城市热岛效应的研究进展

城市热岛效应的研究进展 城市热岛效应的研究进展 杨萍1,2 刘伟东2 （1 中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；2 中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089） 摘要：城市热岛效应是城市化进程中人类活动与气候系统相互作用所形成的特殊的区域性气候特征随着城市的发展，城市对于气象灾害的承载性变得越来越脆弱，气象条件对城市发展和城市运行的影响越来越大，因此城市热岛效应的研究具有非常重要的研究意义和战略地位基于城市气候特别是城市热岛效应的基本理论和研究方法，回顾了该领域研究工作的发展和研究意义，对国内外城市气候学的几个研究热点和发展趋势进行了总结分析，并在此基础上对城市热岛效应的研究工作进行了初步讨论 关键词：城市气候，城市化，研究进展 Research Advances in the Effect of Urban Heat Island Yang Ping1,2, Liu Weidong2 (1 CMA Training Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089) Abstract: Urban climate is a special regional climate, which results from the local climate circulation and human activities. Urbanization makes cities more and more vulnerable to the meteorological environment and natural disasters. Therefore, research on urban climate is very important to city development and its safety. A basic theory and science research in urban climate is reviewed in the paper. The hot topics and recent advances in the urban climate field are also discussed. Based on the review and discussion, some suggestions are given for the future urban climate. Key words: urban climate, urbanize, research advances 1 引言 至今为止，城市气候研究已经有近200年的历史，Lake Howard于1818年出版的《伦敦气候》[1]一书，是世界上公认的第一本关于城市气候的著作。

自该书问世以来，英、法、德、奥以及北美许多国家陆续开展了城市气候的研究但在19世纪以及20世纪40年代以前，研究的地区偏重于北半球中高纬度的城市，城市气候的研究还没有得到系统和全面的展开第二次世界大战之后，由于城市规模的逐渐扩大，工业化的高速发展，城市污染日趋严重，大气污染问题引起了人们对城市环境的关注，从而推动了城市气候的研究同时，观测手段的日益现代化促使城市气候研究的广度和深度都有了显著的进展此外，世界气象组织气候委员会于1968年在布鲁塞尔召开了第一次国际性城市气候学术会议，在会上呼吁全世界气候学者广泛开展城市气候研究，这对城市气候的研究起了很大的推动作用[2] 我国对城市气候的研究始于1958年，南京大学观测对比了南京市区的温度，收集了珍贵的城市气象资料，为城市气候的研究提供了良好的研究基础1980年秋，中国地理学会在杭州召开了气候学术会议，会上有关城市气候的论文引起了与会者的极大兴趣气候专业委员会对开展这个领域的研究非常重视，成立了城市气候研究组，并决定1982年专门召开城市气候学术会议1982年中国地理学会在厦门召开了我国第一届城市气候学术会议，这标志着我国城市气候研究将开始系统和全面起来。

近二三十年，随着经济水平不断提高，城市化进程加速，城市的大气污染问题日趋严重，城市气候的研究面临着严峻的挑战，城市气候的研究显得非常急迫和必要，具有非常重大的战略意义[3] 2 国外研究进展 2.1 城市气候影响的热岛效应 随着城市化的进程，城市人口聚集、建筑物增多、下垫面改变、交通压力增加、生产规模不断扩大以及人为热等影响日益加剧，引起了市区气象要素的变化，导致了明显的城市气候效应：热岛效应、雨岛效应、污染效应、阳伞效应、减风效应等其中，城市热岛效应是人类活动对气候系统产生的最显著的城 收稿日期：2022年9月5日；修回日期：2022年10月13日 第一作者：杨萍（1981—），Email: yangp@ 资助信息：国家自然科学基金项目（41005043)；战略性科技先导专项（XDA05090202）；公益性行业 （气象）科研专项（GYHY202206016） 市气候效应，城市地表土地覆盖类型的改变使得城市局部大气和地表温度比周围的郊区温度要高[4]一般来说，城市热岛强度与城市的大小存在正相关的关系研究表明，城市热岛效应一般在冬季最为明显，而在春季相对最不明显；对于影响城市热岛效应的气象条件而言，风速是影响城市热岛效应的主要因素，风速越大，城市与郊区的温差越小[5]。

回顾近几十年城市热岛效应方面的研究，在研究区域、研究规模、研究内容和研究深度上都有了长足的发展在研究区域上，不仅研究中高纬度城市的热岛效应，还扩展到了以往研究较少的热带地区；在研究规模上，不仅继续大城市的研究，还加强了对小城镇和小聚落的研究；在研究内容上，不仅关注气温场，还开始探讨城市地温分布上的特征和规律；在研究深度上，不仅对热岛现象本身进行观测研究，还注意了热岛造成的后果或次级效应城市热岛效应与其他的城市气候效应是紧密相关的，因此，正如Oke所指出的：“还需要对城市的风和温度效应，对城市云和降雨量变化的一些极为复杂的问题投入更大力量进行深入研究”[6] 2.2 以数值模拟和遥感技术为研究方法的发展趋势 近几十年，为了从热力、动力等方面对城市气候做定量的分析，普遍将数学模型运用到城市气候的研究中去即根据有关的热力学和动力学方程，建立城市热岛、热岛环流、城市大气污染物的扩散和城市逆温层分布等数学模型，并将城市中实测的有关数据代入，进行城市气候的数值模拟试验从数值模拟的已有研究来看，有关城市效应对气象环境影响的数值模拟大体上可以分为三种：（1）传统的平板模式：平板模式中把城市看做同自然下垫面一样的平板结构，忽略了城市中冠层建筑物的三维结构，模式中通过增加粗糙度和降低地表反照率的方法来描出城市地表的特性；另外，平板模式还根据城市下垫面的特性调整SV AT（Soil Vegetation Atmosphere Transfer）部分相关参数来达到模拟城市气象环境的目的。

城市陆面参数化的方案与乡村地区类似，即采用Monin Obukhov相似理论，但外场的观测试验表明这种理论在城市地区应用的合理性值得推敲；（2）OHM模式（Objective Hysteresis Model）：OHM模式是一个基于地表存储热通量与净辐射通量之间经验关系的模式，该方法能够较好地描述地表存储热通量相对于净辐射通量日变化的滞后关系，且能很好地计算热存储的量值；（3）城市冠层模式（Urban Canopy Model）：城市冠层模式认为街渠是构成城市的基本单位，冠层中的物理过程通过代表性的街渠来考虑总体而言，数值模式的模拟研究是在不断的发展中得到进步和完善的，这方面的工作，为城市气候学研究走向定量化起着十分重要的作用 [7-9] 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气候的研究早期主要是利用美国气象卫星NOAA/AVHRR（空间分辨率为1.1km）的热红外波段，如 Carlson利用AVHRR热红外白天和夜间的数据研究了Los Angeles地区的地表温度分布模式，发现城市工业、商业区的日夜温差大于植被覆盖度高的郊区近几年，还有人提出了双通道亮温反演算法、劈窗算法等以提高AVHRR资料的陆面亮温反演精度。

由于NOAA/AVHRR数据的地面空间分辨率较低，该数据只能用于从宏观水平观测城市气候的研究，而无法对城市内部微观的热环境进行有效的观测Landsat TM数据的红热外波段（TM6：10.4～12.5um）则具有较高的空间分辨率（120m），从而能够更好地用于城市气候的研究如Nichol已经成功利用TM数据的TM6波段对新加坡的一些住宅区进行三维空间的亮温反演，获得了亮温的三维分布情况；为了能够更详细地获取城市复杂细微的温度变化情况[8]，Lo等利用5m空间分辨率的航空热红外数据ATLAS和GIS对美国Alabama北部和Huntsville 市进行了城市热岛影响的评价分析[10]航空遥感技术、卫星遥感技术的发展和不断完善，为城市气象的准确监测、城市气候的研究和分析起到了很好的保障作用[11] 2.3 城市气候形成过程和机制的理论研究 城市中的热量平衡和水分平衡问题，是探讨城市气候形成和变化的一个基本问题从能量平衡的角度讲，城市的“人为热”究竟在热量平衡中起多大作用，对于这个问题已有很多有意义的研究结果Oke[12]所著的《边界层气候》一书中，提出“城市建筑物空气体”的热量平衡和水分平衡方程，以大量的观测事实进行逐项分析，发现城市所在纬度的高低对人为热在热量平衡中的作用影响很大。

此外，城市的人口密度、每人平均所消耗的能量、城市的自然条件和功能等都会对其产生影响，对具体城市需要具体分析，不能一概而论Landsberg在《城市气候》一书中也有实例说明了该结论 城市对降水影响的问题，不同国家的研究结果不尽相同大部分研究结果发现城市化有使降水增多的效应，尤其是城市的下风方向[13]也有研究发现城市化对降水的影响不大[14]美国几个大学和研究机构为期5年的城市气候研究计划（简称METROMEX）证实在城市中尤其是下风方向有使降水量增多的效 应[15]此外，在其他国家的一些大城市如亚特兰大、墨西哥城和尼日利亚的伊丹巴等都有因城市化而促使降水增加的效应[16, 17]关于城市使降水增加的机制，一般归结为以下几个原因：（1）城市下垫面粗糙度大，其阻障效应使降水天气系统在经过大城市时，移速变缓，雨时延长；（2）城市热岛效应促使城市空气层结不稳定，热力对流加强，有利于对流性降水的形成；（3）城市中空气凝结核多，当这些凝结核粒子较大而吸湿性能又特别强时，有利于降水的形成[18] 城市人口密度对热岛强度的影响问题，也有很多研究成果Mitchell[19]的研究指出，美国城市最大热岛强度与城市人口的平方根有很好的正相关关系；Oke[20]等指出城市热岛与人口对数存性关系；Fukuoka[21]指出城市人口规模不同，城市热岛强度与人口的关系不同，一般而言，百万人的大城市的平均气温约高于郊区0.5～1.0℃。

此外，关于城市大气化学的研究，城市热岛效应的三度空间分析，城市边界层和城市覆盖层风和湍流的变化，城市雾和能见度的研。