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1、热岛效应机理及物理模型热岛效应机理及物理模型独立学者：纪永臣独立学者：纪永臣手机号码：手机号码：13842144147完成时间：完成时间：2017 年年 5 月月完成地点：辽宁朝阳完成地点：辽宁朝阳热岛效应机理及物理模型热岛效应机理及物理模型一、对城市热岛效应进行理论研究的必要性一、对城市热岛效应进行理论研究的必要性热岛效应提出已经有 200 多年的历史， 但早期的热岛效应对大气运行和环境的影响并不严重，所以关注程度不大，只是在气象领域对其现象进行论述，没有对其进行深入的理论研究。近几十年来，随着中国城市化进程的加速，超级城市不断涌现，而随着汽车的普及和居民空调负荷的大力攀升，超级大城市能源消
2、耗强度也越来越大，导致城市热岛效应也更加突出，导致环境问题日趋严重，北京、广州等超大城市本世纪以来夏季季节的灰霾现象连续出现，但对灰霾天气的成因则众说纷纭，至今尚没有深入的理论研究。随着我国雾霾污染问题日趋严重， 社会各界对雾霾问题的理论研究逐渐展开，雾霾大气学从理论上对雾霾的成因进行分类，提出了热岛型固体颗粒霾污染和热岛型光化学霾污染概念。因此，对热岛效应进行深入的理论探讨十分必要和迫切。热岛效应在学术上属于热力工程范畴， 但长期以来都是大气学科进行研究，很少见热力工程专家介入研究。本文将利用热力学理论对热岛效应的进行分析和研究。二、热岛大气环流概念及物理过程二、热岛大气环流概念及物理过程1
3、、热岛大气环流概念城市热岛效应在热力学上也可称为“热岛大气环流热岛大气环流”，其产生的根源是人类活动产生了大量废热， 这些废热通过辐射传递和混合传统等方式加热了周围空气，城市贴地层空气被加热后产生向上垂直抬升运动，垂直抬升的热空气上升到高空强风区被高空西风携带转向水平扩散， 城市贴地层热空气抬升后形成低压区，城市周边冷空气被吸附向市区汇集，就这样不断循环流动、形成持续的城市热岛散热环流，把城市废热扩散到大气层。热岛散热环流按热力学理论可以分为冷空气吸收阶段、 城市废热排放、混合加热阶段、垂直抬升阶段和水平扩散阶段等五个过程。其中：冷空气吸收阶段：被加热后产生向上抬升后，贴地层大气产生低压，吸附
4、城市周边冷空气向市区汇流，使市区贴地层大气保持正常。产生冷空气向城市中心流动的动力是城市贴地层热空气抬升后的低压， 这是保持热岛大气环流能够持续进行的必要条件。城市废热排放： 城市废热包括太阳辐射排热 （扣除植物吸收热量）+ 城市人类活动总能耗（城市总用电量、城市总汽车耗能量、城市总工业动力用煤油气量、 城市生活用煤油气量、 城市人群总食品耗量等） - 排放至江河湖泊中废热量。 这些热量通过人体或设施的转换最终把热量排放至城市贴地层大气中，是热岛大气环流的热源。混合加热阶段：太阳辐射排热主要为热辐射方式，人类活动排热包括辐射排热方式和其他直接或间接加热方式。垂直上升阶段：根据雾霾大气学理论，热
5、空气垂直抬升的高度与热空气温度成正比，与城市占地面积及能源消费总量成正比，热空气温升越大、城市占地面积越大、能源消费量越多则热空气抬升温度越高，热岛效应后果越明显。水平扩散阶段：这是一个新的提法，只有从热力学角度才能做此类分析，是以前热岛效应研究迟迟得不到科学解释的原因所在。这个阶段是影响热岛大气环流的关键因素，是全回路的核心阻力。也是热岛型霾污染形成的关键因素。2、热岛大气环流与城市热岛效应当城市人类活动产生了大量废热，当城市规模不大、或城市能源消费总量较小、或城市水平风速较大时，大气处于正常的水平运动并能够将城市废热完全扩散出去，城市热岛效应基本没有；当城市规模很大、或城市能源消费总量很小
6、、 或城市水平风速较小时， 热岛大气环流形成，大量的城市废热通过热岛大气环流进行扩散， 虽然城市大气温度有所升高，但废热释放正常，城市热岛效应凸显；当城市规模超级大、或城市能源消费总量过高、或城市水平风速趋于 0 时，热岛大气环流运动受到阻碍，城市废热排放困难，城市大气温度升高明显，热岛效应产生实质性危害。3、热岛大气环流原理图4、热岛大气环流主要参数用热岛大气环流理论分析， 城市热岛效应的影响主要取决于城市大量的废热能不能顺利的扩散出去， 而城市废热的扩散程度取决于热岛大气环流能否正常运行。根据热力学理论原理，热岛大气环流的主要参数包括： 热岛大气环流速度 （Vq） 、 全流程阻力 （hz）
7、 、 热岛实体高度 （Hr） 、浮动盖高度（Hf）、水平扩散通道高度（H）、热岛温升（t）和边界大气层水平风动能（Nsp）等。由于热岛大气环流理论尚处于提出阶段本文只其主要参数进行定性分析。热岛大气环流速度（Vq）热岛大气环流速度（Vq）=热动力（Frd）/全流程阻力（hz）热岛大气环流速度（Vq）理论计算复杂，这里只做定性分析。全流程阻力（hz）全流程阻力（hz）=冷空气通道阻力（h1）+热辐射区阻力（h2）+热岛出口碰撞阻力（h3）+水平扩散通道阻力（h4）由于城市热岛设计范围庞大，冷空气通道很大，冷空气通道阻力很小并且变化不大，可以认为冷空气通道阻力为 0，即 h1=0由于城市废热排放和
8、对大气加热以辐射加热方式为主， 对热岛大气环流的阻力很小并且变化不大，可以认为热辐射区阻力为 0。即 h2=0热岛出口碰撞阻力（h3）是热岛垂直抬升气流与高空水平运动大气碰撞形成的阻力，h3数值与热岛实体高度和热岛出口水平风速有关，当热岛实体高度很高时，垂直抬升气流会与速度很高的水平气流碰撞，这时候的热岛出口的 h3 会很大； 反之， 当热岛实体高度较低时 h3会很低。水平扩散通道阻力（h4）是热岛出口水平扩散阶段的运动阻力，h4数值与水平扩散通道大小（H）密切相关，当热岛实体高度很高时，水平扩散通道H 很小，h4阻力值相对很大；反之，当热岛实体高度较低时 h4会很低。综上所述，全程阻力的大小
9、与热岛实体高度密切相关，当热岛实体高度增长的一定高度后， 全程阻力急剧增加， 这是热岛效应的实质所在。全程阻力（hz）只与热岛出口阻力和水平扩散通道阻力有关。热岛温升（t）热岛温升与热岛大气环流速度成反比， 在城市总废热排放量确定的情况下，热岛大气环流速度越低、热岛温升（t）越大，热岛效应越明显；反之热岛大气环流速度越高，热岛温升（t）越小，热岛效应不显著。浮动盖高度（Hf）浮动盖高度（Hf）即为城市热岛垂直抬升气流的最大抬升高度，与热岛垂直抬升气流温度成正比，与城市上空大气水平运动速度成反比。浮动盖高度（Hf）理论计算比较难，使用热成像仪实测更为便利。热岛实体高度（Hr）热岛实体高度（Hr）
10、就是被城市废热加热的空气的垂直抬升高度，是决定热岛效应强弱核心指标。Hr值与总废热排放量成正比，与边界大气层水平风速成反比，与热岛大气环流风速成反比。水平扩散通道（H）水平扩散通道高度（H）直接反应了城市大气热交换能力，可以形象的反应热岛大气环流的通畅程度。H 小则热岛大气循环受阻、城市热岛效应强；反之H 大则热岛大气循环通畅、城市热岛效应弱。边界大气层水平风动能（Nsp）边界大气层水平风动能（Nsp）是城市热岛效应最重要的外部条件，（Nsp）大则热岛实体高度就会小些，热岛效应（Nsp）小则热岛实体高度就会大些。边界大气层水平风动能（Nsp）与风速成正比、与大气密度成正比。过顶风过顶风是判断热
11、岛实体高度的一个主要参数， 是指水平运动大气不受热岛影响掠过热岛实体的气流。5、热岛大气环流的应用热岛大气环流形成原因是城市废热形成的垂直抬升气流， 限制热岛大气环流的主要因素是城市高空浮动盖对抬升气流的压制作用。热岛大气环流是散发城市废热的最重要的通道， 利用热岛环流理论可以更好的解释城市热岛效应发生过程。当城市规模超级大、或能源使用强度特别大、或者边界大气层水平运动速度很低时，城市热岛大气环流遇阻，造成城市废热散发困难，促使大气温度进一步上升，又引发热岛实体高度增加而挤压水平扩散通道高度， 又进一步限制热岛大气环流正常运行，这样反复恶性循环，导致城市气温明显高于周边地区，城市污染物扩散困难
12、而加剧了城市的大气污染水平，其过程见下图。三、热岛效应的实质和热岛效应原理图三、热岛效应的实质和热岛效应原理图1、热岛效应的实质城市热岛效应实质是一个完整的城市废热向外释放的热力过程。2、城市热岛效应原理图我们用热力学理论去分析城市热岛效应， 可以得出完整的科学的诠释。城市热岛效应的实质就是一个完整的城市废热向外释放的热力过程，其物理特性可以用城市热岛效应原理图表示。四、城市热岛效应的发生条件城市热岛效应的发生条件1、热岛效应最主要的外部因素热岛效应最主要的外部因素是边界大气层水平风动能（F0x），按流体力学原理，风动能与风速成正比，与大气密度成正比。根据雾霾大气学概论的分析，夏季高温季节由于
13、太阳热辐射强烈，贴地层 200 米高度被垂直运动层，大气水平风速趋近 0，同时由于大气温度全年最高，大气密度是全年最低的时期。因此，此时的水平风动能是全年最低的，是最容易发生城市热岛效应的时间点。2、热岛效应最主要的内部因素热岛效应主要的内部因素是城市规模和废热排放集中度。 主要因素包括城市总规模、总能源消耗强度和废热排放叠加度等。一般规模的城市热岛效应并不显著，我国只有 1990 年以后北上广等超级城市出现后，热岛效应造成的雾霾现象才开始凸显。城市总能源消费量涵盖总用电量、总汽车耗能量、总工业动力用煤油气量、生活用煤油气量、城市人群总食品耗量。扣除由冷却水带至城市外围的废热， 上述能源最终都
14、会以不同的方式转换为废热排放到城市大气中。根据对城市总能源消费量的分析，汽车耗能集中在早、午、晚三个高峰时期，电力消耗夏季中午为空调电耗的高峰期，其他各类能源消耗比较均匀。废热排放叠加度属于废热排放强度指标， 根据对城市废热排放规律的研究，夏季中午太阳辐射废热、夏季中午空调电负荷和夏季中午汽车耗能相互叠加， 特别是夏季中午空调耗电会向大气释放 4 倍耗电量的废热。是北京全年废热释放的最高峰，这一时间段是热岛效应的最严重时期。综上所述，热岛效应最主要的内部因素是城市废热排放强度，城市废热排放强度最大的时间段是夏季高温季节中午时分。五、逆温差现象形成机理根据热岛大气环流原理，当热岛大气环流受到约束时，限制大气流量的主要阻力是热岛出口碰撞阻力（h3）和水平扩散通道阻力（h4），即热岛内部空气有充分的时间进行热交换， 导致整个热岛内部空气温度基本相同。这个现象在气象学里成为“逆温差现象”。城市热岛效应是导致大气逆温差现象的主导原因。气象部门现在所说的逆温差只是通过实际观测得出的逆温差现象，如果把这些气象观测数据运用“热岛大气原理图”进行分析计算，就可以得出比较准确的城市热岛效应动态模型， 为应对大气污染和减小城市热岛效应危害提出切实的解决方案。
