长沙城市热岛的成因分析-中国农学通报

长沙城市热岛的成因分析-中国农学通报

中国农学通报2012,28(11):295-300ChineseAgriculturalScienceBulletin长沙城市热岛的成因分析1,2,31415康文星，李进，吴耀兴，何介南，李硕（1中南林业科技大学生命科学与技术学院，长沙410004；2南方林业生态应用技术国家工程实验室，长沙410004；3国家野外科学观测研究站，湖南会同418307；4湖南科技学院，湖南永州425100；5中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙410021）摘要：为了缓解长沙热岛效应的技术措施的制定，利用调查试验等基本数据，对长沙市热岛形成原因进行分析。结果表明：长沙城市热岛强度随建城区面积的扩大而加强，热岛效应影响的范围和向外扩展的趋势与城市建城区的轮廓及城市向外发展的趋势相一致；长沙城区内部结构特征和下垫面的热性质为城市热岛的形成奠定了基础；城区人为热源增加，增加了城区大气中的热量，促进城市热岛形成；排放的大气污染物和粉尘烟尘，若以“尘罩”或“气罩”的形式覆盖在长沙城区的低空层，阻挡城区地面长波辐射的散发，反过来增加大气对地面的长波辐射，有利热岛形成；长沙城市热岛一般出现在晴朗、无风（或微风），大气层结稳定，空气湍流运动较弱的天气条件下，若空气垂直运动剧烈，或降雨持续时长，降水量大，或地面风速超过4m/s的天气下，长沙城区不存在热岛现象。长沙城市热岛出现与否，天气气候条件起着重要的作用。关键词：热岛效应；热岛强度；大气污染；人类活动；气候变化中图分类号：P463文献标志码：A论文编号：2011-3010TheCausesAnalysisofUrbanHeatIslandinChangsha1,2,31415KangWenxing,LiJin,WuYaoxing,HeJienan,LiShuo(1CollegeofLifeScienceandTechnology,CentralSouthUniversityofForestry&Technology,Changsha410004;2NationalEngineeringLabforAppliedTechnologyofForestry&EcologyinSouthChina,Changsha410004;3NationalFieldStationforScientificObservation&Experiment,HuitongHunan418307;4HunanUniversityofScienceandEngineering,YongzhouHunan4251005ChinaMachineryInternationalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Changsha410021)Abstract:InordertodevelopthetechnicalmeasurestoalleviatetheheatislandeffectsinChangshaCity,datasetcollectedwithmethodoftestandinvestigationwasanalyzedthecausesofheatislandeffectsinurbanareaofChangshaCity.Theresultsshowedthat:urbanheatislandeffectintensitywasenhancedwiththeconstructionoftheexpansionofurbanareas,andthescopeandexpansiontrendofheatislandeffectwasconsistentwithconstructionanddevelopmentofurbanareas;internalstructurewithintheurbanandurbansurfacecharacteristicsofthermalpropertieswasthebasicfoundationofurbanheatislandeffects;artificiallyincreasingtheurbanheat,whichincreasedtheurbanheatintheatmosphere,promotedtheformationofurbanheatislandeffect;emissionsofairpollutantsanddust,adoptingthe‘dustcover’or‘hood’intheformoflowcoveragelayerinatmosphereair,enabledtheheatislandeffectthroughblockinglong-waveradiationfromtheearthsurfaceand,inturn,increasingtheatmosphericlong-waveradiationtotheground;weatherandclimateconditionsplayedanimportantroleinthepresenceofChangshaurbanheatislandeffects.Changshaurbanheatislandeffectgenerallyhappenedintheconditionsofsunny,nowind(orbreeze),stableatmospheric基金项目：湖南省自然科学基金项目“城市森林减缓城市热岛效应的机理研究”(09JJ3031)。第一作者简介：康文星，男，1947年出生，湖南衡东人，博士生导师，教授，本科，主要从事森林生态、环境生态和城市生态学的研究。通信地址：410004湖南省长沙市韶山南路498号中南林业科技大学生命科学与技术学院，Tel：0731-85623458，E-mail：kwx1218@126.com。收稿日期：2011-10-19，修回日期：2012-02-20。\n·296·中国农学通报http://www.casb.org.cnstratification,andweakairturbulence.Onthecontrast,theheatislandphenomenonofChangshaCitydidnothappenunderweatherconditionsofsevereverticalmovementofair,ordurationofrainfall,precipitation,orearthsurfacewindspeedover4m/s.Keywords:urbanheatislandeffects;heatislandintensity;atmosphericpollution;humanactivities;climatechange0引言数据和500hPa地面天气图等资料取自湖南省气象城市热岛是城市化建设中，特别是人类活动引起[24]厅。建城区的面积、人口、能源消费量等数据取自的城市中心气温比其郊区气温高的一种生态环境失《长沙市统计年鉴》。机动车辆、大气污染物排放量数[1-3]调的自然现象。目前，全球所有城市都存在热岛效据分别取自长沙市交通局、长沙市环保局。应，热带和副热带地区的城市更为严重。多年来，各1.3研究方法国学者围绕城市热岛形成的因子展开了大量研究。利用长沙建城区面积变化、地理信息系统与遥感[4-7]经研究发现，城市化建设改变了城市中大气动力学技术、城市热岛范围和热岛强度等数据，分析长沙市建特征和下垫面热交换性质，对城市热岛的形成具有促城区面积对城市热岛形成与发展的作用。利用[8-9]进作用。城市规模越大，人口越多，城市热岛强度500hPa的天气图、地面天气图分析长沙出现城市热岛也就越强。一个城市热岛的形成与发展与其所处的的频率，分析不同季节发生城市热岛的天气条件。从[10-14]地理位置及其几何形状都有密切的关系。城市中统计年鉴上获得长沙市城区消耗的各种化石能源，机厂矿、企业、机关单位及城市居民生活等人为热的释动车辆的耗油量以及制冷空调的耗能量，根据各种化[15-16][17-20]放，也能促进城市热岛的形成。不少研究成果石能的燃烧热值，计算出人为释放热量，分析城区热岛表明，城市热岛的形成与天气条件有较大的关联，城形成的过程中人为释放热量的作用。市热岛不仅与风速关系密切，热岛强度的强弱也随云2结果与分析[21-22]量的多少而改变。天气晴朗少云、静风、气压场稳2.1城市化建设对热岛形成的影响[21-23]定等气候条件下，能进一步加剧城市热岛效应。由表1可知，长沙市热岛强度与城市建城区面积笔者在收集大量调查数据的基础上，探讨长沙城的关系极为密切。1986—1991年，长沙市建城区面积市热岛的形成原因，弄清长沙市热岛的发展趋势和变2在100km左右，热岛强度为0.76℃。2000年，建城区化动态，以期为有效缓解长沙热岛效应的具体技术措2面积增大到120km，热岛强度也增大到0.92℃，提高施的制定，为长沙市生态环境保护和城市建设的可持了21%。21世纪以来，长沙市城市化建设发展迅速，续发展提供依据。建城区面积不断扩张，热岛强度也不断增大。20081研究区概况与方法2年，长沙市建城区面积己达182km，是1986年的2.121.1研究区概况倍，热岛强度也上升到1.49℃，比1896年提高96%。可长沙市位于湖南省东部偏北，东经111°53'—114°15'，见城市建城区面积的大小对城市热岛强度的影响是深北纬27°51'—28°41'，辖芙蓉、天心、岳麓、开福、雨花522刻的。区，市区面积556km，建城区面积182km，人口2681980年以前，长沙城区的热岛分布为东到袁家万。长沙是中国夏季最炎热的城市之一，也有“火炉城岭，西到老轮渡渡口，南到侯家塘，北到湘雅医院即老市”之称。夏季高温持续时间长，最高极端气温高达城区范围内。20世纪末，南湖大市场、老省委党校、五41.2℃，日平均30℃以上气温天数有85天，每年平均有46天的最高气温高于35℃。春季寒潮频繁温度变化家岭、香樟路等原来是城郊结合部的地方，己成为热岛幅度大，梅雨季节雨水较多，秋天高温持续时间不长，效应表现较强的地方。2005年以来，原来的农村（如冬季时间虽长，但寒冷天气较少。马王堆、洞井铺、湘江世纪城、汽车西站与高新开发区）1.2数据来源已是长沙市热岛表现最为强烈的地方。长沙市城市热城市热岛强度分析基本数据（温度、湿度、风速、天岛范围的不断扩大，是建城区面积不断扩张的结果。气现象等）来自城区的气象观测站（长沙气象局在城区因此，长沙城市热岛水平空间布局与城市建城区的轮设立的气象观测站和城市生态研究站）和郊区（乡村）廓基本吻合，并且城市热岛向外扩展的趋势与城市向[25]气象站（望城、大托和榔梨气象站）。气球探空的气象外发展的趋势也相一致。\n康文星等：长沙城市热岛的成因分析·297·表1长沙市建城区面积与热岛强度变化年份市区面积/km2建城区面积/km2增大面积/km2累计增大面积/km2热岛强度/℃1986352830.76199135210118180.7619963671109270.8619995561188350.9020005561202370.9220025561299460.9520035561356520.9820045561427591.0020069481464631.2520079481537701.33200894818229991.492.2城市下垫面对热岛形成的影响年8月的观测结果，在相同时候，水泥地面测定温度长沙城市化建设过程中，原来的近郊农村变成了67℃，柏油路面温度73℃，而不远处的草坪地面定温度建筑物林立的城镇；原来的湿地、山地、农田等自然下32℃，乔木林内地面温度更低只有30℃。垫面变成由水泥钢筋建成的建筑物和用水泥、沥清作2.3人为热的释放表面材料的下垫面。城市下垫面的主要特征是颜色深城市出现热岛是由于城市环境空气中所含的热暗、粗糙度大，增温效应和蓄热能力等物理性能与自然量太多。大气中的热量主要来自太阳辐射和人工热下垫面差别甚大。一般而言，城市下垫面的平均导热源。一般而言，城区和邻近郊区的太阳辐射相差不大，率是郊区自然下垫面的3倍，城市下垫面平均热容量但是城市厂矿、企业、大型商场等的各种生产经营、居[26](C)只比郊区大1/3。长沙城区下垫面这种蓄热性民生活过程中释放的热量比郊区多。能，使得白天长沙城区下垫面吸收的太阳辐射和储存由表2可知，2008年城区规模工业消耗各种主要的热量比郊区多，为长沙城市热岛形成奠定了基础。化石能源量比周边的长沙县、望城县、宁乡县和浏阳市夜晚，城市下垫面介质发射率比郊区低，降温的速率比多。把城区和周边县（市）消耗的能源量除以各自的区郊区慢，热量不容易散失。此外，城市下垫面吸收的红域面积，求出长沙城区和周边县（市）单位面积的耗能外辐射比郊区多。由此产生的结果是夜晚长沙城市下量。结果显示，单位面积耗原煤量，长沙城区是宁乡县垫面温度总比周边的郊区高，形成了城市热岛。的3.39倍，望城县的2.65倍，长沙县的2.51倍，浏阳市长沙建城区楼房密度己接近60%，建筑物之间距的3.89倍；单位面积耗汽油量，长沙城区是望城县的离较小。白天太阳辐射照射在这些建筑物墙面上，这3.00倍，宁乡县的5.72倍，长沙县的2.83倍，浏阳市的些墙面不仅能吸收大量的太阳辐射，而且还向四周反5.24倍。洗精煤、柴油、燃料油的消耗量，城区分别是射长波辐射，使得城市中建筑物与建筑物，墙壁与墙周边县的好几倍。此外，城区人口密度比周边县大得壁，墙壁与地面之间进行多次反复的吸收辐射能流，为多，由此可知，城区单位面积居民生活能源消耗量也比长沙城市热岛的形成积累了所需的热量。城市下垫面周边县多。化石能源燃烧过程中会释放热量，由此可主要特征之一是建筑物林立，高矮参差不齐，这些高矮见城区单位面积获得的人为热量比周边县（市）大得不一的建筑物能有效阻挡城市地面长波辐射的散发，多，城区单位面积空气环境中的热量也比周边县（市）使夜间长波辐射的热量仍保留在城区。多。一般而言，郊区下垫面吸收的辐射能，除用来增加2008年，长沙市城区各种机动车辆有46万台。有[27]表层的热量外，还有很大部分用于土壤和自由水面的研究报告显示，平均而言，中国各种类型汽车，每行水分蒸发上。相比之下，城区吸收的太阳辐射能消耗驶100km消耗汽油10L，每辆车年平均跑2.5×4在水分蒸发上比郊区少（城区自由水面比郊区少），绝10km。据此推算，2008年长沙城区46万辆机动车消4大部分被城市下垫面吸收。城市下垫面所含热量比自耗的汽油量为95.8×10t。汽车排放的尾气中含有热[27]然下垫面多，其下垫面增温比自然下垫面快。据2009量，汽车每消耗1g油从尾气中散发45KJ热量。\n·298·中国农学通报http://www.casb.org.cn表22008年城区与周边郊区县规模工业中主要化石能源消耗量单位面积单位面积单位面积单位面积单位面积地区面积/km2原煤/t石油/t柴油/t洗精煤/t燃料油/t耗煤/(t/km2)耗石油/(t/km2)耗柴油/(t/km2)耗洗精煤/(t/km2)耗燃料油/(t/km2)城区948127882413491936420.43430235.92307124.31673417.6长沙县20971125433537150457.24011619.1180188.6130166.2望城县96949345350966366.81841020.090639.461986.4宁乡县29061158170398139673.64205414.5140074.8107763.7浏阳市49991735000347194463.95891611.8182403.5152553.1总计1191957908807447819379882399619792008年，长沙机动车辆尾气排放向大气环境释放的热体。在大气中这些温室气体的浓度越高，大气的温度12量高达43.4×10kJ。长沙城区大量的人为热直接逸就会上升引起温室效应，加速热岛的形成。在大气温入空气，使得城市气温上升，促进了长沙城区热岛的形度层结比较稳定、晴朗、静风的天气条件下，污染物不成。容易扩散，以“尘罩”或“气罩”的形式悬浮在长沙城区2.4污染物对热岛形成的作用上空大约100~150m高处的低空层内。悬浮在长沙城2008年长沙市工业生产过程中排放5278500×区低空层内这些污染物，不仅能阻碍地面的长波辐射434[26]10m废气，同时排放了13.48×10t工业粉尘。长沙向外散失，而且具有较强的吸收长波辐射的能力，它吸城区居民的日常生活（烹饪与制冷和取暖）消耗大量化收大量的长波辐射后，反过来增加大气对地面的长波石能源的过程中，除释放大量的热量外，还向大气排放辐射，容易形成城市热岛。氮氧化物(NxO)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)及二氧2.5天气条件的影响化碳(CO2)等大气污染物。长沙是中国著名的消费型长沙城市热岛形成与否，除了受城市本身的内部城市，建筑业的发展速率在中国70个城市中也排在前因素作用外，还受外部的自然气象条件的影响。由表列。餐饮业经营和建筑业生产过程中除向大气排放气3可知，长沙城市热岛的出现大都发生在大气层结构态污染物外，还向大气排放微尘和有毒的颗粒物质。稳定，气压梯度小，无自动对流上升运动的大气环境条长沙市交通也是一个重要的污染源，据长沙市环保局件下。由表3还可知，热岛出现的天气条件具有相似统计，在全市排放的NOx废气中，机动车辆的尾气排放性，一般在天气晴朗或少云，静风或风速很少的天气条贡献了其中的40%。件下容易形成城市热岛。长沙城区每天排放大量的污染物，有些气态污染即使在能出现城市热岛天气背景条件下，在不同物，如氮氧化物、二氧化碳等，它们本身就是温室气的季节，城市热岛出现频率不相同，这是因为季节的不表3长沙城市热岛出现与天气条件的关系地面长沙处于2个小高压之间高压内部控制长长沙处在低压和高压之间在高压控制下倒槽或小低压控制长沙天气图或高压内部控制沙地面空气或处在浅低压槽内部低压槽和低压内上游被较深厚的低压槽控制，上500hPa弱高压脊处在长沙上游，弱高压脊控制长沙，长沙上冷空气经过长部处在长沙的上空盛行较强的西南气流，且经常天气图上空盛行西北气流空盛行偏西北气流沙境内后游时有锋面经过若发生在夏天，经常会出现连续几天的降水，或者一天天气天气晴朗或少云，晴天或少云，内降水持续时间长且降水量大，天空晴朗，无风或微风晴朗、无风（或小风）条件静风或风速很少微风或静风若发生在秋、冬、春季节，会出现大风的天气，而且地面风速大都在4m/s以上秋季出现城市热岛的频率春季出现城市热不论是春、夏季还是秋、冬大多数情况下热岛出80%，冬季60%，春季岛的频率约55%，季，长沙城区极有可能出现长沙城区都会不会出现城市热岛现家现情况35%，夏季40%夏季37%城市热岛现象出现城市热岛\n康文星等：长沙城市热岛的成因分析·299·同，它的整个天气形势存在很大差别。一般而言，春季人为的热排放也是热岛产生的一个主要原因。缓和夏季长沙出现城市热岛次数比冬季和秋季少。解城市热岛效应，减少人为热的排放是关键。首先，要若大气层结不稳定，空气的湍流运动剧烈，很难出改善以煤和石油为主的能源结构、提高能源的利用效现城市热岛，尤其在降雨持续时长且降水量大或地面率。对于工业生产过程剩下的余热和废热，应回收和风速超过4m/s的天气下，长沙城区不存在热岛现象。开发，用于居民生活能源消费企业的居民生活用能，应3结论尽快采取“电、热、冷”三联供措施，以节约能源，同时还（1）长沙市建城区面积扩大，热岛强度也加强，城具有一定的经济效益。市热岛水平空间布局与城市建城区的轮廓基本吻合，植物可以通过蒸腾作用，不断地从周围环境中吸热岛向外扩展的趋势与城市向外发展的趋势相一致，收大量的热量，降低空气温度，从而降低热岛强度。解长沙城市化建设在很大程度上决定长沙市热岛的形成缓长沙城市热岛效应，需加强长沙城市绿地建设，增加与发展。城市总绿量。在营造城市绿地时，注重城市的绿地面（2）长沙城区下垫面的热性质决定着白天城市下积大小及其布局，着重考虑各种绿地的形状和植物配垫面吸收和储存的热量比郊区多，为城市热岛的形成置。提高城市植被覆盖率也是解缓热岛效应的关键措奠定了能量基础，城市下垫面介质发射率低，又能吸收施。较多红外辐射，是夜晚城市热岛形成的直接原因。（3）城区经济建设规模增大、居民生活水平提高，参考文献增加了化石能源消耗。人为向城区环境空间释放大量[1]张保安,钱安望.城市热岛效应研究进展[J].四川环境,2007,26(2):的热量，提高了城市环境的空气温度，促进了城市热岛88-91.[2]周淑贞.上海城市气候中的“五岛”效应[J].中国科学(B辑),l988,18的形成。(11):1226-l234.（4）长沙城区工业生产、企业经营、交通运输、居民[3]彭少麟,周凯,叶有华,等.城市热岛效应研究进展[J].生态环境,日常生活过程中排放大量气态污染物和飞烟尘与粉2005,14(4):574-579.尘。有些气态污染物本身就是温室气体（如CO2和[4]PickettSTA,CadenassoML,GroveJM,etal.UrbanecologicalNxO），容易引起温室效应，加速热岛形成。排放的烟systems:Linkingterrestrialecology,physical,andsocioeconomiccomponentsofmetropolitanareas[J].AnnualReviewofEcology尘与粉尘如遇静风、近地大气层稳定、空气湍流运动比andSystematics,200l,32:127-157.较弱的情况下，悬浮在长沙城区上近地空间层内。烟[5]ZhouLM,DickinsonRE,TianYH,etal.Evidencefora尘与粉尘不仅阻碍地面的长波辐射向外散失，并能吸significanturbanizationeffectonclimateinChina[J].PNAS.2004,收大量长波辐射，反过来增加大气对地面的长波辐射，101(26):9540-9544.促进热岛形成。[6]GordonBB.ThemicroclimatesofsuburbanColorado(U-SA)landscapeandimplicationsforplanninganddesign[J].Landscape（5）在晴朗、无风（或微风），大气层结稳定，空气湍andUrbanPlanning,2000,49:97-114.流运动比较弱的天气条件下，容易形成城市热岛。若[7]LiuSL,LuJ,ChenJ,eta1.Addinganalysisofurbanislandeffect大气层结不稳定、空气湍流运动剧烈，很难出现城市热inGISsystemandapplyingtheminurbanplanning[J].Journalof岛。ChongqingUniversity-EngEd,2003,2(10):169-171.4讨论[8]WorldMeteorologicalOrganization.Urbanclimatologyanditsapplicationswithspecialregardtotropicalareas[R].Mexico:World长沙城市热岛主要由以下三个方面引起：一是城MeteorologicalOrganization,1984:534.市化建设改变了城市下垫面的热性质和结构；二是人[9]OkeTR.Boundarylayerclimates(secondedition)[M].London:类的活动，向大气排放大量的热量和污染物，改变了城MethuenandCo,1987:435.市的辐射状况和大气热状况；三是自然因素，即一定的[10]BottyyanZ.UngerJ.Amultiplelinearstatisticalmode1for天气条件。这些因素相互作用促进了长沙城市热岛的estimatingthemeanmaximumurbanbeatisland[J].Theoreticaland形成。AppliedClimatology,2003,75:233-243.[11]MasmoudiS,MazouzS.Relationofgeometry,vegetationand要缓解长沙市热岛效应，首先要控制城市建设规thermalcomfortaroundbuildingsinurbansettingsthecaseofhot模，合理布局城市建筑，适当分散高层建筑物，尽可能aridregions[J].EnergyandBuildings,2004,36:710-719地降低建筑物密度。城市建筑在设计上应与自然环境[12]OkeTR.Citysizeandtheurbanheatisland[J].Atmospheric结合，确定建筑物和街道的布局和走向，改善通风条件Environment,1967,7(8):769-779.使热量容易失散。[13]汤惠君.广州市大气污染分布规律[J].地理研究2004,23(4):\n·300·中国农学通报http://www.casb.org.cn495-503.[21]ShobhakarDhakal.Theurbanheatenvironmentandurban[14]李子华,唐斌,任启福.重庆市区冬季热岛和湿岛效应的研究[J].地sustainability[C].In:FredMoavenzadeh,KeisukeHanaki,Perer理学报,1993,48(4)358-366.Baccinieds.FutureCities:DyanmincsandSustainability.London:[15]FanHL,SailorDJ.ModelingtheimpactsofanthropogenicheatingKluwerAcademicPublishers,2002:179-172.ontheurbanclimateofPhiladelphia:acomparisonof[22]GilliesRR,CarlsonTN.ThermalremotesensingofsurfacesoilimplementationsintwoPBLschemes[J].AtmosphericEnvironment,watercontentwithpartialvegetationcoverforincorporationinto2005,39(1):73-84.climatemodels[J].JournalofAppliedMeteorology,1995,34:745-756.[16]王朝春.城市气候高温化的成因与对策[J].城市问题,2006(9):[23]JánosUnger,ZoltánSümeghy,JuditZoboki.Temperature98-102.cross-sectionfeaturesinanurbanarea[J].AtmosphericResearch,[17]BornsteinRD.ObservationsoftheurbanheatislandeffectinNew2001,58:117-127.YorkCity[J].Appl.Meteor,l968,7:575-582.[24]长沙市统计局.2009长沙市统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,[18]MorrisCJG,SimmondsI,PlummerN.Quantificationofthe2009:268-273influencesofwindandcloudonthenocturnalurbanheatislandofa[25]颜玲.长沙市热岛效应遥感分析及其防治措施[J].国土资源导刊,largecity[J].App1.Meteor,2001,40:169-1822006,3(3):156-158.[19]AckermanB.TemporalmarchoftheChicagoheatisland[J].Climate[26]周淑贞,张超.城市气候学导论[M].上海:华东师范大学出版社,Appl.Meteor,1985,24:547-554.1985:67-69.[20]MageeN,CurtisJ,WendlerG.Theurbanheatislandeffectat[27]SmallRD.EnvironmentalImpactofFiresinKuweit[J].Nature,Fairbanks,Alaska[J].Theor.Appl.Climatol,1999,64:39-47.1991,350:11-12.