城市熱環(huán)境發(fā)展及緩解方案研究綜述

官雨潔 吳濱

（1 福州市氣象局，福州 350008；2 福建省氣候中心，福州 350008）

0 引言

近年來隨著城市化進(jìn)程加快，快速增加的建筑物和人口使供熱制冷負(fù)荷加大，從而導(dǎo)致城市溫度升高。城市的高層建筑阻止了空氣的流動，加劇了城市熱島，使城市熱環(huán)境狀況嚴(yán)峻，給人們的正常生活帶來了嚴(yán)重威脅[1]。雖然城市高溫不會像熱帶氣旋、暴雨等強(qiáng)烈天氣那樣直接造成重大的自然災(zāi)害，但會通過改變局地的能量平衡、水循環(huán)過程、大氣邊界層結(jié)構(gòu)、污染物傳播和擴(kuò)散規(guī)律等對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生間接的危害[1-2]。城市熱環(huán)境與人們生活密切相關(guān)，從目前的研究現(xiàn)狀來看，城市熱環(huán)境已發(fā)展成為一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域的問題[3]，不僅是大氣科學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，還受到環(huán)境、地理、水文、生態(tài)、衛(wèi)生和城鎮(zhèn)規(guī)劃等方面的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對城市熱環(huán)境問題以及人類與城市環(huán)境的相互影響進(jìn)行了大量的監(jiān)測和研究。為全面了解城市熱環(huán)境現(xiàn)狀，本文疏理了目前城市熱環(huán)境發(fā)展及緩解方案的研究進(jìn)展，力求為深刻理解、準(zhǔn)確評估城市熱環(huán)境對區(qū)域甚至全球環(huán)境效應(yīng)提供一定理論支撐。

1 城市熱環(huán)境的影響因子

影響城市熱環(huán)境的因子可分為五類：城市形態(tài)結(jié)構(gòu)、社會經(jīng)濟(jì)、氣象條件、生物物理學(xué)和生物化學(xué)。

1.1 城市形態(tài)結(jié)構(gòu)因子

城市形態(tài)結(jié)構(gòu)因子主要包括建筑物高寬比、天穹可見度等[4]。建筑物高寬比是建筑物遮擋效應(yīng)的指示因子，其值越高表示建筑物越高，街道寬度越窄，對地面的遮擋效應(yīng)也就越明顯。天穹可見度將天空作為凈長波輻射的能量匯，城市中任意一點(diǎn)所能見到的天空范圍會直接影響城市冠層的冷卻效率。城市形態(tài)結(jié)構(gòu)對城市熱環(huán)境的影響主要在3個(gè)方面[4]：1）建筑物遮擋導(dǎo)致城市冠層內(nèi)部多次反射增加太陽短波輻射吸收；2）建筑物遮擋導(dǎo)致感熱湍流交換效率降低，不利于城市冠層熱量擴(kuò)散；3）建筑物遮擋導(dǎo)致地表長波輻射限制在城市冠層內(nèi)部，不利于地表降溫。

1.2 社會經(jīng)濟(jì)因子

社會經(jīng)濟(jì)因子一般通過人口、城市面積等表示。Oke[5]針對北美、歐洲21個(gè)城市研究發(fā)現(xiàn)，城市熱島強(qiáng)度在靜風(fēng)無云的夜間，與人口存在顯著正相關(guān)關(guān)系，由此驗(yàn)證城市熱島強(qiáng)度與城市大小之間存在緊密聯(lián)系的假設(shè)。Zhao等[3]研究發(fā)現(xiàn)北美地區(qū)夜間城鄉(xiāng)溫差與人口呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性。但是，各個(gè)社會經(jīng)濟(jì)因素與城市熱環(huán)境的關(guān)系不應(yīng)孤立看待，城市的地理位置、地形和氣候因素等方面的影響也需考慮。

1.3 氣象相關(guān)影響因子

氣象影響因子主要包括風(fēng)速、云量和降水。城市氣溫隨風(fēng)速和云量降低而升高，風(fēng)速和云量可作為湍流和輻射傳輸?shù)谋碚鱗4]，且與大氣穩(wěn)定度相關(guān)。靜風(fēng)、少云的夜間城市地區(qū)大氣穩(wěn)定度高，不利于熱量傳輸，導(dǎo)致城市氣溫上升。云量較少或者無云的夜間，城鄉(xiāng)之間地表輻射降溫差異愈加明顯。強(qiáng)風(fēng)、暴雨能迅速帶走城市產(chǎn)生的熱量使城市氣溫下降。

1.4 生物物理學(xué)因子

生物物理學(xué)因子一般從城市地表能量平衡入手。城市建筑物墻體、道路等材料使城市地區(qū)白天會吸收更多的太陽短波輻射，夜間會釋放出更多的儲熱量，因此相比鄉(xiāng)村地區(qū)城市晝夜高溫明顯。城市地區(qū)植被覆蓋率較低，不透水面積較大，與鄉(xiāng)村相比通過植被蒸騰、土壤蒸發(fā)等作用導(dǎo)致的潛熱交換效率降低，不利于城市地區(qū)的熱量擴(kuò)散。此外，人為熱排放是城市地區(qū)所特有的額外能量來源[4]，也是影響城市熱環(huán)境的關(guān)鍵因子，其主要由建筑物耗能排放、交通排放和人體新陳代謝三個(gè)部分組成[6]。

1.5 生物化學(xué)因子

生物化學(xué)因子主要表現(xiàn)在氣溶膠對城市熱環(huán)境的影響。早在1981年，Oke[6]就將空氣污染列為城市熱島的影響因素之一。他指出大氣污染物會通過吸收入射太陽短波輻射和地表長波輻射造成大氣增溫，增加向下長波輻射從而進(jìn)一步增強(qiáng)城市熱島。很多城鄉(xiāng)同期長波輻射對比觀測試驗(yàn)均證實(shí)了城市向下長波輻射比鄉(xiāng)村地區(qū)要高的觀點(diǎn)。加拿大Brandon地區(qū)1979年春、夏季13次夜間輻射觀測顯示，城市地區(qū)平均比鄉(xiāng)村地區(qū)多接收10.7%的向下長波輻射[7]。2011年全年北京城市地區(qū)白天比鄉(xiāng)村地區(qū)的向下長波輻射多3%～15%[8]。氣溶膠是大氣污染物的重要成分，一方面氣溶膠顆粒散射太陽短波輻射，從而削弱到達(dá)地面的太陽輻射導(dǎo)致地表吸收凈輻射量減少；另一方面氣溶膠顆粒散射地表長波輻射，從而造成向下長波輻射量增加，而這一效應(yīng)在大氣透明窗波段（8～12 μm）尤為明顯[9]。值得注意的是，氣溶膠光學(xué)輻射特性與氣溶膠成分、區(qū)域排放源密切相關(guān)，氣溶膠對城市熱環(huán)境的影響應(yīng)該受到足夠的重視。

2 城市熱環(huán)境的研究方法

城市熱環(huán)境的研究方法經(jīng)歷了從傳統(tǒng)觀測至遙感技術(shù)應(yīng)用，再到模型模擬幾個(gè)階段，研究的時(shí)空分辨率有了很大提高。

2.1 定點(diǎn)觀測資料的分析

早期城市熱環(huán)境的研究主要是根據(jù)定點(diǎn)觀測的城鄉(xiāng)氣溫資料進(jìn)行的[5]。定點(diǎn)觀測平臺通常為地面氣象臺站或者移動觀測車。通過對城市站點(diǎn)進(jìn)行不同時(shí)段觀測以及對多個(gè)城鄉(xiāng)站點(diǎn)進(jìn)行對比觀測，得到城市熱環(huán)境日變化、分布和強(qiáng)度等信息。此方法因受限于地面氣象站點(diǎn)的選擇及其周圍環(huán)境的變化問題，較難滿足各類城市熱環(huán)境問題的研究，目前城市熱環(huán)境研究中單純依賴傳統(tǒng)觀測的研究越來越少。

2.2 遙感技術(shù)應(yīng)用

遙感資料觀測目前已為城市熱環(huán)境研究的主力。Rao[10]于1972年最早使用這一方法研究了城市熱島，之后遙感觀測方法逐漸受到青睞。遙感方法是一種間接手段，其主要原理是通過衛(wèi)星或機(jī)載平臺搭載的傳感器接收地表輻射信息并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為地表溫度，在此期間不考慮任何可能影響長波輻射從地表發(fā)射傳輸至傳感器的因素，最終的地表溫度需要對大氣傳輸系數(shù)、地表發(fā)射率等進(jìn)行校正[11]。地表溫度數(shù)據(jù)包括地表輻射、熱動力特性信號，利用遙感觀測得到的地表溫度數(shù)據(jù)需量化后再進(jìn)行城市熱環(huán)境研究。遙感觀測除去易受到云量影響的限制外，相比于地面觀測具有空間覆蓋范圍大、時(shí)空分辨率高的特點(diǎn)，有利于進(jìn)行不同地區(qū)的同時(shí)期城市熱環(huán)境比較。

遙感資料主要用于三個(gè)方面[11]。第一方面是采用遙感觀測數(shù)據(jù)研究城市熱環(huán)境及其和地表特性的關(guān)系。利用AVHRR、Landsat等影像結(jié)合土地覆蓋類型數(shù)據(jù)評估地表溫度的空間變化，研究其變化特征與地表特征因子如天穹可見度[12]、地表材料[13]以及歸一化植被指數(shù)（NDVI）[14]的關(guān)系。第二方面是將遙感觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市能量平衡研究。這個(gè)通常需要結(jié)合城市氣候模式，例如將遙感觀測的地表溫度數(shù)據(jù)耦合到大氣模型中來估算地表能量通量或者通過輸出模式的地表特性（熱擴(kuò)散率、水汽含量）來進(jìn)一步研究其與地表溫度的關(guān)系[15-16]。之前廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、植被表面基于遙感數(shù)據(jù)的熱量傳輸（bulk heat transfer）方法也被應(yīng)用于城市地區(qū)[17]。第三方面是將遙感觀測應(yīng)用于大氣城市熱島（Atmospheric Urban Heat Island）和地表城市熱島（SUHI）相互聯(lián)系的研究中。很多研究將同期近地面氣溫和遙感地表溫度結(jié)合來揭示地表溫度-空氣溫度的關(guān)系[13,18]。其中不少研究是基于一個(gè)科學(xué)假設(shè)：遙感地表溫度相比于氣溫可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測城市熱島并且修正城市因素對氣溫的影響[19-20]。

2.3 模型模擬研究

利用模型模擬城市熱環(huán)境不僅可以有力地支持觀測分析，而且能加深對具體物理過程的理解。早期城市地表模型主要專注于調(diào)整地表特征因子例如粗糙度長度、反照率、熱導(dǎo)率等，之后研究者開始考慮城市形態(tài)結(jié)構(gòu)對城市能量和輻射過程的影響[21]。直到本世紀(jì)初耦合城市參數(shù)化方案的陸面過程模型才開始逐漸發(fā)展起來。Masson[22]將城市參數(shù)化方案分為三大類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、將植被模型修改調(diào)試應(yīng)用于城市冠層的模型、包含三維城市冠層的單層或多層模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕竿ㄟ^觀測數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，例如LUMPS（Local-Scale Urban Meteorological Parameterization Scheme）模型[23]，這一方法很大程度上受制于觀測期間的條件。植被模型通過重點(diǎn)調(diào)試地表特性參數(shù)如反照率、粗糙度、零平面位移、地表發(fā)射率、熱容量等，使其適用于城市地區(qū)的模擬。前兩種模型較為簡單，但是無法全面地揭示城市對氣候影響的基礎(chǔ)過程。Masson[24]和Kusaka[25]最早建立單層城市冠層模型（UCM），該模型已經(jīng)被廣泛嵌套到MM5、WRF等中尺度模式并進(jìn)行調(diào)試[26]。單層冠層模型具有較多優(yōu)點(diǎn)如計(jì)算代價(jià)小、充分考慮城市形態(tài)參數(shù)和人類活動影響、可與陸面模式耦合[27]。多層城市冠層模型相對于單層城市冠層模型更為復(fù)雜，計(jì)算量大，但考慮到的因素更多[27]（即對城市冠層進(jìn)行分層計(jì)算使得模型對城市特征的描述更加精準(zhǔn)）。其中耦合了單層城市冠層模型的模擬被廣泛運(yùn)用于城市熱環(huán)境研究。Oleson等[28]將城市通量塔觀測到的氣溫、通量數(shù)據(jù)分別與模型結(jié)果進(jìn)行對比并表明該模型可以較為準(zhǔn)確模擬城市輻射和能量交換過程。苗世光等[29]發(fā)現(xiàn)耦合城市冠層模式后可在一定程度上改善近地層氣象要素的預(yù)報(bào)效果，有效提高模式對城市氣象要素的模擬能力。氣候模式，比如NCAR的Community Earth System Model（CESM）中也耦合了單層城市冠層模型。

3 緩解城市熱環(huán)境的主要方案

在氣候變化背景下，人類不但面臨全球增溫的負(fù)面影響還經(jīng)歷著城市高溫?zé)崦{迫等考驗(yàn)，為了改善人類的生存環(huán)境，城市熱環(huán)境的緩解方案研究開始成為焦點(diǎn)。

3.1 增加城市地區(qū)反照率

增加城市地區(qū)反照率具體方法就是增加建筑物屋頂、墻體以及道路等表面的反照率，使得進(jìn)入城市冠層的太陽短波輻射減少。美國芝加哥市在1995年通過比較實(shí)施前后的城市熱環(huán)境發(fā)現(xiàn)增加屋頂反照率可有效降低熱島強(qiáng)度[30]。大多數(shù)冷屋頂?shù)难芯糠桨付紝⒆⒁饬Ψ旁跍p少可見光波段的太陽輻射，但其實(shí)近紅外波段（700～2500 nm）的太陽輻射占到達(dá)地表總太陽輻射的52%左右，比可見光波段（400～700 nm）所占比例還要高9%。因此有研究者開始關(guān)注冷色屋頂材料，用于有效反射近紅外波段太陽輻射[31]，涂刷這種冷色染料在屋頂上或者再覆蓋一層高可見光反照率的材料，可起到冷卻屋頂?shù)淖饔?。此外還可采用熱變色材料，其對溫度敏感，在高溫情況下其反照率會隨之變高[32]。但這些材料均存在使用年限的問題，由于外界環(huán)境風(fēng)化導(dǎo)致材料老化、煙灰沉降覆蓋在材料表面等原因，會使得材料高反照率性能降低。除屋頂外，道路也是城市表面的重要組成部分，大多數(shù)道路材料是瀝青或者水泥，反照率都相對較低。Pomerantz等[33]分析了多種材料包括冷色、高反照率水泥、種草磚、滲透磚的反射特性，其中一些高性能材料已經(jīng)用于鋪設(shè)美國部分城市的道路。高反照率道路還能提高夜間道路照明性能，節(jié)省路燈照明的能源消耗，如普通瀝青路需要每千米24盞固定路燈才能達(dá)到夜間標(biāo)準(zhǔn)照明等級，而采用一種高反照率的水泥材料只需要17盞固定路燈即可[34]。在較冷的氣候或供暖超過制冷季節(jié)的氣候中，高反射率材料可能會導(dǎo)致供暖熱負(fù)荷顯著增加，因此冷卻屋頂適用于具有較長的制冷季節(jié)和較短的供熱季節(jié)的氣候區(qū)[31-32]。

3.2 增加城市地區(qū)蒸發(fā)量

要增加城市地區(qū)蒸發(fā)量，首先要擴(kuò)大城市綠地、森林覆蓋面積。植被蒸散有利于潛熱擴(kuò)散，降低城市溫度，同時(shí)，植被通過光合作用吸收二氧化碳，可以有效控制城市溫室氣體排放，降低溫室效應(yīng)。在屋頂上種植植被來緩解城市熱環(huán)境的方法通常稱為綠色屋頂，綠色屋頂通過降低屋頂表面溫度，有利于城市建筑節(jié)能，同時(shí)還能改善建筑物周邊微氣象環(huán)境。綠色屋頂對城市熱環(huán)境的緩解效應(yīng)已經(jīng)在很多城市如紐約、新加坡、歐洲部分城市以及臺北展開應(yīng)用[35-39]。通過栽種爬墻植物從而覆蓋城市建筑物墻壁也可以起到緩解城市熱環(huán)境的作用，新加坡有研究發(fā)現(xiàn)綠色墻壁可使最高溫度降低10 K[40]。

城市公園作為城市地區(qū)植被最為集中的區(qū)域，降溫效果十分明顯。很多研究表明城市公園的降溫效果可以延伸至其外圍數(shù)百米甚至上千米的區(qū)域[41]，在不同氣候區(qū)城市與市區(qū)公園的溫度差異對比都發(fā)現(xiàn)城市公園是明顯的“冷島”[42-43]。

3.3 節(jié)能減排

節(jié)能減排狹義而言，指節(jié)約能源和減少環(huán)境有害物排放。緩解城市熱環(huán)境最基本的措施就是減少人為熱排放，可從生活方式的改變以及相關(guān)方面的技術(shù)革新入手。如采取適當(dāng)?shù)纳畛鲂蟹绞綔p少空調(diào)、汽車等使用，改進(jìn)工業(yè)設(shè)備等來減少熱排放。我國各大城市均已展開太陽能、風(fēng)能、水能等可再生資源的開發(fā)和利用，大力推廣節(jié)能型電器設(shè)備；合理控制私家車出行數(shù)量，注重發(fā)展城市公共交通，并逐步開始用電作為車輛燃料；建筑物采用反射、遮光玻璃起到保溫隔熱的作用等等。此外，將排放的廢熱重新利用也可在一定程度上緩解城市熱環(huán)境，如有效回收空調(diào)系統(tǒng)的廢熱廢能并再次利用來滿足城市集中供暖等從而減少人為熱排放。

3.4 城市通風(fēng)廊道

城市通風(fēng)廊道的建設(shè)能有效減小建筑設(shè)施對風(fēng)的消減作用，增加城市內(nèi)部與城市冷源之間的空氣交換，促進(jìn)空氣流動，改善城市熱環(huán)境。風(fēng)對城市形態(tài)極為敏感，建筑物高度、密度、街道的長高比、縱橫比和方向都對城市通風(fēng)起著重要作用[44-45]。城市通風(fēng)廊道的研究是以大氣候環(huán)境為背景，通過對城市建設(shè)及地形地貌等相互作用所形成的復(fù)雜場來了解城市不同區(qū)域的通風(fēng)潛力，從而衡量空氣流通效率對緩解城市熱環(huán)境的貢獻(xiàn)程度。由于研究空間范圍較大，一般通過相關(guān)矢量或者柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。Ren等[46]通過WRF模型為成都設(shè)計(jì)城市通風(fēng)廊道以緩解城市熱壓力；武漢打造通風(fēng)廊道利用自然風(fēng)和水體流動性帶走中心城市濕熱空氣，改善中心城區(qū)微氣候，使武漢夏季最高溫度平均下降1～2 ℃[47]；合肥市為保持城市的通風(fēng)效益，在城市東南側(cè)保留了未開發(fā)的農(nóng)田保護(hù)區(qū)作為東南風(fēng)的引風(fēng)口，引入冷平流來調(diào)節(jié)市區(qū)溫度[48]。但在建筑物、街道范圍內(nèi)，所評估的城市通風(fēng)性能大多是基于理想化模型展開的，實(shí)際上通風(fēng)廊道只是給出一個(gè)大致方向，效果存在不穩(wěn)定性、不連續(xù)性且受環(huán)境因素影響大，具有一定的隨機(jī)性。

4 結(jié)語與展望

本文總結(jié)了近些年來城市熱環(huán)境方面的研究成果，概述了城市熱環(huán)境的觀測、研究方法以及緩解方案的研究進(jìn)展。目前，我國關(guān)于城市熱環(huán)境的研究在深度和廣度上有了一定的擴(kuò)展，但與國際的相關(guān)工作相比，除了具有挑戰(zhàn)性的研究問題外，還需做大量的基礎(chǔ)性工作以便得到更長遠(yuǎn)的研究發(fā)展。

1）完善城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料庫。利用衛(wèi)星遙感資料建立有關(guān)地形、土地使用、植被、土壤的城市地表信息庫，在代表性城市開展地表通量、城市冠層特征和生態(tài)環(huán)境的綜合觀測以建立交通、建筑物、樹木、公園以及人口分布的城市類型數(shù)據(jù)庫，使得城市模擬更符合實(shí)際，以便給出優(yōu)化的城市規(guī)劃方案，建設(shè)生態(tài)型城市。

2）城市群及復(fù)雜地形區(qū)的熱環(huán)境監(jiān)測。城市之間的距離不斷縮短，使城市熱環(huán)境不再是一個(gè)局地天氣現(xiàn)象，城市群間的熱環(huán)流與能量平衡、邊界層結(jié)構(gòu)、盛行風(fēng)向風(fēng)速之間的關(guān)系不容忽視。依山臨水而建的城市熱環(huán)境會不可避免地受到海陸風(fēng)和地形環(huán)流的影響，從而改變城市湍流能量、地表溫度、濕度、風(fēng)場等，如何區(qū)分它們帶來的影響也值得深入思考。

3）實(shí)行多樣的緩解措施。單一的改善措施在提供降溫效果的同時(shí)可能存在一些負(fù)面影響，而各種措施聯(lián)合作用所產(chǎn)生的影響效果評估目前較少。如何利用城市熱環(huán)境的變化規(guī)律來采取相對應(yīng)的生態(tài)措施，探索多種降溫措施聯(lián)合使之向有利于城市居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的方向發(fā)展也是未來研究應(yīng)關(guān)注的問題之一。

4）不斷拓展研究尺度。針對某一尺度的研究結(jié)果在不同的時(shí)間和空間尺度上有很大差異，針對單個(gè)建筑、小區(qū)域或全球尺度的模擬研究所需的數(shù)值模型區(qū)別很大，參數(shù)也明顯不同，因此需要不斷拓展各尺度的研究，建立多尺度城市系統(tǒng)，從而了解城市熱的（非）周期性變化和地區(qū)差異變化對城市氣候的影響。