热岛效应范文（精选12篇）
热岛效应 第1篇
城市热岛效应给人们的健康带来极大的危害。随着城市化进程的加快, 城市热岛现象越来越受到国内外环境和气象工作者的高度重视, 并进行了大量的相关研究和报道。
(一) 城市热岛效应的研究进展
1. 温度反演及其研究方法的研究
城市热岛效应最早被视为大气污染的一个分支, 因此研究手段也多与大气污染调查的方法结合起来。以往的城市热岛研究主要采用代表路线观测和选点观测相结合的方法, 或使用地面气象站点的观测资料, 即采用离地1.5米高的气温值来研究城市温度场。这种方法的优点是定位精确, 能够准确了解观测点的气温, 为热岛强度的计算提供精确的数据基础, 但是耗时耗力, 而且由于空间分布的不均匀和观测站代表性所受到的种种限制, 很难全面、同步地反映地面的热辐射状况。
随着遥感技术的发展, 越来越多的学者开始应用热红外遥感资料进行城市热岛的研究, Bendor和Sarron利用航空热红外图像对城市热岛结构进行动态监测, Lo等利用RS、GIS技术分析和评价热场空间结构及其对周围环境的影响, 取得了良好的效果。
城市热岛的遥感研究主要是通过对城市下垫面的热红外遥感来进行。早期主要是利用美国气象卫星NOAA/AVHRR (空间分辨率为1.1 km) 的热红外波段 (CH4和CH5) 。近几年, 为了提高AVHRR资料的陆面亮温反演精度, 也提出了一些反演算法, 如双通道亮温反演方法和劈窗算法。此外, 范天锡等人还用AVHRR资料和无线电探空仪资料经反演技术将亮温换算成地温, 其中用到了“临边变暗”和“大气削弱”订正技术。
由于NOAA/AVHRR数据的地面空间分辨率较低, 因此利用NOAA/AVHRR数据只能用来从宏观水平观测城市热岛现象和进行制图, 无法对城市内部微观的热环境进行有效的观测。Landsat TM数据的热红外波段 (TM6:10.4 um~12.5 um) 具有较高的空间分辨率 (为120 m) , 能够更好地用于城市热岛研究。Nichol已经成功地利用TM数据的TM6波段对新加坡的一些住宅区进行了地表亮温反演, 并在1998年又结合VISC软件和GIS对新加坡的住宅区进行了三维空间 (包含建筑物的垂直面) 的亮温反演, 获得了亮温的三维分布情况。周红妹等以气象卫星NOAA为主要信息源, 以TM数据、土地利用专题图和气象观测资料为辅助信息, 利用GIS的空间分析技术, 对上海市热力分布特征和变化规律进行动态监测和综合分析, 同时还对地面亮温和气温的相关模式进行研究和建立, 取得了较好的应用效果。
为了能够更详细地获取城市复杂细微的温度变化情况, Lo, Quattrochi和Luvall利用5m空间分辨率的航空热红外数据ATLAS (Advanced Thermal and Land Applications Sensor) 和GIS对美国Alabama北部的Huntsville市进行城市热岛影响评价分析。
目前, 应用TM6波段反演地表温度共有三种算法, 即大气校正法、单窗算法和普适性单通道算法。传统上, 利用TM6波段演算地面温度主要是通过所谓的大气校正法, 即首先根据实时大气剖面数据计算大气对地表热辐射传导的影响, 然后, 从卫星高度所接收的热辐射总强度中扣减这些大气影响而得到地表热辐射强度, 最后, 根据地表辐射率校正成地表温度。
随着科学技术的进步和高技术测量测控设备和系统的研制和应用, 当今的环境工作者可以通过各种手段来观测和研究城市热岛效应。其中应用最多、最有效和最直观实时的方法和手段是利用航空遥感和卫星遥感技术, 通过采用将RS同GIS和GPS等技术结合的方法, 来准确地监测、研究和分析城市热岛效应的形成过程和发生强度。
2. 城市热岛特征及其时空变化的研究
(1) 城市热岛强度随时间的变化的特征
城市热岛强度是指城市中心区温度与郊区的温度差值, 它用来表征由于城市结构所造成的城市区域温度高于郊区的程度。热岛强度随时间主要表现出2种周期性的变化, 即日变化和年变化。在晴朗无风的天气下, 日变化表现为夜晚强, 白昼午间弱;年变化表现为秋冬季强, 夏季弱。城市热岛强度不但有周期性变化, 而且还有明显的非周期性变化。引起热岛强度非周期性变化的原因主要与当时的风速、云量、天气形势和低空气温直减率有关, 主要表现为风速越大, 云量越多, 天气形势越不稳定, 低空气温直减率越大, 热岛强度就越小, 甚至不存在热岛, 反之热岛强度就越大。
张兆明等人利用1987年9月26日, 1994年8月28日和2001年8月31日3期TM图像对北京市的热岛状况进行了研究, 发现从1987到1994年和从1994到2001年, 北京的热岛比例一直在增加, 但第二阶段与第一阶段比, 增加速度有所减缓。而徐涵秋等根据厦门地区1989年和2000年两期不同季节的TM图像, 通过引入“城市热岛比率指数URI”, 研究了厦门地区11 a间的热岛强度变化。结果表明, 2000年的城市热岛比率指数为0.23, 1989年的为0.28。即厦门地区城市面积虽有所扩大, 但热岛强度却有所降低。
上述研究成果证明, 利用卫星遥感技术能够对年际间城市热岛的变化格局特征进行比较客观、有效地监测。但是, 由于影像分辨率的限制, 使得所获取的数据同统计数据可能存在一定的差距。所以, 在研究年际变化或季节变化时, 如单纯利用遥感数据, 应尽可能多选取几幅影像来代表同一个年份或季节, 以防止由于所选遥感数据本身的差异而导致迥异的结论, 增加研究结果的说服力。
(2) 城市热岛强度随空间的变化
城市热岛的水平分布表现在热岛出现在人口密集, 建筑物密度大, 工商业最集中的地区, 而郊区则有较好的植被覆盖, 或者农田密布, 热岛强度小。如Weng Q运用RS和GIS手段对珠江三角洲区域城市群进行城市热岛效应研究时发现, 不同规模、不同土地利用/土地覆盖的城市其热岛效应的差异有所不同, 不同的城市, 由于所处的气候条件、地理条件不一, 观测的时间不同, 方法有别, 所得的结果各有千秋。特别是热岛强度大小差异比较大, 从1℃以下到10℃都有。杨英宝等人利用高空间分辨率的Landsat TM和高时间分辨率的MODIS相结合定量地分析了南京市热岛效应的时空特征, 并探讨了遥感尺度对城市热岛效应时空特征的影响。此外, 热岛的空间分布还会因高度的不同而有所差别。表现在白天城郊差别不明显;夜晚城郊热岛强度差别大, 并且强度的这种差别随高度的升高而下降, 到一定的高度还会出现“交叉”现象。
3. 城市热岛形成机制及影响因子关系的研究 (1) 城市下垫面性质改变
城市下垫面 (地面、屋顶面等) 多为水泥、柏油路面、混泥土等硬质铺砌, 所占的面积约在70%~80%以上, 绿地和水面相对较少, 而郊区则农田密布, 城乡下垫面性质的差异十分明显。城市下垫面颜色较深, 对太阳辐射的反射率比郊区绿地小 (即吸收率比郊区绿地大) , 加上其热容量和导热率也要比郊区绿地大, 所以在相同的太阳辐射条件下, 城市下垫面能吸收更多的热量。城市下垫面性质改变导致下垫面物理和生物学特性改变, 对城市、地区甚至是全球范围内的气候有十分显著的影响。
(2) 人为热和大气污染
城市人为热也就是人类活动产生的废热, 主要来自机动车辆、工厂车间、空调运转、居民烹饪及建筑物向外散发的热量等, 对城市热岛的形成起十分重要的作用。人为热排放对城市“热岛”的影响具有双重作用:一方面, 直接增加了城市的热量, 特别是在夏季和冬季;另一方面, 城市人为热排放的同时, 也大量排放煤灰、粉尘及各种污染气体, 其中较多的是CO2、N2O、H2O、CH4、CFC等温室气体, 形成覆盖在城市上空的“尘罩”与“气罩”, 加重了城市热岛的强度。1984年上海城区每平方公里上空所获得的人为热相当于郊区的3.2倍强, 如果再加上空调排热等其它的人为热, 市区与郊区人为热的差异更大。与人为热排放的同时, 还有大量污染气体排放至空气中, 其中CO2废气能强烈吸收地面长波辐射, 并能增加大气对地面的长波逆辐射, 加剧城市热岛强度。
(3) 城市规模、形状和所处的地理位置
城市建成率 (built-up ratio) 、几何形状与热岛强度存在明显的相关关系。如果街道走向设计或几何形状不合理, 则密不通风, 风速小热量不易散发, 温室气体也难于迅速扩散, 导致局部气温过高。城市人口越多, 规模越大, 热岛效应越明显。
城市地貌也是引起城市热岛的主要因素。如广州市地处低纬度, 高温、多雨、湿度大;风向以北和北东及东和东南方向为主, 具有通风不良和静风频率高、近地层的逆温频率高、热岛效应强等特点, 而重庆市周围高山环绕, 长江与嘉陵江交汇于市中心, 冬季云多, 阴雨天多, 太阳直接辐射大为减弱, 因而热岛强度没有那么大。
(4) 其他因素
除了城市本身的内部原因以外, 还需要外部的气象条件配合, 如气压场必须稳定, 气压梯度小, 静风或微风;天气晴朗少云或无云, 大气层结构稳定, 无自动对流上升运动等。我国大部分地区夏季受副热带高气压控制, 以下沉气流为主, 多静风天气, 近地面热量不易散发, 进一步加剧了城市热岛效应。
总之, 热岛的形成除区域气候条件外, 主要与城市化程度、人口密度、下垫面性质改变以及大气中污染物浓度增加有密切关系, 并且这些影响因子以一种及其复杂的方式相互作用于城市气候。
(二) 热岛效应研究存在问题及发展趋势
1. 存在的主要问题
通过遥感数据获取的是地表城市热岛 (SUHI) , 即城市和乡村之间的地表温度差值, 而不是通常意义上的城市热岛 (UHI) 城乡之间的气温差值。目前, 有不少研究者往往都是直接使用地表亮温或是通过经验性的线性或非线性关系将地表温度转换为大气温度, 从而表示城市热岛。这在晴朗、无风及无局部环流的情况下, 误差较小。然而, 城市中由于其特殊的下垫面, 具有较大的地表粗糙度, 不同下垫面热性质的迥异, 很容易形成局地环流和局地平流;而且城市中由于高大建筑物的存在, 形成了很多阴影, 这些都对气温产生着影响。而由于受到传感器分辨率的限制, 使得遥感手段获取城市区域热红外图像基本都是混合像元, 这也对地温和气温转换产生了不利的影响。所有这些都使得气温和地温之间的关系更加复杂, 因而要建立地气温度合适的关系转换, 必须建立完善、地气界面过程模型。所以, 今后很长一段时间内, 如何反演城区地表真实温度及其与气温的关系将是一个重要研究方向。
传统研究方法多停留在从宏观大尺度范围内分析城区和郊区的热岛关系, 而从微观小尺度上分析城区内地表热场分布和下垫面类型、城区各部分具体分布关系的研究较少。
城市热岛效应形成机制是城市热岛效应研究的重点和难点, 尤其人类活动对城市热岛效应形成的影响一直备受关注。从事气候学的研究者更多从地表能量平衡、气候模型、统计学模型 (如人工神经网络、灰色模型、相关分析等) 来解释城市热岛形成、时空变化与植被覆盖度、土地利用/覆被变化、人口密度、容积率等因素的定量关系, 取得了一定的研究成果, 但统计学模型难以从机理上分析热岛效应形成与变化的驱动机制, 以热力学和动力学为理论基础的气候模型是进行城市热岛效应时空特征及其地表能量平衡研究的机理模型, 该模型中的很多参数依据野外调查、观测估算, 传统的观测基本上是点尺度上的, 然后进行插值, 得到区域参数, 这对研究大区域城市热岛的平面布局、内部结构特征及其机制存在很大困难。遥感可实时、动态地获得地表参数特征, 如土地利用/覆被类型、地表反照率、地表湿度, 有利于改善边界层气候模型。但遥感数据和城市气候模型目前还不能很好地结合, 主要难题是遥感观测到的地表和模型中要求的概念性地表不同。
2. 发展趋势
(1) 遥感与气候模型结合。热红外遥感和气候学的交叉融合为城市热岛的观测和机制研究提供了一种新的方法, 也是城市热岛研究的发展趋势。“三角形”法是把遥感数据与城市气候模型紧密结合的一种方法, 有很好的应用前景。SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer) 模型获得的土壤湿度和由遥感获得的地表温度、NDVI (fractal NDVI) 相结合, 利用地表温度和NDVI之间的关系提取表层土壤含水量和瞬时的可感热、潜热。该方法可用于多种空间尺度, 预测由于城市化导致的城市LUCC对局部气候的影响, 克服了传统分类方法只是描述土地利用情况的不足, 能为气候模型提供地表和大气互相交换的机理参数, 定量分析由于城市化导致的城市土地覆被变化对局部气候的影响。通过“三角形”法获得的地表湿度参数可作为城市气候模型的输入参数, 也是研究城市地区可感热流和潜热流比率的重要参考指标。
(2) 城市热岛机理及缓解对策的研究。城市热岛的形成、发展及其空间分布受到多种因素的影响。城市热岛的机制研究的目的就在于通过分析城市热岛变化背后的各种驱动力, 最终揭示城市热岛的形成、发展变化的驱动机制。目前许多学者对下垫面、土地利用类型 (LUCC) 、植被覆被 (NDVI) 、绿地景观、不透水面 (ISA) 等影响因子有了一定的研究, 也提出了诸如城市绿化、屋面种植植物、新型城市规划等具体措施。但对于其他的一些因素、因素间的关系、城市热岛与多因素间的关系, 以及相应的措施有待于进一步的研究。
(3) 多平台、多尺度、多角度遥感数据的综合应用。高分辨率卫星遥感影像的出现使得在较小的空间尺度上观察地表的细节特征、进行大比例尺制图以及监测人为活动对环境的影响成为可能, 具有广阔的应用前景。但对于空间分辨率较高的IKONOS、Quickbird、SPOT等遥感影像, 光谱分辨率低, 没有热红外波段;而对于高光谱的遥感数据, 如MODIS, 其空间分辨率低, 无法详细获得城市地物的热特征。另外, 由于城市地物复杂的几何特征以及热特征各向异性的存在, 要得到地物真实的温度, 还需要多角度的遥感, 以了解城市地物真实的三维温度。因此要结合多尺度、多平台遥感综合研究城市热岛效应。新一代卫星ASTER空间分辨率较高, 有多个热红外波段且能从多个角度观测, 可以反映城市下垫面的温度分布细节特征, 将在城市热岛效应监测中得到广泛应用。
参考文献
[1]Howard L.Climate of London deduced from meteorological observation[M].Harvey and Darton, 1833.
[2]Bendor E, Saron H.Airborne Video Thermal Radiometry as a Tool for Monitoring Microscale Structures of the Urban Heat Island[J].International Journal of Remote Sensing, 1997, 18 (4) :3039-3053.
[3]Lo C P, Quattrochi D A, Luyall J C.Application of High resolution Thermal Remote Sensing and GIS to Assess the Urban Island Effect[J].International Journal of Remote Sensing, 1997, 18 (2) :287-304.
[4]Yogesh K and KV S.Badarinath.Studies on land surface temperature over heterogeneous areasusing AVHRR data[J].International Journal of Remote Sensing, 2000, 24 (8) :1749-1756.
朝阳市城市热岛效应浅析 第2篇
朝阳市城市热岛效应浅析
城市热岛效应是城市化形成的特殊城市气候,是现代都市的典型气候特征之一.城市热岛效应具有明显的`时空分布特征,它的形成与城市下垫面性质和城市能耗等许多因子有关.从城市热岛效应概念入手,分析朝阳市热岛效应的存在,并探讨城市热岛效应的成因,提出切实可行的对策和建议.
作 者：马东升 MA Dong-sheng 作者单位：朝阳市环境监测站,辽宁,朝阳,12刊 名：辽宁师专学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF LIAONING TEACHERS COLLEGE(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：10(3)分类号：X16关键词：朝阳市 城市热岛效应 特征 成因 影响 对策
漫谈城市热岛效应 第3篇
可见，城市热岛效应反映的是温度差的概念。只要城市与郊区有明显的温度差，就可以说存在着城市热岛。因此，一年四季都可能存在着城市热岛。但对于居民生活的影响来说，主要是夏季高温天气的热岛效应。医学研究表明，环境温度与人体生理活动密切相关，环境温度高于28℃时，人们会感到不舒适；温度再高就容易导致烦躁、中署、精神紊乱；气温高于34℃时，还可引发一系列疾病，特别是心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发病率上升，死亡率明显增加。此外高温还会加快光化学反应的速率，从而使大气中浓度上升，加剧大气污染，进一步伤害人体健康。
城市热岛形成与城市的发展是密不可分的，其形成的主要原因有以下四个：
1 城市上空污染
城市中大量机动车辆、工业生产以及大量的人群活动，产生了大量的二氧化碳、粉尘等这些物质可以大量地吸收环境中热辐射的能量，产生温室效应，增加了大气的逆辐射，引起大气的进一步升温。
2 城市建筑物和道路的建材发挥地表热交换，更易大量吸收辐射热
城市内大量的建筑物和道路都是由水泥、混凝土和柏油马路所组成，这些人工建筑物吸热快而比热容小，在相同的太阳辐射的条件下，比绿地、水面升温快。因此，其表面的温度明显高于绿地、水面的温度。如夏天草地温度32℃时，水泥地面的温度可以达到57℃，柏油路上的温度更高达63℃。这些高温物体形成的巨大热源，辐射大量的热，使城市温度明显升高。
3 城市大量高层建筑减低风速，使热量平衡的水平输送相对困难
城市里高楼林立，降低了大气中空气的流动速度，减慢了城市内的热空气和郊区的凉空气的热交换以及空气中液体的蒸发速度，使热量平衡的水平输送相对困难。
4 城市居民生产、生活形成丰富的人工热源
生活生产活动中燃烧的各种燃料时排放大量的废气、废液、废渣，日益普及的空调等电器设备、数以万计的汽车等，形成了丰富的人工热源。
由此可见，可以通过以下有效途径减缓解除城市的热岛效应：
首先，必须增加城市绿化面积。绿地能吸收太阳的辐射热，而吸收的辐射能量又有大部分用于植物的蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能使用于增加环境温度的热量大大减少。绿地中的植物通过蒸腾作用，不断的从环境中吸收热量，降低环境空气的温度。研究表明，每公顷绿地平均每天可以从周围环境中吸收81．8兆焦耳的热量，相当于189台空调的致冷作用。
其次，改变城市的地面结构。目前城市一般建筑是水泥结构，路面是柏油马路，它们吸收热量很大。其中柏油马路的黑颜色反射率非常低，所以在同样区域，其吸收的热量要大大高于颜色浅的地方。因此，对于路面，应该使其颜色变浅且有意识地多普及蜂窝状的结构，因为使用蜂窝状的地面，可以有效地改变地表的热量平衡，自然打通地面上下的水分和热量的流通，在地面水分蒸发中，使地表温度减低3~4℃。
第三，增加水面。水的比热容大，在吸收相同的热量的情况下，升温值小，水面蒸发吸热，也可以降低水体的温度。
第四，增加通风量。风能带城市中的热量，也可以在一定程度上缓解城市的热岛效应。因此在城市规划建筑时，要结合当地的风向，建设成为便于空气流通的的模式，如在沿海城市，街道与海岸线垂直，就可以充分利用海风通风量，城市无论是利于清洁还是降低热岛效应都会大大改善，如果城市建筑都和海岸线平行，对城市散热有很大影响。可见，拆去围墙、改变楼群方向以提高地面通风效果是降低热岛效应的有效手段。
第五，减少人为热源。改进技术提高各种燃料的利用率，减小人为的热释放，如尽量将民用煤改为液化气、天然气；减小汽车的排气量等。
热岛效应 第4篇
1 资料来源与研究方法
1.1 研究区概况
合肥市位于安徽省中部,地处江淮之间、巢湖北岸,合肥市属亚热带湿润季风气候。全年气候特点是:四季分明,气候温和,雨量适中,春温多变,年平均气温15.7℃。合肥市城市建成区224 km2,市区人口224万人。现辖瑶海、庐阳、蜀山、包河4个区。
1.2 数据来源
本文利用2002年7月11日安徽省合肥市的Landsat-7ETM+的数据,条带/行编号为121/38,反射波波段分辨率为30 m,热红外波段分辨率为60 m。数据来源于陆地卫星网站(http://www.landsat.org)。
1.3 研究方法
1.3.1 遥感数据处理。
(1)辐射定标。研究用ETM+数据是以DN值来表示的,在利用ETM+的红外波段反演温度之前,必须对数据进行辐射定标。公式如下:
式(1)中,Lλ为遥感器所接收到的辐射强度,gain为卫星的增益系数,offset为偏移系数,Qλ为以DN表示的经过量化标定的像元值。其中增益系数和偏移系数可以在头文件的信息中查得。(2)大气校正。遥感影像从卫星传输后必须经过大气纠正,去除大气对遥感影像的影响,使遥感影像更真实地反映地面信息(图1)。本文利用6S大气传输辐射计算软件来对3、4波段进行大气校正。6S输入参数:选择遥感器7,目标高度24 m,大气的模型2(中纬度夏季),气溶胶模型1(大陆型),地表状况(近似均匀)。6S输出大气校正参数:xa为0.004 58,xb为0.295 4,xc为0.806 2。其中xa、xb、xc为大气校正系数,代入校正公式:
式(2)中,measured radiance为纠正波段经过辐射校正的辐射亮度值。计算结果就是经过大气纠正的波段反射率值。1.3.2地表温度的反演。目前,利用单通道热红外卫星资料反演LST的主要有大气辐射传输方程、Qin等单窗算法和JM&S普适性单通道算法这3种方法。本文选用单窗算法进行地表温度算法[4]。
单窗反演地表温度的算法其表达式为[4]:
式(3)、式(4)中,a=-67.355 351,b=0.458 606,ε是陆面发射率;τ是大气透射率,Tsensor是传感器亮温。T0是地表(高程为2 m左右)的空气温度。
1.3.3 地温反演的验证。
本文利用MODIS的地表温度产品MOD11对其反演精度进行均值对比(表1)。
2 结果与分析
2.1 土地类型的分类
本文对试验区主要进行监督分类,决策树分类流程见图2。先利用水体模型提取出水体,然后利用归一化建筑指数(NDBI)对城镇土地进行了提取(图3)。
2.2 热岛分布特征
从图4、表2统计计算结果可以看出,研究区不同下垫面类型地表温度由低到高依次为:水体<植被覆盖区<裸地<城镇建筑用地,城镇建筑用地地表温度最高主要是由于城镇建筑用地由不透水、不透气的水泥、砖瓦、沥青、建筑等构成,其导热性好,热容量低,能积蓄能量,以及城镇建筑用地下垫面的不透水性质,使得城市的蒸发量小,容易使得城镇下垫面的温度高于其他下垫面,产生热岛效应。裸地地表主要由沙质物构成,温度较高;植被覆盖区由于不同植被类型覆盖,蒸散作用较强,因此温度较低,水体由于热容量大,导热率小,温度上升得特别缓慢,温度最低。
2.3 热岛强度评价
利用城市热场变异指数[5]来定量分析热岛效应,城市热场变异指数定义为某点的地表温度与研究区域平均地表温度的差值同研究区域平均地表温度之比。城市热场变异指数可描述该点的热场变异情况:
式(5)中,HI(T)为城市热场变异指数;T为城市某点的遥感反演地表温度;TMEAN为城市研究区域的平均地表温度。为了直观地描述城市热场变化情况,将热场变异指数分为6级(图5、表3)。
2.4 热岛强度与地面特征归一化指数的相关性分析
许多学者利用遥感技术研究了植被指数差异对热岛效应的影响,并且研究结果都反映了植被指数与地表温度有着很好的相关关系,本文另选取了反映下垫面状况的城镇归一化指数NDBI[6],裸土指数NDbal[7,8],以及水汽指数MNDWI[9]来建立与地表温度的关系。公式如下:
通过分析4种温度与地表特征参数的线性回归(图6)可以看出,它们与地表温度都有比较好的相关性,都能不同程度的反映地温的变化情况,从线性回归分析结果看,NDVI与地表温度的平方相关系数,R2最大,对地温的解释程度最好,分析其原因,植被茂密的区域必然蒸腾作用明显,土壤含水量较多,其地温也较低,植被少则相反;城镇归一化指数次之,城市化高的地表一般被水泥、柏油等覆盖,隔绝了土壤水汽,地温较高,反之土壤或者有植被的区域有水分蒸发,地温相对较低;水汽指数与地温相关性也较明显,其原因地温高的区域蒸发高,水汽含量好,地温底的区域反之;裸土与地温的相关性较差,特别是裸土指数较高的区域由于地表均一干燥,对地温高低的敏感度也很低,4种地表参数对地表温度的解释程度。
注:a为地温与植被指数相关性;b为地温与城镇归一化指数相关性;c为地温与水汽指数相关性;d为地温与裸土指数相关性。
2.5 水体对热岛效应的影响
从地表参数与地温的相关性,可以看出地温的高低与土壤水分密切相关,所以本文探讨了河流水体对城市热岛的降温效果,选取包河公园段水体和屯溪桥附近水体,选取的水体都为狭长且形状大体规则的矩形,有助于分析。包河公园水体为长1 260 m,宽120 m。在水体两岸选取150 m30 m的矩形样本,选取的样本区基本为植被和城镇地表组成,屯溪桥附近水体宽75 m,水体连绵贯穿合肥市南部,在两岸选单位样本为360 m30 m的矩形区域,选取样本时尽量选取NDVI差异小且接近水体的区域,以排除植被对地表温度的降温影响。经样本统计处理,形成变化趋势图(图7)。从图7(a)、图7(b)可以看出,屯溪桥两岸距离水体180 m左右温度上升趋势明显,140 m往后趋势渐平稳,温度分别上升了1.6℃和1.2℃;图7(c)、图7(d)中都是在距离水体100 m左右内温度上升趋势明显,随后温度趋于平稳或降低,温度分别变化了0.3℃和0.9℃。由此可以看出:河流对城市用地的地表温度还是有比较明显的降温作用的,特别是在150 m内随着离河流边界的距离减小,河流的降温效果明显增强,并且河流水体越宽,降温作用范围越大。
注:a为屯溪桥东样本统计图;b为屯溪桥西样本统计图;c为包河公园北岸样本统计图;d为包河公园南岸样本统计图。
3 结论与讨论
本文利用Landsat ETM+影像,采用单窗算法,对合肥市进行了地表温度反演,得到了合肥市区地表温度分布格局,利用热场变异指数有效地反映了合肥市区的热岛效应。研究结果表明,合肥市城市热岛现象突出,城市用地的地表温度较高,水体,植被地表温度明显低于城市用地地表温度。同时进一步采用回归分析方法,探讨了热岛与地面特征参数的线性变化趋势,结果显示,NDVI与地表温度的线性度最高,能很好地解释地表温度变化,其次为NDBI、MNDWI、NDbal。并探讨了河流水体对城市热环境的缓解作用,发现在30 m150 m、30 m360 m的尺度下,距离河流距离与地表温度呈负相关关系,河流宽度越宽,作用距离越远,降温越明显。河流宽度为120 m时,河流影响距离约200 m,最大降温达1.6℃。鉴于研究区内水体类型有限,未能在河流水体宽度与降温程度建立定量关系,这在以后的研究过程中有待改善。
参考文献
[1]官阿都,李京,王晓娣,等.北京城市热岛环境时空变化规律研究[J].地理与地理信息科学,2005,21(6):15-18.
[2]颜文胜,周伟隆,王蓓蕾.汕头城市热岛效应的分析研究[J].广东气象,2005(1):19-20.
[3]蒋世章,余明,季青.城市热岛效应研究综述[J].大众科技,2008(12):97-99.
[4]覃志豪,ZHANG Ming-hua,ARNON KARNIELI,等.用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法[J].地理学报,2001(4):81-91.
[5]张勇,余涛,顾行发,等.BERS-02IRMSS热红外数据地表温度反演及其在城市热岛效应定量化分析中的应用[J].遥感学报,2006,10(5):789-797.
[6]查勇,倪绍祥,杨山.一种利用TM图像自动提取城镇用地信息的有效方法[J].遥感学报,2003,7(1):37-40,83.
[7]CHEN Xiao-ling,ZHAO Hong-mei,LI Ping-xiang,et al.Remote snsingimage-based anylysis of therelationship between urban heat island and landuse/cover changes[J].Remote Sensing of Environment,2006(104):133-146.
[8]ZHAO Hong-mei,CHEN Xiao-ling.Use of normalized difference baren-ess index in quicklymapping bare areas from TM/ETM[J].Geoscience andRemote Sensing Symposium,2005,3(25-29):1666-1668.
热岛效应 第5篇
通过城郊对比分析,使用1959-3个指标值(月平均气温、平均最低气温、平均最高气温)表征西安市热岛效应,引入突变分析法对近49 a西安市热岛效应历年、季节变化特征及其原因进行分析.结果表明:西安热岛效应年变化趋势呈直线型,升温率为0.322℃/10 a,存在1980年、1993年两个突变年,热岛效应上升的主要贡献是低温升高;西安热岛效应季节变化,春季最强,冬、夏季次之,秋季最弱;西安热岛效应与人口数量之间有很强的线性关系,城市发展影响热岛效应季节变化,表现为春季最大,冬、春次之,夏季最小.
作 者：张宏利 陈豫 张纳伟锐 孟小绒 胡伟 杨改河 ZHANG Hong-li CHEN Yu ZHANG Naw-ei-rui MENG Xiao-rong HU Wei YANG Gai-he 作者单位：张宏利,ZHANG Hong-li(陕西省西安市气象局,西安,710016;西北农林科技大学林学院,陕西,杨陵,712100)
陈豫,CHEN Yu(西北农林科技大学林学院,陕西,杨陵,712100)
张纳伟锐,ZHANG Naw-ei-rui(陕西省西安中学,西安,710016)
孟小绒,MENG Xiao-rong(陕西省西安市气象局,西安,710016)
胡伟,HU Wei(新疆生产建设兵团农五师八十一团,新疆,博乐,833411)
杨改河,YANG Gai-he(西北农林科技大学农学院,陕西,杨陵,712100)
对减缓“城市热岛效应”的浅见 第6篇
关键词:热岛效应,形成原因,减缓方法。
中图分类号:X173文献标识码:A文章编号:1674-0432(2010)-06-0165-1
城市热岛效应指在近地面等温线图上,郊区气温相对较低,而市区则形成一个明显的高温区,如同出露水面的岛屿,被形象的称之为“城市热岛”。城市热岛是以市中心为热岛中心,有一股较强的暖气流在此上升,而郊外上空为相对冷的空气下沉,这样便形成了城郊环流,空气中的各种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,导致人类发生各种疾病,甚至造成死亡。
1 热岛效应形成原因有以下几个方面
1.1 受城市下垫面特性的影响
城市内有大量的人工构筑物,如混凝土、柏油路面,各种建筑墙面等,改变了下垫面的热力属性,这些人工构筑物吸热快而热容量小(反射率小),在相同的太阳辐射条件下,它们比自然下垫面(绿地、水面等)升温快,因而其表面温度明显高于自然下垫面,使得城市白天吸收储存太阳能比郊区多,夜晚城市降温缓慢仍比郊区气温高。
1.2 人工热源的影响
工业生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料,每天都在向外排放大量的热量。
1.3 大气污染
城市中的机动车、工业生产以及居民生活,产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些物质会吸收下垫面热辐射,产生温室效应,从而引起大气进一步升温。
1.4 城市中绿地、林木和水体的减少
随着城市化的发展,城市人口的增加,城市中的建筑、广场和道路等大量增加,绿地、水体等却相应减少,缓解热岛效应的能力被削弱。
2 减缓城市热岛效应的方法
2.1 保护并增加城市绿地面积的方法
2.1.1 绿廊建设 由于道路处于交通污染严重的环境下,更应进一步加强对道路绿化的建设,道路绿化带属于人类塑造的一种特殊的绿廊,直观地看,廊道(绿化带)的树冠阻挡了阳光和风,达成了微环境条件,除改变小气候外,还起分割屏障,连通的作用,在规划市区外缘,根据地形和可能条件,设置营造宽展的城市防护林带,并和邻县的农田防护林网相联结,在规划市区内,要在居住区、集团之间营造隔离林带,特别是工业区和居住区必须尽可能设置一定宽度的卫生防护林带。
2.1.2 屋顶绿化 城市中可以作为绿地的面积逐渐减少,那我们只有利用建筑物来增加绿化面积。对城市屋顶进行绿化是美化城市环境,削减城市“热岛效应”的有力措施。
在进行屋顶绿化的时候,要注意植物的选择,这是非常重要的。高楼屋顶风大,夏季炎热,冬季寒冷,因此,一般应选择阳性、耐旱、耐寒的浅根性植物,还必须属低矮、抗风、耐移植的品种。北方地区常见的有大叶黄杨、龙爪槐、紫荆、紫薇、海棠、白玉兰、紫玉兰、牡丹、月季、茉莉、美人蕉、大丽花、苏铁、鸡冠花、葡萄、紫藤、爬山虎、菊花、迎春等植物。
2.1.3 墙面立体绿化 立体绿化能吸收大气污染物,增湿,滞尘,降温,降噪,遏制“热岛现象”的加剧,有研究材料表明,有垂直绿化的墙面表面温度比清水红砖表面温度低5.5-14℃,并且可减少墙面热辐射1464kcal/m2·h。凡有条件的地方,都要下大力度继续拆墙透绿,见缝插绿,把绿色亮出来。在这方面,廊坊市做的较好。在市委、市政府的要求下,各主要干道两侧的企事业统统拆墙,在原有基础上进行绿化,护栏墙面要求广泛栽种爬墙虎、常青藤、蔷薇、紫藤、凌霄等攀援植物。
2.1.4 建立城市水循环系统 水对热量有很好的吸纳性,建立水循环系统一方面通过使用透水性铺装,使雨水尽快渗入地下,另外收集到的雨水可用来灌溉农田绿地,既节约水资源,又能降低空气温度,缓解城市热岛效应。廊坊市利用原有自然资源,筹建环城水系景观工程“六廊九坊”,是我市2005年至2007年城市建设十大工程之一,工程全长24公里,估算总投资4.3亿元。据了解。环城水系由位于南郊的东方污水处理厂开始,经过二次处理后的中水进行生态恢复建设,形成各种生态型的自然植物群落和自然景观,营造出形态自然、寓意丰富,功能多样的城市景观带。2007年已完成七个节点及部分渠道两侧景观绿化。
2.1.5 居住区绿化 在城市人口集中的居住环境内,进行合理的植物配置,也能有效地减缓“热岛效应”。在居住区道路、住宅的南面,可选用一些树冠较大、枝叶茂密的落叶树合欢、栾树、白玉兰、枫树、银杏、黄栌等,既能美化环境,又能使居民在炎热的夏季有较多的阴凉处可供休憩,在寒冷的冬季又不失去充足的阳光;在住宅的北面或阴凉处,要选用耐阴植物,如珍珠梅,垂丝海棠,玉簪,迎春,棣棠,金银花,萱草,耧斗菜,樱花,丁香,山楂,金银木等,以利于其生长;在住宅的东西墙面上,适当选用攀缘植物进行垂直绿化;在公共绿地、儿童游戏场地附近,可选用一些常绿乔木(松、柏类植物)和姿态优美、花色、叶色丰富的花灌木配置,使得周围四季常青,三季有花。同时种植适合的地被植物。人类生存的环境受到不同程度的破坏,热岛效应只是其中之一,我们要珍惜身边的美好环境,尽展其能来保护好它,为我们的子孙后代留下优美的生存空间。
哈尔滨城市热岛效应研究 第7篇
城市市区的气温比周围郊区和农村的气温高, 城市犹如被包围的热岛, 这种现象被称作“城市热岛”。有学者指出热红外遥感所探测到的热岛效应为城市地表温度的热岛效应, 因此, 通过对地表温度来研究城市热岛效应也是近年来国际研究所关注的焦点。
随着哈尔滨的经济快速发展, 城市化进程加速, 其土地利用状况必然会发生巨大的变化, 土地利用与覆盖的变化改变了原有的地表热环境, 本文探讨了哈尔滨中心城区热岛的空间结构变异和时间演变特征, 对于制定合理的城市用地布局与规划以及治理和改善城市生态环境具有重要的现实意义。
2 遥感数据源
美国陆地卫星Landsat TM/ETM+热波段的空间分辨率较高, 对地表发射率的敏性比分裂窗算法小, 其成像宽度为185km, 能保证16天获取景数据, 对城市地表热力景观的动态演分析而言, 有着更大的吸引力[5]。因此, 本文采用1989年9月12日、2004年9月21日、2007年9月30日的TM数据以及2001年9月21日的ETM+数据为数据源进行动态分析。
3 研究方法
采用遥感图像的分类算法中的基于最大似然比的监督分类法。对遥感图像进行分类, 以最快的速度获取大面积上的土地利用类型。应用GIS空间分析功能模块, 分析了哈尔滨中心城区土地利用时空演变格局, 揭示城市用地空间扩展模式。
运用单窗算法反演研究区域的地表温度, 引入热场均值、方差指标等方法, 并结合土地利用分类数据, 探讨了该地区城市热岛的空间分布特征、发展和演化的基本规律。
4 分类结果
根据城市热岛密切相关的土地覆盖的自然特性和研究区土地利用/覆盖类型的特点, 最终把研究区土地利用类型分为5大类:水体、林地、耕地、裸地、人造地物, 对分类结果进行精度检验的Kappa系数为0.8083, 分类效果较好, 可以进行使用, 土地利用面积统计表如表1所示[5]。
5 地表温度反演方法
单窗算法是覃志豪[4]等根据地表热辐射传导方程。推导出的一个利用Landsat第六波段数据反演地表温度的算法。该算法计算公式如下:
覃志豪[5]提出的适合于TM/ETM6数据演算地表温度的单窗算法其计算过程如下:
式中Ts为地表温度 (K) , a和b为常量, 在一般情a=-67.35535, b=0.458606;C和D为中间变量, C t e, D= (1-t) ?1 t? (1 e) , t为大气透过率, e为地表比辐射率;T6为TM/ETM6的星上亮度温度 (K) , T为大气平均作用温度 (K) 。
6 热岛效应时空演化规律分析
本文采用基于稳健统计的方法将地表温度划分为3个区间。首先计算出整个区域的地表温度平均值和标准差, 以地表温度平均值±1倍标准差范围内的数据作为常温区范围;以低于平均值-1倍标准差的数据为低温区范围, 以高于平均值+1倍标准差的数据为高温区范围;并统计出了4个年份在不同温度区间的面积, 见表2。
发展不均衡, 高温热场集中于江南;高温热场由旧城市中心区逐渐向周边新兴工业区、商业区、开发区扩散, 这种变化趋势与城区扩展的方向基本保持一致。
1989年哈尔滨市高温热场集中分布于道外区及道里区西南部, 其中道外区高温带连续且面积大, 热岛强度高。哈尔滨市区内存在两条铁路环线, 在铁路线段附近即旧城区形成热环并向外扩散。结合1989年的温度分布图和哈尔滨市行政区划图, 可知该市的热岛空间分布特征与城市的工业布局基本相符。
2000年以后沿着市内的铁路环线的热场依然明显, 处于道里区西南部、道外区的高温热场的面积较大, 但较89年热岛强度有所减弱, 同时高温热场向香坊区内的开发区、工业区和哈市繁华的南岗区转移扩散明显;另外江北松北区的热岛强度进一步增加。由于二环到三环线的城区有大量的植被覆盖, 这对缓解城市热到效应起到了很好效果, 使得高温热场没有过分的集中。
7 结论与讨论
本文通过对1989、2001、2004、2007年共4期哈尔滨地区的Landsat TM/ETM+遥感影像进行分类, 获得的不同时期研究区域的土地覆盖分类结果, 并反演地表温度, 分析了哈尔滨市区的热岛空间分布特征, 结果表明城市热岛面积逐步增大, 并且其分布特征与城区扩展方向具有较好的一致性。
摘要：本文运用单窗算法反演研究区域的地表温度, 在影像土地利用/覆盖分类的基础上, 探讨了该地区城市热岛的空间分布特征、发展和演化的基本规律, 结果表明城市热岛的分布与城区扩展方向具有较好的一致性。
关键词：城市热岛,地表温度,哈尔滨,Landsat TM/ETM+
参考文献
[1]范文义, 殷晓伟, 倪春迪.基于3S的哈尔滨市城区绿地现状分析[J].东北林业大学学报, 2008, 32 (9) :86-88.
[2]孔达, 龚文峰, 赵惠新, 范文义, 冯欣.基于RS与GIS的哈尔滨城市热岛效应动态变化分析[J].哈尔滨工业大学学报, 2009, 41 (3) :198-201.
[3]毛克彪, 唐华俊, 陈仲新, 王永前.一个用神经网络优化的针对ASTER数据反演地表温度和发射率多波段算法[J].国土资源遥感, 2007, (3) :18-22.
[4]覃志豪, Zhang Minghua, Arnon Karnieli, Pedro Berliner.用陆地卫星TM6数据演算地表温度的单窗算法[J].地理学报, 2001 (7) :456-466.
长春市城市热岛效应特征分析 第8篇
人类活动对气候变化的影响越来越受到重视,城市人口集中,工业发达,居民生活,工业生产和汽车等交通工具每天要消耗大量的燃料,释放出大量的废热,造成城市热岛效应也越来越明显。城市化发展使城市气温、日照、风和降水等气象要素明显变化,形成城市气候特征,其中有关城市热岛效应的研究最多[1,2]。周淑贞、肖荣波、桑建国等[3,4,5]从城市热岛效应的形成机制机理进行了多角度的研究。不同地区不同规模的城市均显示出城市热岛效应,由于地理环境、城市大小和城市布局等不同,城市热岛特征又存在地区差别。但东北、华北各大中城市的热岛效应有关研究均显示这些城市有共同的热岛特征,冬季强夏季弱,夜间强白天弱,变化幅度冬季大夏季小,热岛效应主要表现在对最低气温的影响。
1 资料与方法
选取1981—2013年长春市和周围5县市区(榆树、德惠、农安、九台、双阳)气象局共6个地面气象观测站33年的气温资料,长春站代表城市,5县市区平均值代表乡村,用长春与外5县站平均的气温差值代表城市的热岛强度。季节划分为12—2月为冬季,3—5月为春季,6—8为夏季,9—11月为秋季。选取02、08、14、20时4个时次气温平均为日平均气温。
2 结果分析
影响温度分布的主要是自然地理因素[6],分析海拔高度和纬度对长春附近各站温差变化的影响,长春市地势图(图略)可以看出长春地区地处平原,南北高度差较小,南部略高,一般海拔高度越高气温越低。长春市区和北部最北端榆树相差一个纬度左右,可能温差在0.5℃左右,纬度因素的影响小于热岛强度的影响,因此可以用来分析长春城市热岛效应。长春市区和九台西部平均气温略高于其他地区,高温区与城市区域的组成基本一致,九台西部毗邻长春的地区近些年发展迅速,城市化逐步加快,长春龙嘉机场同样位于该区域内,地势高的地方温度高,所以平均温度分布图可以反映出城市热岛效应特征。
2.1 长春市城市热岛强度年际变化特征
图1分析了1981—2013年长春市的城市热岛强度的年变化特征,由热岛强度趋势线可以看出,长春市热岛强度大致呈增加的趋势,斜率为0.0179,线性相关系数>0.5。1995年以前,长春市热岛强度在0.5℃左右并呈波动性变化,无明显增加的趋势,1996—2006年随着城市的迅速发展,长春市的热岛强度基本呈线性增加,最强出现在2006年达到1.2℃以上,最低出现在1995年为0.4℃左右。2007—2013年周边县市区发展逐步加快,城乡一体化进程的加速,长春市的热岛强度开始波动性下降,但是仍高于20世纪60年代到20世纪末期。由表1中长春市热岛强度年代变化也可以看出,长春市热岛强度在21世纪初期最强,20世纪80年代—20世纪90年代依次减弱。1981—2013年长春市平均热岛强度为0.71℃,21世纪初期的热岛强度为0.96℃。
2.2 长春市热岛强度季节变化特征
长春市的热岛强度随季节的不同变化比较明显,1981—2013年长春市的热岛强度冬季最为明显,秋季次之,最弱为夏季(表1)。不同年代的季节热岛强度也呈现相同的变化特征。各个季节的热岛强度都是在21世纪初期达到最强,20世纪90年代有所减弱。
2.3 长春市热岛强度月变化特征
1981—2013年长春市的城市热岛强度1月份最强,6月份最弱。1—6月份长春市热岛强度逐渐减弱,6—12月逐渐增强。6—7月热岛强度相差不大并且均较弱。9月和10月热岛强度相同。2—3月热岛强度下降最为显著,11—12月热岛强度上升较为明显(如图2)。
2.4 长春市热岛强度日变化特征
比较2013年长春市和外5县的温度日变化,外5县(郊区)夜间降温快而且降温幅度大于城市,白天外5县升温也快,升温幅度也大于城市,说明长春城市的热容量大于郊区,气温日变化的降温阶段城市热岛强度大,升温阶段热岛强度小,导致夜间至早晨热岛强度大,午后热岛强度小。也可以由2013年长春市的城市热岛强度的日变化分析得出,长春市城市热岛强度平均日变化呈波动变化趋势,夜间强白天弱,从傍晚(17:00)开始随着降温热岛强度逐渐增大,直到早晨气温降至最低时(03:00—07:00)热岛强度最大,年平均和1月平均为11:00—17:00热岛强度较低,7月平均为09:00—18:00较低,年平均和7月平均03:00热岛强度最大,1月平均07:00热岛强度最大;随着早晨日出热岛强度逐渐减小,年平均和1月平均在14:00强度最弱,7月平均在15:00强度最弱。7月的15:00和18:00出现了冷岛效应。
随着长春城市化程度的较快,城市热岛效应的影响明显增强,长春地处平原,外县辐射降温较为明显,长春市区城市效应更为突出,1981—2013年最强热岛强度出现在2013年12月9日达8.34℃,接近其他城市的量级。
3 结论
长春市热岛强度大致呈增加的趋势,年最强出现在2006年达到1.2℃以上,最弱出现在1995年为0.4℃左右;长春市的热岛强度随季节的不同变化比较明显,1981—2013年长春市的热岛强度冬季最为明显,秋季次之,最弱为夏季;1981—2013年长春市的城市热岛强度1月份最强,6月份最弱。1—6月份长春市热岛强度逐渐减弱,6—12月逐渐增强。2—3月热岛强度下降最为显著,11—12月热岛强度上升较为明显;气温日变化的降温阶段城市热岛强度大,升温阶段热岛强度小。长春市城市热岛强度平均日变化呈波动变化趋势,夜间强白天弱。
参考文献
[1]周淑贞,张超.城市气候学导论[M].上海:华东师范大学出版社,1985:128-132.
[2]杨萍,刘伟东.城市热岛效应的研究进展[J].气象科技进展,2012,2(1):25-30.
[3]周淑贞.上海市气候中的“五岛效应”[J].中国科学(B),1988(11):1226-1234.
[4]肖荣波,欧阳志云,李伟峰,等.城市热岛时空特征及其影响因素[J].气象科学,2007,27(2):230-236.
[5]桑建国.热岛环流的动力学分析[J].气象学报,2000,58(3):321-327.
城市热岛效应研究进展与发展趋势 第9篇
1 城市热岛的定义和度量
1.1 城市热岛的定义
城市热岛现象最早见于记载的可能是1818年英国出版的《伦敦气候》一书。作者Luck Howard在对伦敦城郊气温进行同时对比研究后最先发现伦敦城区气温比郊区高的现象[1]。随后直到1958年, Manley[2]首次将这种城区气温高于郊区的现象命名为“城市热岛效应”。
1.2 城市热岛的度量
1982年, Oke[3]将城区温度最大值与郊区温度的差值定义为城市热岛强度。通常, 城市热岛的强弱一般用城市气温与郊区同期气温差值的大小来表示, 称为“城市热岛强度”。城市热岛强度的度量方法主要有单站气温变化趋势法、一个或若干个城市站和一个或若干个郊区 (乡村) 站气温变化趋势比较法、一对或一组城市与郊区站平均 (最高、最低) 气温差比较法、城市和城郊固定站网的温度分布法、横穿城市截面的气温分布法和工作日与休息日温差比较法六种方法。
2 城市热岛分布特征
2.1 时间分布特征
城市热岛具有有期性变化和非周期性变化两种时间分布特征。周期变化以日变化、季变化和年变化比较明显。日变化在晴朗无风时表现为白天弱, 夜晚强, 最大值发生在日落后2-5h;季变化表现为秋、冬季强, 夏季弱。非周期变化主要受风速、云量、天气和贴地层气温递减率等影响, 它们之间相互关系是若风速越大、云量越多、天气越不稳定、贴地层气温递减率越大, 则热岛强度越小, 乃至热岛现象消失;相反, 热岛强度就越大[4]。
2.2 水平空间分布特征
水平空间分布特征主要指热岛强度从城中心到郊区逐渐递减的趋势。一般情况下是离城市中心距离越远, 城市热岛强度越弱。城市热岛的分布与城市土地利用格局及城市地理地貌环境关系密切[5], 呈现出单中心、多中心、线状、辐射状, 网格状等多种形式。同一城市内, 上述热岛水平空间分布特征可长期共存, 在一定条件下也可相互转化[6]。
2.3 垂直空间分布特征
城市热岛的空间分布因高度的不同而具有明显的垂直空间分布特征。在垂直空间分布上包括城市大气热岛、城市地面热岛和城市地下热岛三个组成部分。简单地说, 与城市的形成和发展有关的地面热异常就是城市地面热岛;与城市地面热岛相对应, 地面以上和地面以下的热异常则分别称为城市大气热岛和城市地下热岛[7]。
3 城市热岛主要形成机制
城市热岛形成的前提是热量平衡, 地表吸收太阳短波辐射的热量是形成城市热岛效应的根本热源。它形成机制主要分为内因和外因两个方面。内因主要为城市下垫面性质和结构的改变、人为热量释放、大气污染等;外因主要为天气形势、风速、云量等局地气象条件。
3.1 下垫面改变
伴随城市化的推进, 城区越来越多的绿地和湿地被以砖石、水泥和沥青等材料为主的建筑物和道路等下垫面所取代。这些材料热容量、导热率比郊区自然界的下垫面要大得多, 而对太阳光的反射率低、吸收率大。城、郊下垫面的导热率、热容量等热性质的差异, 导致城市下垫面的储热量显著高于郊区[8,9]。由于城内建筑物高低不一, 太阳辐射在城区街谷、墙壁、地面经过多次反复、吸收, 从而奠定了城市热岛形成的能量基础, 城、郊下垫面热性质不同是产生温差昼夜变化的根本原因。
3.2 人为热释放
城市人为热在城市热岛形成中发挥着十分重要的作用, 它主要来源于人类生产和生活向外排放的热量;同时, 城市中的粉尘和二氧化碳等大气污染物吸收地表长波辐射, 导致城区温度升高。城市人为热排放对城市热岛具有双重的影响。一方面, 直接增加了城内的热量, 尤其是在夏、冬季;另一方面, 大量烟尘和各种温室气体等污染物随同人为热一起排到大气中, 在城市上空形成了“尘罩”与“气罩”, 增大了城市热岛强度[10]。
3.3 大气污染
大气环境污染在城市热岛形成中起着非常复杂和特殊的作用[11,12]。大量来自工业生产和生活的粉尘、氮氧化物和二氧化碳等大气污染物在城区聚集, 像一张厚毯子笼盖在城市上空。这些温室气体会吸收下垫面长波热辐射, 产生温室效应, 进而推高了大气升温。白天温室气体通过散射削弱了太阳直接辐射, 减缓城市升温, 有时甚至出现城市“冷岛”效应;夜间它通过吸收地表长波辐射减少热量损耗, 发挥保温功能, 使城区比郊区气温降得慢, 从而形成夜间城市热岛。
3.4 气象条件
在下垫面因子、人为热释放量、大气污染程度等基本相同的情况下, 城市热岛效应在同一城市不同时间内的有无和强弱取决于城市当时的天气状况和气象条件[13]。当气压场稳定, 气压梯度小, 大气层结构稳定, 无自动对流上升运动等天气形势有利于城市热岛效应的形成。当低云量多时, 热岛强度小;反之, 当低云量少时, 热岛强度增强;晴空时, 热岛强度大。当城市风速大时, 大气层结不稳定, 城、郊间空气纵横方向混合作用较强, 城、郊温差不明显。当风速较小时, 大气层结稳定, 不利于城、郊间空气混合流动, 此时城、郊间温差会显现出来, 形成热岛效应。
4 城市热岛的监测方法
4.1 气象资料法
城市热岛效应研究最传统、最原始的方法就是运用气象站观测的历史数据, 选择一个或几个温度对象, 研究一个城市或地区在不同发展进程中城市热岛的变化特征。气象站的时间序列数据能反映城市热岛效应的历史演变轨迹[14]。
4.2 定点观测法
定点观测法有水平和垂直两种方向, 它能反映同一时间不同地点或同一地点不同时间的温度变化情况。研究城市热岛效应水平分布特征应在水平方向进行观测。水平定点观测法通常选取若干个典型的城、郊观测地点, 测定比较多项气温指标, 也可利用城市横剖线进行观测分析。垂直定点观测法城是利用铁塔或系留气球在不同垂向高度悬挂温度探头来测量气温的方法[15]。
4.3 流动观测法
流动观测法一般是通过车辆的流动, 利用安装在流动车辆上的温度传感器和便携式数据采集器采集的数据来研究城、郊温度差异的方法[16]。流动观测法具有利用有限的设备获取尽可能多的连续点位温度进行城市温场断面分析的优点[17]。
4.4 遥感测定法
遥感测定分析法是利用热红外传感器大范围观测城市地表温度, 然后再通过计算、解译、分析获得地物热量空间分布的方法。随着Landsat TM卫星影像、TM/ETM+热红外波段遥感图象数据、EOS/M0DIS数据的广泛应用和RS、GIS、GPS、EIS等4S技术的成熟, 卫星遥感技术在城市热岛研究中发挥巨大的作用, 遥感技术能分析大面积、同步和动态地监测地面热场的分布和变化情况[18,19]。
4.5 数值模拟法
城市热岛研究常用数值模拟主要有数学模型和实验室模拟两大类。数值模拟主要有RAMS、RBLM、MM5、WRF/NCAR等模型[20]。实验室模拟有Streuter的高斯模型、Minhalakakou等人工神经网络模型等代表。数值模拟法以理论研究为主, 减少现场观测;实验室模拟应考虑不同城市的现实情况环境差异, 添加一些现场实测边界数据进行模型校正, 从而提高模拟的准确度。
5 城市热岛的影响
文中主要从城市气候、水文、大气环境、生物习性、能量代谢和居民健康六个方面说明城市热岛的影响。
5.1 城市气候
城市热岛对城市气候的影响主要原因是城区气温较高导致城市暖空气上升, 到达某一高度后开始向四周辐散, 城郊农村温度较低气流下降, 沿地面向城区辐合, 构成热岛环流, 称为“城郊风”。城市热岛还在一定程度上影响城市空气湿度、云量和降水等。城区的蒸发量和蒸腾量都比郊区小很多, 而城区气温又比郊区高, 致使城区空气相对湿度和绝对湿度都较小。然而当达到某种条件的时候, 城区夜间绝对湿度也可能很高, 形成“城市湿岛”。城市热岛导致城区的凝露量、霜冻天数、下雪量等都比郊区小。城市热岛、干岛、湿岛、雨岛和混浊岛“五岛”之间可相互转换彼此影响[21]。
5.2 城市水文
炎热气候的城市增温可通过改变地表能量平衡、以及热通量和近地表的水汽通量的方式影响着水资源[22]。热岛效应对云的形成和运动、局地降雨和降雨机制产生影响, 导致城区水文特征发生变化。城区的降水量和地表径流都比周围农村地区明显偏大, 但蒸发量、地下径流又比周边农村地区明显偏小。其主要原因是在静风条件下, 热岛导致城区空气上升, 气压相对较小, 郊区农村较冷空气流向城区, 城郊空气发生对流运动, 形成降雨。因此, 通常认为城市热岛增加了城市中心及其下风向范围内的降雨量。
5.3 城市大气环境
城市热岛导致城市中盛行上升气流, 上升气流推动大气中悬浮的粉尘微粒向上运动, 从而空易在城市上空形成微粒团粒结构云团, 造成严重的城区贴地层大气污染。城郊间热岛环流的存在带动城区上空的污染物随热岛环流向城郊四周辐散, 下沉到郊区地面附近后又随着地面冷气流向城市中心辐合, 污染物难以输出城区[13]。
5.4 城市生物习性
城市热岛效应对城市植物的影响主要表现为植物发芽、开花时间提前, 落叶、休眠时间延迟[23]。城市生物多样性受到影响的主要原因是生境的破坏。一方面, 市区气温升高, 无霜期延长, 极端低温偏少, 使得原本不属于该区系生长的植物也能在城市繁殖生长。另一方面, 温度的上升, 特别是极端高温的升高, 又限制了某些植物的生长[24]。
5.5 城市能量代谢
城市热岛效应直接影响着城市能量的消耗。许多观测研究表明[25,26], 城市热岛效应导致夏季城市空调冷度日数比郊区多很多, 在大型城市表现尤为明显;冬季市区热度日数比郊区明显偏低, 为居民节省了燃料。
5.6 城市居民健康
城市热岛一个最为重要的影响就是危害城市居民的健康。特别是在炎热的夏季, 持续高温导致中暑、心情烦躁、精神紊乱、工作效率降低。长期生活在热岛中心的居民多见消化不良、食欲减退、溃疡病和胃肠道病等消化系统疾病, 另外其神经系统方面也受到较严重的损害, 比如烦躁、忧郁、失眠、压抑、记忆力下降、精神萎靡等症状[27]。
6 城市热岛减缓措施
减缓城市热岛的措施主要是通过减少太阳间接辐射和人为热排放两方面。
6.1 采用新型建筑材料
使用浅色、高反射率具一定孔隙度的建筑表面材料和透水性、保水性好的铺修路面材料, 可使整个城市的总体反照率增大, 从而缓解城市热岛强度;因为凉爽或绿色屋顶可降低进入建筑物的热传导, 从而直接减少空调的使用[28]。另外, 凉爽屋顶和凉爽路面可以改变地表能量平衡, 能使周围环境温度更低, 从而反过来将减少空调的使用。同时, 要多建设可渗透地面, 积极倡导在城市人行道、居住小区等铺设可渗透地砖或混凝土路面。
6.2 减少人为热量排放
尽量将民用煤改为液化气、天然气并扩大供热面积也是减缓城市热岛效应重要对策。大力开发使用太阳能、风能等可再生能源, 避免使用太多煤炭和燃油等;同时, 实行清洁生产机制, 推广集中供热, 提高能源利用效率, 特别是交通运输和工业生产的能源利用效率, 尽量少排人为热和温室气体。
6.3 扩大绿地水体面积
城市绿地、水体及湿地可减缓城市热岛效应, 最终实现城市生态系统的良性运转。大力发展城市绿化是减缓热岛效应的关键措施[29]。城市绿地和城市森林能吸收太阳短波辐射, 植被吸收的大部分辐射能量用于植物蒸腾耗热, 并在光合作用中转化为化学能, 大大减少了用于增加环境温度的热量, 进而降温增湿;同时, 吸收大量空气中的二氧化碳, 抑制了温室效应。另外, 绿地中的园林植物还能滞留大气中的粉尘, 减少城市大气中的总悬浮颗粒物的浓度。
6.4 科学合理规划城市
运用生态设计和施工的理念来建设、规划和设计城市。譬如, 通过改变城市大楼和街道的布局和走向利于自然风进出城区, 控制好城区建筑密度和建筑间距, 改变市区建筑空间布局, 避免市内建筑呈团块状分布。要统筹规划公路、高空走廊和街道等温室气体排放较密集地区的绿化, 营造绿色通风系统, 把市外新鲜空气引进市内, 加快市区与郊区的空气流通, 以改善小气候。
7 城市热岛研究主要发展趋势
7.1 研究范围纵深拓展
当前, 城市热岛研究主要集中在某一城市或地区的中小尺度大气城市热岛和地表城市热岛的时空分布特征、影响因素、防治措施等上面, 而对大尺度、跨区域及地下城市热岛的研究甚少。今后, 在宏观上, 会从地上、地表和地下更大尺度的四维时空范围着手, 以全球的视角研究城镇化与全球变化双重作用下的城市热岛效应, 进一步拓宽城市热岛研究内容和范围的时空尺度。在微观上, 会细微到城市的一条公路、一栋建筑、某一行为、某一流行病等。
7.2 研究方法交叉融合
园林绿化对降低城市热岛效应的作用 第10篇
关键词：园林绿化,城市热岛效应,探析作用
随着国家经济的迅速发展, 大大小小的工厂开始剧增, 遍布在城市各个角落, 污染城市的环境, 使得热岛效应笼罩着很多现代化城市中。城市热岛效应主要体现为, 城市中心的气温大大高于城市外围的气温, 成为了独特的气候效应。晋中市的热岛效应, 给人们的日常工作与出行带来了许多严重的问题, 使得城市的环境与生活品质明显降低。所以, 降低或消除晋中市热岛效应迫在眉睫。本文探析了采用园林绿化来缓解山西晋中市热岛效应的具体作用[1]。
1 造成山西晋中市热岛效应的具体原因
1.1 空气污染
空气污染主要因为随着晋中市经济的不断进步和发展, 许多工厂和交通工具日渐增多, 使得城市的空气品质不停地降低。例如, 交通工具运行所制造的CO2和粉尘颗粒;生活垃圾乱倾乱倒;工业所排的废气废水等, 没有完善地处理好这些污染物, 这些物质吸收下垫面的热辐射, 造成了温室效应, 致使城市温度慢慢升高, 导致晋中市热岛效应的形成。
1.2 建筑物与能耗装置
随着现代化进程的不断发展, 越来越多的高层建筑物在晋中市遍布林立, 高能耗装置也日趋增多, 因为高能耗装置形成的能量转换成为了热能, 散发到城市的空气中, 密布的高层建筑使得风速降低, 从而空气中的热量不易被吹散, 长时间停留在空气中, 致使城市温度升高。
1.3 人工产生的热能
在日常生活中, 燃料在人们的生活中起着至关重要的作用, 不可或缺。比如, 在交通流通过程中、企业生产过程中或者在人们的日常生活中等, 都与燃料分割不开。所以, 城市每时每刻都将产生的热能排放至大气中, 晋中市属于发展中城市, 工厂的竞争力越来越大, 许多工厂为了获取更多的经济利益, 直接忽视了环境保护问题, 乱排废气废水, 随意处置工业废料, 严重破坏了周围的生态环境, 使得城市的热岛效应越发严重。
1.4 绿地的日渐减少
根据调查结果显示, 农村许多人口大量涌入城市中, 致使晋中市的人口数量急剧提升, 虽然政府每年都在新建绿地, 但是人均绿地和绿化覆盖率还是远远不够。农村许多未受较大污染的绿地, 在晋中市经济的快速发展中, 许多企业为了自身的权益, 侵占这些绿地, 展开工业生产活动, 致使环境遭到污染。随意砍伐树木的现象时有发生, 很大程度上破坏了自然环境, 绿地的面积日益减少, 使得晋中市的热岛效应得不到缓解, 致使其温度持续升高。
2 晋中市热岛效应和园林绿化的实质关联
在实际生活中, 绿化管理与园林工作对于自然环境的维护、生态均衡起着至关重要的作用, 在维护生态环境的过程中, 园林绿化是其不可或缺的一项主要工作。维持一个较好的生态环境可以对该区域的气候状况起到巨大的缓解作用, 晋中市绿化的本质就是要提高城市的湿度, 减低城市中的气温, 缓解城市中的热岛效应。产生热岛效应的根本原因是城市中的建筑物分布过于紧密, 使得大气中的气温得不到分散, 致使大气气压逐渐增高。采用园林绿化的方法, 在晋中市的城市周边或城市中心进行园林绿化, 可以有效提高大气中的湿度, 降低大气中的温度, 从而缓解城市的热岛效应。
综合以上所言, 园林绿化措施可以有效减少晋中市的热岛效应, 两者之间存在着不可分割的关联。
3 晋中市园林绿化对降低热岛效应的作用
3.1 增强热能的均衡
晋中市园林绿化工作中, 会采用到许多的绿色植被, 这些植被的成长需要供应许多的水分来保障。给植被供水时, 水分在一定程度上提高了晋中市整体的热容量, 所以, 在进行高耗能装置工作时, 气温的增高就会对应的减少。并且, 水在挥发时可以吸收城市大气之中的热能, 使得晋中市热岛效应得到降低。植被在成长的过程中, 可以一定程度上遮蔽城市的下垫层, 减低建筑物和马路吸取热量的效率, 让阳光的辐射减低, 从而降低城市的气温。此方法适合在晋中市大量利用, 让经济发展与城市环境共同进步、相辅相成, 促进园林绿化的利用范围, 使得园林绿化在晋中市环境保护中发挥着重要作用。
3.2 加湿减温的作用
在进行园林绿化工作时, 依据晋中市的地理特征与其自然环境, 合理规划绿化地形。再依据其自然环境, 选取适合在该地种植的绿色植被, 为其创造适宜的生长环境和条件。可以利用垂直绿化与悬吊绿化设计风格对其实施规划, 种植爬山虎、紫藤、蔷薇等, 达到较好的绿化效果。这样可以高效促进城市空气的加湿和气温的减低, 因为植被在生长时, 可以形成许多对城市有利的生态效果, 让城市的气温不过高, 提升大气的湿度。而且, 晋中市如若要完善生态环境系统, 必然要加大对于植被的利用, 因为一定的植被数量是保障生态环境均衡的主要条件。在城市交通与企业的生产过程中, 会产生大量的CO2、有害气体等, 导致城市气温的提升, 使得晋中市形成热岛效应。经过园林绿化缓解后, 因为植被的光合作用可以有效吸收大量的CO2和有害气体, 使空气得到净化, 气温得到控制, 能够有效地缓解晋中市热岛效应。
3.3 增加绿化面积
在建设园林绿化的过程中, 植被的种植量直接影响着晋中市热岛效应的高低, 换言之, 如果提高了园林植被的种植量, 就可以一定程度上降低地面热度和大气温度。某个地区植被的种植量到达相关标准, 这个地区的地面热度就可以和周边地区的地面热度相近。晋中市如果从城市整体上加大植被的种植量, 就能够有效降低热岛效应。依据园林绿化的基本理论, 在利用绿色植物所发生的光合作用, 能够观察出, 园林绿化在减少晋中市热岛现象中起到了不可替代的作用。采用园林绿化的方法, 可以让晋中市与园林绿化进入高效的循环模式中, 园林绿化工作进行时, 绿化地区其它周边的热度也可以随其一起降低。园林绿化后, 可以改变周边的大气压, 在空气循环作用时, 当热空气进入园林绿化地区时, 热度会被改变, 这样的方式使得空气得到较好的循环, 致使晋中市热岛效应可以有良好的改善效果。
4 结语
目前, 晋中市经济加快在发展, 进而推动了各个行业的迅速提升与进步, 但是接踵而至的是污染现象日益频发, 生态环境日益恶化[2]。因为当前市民生存的地域环境污染逐渐加剧, 特别是城市热岛现象尤为突出, 引发了全社会的关注。依据对晋中市热岛现象的研究, 部分有关研究者试求利用不同的方式降低其热岛效应[3]。利用园林绿化建设缓解晋中市热岛效应, 是目前最具代表性、最有效的方式之一, 可以在确保不污染的情况下, 有效缓解晋中市热岛现象, 改善目前城市的生存环境, 更好地保障群众生活空间的健康、舒适等。
参考文献
[1]张靳.园林绿化对降低城市热岛效应的作用[J].园艺园林, 2015 (10)
[2] 陈可佳.园林绿化对降低城市热岛效应的作用[J].现代园艺与生态绿化, 2015 (11)
济南市城市热岛效应的时空分布特征 第11篇
关键词：热岛效应 区域自动气象站 小波分析 时空分布特征
The Temporal and Spatial distributions of Urban Heat Island Effect in Jinan City
Ran Guiping Li Rui Ren Dan Zhang Ning Sun Changzheng
Jinan Meteorological Observatory, Jinan 250002
Abstract: Based on the hourly temperature observed by automatic weather stations during 2007-2008, the temporal and spatial distributions of urban heat island (UHI) in Jinan city were analyzed. The results showed that in four seasons ,the UHI intensity centered on the Spring square and city council and decreased around. The UHI intensity in winter was the strongest all the year round. Then, it was autumn and spring. The UHI intensity in summer was the weakest. The Morlet wavelet transform revealed that the UHI intensity had a temporal structure of diurnal (24h) and ten-day (270h) periods whether in summer or winter. The diurnal (Ten-day) periodic oscillation was weaker (stronger) in summer than winter. The UHI intensity was stronger in nighttime than daytime.
Key words: urban heat island automatic weather stations wavelet transform temporal and spatial distributions
引言
城市熱岛效应( Urban Heat Island Effects，UHI)是指由于人类活动造成的城市气温高于周围自然环境气温的现象[1]，温度较高的城市地区被温度较低的郊区所包围或部分包围，它是热量在城市空间范围内聚集的现象。
城市热岛效应是城市化气候效应的主要特征之一，是城市化对气候影响最典型的表现[2] 。在我国，周淑贞[3]、束炯[4]、张景哲[5]等对城市热岛效应及形成机制进行了多方面的研究。过去50多年来济南城市经历了快速发展，城市建筑、功能、综合实力、以及城市形态与环境面貌等都发生了巨大变化，城市发展导致城市下垫面状况发生极大改变，同时在某些方面影响了城市小气候[6-7]。
济南是山东的省会，通过对济南城市热岛效应的研究和分析，对了解气候演变特征和短期气候预测提供科学依据，并且对指导城市绿地规划与建设，改善城市生态环境和城市居民居住环境有重要的现实意义。
1. 研究资料和方法
济南市自动气象站网通过多年建设，到2006年11月，已完成51个区域自动气象站的建设并投入业务运行。该论文通过区域自动站资料研究济南市区及郊区热岛效应空间分布情况，即应用市区及近郊区区域自动气象站与郊区乡村站气温数据进行对比分析，即：QUHI=T市区-T郊区，温差越大热岛强度越强，反之则越弱[8]市区站选取城市建筑和人口较为密集的市中心区域，共16个站点，分别是：济南大学、泉城公园、泉城广场、市政府、百花公园、交通学院、热电公司、供销公司、山师北院、农科院、龟山、历城二中、外国语中学、高新区、河务局和天桥收费站。这些站点既包括人口较密的市中心点，也包括离市中心稍远的市区，还包括刚进入城市化进程的近郊，能够综合反映整个城市的热岛空间分布特征。考虑到城市区域的不规则性，城市的边缘地区有可能具有与城市相似的地表结构，又根据地区温度分布的自然特点，郊区参考站点选取市区北边的孙耿、崔寨、白云湖，市区东边的圣井、曹范，市区西南边的潘村、长清工会干部学院、张夏苗圃，取八个站点的平均温度作为背景温度，可以避免订正热岛效应时出现偶然因素，能够比较客观的反映城市热岛强度。
在采样时间上，区域自动气象站资料从2007～2008年的数据比较完整，为了能充分反映一年中热岛情况，按季节取2007、2008年2年的数据。春季：3～5月，夏季：6～8月，秋季：9～11月，冬季：12月，次年1～2月。从中选择代表性的月份2007～2008年的1月、4月、7月和10月份的数据来计算各个季节的热岛强度。
小波分析是继傅里叶变换之后兴起的中还可以看出，其波峰 (正中心)主要出现在变换对带有奇异性的信号不是很有效的弱点,具有多分辨率分析的特点;在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率[9]。小波分析已成功地应用于信号处理、图像处理、语音识别和机械故障诊断等各领域,在气候研究中也应用广泛。小波分析不仅可以给出某一时间序列变化的尺度,还可以显示出各频率随时间的变化以及不同频率之间的关系。本文采用标准Morlet小波来分析济南城市热岛效应的周期性特征,并利用小波方差来诊断各周期振荡的强度。Morlet小波[10]是复数形式的小波,其实部和虚部位相相差π/2,可以消除实数形式小波变换系数模的振荡,因而比实数形式的小波在应用上有更多的优点。
2. 济南市区热岛水平空间分布特征
该论文选取16个市区及近市区站点，选取八个郊区站点的平均温度作为背景温度，即T郊区=（T圣井+T曹范+T潘村+T长清工会干部学院+T张夏+T崔寨+T孙耿+T白云湖）/8，逐个计算16个市区站的QUHI值，得出济南市水平空间热岛强度的分布特征（图1-图2）。
从热岛强度分布图上可以看出，济南城市热岛与城市空间形态结构基本一致的，以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。由于济南市区东部平坦开阔，发展很快，城市热岛逐步向东部发展，热岛中心有呈东西条状发展的趋势。到达天桥收费站、河务局等济南近郊区，城市热岛迅速降低，但因为在城乡交界带上，已有城市热岛特征体现。早期Oke[11]根据北美加拿大多次观测城市热岛的实例概括的城市热岛气温剖面图：从郊区到城郊结合部，气温陡升，被称为“陡崖”(cliff)；到了市区气温保持平缓一致，因下垫面不同有所起伏，该段称为“高原”(plateau)；在市中心人口密集人类活动最为集中的区域，气温达到最高点，称之为“高峰”(Peak)。济南城市热岛的空间分布也遵循了这一规律，泉城广场、市政府是济南的“高峰”，天桥收费站、河务局是“陡崖”区，而市区热岛分布并不平缓，由于城市发展不是很均衡，下垫面差异较大，热岛强度有所差别。
3. 济南市区热岛效应的时间分布特征
3.1 济南城市热岛的季节变化在时间域上的分布
为了分析济南市区热岛效应的时间分布特征，取2008年1月、7月每天24个热岛强度值作为研究对象，进行墨西哥帽小波变换。取1月代表冬季，7月代表夏季，画出相应的小波变换等值线图和曲线图(见图3和图4)。等值线图表示的是不同尺度下的小波变换；曲线图表示的是小波方差。
从小波波幅变化情况来看，小波中心形成正负振荡的形式，与城市热岛形成很好的一一对应关系。热岛越强,热岛变化越剧烈，则对应的波幅等值线越密集，波幅的绝对值越大；反之，波幅等值线越稀疏，表示热岛变化不明显，对应的热岛越弱， 即正的波幅对应强热岛，且热岛变化剧烈；反之则与弱热岛对应，热岛变化缓慢。
由图3a可见,济南冬季热岛变化存在准24 h和准270 h的主振荡周期,以及準90 h、准110 h 准170 h的次周期。分析它们存在的阶段可知，准24 h和准270 h的主振荡周期在整个时间序列中一直明显存在；准90 h的次周期在整个时间序列中也有所表现，准110 h的次周期主要存在于上旬和中旬；准170 h的次周期主要存在于下旬。
从小波方差(图3b)所反映的各周期对应的振荡强度来看,在整个周期域上，准24h所对应的日变化周期最显著,其反映的小波方差最大。其次是准270 h所代表的旬变化，其他尺度周期所反映的小波方差都相对较小，表明日变化和旬变化是济南冬季城市热岛的主要振荡周期。对于准270 h周期所代表的热岛强度的旬变化。从图3a中还可以看出，其波峰 (正中心)主要出现在1月4日、14日及25日前后。波谷(负中心)主要出现在1月9日、19日及30日前后。
在夏季(图4a) ，济南热岛变化存在准24h、220～300 h的主振荡周期，以及60～90h的次周期。准24h、220～300h的主振荡周期在整个时间序列内一直明显存在。准60～90h的次周期在整个时间序列中也有所表现。对于220～300h周期所代表的旬变化，从图3a7月5日、15日及25日前后。波谷(负中心)主要出现在7月10日、20日及30日前后。
各周期对应的小波方差(图4b)表明，准24h所对应的日变化最显著,其次是220～300h所代表的旬变化。其他尺度周期所反映的小波方差都相对较小，表明济南夏季城市热岛的主要振荡周期仍然是日变化和旬变化。比较夏季和冬季日变化和旬变化，小波方差可以发现，夏季日变化不如冬季明显，但旬变化略强于冬季。
3.2 济南城市热岛的日变化特征分析
小波正负振荡明显,小波波幅变化能较好地反映城市热岛强度的振荡变化情况。我们从24h尺度上来看，可以明显的看出无论冬季还是夏季，城市热岛以日为周期呈规律性变化。城市热岛强度表现为夜间强，白天弱，这是由于白天和夜间的能量平衡的差异、市区与郊区的下垫面性质、大气污染和人为热等不同。白天由于太阳辐射的作用，大气层结一般处于不稳定状况，风速较大，使得城郊近地层湍流加强，热量的垂直和水平交换比夜间强，城市、郊区温差迅速缩小，城市热岛较弱。夜晚的大气层结较为稳定，甚至出现低层逆温，不利于大气湍流的发展；而且城市下垫面多为水泥、柏油、混凝土等构成，颜色较深，它们具有热容量大，导热率高的特点，能吸收大量的太阳辐射。这些在白天吸收和贮存的热量，夜晚又会散发到大气之中，通过长波辐射提供给空气的热量比郊区多，再加上市区空气中大量的CO2等温室气体及颗粒污染物更多地吸收地面长波辐射，加热大气使空气中的热量不易很快散失，导致城市大气温度进一步上升，相对于快速降温的郊区来说，容易形成夜间城市热岛，因此夜间城市、郊区温差迅速增大，城市热岛较强。
4. 结论
（1） 在空间分布上，无论春、夏、秋、冬，济南城市热岛均以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。
（2） 热岛强度以冬季最强，秋、春季次之，夏季最弱。
（3） 济南冬季和夏季城市热岛的主要振荡周期是以准24h为代表的日变化和准270h所代表的旬变化为主。夏季日变化不如冬季明显，夏季旬变化略强于冬季。
（4）城市热岛以日为周期呈规律性变化。城市热岛强度表现为夜间强，白天弱。
参考文献:
[1] 周淑贞.束炯.城市气候学[M]。北京：气象出版社，1994.
[2] 白虎志.任国玉.方锋.兰州城市热岛效应特征及其影响因子研究[J]。气象科技，2005，33（6）：492-495.
[3] 周淑贞.张超.上海城市热岛效应[J].地理学报，1982，37(4)：244-345.
[4] 束炯.江田汉.杨晓明.上海城市热岛效应的特征分析[J]。上海环境科学，2000，19(11)：532-534.
[5] 张景哲.刘启明.北京城市气温与下垫面结构关系的时相变化[J].地理学报，1988，43(2)：159-168.
[6] 林苗青.黄锦速.杜勤博.汕头市城市热岛效应特征分析[J].安徽农业科学,2010(27):15214-15217.
[7] 赵小艳.杨沈斌.申双和.等.基于遥感的南京市城市热岛效应时空演变分析[J].安徽农业科学,2009,37(22):10776-10778.
[8] 何萍.李宏波.云贵高原中小城市热岛效应分析[J].气象科技，2002，30（5），288-291.
[9] 彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京:科学出版社,1999:13-21.
[10] 江田汉.束炯，邓莲堂.上海城市热岛的小波特征[J].热带气象学报，2004，20(5):515-522.
热岛效应 第12篇
1 城市发展对环境的污染及整治
环境的恶化与城市建设的规模、密度、汽车化直接相关。引发当今世界气温普遍升高的温室气体排放过量和城市化的过快发展有着千丝万缕的联系。人们抱怨天气越来越热, 这样的变化不但与全球气温升高有关, 更直接的原由还在于城市热岛效应。
1.1 大量废气的排放产生热岛效应
热岛效应是一种怎样的物理现象?近年来, 城市发展迅速使得城市人口集中, 交通拥塞, 大量汽车尾气与工业废气的排放使大气污染严重, 城市中的建筑大多为石头和混凝土建成, 它的热传导率和热容量都很高, 加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用, 可使城市年平均气温比郊区可高2摄氏度, 甚至更多, 在温度的空间分布上, 城市犹如一个温暖的岛屿, 从而形成城市热岛效应。
1.2 热岛效应的危害
首先, 酷热的天气给人们的生产生活造成严重影响, 甚至造成一些人因中暑而死亡。
其次, 热岛现象加剧了大气污染。城市地面散发的热气形成近地面暖气团, 将城市烟尘罩在下面不能流通, 形成对人体有害的“烟尘穹隆”。而大气污染物中的有害物质会腐蚀建筑物和工业品, 影响工业生产;阻碍生物生长, 危害农业生产;毒害野生动物, 加剧生态失衡;刺激人的眼鼻, 引起呼吸道疾病、急性中毒, 甚至致癌!
同时, 热岛现象造成局部地区水灾。城市产生的上升热气流与潮湿的海陆气流相遇, 会在局部地区上空形成乱积云, 而后降下暴雨, 每小时降水量可达100毫米以上, 从而在某些地区引发洪水, 造成山体滑坡和道路塌陷等。此外, 热岛现象还会导致气候、物候失常。
最新研究表明, 人的性格与气候有关。居住在寒冷地带的人, 因为室外活动不多, 大部分时候在一个不太大的空间里与别人朝夕相处, 养成了能控制自己情绪、具有较强耐心和忍耐力的性格。居住在温暖宜人的水乡的人们, 因为水网海滨气候湿润, 风景秀丽, 万物生机盎然, 所以人们往往对周围事物很敏感, 比较多愁善感, 也很机智敏捷。而生活在热带地区的人, 为了躲避酷暑, 在室外活动的时间比较多, 所以性格暴躁易发怒。如果我们对热岛效应听之任之, 人类会变得更加暴躁和冷漠。
1.3 形成热岛效应的大致原因
热岛效应的大致形成原因, 其可分解为以下几点:
(1) 城市内各工业企业拥有大量锅炉、加热器等耗能装置以及各种机动车辆。这些机器和人类生活活动都消耗大量能量, 大部分以热能形式传给城市大气空间。
(2) 城区大量的建筑物和道路构成以砖石、水泥和沥青等材料为主的下垫层:这些材料热容量、导热率比郊区自然界的下垫层要大得多, 而对太阳光的反射率低、吸收率大;因此在白天, 城市下垫层表面温度远远高于气温, 其中沥青路面和屋顶温度可高出气温8摄氏度~17摄氏度。此时下垫层的热量主要以湍流形式传导, 推动周围大气上升流动, 形成“涌泉风”, 并使城区气温升高;在夜间城市下垫面层主要通过长波辐射, 使近地面大气层温度上升。
(3) 由于城区下垫层保水性差, 水分蒸发散耗的热量少 (地面每蒸发1克水, 下垫层失去2.5千焦耳的潜热) , 所以城区潜热大, 温度也高。
(4) 城区密集的建筑群、纵横的道路桥梁, 构成较为粗糙的城市下垫层、因而对风的阻力增大, 风速减低, 热量不易散失。 (在风速小于6米每秒, 可能产生明显的热岛效应, 风速大于11米每秒, 下垫层阻力不起什么作用, 此时热岛效应不太明显) 。
(5) 城市大气污染使得城区空气质量下降, 烟尘、S02、, N0x, C0, 含量增加, 这些物质都是红外辐射的良好吸收者, 至使城市大气吸收较多的红外辐射而升温。
1.4 降低热岛效应的方法
降低热岛效应可以从绿化城市及周边环境方面入手, 首先应把消除裸地、消灭扬尘作为城市管理的重要内容。除建筑物、硬路面和林木之外, 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。
其次我们可以选择高效美观的绿化形式, 比如包括街心公园、屋顶绿化和墙壁垂直绿化及水景设置。居住区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。这样可有效地降低烟尘、S02、N0x、C0含量, 获得清新宜人的室内外环境同时有效地拟制大气吸收较多的红外辐射而升温。
再者要统筹规划公路、高空走廊和街道这些温室气体排放较为密集的地区的绿化, 营造绿色通风系统, 把市外新鲜空气引进市内, 带走不易散失的热量以改善小气候。并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, 减弱热岛效应;
上述方法都只能针对热岛效应形成的客观原因, 而真正要做到遏制它就要遏制人工热源。即人类活动、社会发展、城市建设、工业生产过程中消耗过量的有机物产生的能量, 而其大部分能量以热量的形式散发到周围的环境中。现在国家正在大力发展水能、太阳能、风能、潮汐能、核能源等绿色可再生能源, 逐步减少煤炭、石油、天然气等有机燃料的过度使用。这些绿色能源将自然界一种能量转换为能为人们利用的能源的同时, 不会产生的能量大部分不能被利用而散发, 而是随着自然界运动消失在自然界中。相对于现有的技术, 新能源的大规模应用还有一定的时间, 而提高现有能源利用率能实际有效地解决能源危机和人工热源问题。
2 节能减排提高能源利用效率
石油、天然气资源在国计民生中占有极其重要的位置, 是社会发展和人类生存不可缺少的资源。过去石油是直接点燃, 是不完全燃烧, 而改变它的状态将其转化为气态, 可以大大地提高能源的利用率, 使其可以大部分被燃烧。
其次是能源的二次利用, 以发动机为例, 每次喷油后, 无论怎么都无法使燃料完全燃烧, 还有许多的燃料被浪费了。对于这部分能源, 如果可以加以收集, 必会节约大浪的燃料, 提高燃油利用率。
再者加强节能管理, 物尽其用就相当于变相的节约能源。随城市规模扩大, 经济持续增长, 建筑业是能源需求增长较快的领域, 我国每年新增建筑面积高达18亿-20亿平方米, 是世界上最大的建筑市场。目前, 建筑能源消耗已经占全国能源消耗总量的27.5%, 民用建筑节能潜力巨大。
根据原建设部对民用建筑节能标准实施情况的调查, 全国按照民用建筑节能标准建造的民用建筑项目, 2004年仅为20%, 2007年为71%, 仍有近30%的新建建筑尚未达到民用建筑节能标准。
目前政府缺乏有效的民用建筑节能激励措施, 对民用建筑节能在补贴、金融、税收等方面的激励措施非常有限, 民用建筑节能工作推进十分困难。
为了解决上述问题, 迫切需要通过立法, 确立相应的法律制度和措施, 加强对民用建筑节能的管理, 降低民用建筑使用过程中的能源消耗, 提高能源利用效率。
3 新能源的开发和利用
进入新世纪, 能源短缺使节能建筑得到长足发展。特别近几年, 建筑上的低碳技术日新月异, 根据取材的不同分为5类:
3.1 光能, 让太阳为人类点灯取暖
太阳能在建筑上的应用分为两大分支:光电与光热直接利用。阳光发电又分为光热发电和光伏发电, 目前通常所说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电, 这是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。除了大规模的并网电站, 光伏电池板还可以装饰楼顶和墙面、窗户。光伏发电在北方、南方、东部各地都有规模化应用, 只有成都、重庆等几个光照率较低的地区, 在实际应用中还有些技术上的难题需要破解。光热直接利用, 主要形式是太阳能热水器。从2009年起, 光伏发电与太阳能热水器组合利用显现出优势。
3.2 自然风, 让房间清新如田野, 过分依赖空调的时代过去了
自然通风渐成风尚。建筑的自然通风有两种形式, 一是传统意义上的完全靠自然风的流动调节室内风流风速, 二是利用无动力屋顶通风设备调节风流风速。无动力通风设备无需维修, 能永久维持正常运转, 还有极好的耐腐蚀性和防水性。因为不使用马达动力, 从而实现免电力免成本运转, 运转也基本没有噪音。建筑对自然风利用的另一形式是楼宇小风电, 这种技术已在上海等地试用。其原理是在楼宇的高处安装小型风电机, 扑捉楼宇间的“夹道风”, 让其带动风机发电。
3.3 玻璃纤维, 让自然光照亮地下室
这是一种用玻璃纤维将自然的光亮引入地下室的技术。采用天然导光技术, 将室外自然光通过专用导光材料引入地下建筑, 如地下商场、地下车库、地下设备房及半地下室等采光不足区域。通过与人工照明的有机结合, 不仅可以大大节省建筑用电, 降低运营费用, 还可以提高地下空间的光环境质量。当然玻璃纤维传递光线还存在一些技术问题, 比如不能太长, 也不能有太多折。
3.4 地源热泵, 将地下热量带入房间
地源热泵系统是一种利用浅层地热能, 以土壤 (地下水、地表水等) 作为冬季热源和夏季冷源, 通过热泵机组向建筑物提供热量和制冷, 并可同时制备生活热水的新型中央空调系统。过程是这样的:在建筑物边上挖两眼井, 通过冷热交换, 形成一个闭路循环, 在冬季把地热能中的热量“提取”出来, 传送到室内以用于取暖和制造生活热水;在夏季, 把室内的热量“提取”出来传送到地下。
3.5 夹心墙, 废物变成环保墙
这是一种环保型墙壁, 它像一块夹心饼干-剥开表层类似石膏板的面板, 中间10厘米厚的“夹心层”是蜂窝状的纸板。这种墙体材料阻燃防潮, 施工简单, 强度与普通砖墙相当, 其原材料都来自废弃物-外面用矿渣加工而成, 内里的纸板则是再生纸。更重要的是, 这种夹心墙垒的房屋在使用过程中因保温好而节能减排。
4 人类的觉醒
进入2000年前后, 世界各国在经济发展的同时也逐步关注环境恶化的趋势。2009年12月全球气候大会在哥本哈根召开, 世界的目光开始聚集在这个童话般的国度丹麦。哥本哈根会议在经历了曲折后, 以大会决定的形式发表《哥本哈根协议》。该文件坚持了《联合国气候变化框架公约》及其《京都议定书》的双轨制, 进一步明确了发达国家和发展中国家根据“共同但有区别的责任”原则, 分别应当承担的义务和采取的行动, 表达了国际社会在应对气候变化长期目标、资金、技术和行动透明度等问题上的共识。世界各国都认识到温室气体的排放对气候变暖有重要影响, 全球主要的温室气体排放“大户”均公布了自身的减排目标。看来人类对于气温的显著升高的不适应深有感触。对气候和环境的关注开始占据人们生活的重要部分。节能减排则是当下的主要话题。
