城市热岛研究综述

丁海勇+史恒畅+罗海滨

摘要：本文通过对过去50年的城市热岛研究，做了做了详细分析和总结。在此基础上，提出了形成城市热岛的具体原因，并对城市热岛呈现出的规律做了总结。对城市热岛的研究方法有多种，主要有下面的研究方法：数值模拟法和气象资料分析法以及遥感监测法的应用及优缺点，指出了在对城市热岛进行研究时，通常都会出现的问题和难点。针对城市热岛的解决办法做了大量研究，并对城市热岛遥感研究的趋势和方向进行了展望。

关键词：地表温度；遥感；热岛效应

一.引言

1.1研究背景

伴随着经济的快速发展，出现了许多问题状况。人口数量不断增加，城市加速扩建。城市化和居民的日常活动多多少少都会对城市气候产生影响。在这些影响中，热岛效应最为突出。城市热岛作为城市气候的重要体现，它会对人类的生活以及所在的环境产生重大影响。所以，人们对此也是倍加关注。城市热岛是当下人类最需要优先解决的问题。

1.2研究内容

城市热岛效应与暴雨、热带气旋等相比，存在很大的不同。它一般不会直接引起灾害。它通常是通过改变水循环过程和大气层结构等对人类产生间接伤害。一方面是经济的快速发展，城市化速度加快，生态环境越来越严峻。另一方面人类对大自然的索取越来越多，这使得两者的矛盾越来越严重，造成城市热岛效应问题越来越严重。

二.热岛效应

2.1热岛效应的概念

经过对大量的实验数据做分析比对，现在基本可以确定城市的气温往往要比郊区高，这也是城市气候呈现出的特征。如果将这些特征绘制成等温线图，那么必定会出现闭合的等温线。人们一般会把闭合区内的高温区域看成孤岛一般，称其为“城市热岛”，对于这种温差现象，人们称之为“热岛效应”，有时会统称为城市热岛。

2.2热岛效应的时空分布与形成机制

2. 2.1热岛效应时空分布

经过研究可以看出，热岛的空间分布有一些普遍的规律和特征可循，然而每个城市又有各自的特点，这取决于城市的地理位置、城市结构、建筑物的密度、类型、建筑材料等。通常热岛现象在老城区、机场、火车站、工业区、商业区等地区较为明显等。在水平方向，城市高温区域通常出现在人口多、建筑群密集、商业活动相对活跃的城区。在垂直方向，因城市间存在差异，故城市热岛强度也会有所不同。通常情况下，在白天时，城郊不会出现太大的区别；在夜间时，城郊气温存在垂直变化不同的状况，城市的热导相对比较明显，强度也会比较大，由下而上呈现递减趋势，当达到一定高度时，会出现“交叉现象”。郊区整层通常都会表现为逆温辐射。

随着时间不断变化，城市热岛有明显的日变化。Oke经过大量研究提出，处于中纬度的城市，在理想情况下，热岛强度通常呈现出的是夜间现象，造成这一现象的原因是城乡冷却率存在差异，并不是因为加热率存在差异。在白天时，乡村加热往往要比城内快，热岛呈现减弱趋势，这种变化现象不单单是出现在中纬度区域，在其他区域也存在相似的变化，根据徐颂、杨士宏等长时间观测，广州城市热岛强度在白天时会比较弱，太阳落山之后热岛强度快速提升，当到晚九点时，达到最高值；早晨太阳升起之后，热岛强度逐渐变弱，当到下午一点时，出现全天最弱值1。城市热岛的时间分布则随着季节的改成也会出现相应的改变。但是在上述变化时，因地区直接存在很大的差异，会出现许多复杂情况。热岛效应会因区域气候和人们的日常活动的不同，而呈现出不同。在中国季风气候区域，城市热岛的强度会在秋冬季时期达到最高值，在春夏时期达到最低值。也有一些城市的城市热岛呈现周变化规律，在周六与周日时城市热岛会比较弱，其他时间则有所增强。

2.2.2热岛效应形成机制

不少学者对城市热岛的产生和发展，也做了大量的研究工作，对城市热岛的产生和发展原因做了比较系统的研究和论述，主要分为以下几点：

1.关于城市下垫面性质的改变：由于城市受到下垫面特征的影响，城市中建有有大量的人为构建筑、比如人们建设的楼宇、柏油路面、混凝土等的不断增多，导致绿化地和水体等因素的锐减，使得下垫面的热力属性发生了变化。加上地面含水量的缺失，导致大量的热量进入到空气中，从而使气温不断上升。

2.人为热岛效应和大气污染：由于社会经济的不断增长，以及城市化进程的迅速加快，在工业生产、家庭炉灶等多方面的耗能下，废热排放量的增加，导致各个城市区域多了大量的热量输出。其中，数大气污染最为显著。城市中的工业生产、交通工具和人们生活习惯等因素的影响，悬浮颗粒物密集、温室气体量的提高以及大气中二氧化碳、二氧化硫等有毒气体的增多，都是导致热量和污染加重的原因，其中对城市热岛效应影响最大的是大气总悬浮粒物和温室气体，由于它们会吸收下垫面热辐射，所以容易造成温室效应，从而导致大气温度的升高。

3.城市规模、形状和所处的地理位置：随着现在城市化的发展，人口数量的不断增加，城市建筑物、道路以及广场等大面积的增多，导致绿化地、水体等逐渐减少，由于柏油路面和水泥地会吸收大量的太阳辐射，具有极高的蓄热功能，因此，和绿化地比起来，更容易导致城市气温的升高，城市缓解热岛效应的能力被削弱。

三.热岛效应研究方法

关于城市热岛现象的研究，由于所研究范围、对象以及目的的不同，所采用的方法也会不一样，总结起来，主要分为三个部分，第一个是通过气象运动模式做相关的数值模拟，第二个是通过气温资料对城市热岛进行研究，第三个是通过卫星遙感影像反演地表温度，从而来研究城市热岛效应的时空分布特点。

3.1传统观测方法

传统的城市热岛效应采用的计算方法都是通过现代气象数值模拟或是遥感技术来进行的，以往研究热岛效应的方法也有多种，张景哲等学者认为，根据气象台所记录的气象数据，郊区站点和城市站点之间的差距，选用关联的指标，就能分析出郊区或是城市在时间序列上的热岛效应变化，这种方法具有时间跨度大的特点，可以有效分析出序列热岛的演变情况，不过研究结果多数会受到气象站点设置的环境或是数量的影响，加上观测点的变化以及习惯等因素都会对测定结果造成影响。选点观测通常是利用小的气候观测仪进行人工布点来做水平方向测定的，有时也可以通过探空气球观测垂直方向的热岛变化来测量，因为采用的都是实地测量，所以会具备极高的时间分辨率，不过缺点是只能用在小范围内，且耗时耗力，不容易获得大、中的温度信息；郭勇等学者认为，除了这个方法，还有流动观测法，此方法主要是通过便携式数据采集系统或者是车载气温气象观测仪器来进行流动观测与记录的，这个方法从整体涉及到了前两种算法的特点，能有效的克服定点观测的局限性问题，观测的数据也更具有代表性以及科学性，不过对于不一样的样线观测，不可以同时进行，这就容易造成采集的数据缺乏可比性。

3.2数值模拟方法

数值模拟法是通过实际所监测到的数据，在通过数学建模来实现的，主要是在城市边界层模式与气候统计模式的基础上进行的，周淑贞与张超等学者认为，在多数情况下，此方法是用来研究尺度下的热岛环流的极限风速与动力学特征，孙旭东等学者认为，也有可能是用来分析地形共同作用于温度分布与城市边界层热流特征的变化，数字模型的原理是基于贯穿数据的推算或是对城市热岛产生的演绎过程得出的，此方法具有省时省力的优点，能够降低现场的观测工作量，不过，这个方法根据的模型都是在理想状态下进行的，未考虑到研究对象在实际应用中所遇到的复杂情况，一般说来，还不能完全替代现实的观测过程。

3.3遥感反演方法

使用以往的城市热岛研究方法，由于技术不够先进，存在着诸多局限，不能很好的研究出城市热岛的内部结构以及空间布局等方面的问题，随着科学技术水平的提高，现代的遥感技术与地理信息系统解决了这些缺陷，弥补了传统算法中的不足。遥感信息反演方法通常是根据热红外传感器对城市地物辐射率的不同来反演的，可结合多样数据类型来进行。

3.3.1单窗算法

单通道算法并不能自己实现计算，而是基于卫星传感器上的热红外通道所带来的辐射计算出地表温度的一种算法。这种算法需要两个条件才能实现，一个是要大气温度的垂直廓线数据，另一个是湿度数据，通过限定的大气模式计算大气透过率与大气辐射，使用大气辐射传输方程来计算出地表的辐射值，如果地表的辐射率已经知道的话，就能够计算出地表的温度。

3.3.2多窗算法

分窗算法也被称之为劈窗算法，此方法是基于卫星观测到的热辐射数据为标准，通过大气所在两个波段上的吸收率差异来消除大气所造成的影响，然后再根据这两个波段的线性组合算出地表的实际温度。现在，关于反演地表温度的诸多方法中，其得到了广泛运用，不过也有一些不足，此方法所制定的参数只能在局地上适用，不适合用于全球尺度范围，所以，不能对真实的实际变化准确反映出来。如果大气中的含量与地表比辐射率发生比较大的变化时，采用此种算法就会造成较大的偏差。分窗算法对于研究路面辐射率精度不够，因为路面实况比较复杂多样，但是对于研究海面却具有较高精度，主要原因是海水的辐射率具有恒定性，变化不大。

3.3.3多通道多角度算法

多角度算法指的是如果大气所处的水平方向是均匀的，此方法可通过相同的目标在不一样的观测角度下，研究大气对地表辐射吸收率所存在的差异。多角度观测可以是不一样的卫星对同样的目标进行观测，也可以是相同的卫星在不一样的角度下观测，采用此方法要优于分窗算法。不过除了拟大气在水平方向的均匀的外，这种方法还需要一个前提条件，那便是其中的一個观测角度需要经过一个很长的大气路径，不然这种算法就无法实现，此外，还需要了解地表比辐射率随着角度所发生的变化量。

截止今时，通过热红外遥感对地表研究的方法，已获得不错的成绩，使用红外感，能得到一定的地表温度信息，和传统的地表温度测量不同的是，它的速度更快、更便捷、测量范围也更大，可以保持信息的连续性等优点，不过会因为大气的影响与地表比辐射率的不稳定性，关于地表温度的反演精度往往会受到影响，总的来说，目前的热外遥感还不能完成满足人们的实际应用精度要求，当务之急，是解决热红外遥感数据反演地面温度时所存在的难点和重点。

结论：本文基于近五十年来城市热岛效益的成果做了综合总结，对形成城市热岛的原因进行了分析，并总结了有关城市热岛的变化规律和特征，主要通过以下三种方法来研究：第一种是遥感监测法、第二种是气象资料分析法、第三种是数值模拟法，通过这几种方法的应用和优缺点，对城市热岛的减缓对策进行了深入探讨。遥感监测具有时间同步性好、覆盖范围广的特点，克服了用气象资料研究城市热岛的不足。已有学者如何降低热岛效应做了科学探究，例如通过可以提高太阳光反射率的材料，使用可以减少节能户外建筑材料、改用渗透性的地面铺装材料等，这些将是未来热岛效应研究的重要方向之一，而减缓城市热岛效应是较为系统的综合性项目，要想取得较好的效果，建设出绿化生态城市，需要各个方面的相互配合与努力，才能成就一个社会、经济以及自然和谐发展的美好愿景。