1.热岛效应

热岛效应，是自20世纪60年代起，在世界各国大城市出现的一种地区性气候现象，具体表现为中心出现较周围区域高的温度，高温区就像突出海面的岛屿，因此被形象地称为热岛。热岛效应常见的表现是城市热岛效应，即城市气温高于郊区气温的现象。城市热岛效应如图2.1所示。

图2.1　城市热岛效应示意图

2.城市热岛效应

城市热岛效应产生的因素有很多，如密集的人口、居民生活释放的热能、工厂及车辆的排热、城市建筑结构及下垫面特性的综合影响等。城市的热岛强度表现出明显的日变化和季变化特征。日变化表现为夜晚强、白天弱，最大值出现在晴朗无风的夜晚。上海观测到的最大热岛强度达6℃以上。季节变化与城市特点和气候条件有关，北京是冬季最强，夏季最弱，春秋居中，上海和广州以10月最强。年均气温的城乡差值约为1℃，如北京为0.7～1.0℃，上海为0.5～1.4℃，洛杉矶为0.5～1.5℃。城市全天以不稳定层结为主，而乡村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升，到一定高度向四周辐散，而附近乡村气流下沉，并沿地面向城市辐合，形成热岛环流，称为“乡村风”，这种流场在夜间尤为明显，空气中的各类污染物在这种局地环流的作用下，聚集在城市上空，如果没有很强的冷空气，城市空气污染将加重，人类生存的环境被破坏，导致人类发生各类疾病，甚至造成死亡。此外，城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水。对植物的影响则表现为提早发芽和开花、推迟落叶和休眠。城市热岛效应的环流如图2.2所示。

图2.2　城市热岛效应的热力环流图

3.城市热岛效应成因

事实上，从19世纪开始，人类就已经注意到城市发展所带来的城市热岛效应了，但不同城市的热岛效应增温率及影响因子并不完全一样，有时甚至会有较大差别。Mitchell、Oke和Hiroyuki等的研究结果指出，一般城市最大热岛效应与人口的平方根或对数呈现极强的线性关系。丁金才等人对上海盛夏热岛效应的研究发现，城市化因素如市区面积、土地使用类型、人口密度等都会影响城市热岛的范围和强度，并提出风向是影响上海热岛效应的范围和强度变化的主要因子。

普遍性研究表明，形成城市热岛效应的因素有外部因素和内部因素。局地天气状况和气象条件如风向、风速、云量等被称为外部因素；内部因素更多的是城市化发展中的人为因素，如改变下垫面性质、人为热的释放、大气污染等。如在同一时间、同一地域，城市和郊区的外部因素基本相同，影响城市热岛效应的则主要是内部人为因素。

（1）城市下垫面特性的影响

城市下垫面，指大气底部与地表的接触面。由于城市中有大量的铺装地面、建筑墙面等人工建筑物，这些人工建筑物吸热快，而热容量小，在相同的太阳能辐射下比绿地、水面等自然下垫面升温快，体现出更高温度，从而改变了城市下垫面的热属性。比如，在炎热的夏天，草坪温度为32℃、树冠温度为30℃的时候，水泥地面的温度则可以达到57℃，柏油马路的温度则更高，可达63℃，这些高温物体形成巨大的热源，引起了城市气温的上升。

（2）城市大气污染

大气污染也是造成城市热岛的重要因素。城市中的机动车、工业生产和居民生活，都会产生大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些大气污染物浓度大，气溶胶微粒多，会吸收下垫面热辐射，在一定程度上起了保温作用，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。（白天它大大地削弱了太阳直接辐射，城区升温减缓，有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间它将大大减少城区地表有效长波辐射所造成的热量损耗，起到保温作用，使城市比郊区“冷却”得慢，形成夜间热岛现象。）

（3）人工热源的影响

人工热源指人类活动产生的废热，来源主要有机动车、工厂、日常生活及建筑物所散发的热量等。人工热源对城市热岛的影响极大，一方面它会直接增加城市热量，尤其在夏冬两季；另一方面排放的大量煤灰、粉尘及各类气体，形成了覆盖在城市上空的“尘罩”与“气罩”，会加重城市热岛强度。

（4）城市建设

城市建成率、几何形状等都与城市热岛有着很强的关联性。城市建筑的设计或几何形状若是不合理，则容易造成通风困难，导致热量不易散发，局地气温飙高。一般而言，当风速小于6 m/s时，热岛效应最为明显，当风速大于11 m/s时，热岛效应则不明显。城市人口越多，建设规模越大，则热岛效应越明显。此外，随着城市化发展，城市绿地、林木和水体等自然下垫面不断减少，热岛缓解能力被削弱，也是城市热岛出现的重要原因。

（5）其他因素

除了以上一些内部因素外，一些外部因素对城市热岛的影响也比较明显。例如中国大部分地区夏季受副热带高气压的控制，以下沉气流为主，在多静风天气，则近地面热量不易散发，进一步加剧了城市的热岛效应。

4.城市热岛效应各影响因子关系

城市热岛效应的主要影响因子有蒸发减少、城市下垫面反射率降低、能量输入。各因子之间的强度关系为：蒸发减少0.05 g/sm，热输入增加120.9 w/m；城市下垫面反射率降低10%，热输入增加30 w/m；人工能量输入10 w/m，城市中总热输入增加160.9 w/m，由于受空气对流的影响，实际热输入约为20 w/m，计算温升约为3.5℃，这与实际比较相符。当夏季空气流通减缓时，热输入会急剧增加，由于城市蒸发系统适应性低，造成城市温度急剧上升，同时由于空调和火电厂的加速运转又会造成恶性循环，加剧城市大气升温。城市蒸发量减少也极易形成城市热岛效应，造成城市上空大气稳定度升高，不易发生垂直对流，易形成近地表高温，产生严重的空气污染（例如灰霾和光化学烟雾）。

5.热岛效应的阻止方法(www.daowen.com)

（1）建设清新宜人的室内外环境

可以在公园、屋顶绿化和墙壁垂直绿化及水景设置方面采用绿化设计，有效降低反射效应。

（2）居住区建立绿化与环境相结合的管理机制

居住区的绿化管理要建立绿化与环境相结合的管理机制并且建立相关的地方性行政法规，以保证绿化用地。

（3）统筹规划温室气体排放较集中地区的绿化

要统筹规划公路、高空走廊和街道这些温室气体排放较为密集地区的绿化，营造绿色通风系统，有效改善局部小气候。

（4）消除裸地、消灭扬尘

除建筑物、硬路面和林木之外，城市全部地表应为草坪所覆盖，甚至在树冠投影处草坪难以生长的地方，也应用碎玉米秸和锯木小块加以遮蔽，以提高地表的比热容。

（5）建设城市带状绿色通道

建设若干条林荫大道，使其构成城区的带状绿色通道，逐步形成以绿色为隔离带的城区组团布局；实施“透水性公路铺设计划”，用透水性强的新型柏油铺设公路，改善市区道路的保水性能，以储存雨水，降低路面温度，减弱热岛效应。在现有的条件上，应考虑控制使用空调，提高建筑物隔热材料的质量，推行建筑物淡色化装饰，改燃煤为燃气以减少人工热量的排放。特别是要打造环城水系，有效调节市区气候。

6.热岛效应的减弱建议

（1）保护并加大城区水体面积

在相同热量下，由于水的比热大于混凝土的比热，导致水的升温低于混凝土的升温，二者之间形成温差，加大热力流的循环速度。在大气循环过程中，水体会二次降温，从而缓解城区的温度上升，削弱热岛效应。

（2）控制城市人口密度、建筑物密度

在城市中，高密度人口区一定是建筑物密集区和能量的高消耗区域，也是气温高值区。因此，在城市建设规划时，可以考虑在市中心仅保留政府、旅游、金融等部门，其余部门可迁往卫星城，再通过环城地铁连接各卫星城，降低人口聚集度。

（3）依区域气候条件设计城市建设

以北京为例，由于北京位于华北平原中部，三面环山，受山谷风的影响，北京盛行南北转换的风向，夜间多偏北风，白天多偏南风。因此，在扩建新市区或改建旧城区时，应适当拓宽南北走向的街道，以加强城市通风，降低城市热岛强度。

（4）减少人为热源的释放

可以通过民用煤改气（液化气、天然气）、控制工厂热量排放、控制机动车数量、控制工厂排放等方式减少人为热源的释放。

（5）增加城市绿地面积

由于城市人口稠密，绿化面积较少，可以通过多种树，缓解热岛效应。

（6）人工蒸发补偿

采用喷雾系统是一种高效且经济的办法。蒸发量在0.05 g/sm时（白天喷雾11小时相当于2 mm降雨量），大气平均降温达7℃。