(huì)導(dǎo)致污染物在城市上空聚集, 加強(qiáng)大氣對(duì)太陽(yáng)長(zhǎng)波輻射的吸收, 加重?zé)釐u效應(yīng), 行成惡性循環(huán)。

熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市溫度較高, 加重了城市空氣污染。城市較高的溫度促進(jìn)了空氣中的化學(xué)反應(yīng), 導(dǎo)致地面臭氧濃度升高。地面高濃度臭氧會(huì)增加城市光化學(xué)煙霧產(chǎn)生的頻率, 危害人體健康[58]。許多研究發(fā)現(xiàn)城市空氣污染與熱島效應(yīng)密切相關(guān)。Aslam等研究了德里市UHI強(qiáng)度對(duì)空氣質(zhì)量的影響, 發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度與UHI強(qiáng)度呈正相關(guān)[59]。Xu利用流行病學(xué)方法研究PM10與熱環(huán)境的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)熱環(huán)境與PM10污染密切相關(guān)[60]。空氣污染(尤其是臭氧和總懸浮微粒)會(huì)進(jìn)一步加重人體的呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng), 從而加劇高溫對(duì)健康的損害[61]。

4 熱島下的弱勢(shì)群體

在城市居民中, 因年齡、職業(yè)、收入、受教育程度以及居住條件等因素的影響, 受熱島效應(yīng)的影響程度和承受的熱風(fēng)險(xiǎn)是不同的?；谌丝趯W(xué)特征、疾病特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)特征可以篩選出脆弱性人群[62]。

老年人和嬰兒因其生理原因, 對(duì)高溫的適應(yīng)能力較差, 往往被認(rèn)為是高溫?zé)崂藶?zāi)害脆弱性群體[63-64]。日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)在熱浪天氣中, 65歲以上的老年人和0—4歲的嬰幼兒人群死亡率占整個(gè)人群死亡率的50.1%[65]。老年人群由于身體素質(zhì)下降, 對(duì)熱的忍耐力和承受力較低, 容易受到熱島效應(yīng)的影響[66]。又由于老年群體患病概率相對(duì)較高, 加重了老年人群在熱島效應(yīng)中的脆弱性[67]。社會(huì)隔離、護(hù)理水平的限制、生活條件以及缺乏相關(guān)熱風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防的信息也是導(dǎo)致老人在熱環(huán)境中死亡率上升的因素[68]。高溫環(huán)境下, 老年人群的心血管疾病、腦血管疾病以及呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率升高, 死亡率明顯上升[69-70]。嬰幼兒生理系統(tǒng)并不完善, 不能很好地通過(guò)生理調(diào)節(jié)適應(yīng)高溫天氣, 患有腹瀉、呼吸道感染和精神性缺陷疾病的嬰兒在熱浪期間最易受高溫危害[71]。

在高溫和熱浪環(huán)境中, 對(duì)災(zāi)害的防護(hù)能力也影響著不同人群的高溫抵御能力[9]?；疾∪巳夯蚪】挡患训娜巳? 包括患有心理健康和生理健康的人群, 容易受到城市熱島效應(yīng)的影響[72]。低收入者以及受教育程度較低的人群也容易受城市溫度增高影響[73-74]。低收入者以及受教育程度較低的人群常從事體力勞動(dòng), 而從事體力工作的人群在熱環(huán)境中面臨較高的風(fēng)險(xiǎn)[75], 同時(shí), 這一群體通常經(jīng)濟(jì)情況不佳, 不能很好地自主防護(hù)熱風(fēng)險(xiǎn)。

此外, 居住環(huán)境和工作環(huán)境也影響城市居民對(duì)城市溫度上升的防護(hù)能力。居住在通風(fēng)不佳或者沒(méi)有空調(diào)住房的人是熱浪易感人群, 而具有良好通風(fēng)條件的住房有利于創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境, 降低熱死亡人數(shù)[76]。

5 緩解熱島效應(yīng)對(duì)健康影響的措施

緩解熱島效應(yīng)對(duì)健康的影響本質(zhì)上要改善城市的熱環(huán)境, 提高城市空氣質(zhì)量。現(xiàn)有減緩熱島效應(yīng)的研究從熱島的成因和影響因素出發(fā), 提出了很多具有實(shí)用性和科學(xué)性的方法。根據(jù)研究者考慮重點(diǎn)的不同, 這些方法和措施主要分為4類: 1) 控制人為熱的排放; 2) 優(yōu)化城市土地利用空間布局模式; 3) 增加綠色植被面積, 提高城市表面反射率; 4) 合理規(guī)劃城市通風(fēng)廊道。

5.1 控制人為熱的排放

人為熱的排放是城市熱島效應(yīng)熱量的主要來(lái)源之一, 合理地控制人為熱排放可以有效地緩解城市熱島效應(yīng)[77]。傳統(tǒng)的能源如煤炭、石油等化石燃料燃燒排放大量熱量到空氣中, 并且化石燃料所產(chǎn)生的大量空氣污染物嚴(yán)重影響人體健康。諸如風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的使用可以有效減少化石燃料對(duì)城市環(huán)境的影響。研究表明機(jī)動(dòng)車數(shù)量過(guò)載、煙塵排放量增加等現(xiàn)象會(huì)加劇城市的熱島效應(yīng)[78], 因此合理管控交通、工廠等熱排放源的排放。同時(shí), 提高能源利用效率, 減少能源損耗也能有效緩解城市熱島效應(yīng)。

5.2 優(yōu)化城市土地利用空間布局模式

城市土地利用規(guī)劃對(duì)城市熱環(huán)境起到基礎(chǔ)性作用, 研究表明城市土地利用的結(jié)構(gòu)和空間組合模式與城市熱島效應(yīng)顯著相關(guān)[79], 通過(guò)空間優(yōu)化手段合理布局城市新增用地和城市在開(kāi)發(fā)用地能夠有效平衡城市建設(shè)需求和環(huán)境生態(tài)目標(biāo)[80-81]?？臻g優(yōu)化手段也能使得有限的城市綠地合理分布, 最大化城市綠地對(duì)于城市熱島效應(yīng)的緩解作用, 減輕城市居民的熱暴露量。

5.3 增加綠色植被面積, 提高城市表面反射率

增加綠色植被面積和改變城市表面反射率可以有效降低城市的熱島效應(yīng)。城市綠地可通過(guò)植被光合作用、蒸騰和蒸散作用等來(lái)改變地表顯熱和潛熱的分配, 是調(diào)控城市熱島效應(yīng)的重要因素之一[82]。NDVI(Normalized Difference Vegetation Index, 歸一化植被指數(shù))是遙感領(lǐng)域中常用的對(duì)地面植被覆蓋率進(jìn)行有效度量的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō), NDVI值越高, 植被覆蓋率越高。研究表明, 在NDVI值較高的綠色植被覆蓋區(qū), 溫度明顯低于周圍的建成區(qū), 這意味著植被能有效地緩解城市的熱島效應(yīng)[83]。在屋頂和建筑物表面涂抹覆蓋反射率較高的涂料增強(qiáng)城市建筑對(duì)太陽(yáng)反射, 從而降低城市溫度。Fallmann發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)地表反射率和綠色植被分別可以使Stuttgart市的日均溫度降低 1.1 °C和 1.7 °C[84]。地面反射率的增加也可以使臭氧濃度降低[85]。此外, 城市的樹(shù)木和高反射率的屋頂可以顯著減少城市的能量消耗, 從而改善城市空氣質(zhì)量[86]。Sarah對(duì)California定量分析了高太陽(yáng)反射率的材料對(duì)熱島效應(yīng)的緩解作用,發(fā)現(xiàn)高太陽(yáng)反射材料的應(yīng)用可以減少能量的消耗, 提高空氣質(zhì)量[87]。

5.4 合理規(guī)劃城市通風(fēng)廊道

此外, 合理的城市通風(fēng)設(shè)計(jì)能夠改善城市風(fēng)環(huán)境, 有助于城市熱量的分散, 提高空氣質(zhì)量。通過(guò)建立城市通風(fēng)廊道能有效地調(diào)節(jié)城市的氣候, 改變熱島環(huán)流, 促進(jìn)城市與周邊地區(qū)的氣流交換, 提高城市空氣的流動(dòng)性。通風(fēng)廊道的建設(shè)可以充分利用現(xiàn)有的綠地、水面以及道路, 在改變風(fēng)環(huán)境的同時(shí)可以產(chǎn)生更多的清新空氣[88]。風(fēng)環(huán)境的改善能夠有效治理城市的空氣污染。

6 結(jié)論與展望

受全球氣候變暖和城市化的影響, 城市熱島效應(yīng)逐漸成為全球城市的普遍問(wèn)題。城市熱島效應(yīng)會(huì)提高環(huán)境中的熱風(fēng)險(xiǎn), 加重空氣污染, 對(duì)人體健康具有顯著影響, 尤其是對(duì)特定的脆弱群體, 嚴(yán)重影響著城市居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此控制并減緩熱島效應(yīng), 是改善城市生態(tài)環(huán)境, 提升居民生活質(zhì)量極為重要的一步。

現(xiàn)有的關(guān)于城市熱島效應(yīng)對(duì)人體健康影響的研究大多基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 采用流行病學(xué)的方法量化熱島效應(yīng)對(duì)健康的影響。為了克服統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)法反應(yīng)熱島效應(yīng)的空間屬性的缺陷, 越來(lái)越多的學(xué)者將GIS與遙感手段引入到相關(guān)的研究中去。遙感為監(jiān)測(cè)熱島提供具有良好的空間分辨率和時(shí)間重復(fù)性地面溫度數(shù)據(jù), GIS為其提供強(qiáng)大的空間分析功能。將流行病學(xué)方法與遙感、GIS結(jié)合起來(lái)研究城市熱島效應(yīng)對(duì)人體健康的影響將會(huì)提高研究結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確度, 有助于建立統(tǒng)一的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系, 為了更好地量化與評(píng)估熱島效應(yīng)的潛在影響則需要更深入的研究。

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A review of the human health consequences of urban heat island effect

NIE Jingdi1, ZHANG Junhua1, HUANG Bo1, 2, *

1. School of Environmental and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China 2. Department of Geography and Resource Management, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, 999077, China

Urban heat island effect is the phenomenon that urban temperature is higher than its surrounding suburbs and countryside. The massive urbanization and rapid urban population growth have intensified the urban heat island effect. Local climate affected by the urban heat island poses a great threat to human health. In this context, that urban heat island effect on human health has become a research hotpot. This paper summarizes the recent studies on the health effects of heat island effect by many scholars from quantitative study of heat island effect on human health, vulnerable groups analysis and mitigation measures, which can provide urban construction managers with reference to prevent and reduce urban heat island effect on urban residents' health and ecological civilization of city construction. This study shows: 1) The urban heat island effect can not only directly threaten human health by thermal hazards, but also indirectly increase the incidence of respiratory diseases and cardiovascular and cerebrovascular diseases by aggravating air pollution. 2) The elderly, infants, low-income people, sick people, less educated people and manual workers are the vulnerable groups in the heat island effect. 3) Measures to improve the urban wind environment, plant green vegetation and apply highly reflective materials to the building surface can effectively alleviate the urban heat island effect and reduce the impact on the health of the population.

urban heat island effect; urbanization; human healthy; heat risk

聶敬娣, 張俊華, 黃波. 城市熱島效應(yīng)對(duì)人體健康影響研究綜述[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(1): 200–208.

NIE Jingdi, ZHANG Junhua, HUANG Bo. A review of the human health consequences of urban heat island effect[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 200–208.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.01.025

P951; X24

A

1008-8873(2021)01-200-09

2019-09-29;

2020-10-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ05B04)

聶敬娣(1996—) , 女, 河北邯鄲人, 碩士, 主要從事GIS在城市環(huán)境中的應(yīng)用研究, E-mail:2018101876@ruc.edu.cn

黃波, 男, 博士, 教授, 主要從事空間智能、時(shí)空統(tǒng)計(jì)、空間優(yōu)化等研究, E-mail: bohuang@cuhk.edu.cn