不同地被類型對城市熱環境的影響研究

李翔澤，李宏勇，張清濤，邱國玉

北京大學環境與能源學院, 廣東 深圳 518055

不同地被類型對城市熱環境的影響研究

李翔澤，李宏勇，張清濤，邱國玉*

北京大學環境與能源學院, 廣東 深圳 518055

近些年來我國城市熱環境急速惡化，特別是2013年我國南方多地出現突破歷史極值的極端高溫天氣，嚴重影響了居民正常生活。本研究以深圳為例，運用氣象站定點觀測方法并首次引入運動樣帶觀測方法對深圳市典型地被類型的氣溫進行監測、分析，探討不同地被類型對城市熱環境的影響。氣象站定點監測實驗從2011年6月至今，持續樣帶監測實驗開始于2011年6月結束于2013年7月。本研究詳細紀錄了深圳市西麗大學城及其周邊有典型地被類型的氣溫、太陽輻射、風向、風速等氣象數據。根據不同城市景觀分選出5種不同的典型城市地被類型：城市景觀水、城中村、商業區、城市綠地、郊區。利用觀測獲得的具有高空間分辨度和高時間分辨度的實驗數據對5種不同的地被類型進行分析比較，結果表明：5種不同城市景觀的溫度差異明顯，商業區溫度＞城中村溫度＞城市景觀水區域溫度＞城市綠地溫度＞郊區溫度。城市綠化和景觀水對城市熱島有明顯的緩解作用，城市景觀水可緩解城市熱島強度0.9 ℃，城市綠地可緩解城市熱島強度1.57 ℃。城市綠地的降溫效果比城市景觀水好，比城市溫度的緩解效果強0.67 ℃。人類的周期性活動對區域城市熱島強度有明顯的影響。一周時間內，商業區、城中村、城市景觀水、城市綠地的城市熱島強度均呈“U”字形。周末四種地被類型的熱島強度比工作日要高，分別高出0.65 ℃、0.57 ℃、0.26 ℃、0.21 ℃。

熱環境；城市熱島效應；地被類型；運動樣帶；城市景觀

近些年來我國城市高溫天氣出現的天數逐漸增多。特別是2013年7月以來，我國南方多地出現了突破歷史極值的極端高溫天氣。本次高溫呈現出持續時間長、影響范圍廣的特點。據國家氣候中心以及中國氣象網的資料顯示，今年夏季以來，高溫天氣覆蓋了我國江南、江淮、江漢、黃淮及重慶等地的19個省（區、市）。其中江南、江淮、江漢及重慶8省（市）平均高溫日數達28.8 d，較常年多出一倍以上，平均最高氣溫達35.6 ℃，為1951年以來之最。我國中東部地區有305個觀測站日最高氣溫突破40 ℃，浙江新昌極端最高氣溫達44.1 ℃。有477站次日最高氣溫突破歷史極值，為歷史同期最多。今年7月，南方部分地區平均氣溫與歷史同期相比偏高2 ℃至4 ℃，8月份偏高4 ℃至6 ℃。全球性的氣候變遷是出現大規模的高溫現象的重要原因，同時，城市熱島效應也是城市高溫的另一重要原因。

城市熱島（Urban Heat Island, UHI）是城市熱環境的評價指標之一，是Howard (HOWARD,1833)于19世紀提出的。城市熱島效應是指當城市發展到一定規模時，城市下墊面性質的改變、大氣污染及人工廢熱等行為使熱量在城區范圍內聚集，導致城區溫度明顯高于郊區，形成高溫島嶼的現象（黃偉峰和朱冠友，1988）。隨著城市化進程的加快，我國的城市熱島現象也日益明顯（張恩潔等，2007；張恩潔等，2008；唐國利等，2008；程好好等，2009；趙小峰和葉紅，2009）。城市化是影響城市熱島效應的重要因素（林學椿等，2005；唐國利等，2008），而人類在城市化的過程中扮演了及其重要的角色。城市景觀是聚集的建筑物、產業經濟、人居社區以及被分割覆蓋的自然及半自然的水體和綠色植被之間的網絡組合（陸大道，1999）。不同的城市景觀會對城市熱島效應產生不同程度的影響。關于不同城市景觀對城市熱島效應的影響研究有很多，包括增加綠地面積、鋪設淺色屋頂和路面、降低人工熱排放、增加通風、合理設計建筑、遮陰、屋頂灑水和安裝太陽能發電設備等（RIZWAN等，2008）。水的潛熱非常大，而綠地的植被蒸騰以潛熱的方式可吸收大量熱量，從而有效地降低綠地周邊地區的溫度（CA等，1998；TONG等，2005；YU和HIEN, 2006）。

本研究把城市景觀分為城市商業區、城中村、城市景觀水、城市綠地以及郊區5種。為了深入研究人為活動對城市熱島強度的影響，以及找到有效緩解城市熱島效應的方法，針對5種城市景觀，本文提出兩個假設：（1）由于水體比熱高，并且容易發生相變，可以吸收和釋放大量的熱量，故假設水體比其他城市景觀有更好的降溫效果；（2）城中村中高樓林立，道路狹窄，人口密集，綠化情況很差，故假設5種城市景觀中城中村的城市熱島強度最強。

1 研究區概況

深圳市位于113°46′ ～114°37′ E，22°27′～22°52′N。深圳地勢東部高，西北低，大部分地方為低丘陵地，中間分布著一些平緩臺地，西部沿海一帶為濱海平原。深圳市下轄羅湖、福田、南山、鹽田、保安、龍崗等10個行政區。南山區位于深圳經濟特區西部，全區總面積167.05 km2，2011年年末常住人口109.99萬人（深圳市南山區統計局, 2011）。其中，西麗鎮18.8萬人，人口密度4005人/平方公里（深圳市南山區2010年第六次人口普查數據）。該區以發展高新技術產業為主，轄區地勢南北高，中部低。地形以丘陵、臺地和濱海平原為主。

選擇北大深圳研究生院的鏡湖作為城市景觀水研究。鏡湖是一個占地約9600 m2，最深處約20 cm的接近圓形的城市景觀水池。圍繞鏡湖的是北大深圳研究生院的5棟宿舍樓、食堂、超市以及部分教學樓。

其它4種城市景觀選自運動樣帶實驗，如圖1所示。

左上是郊區：位于深圳市西麗大學城東門附近，113°58.05′～113°58.22′ E，22°35.29′～22°35.43′ N，以自然植被覆蓋為主，人流車流較少。右上是城市綠地：位于北京大學深圳研究生院H棟周圍，113°58.33′～113°58.19′ E， 22°35.82′～22°35.74′ N，有一定的車流量和人流量，綠化與樓房配比很好。左下是城中村：西麗平山村，是一個城中村，113°57.63′～113°57.87′ E， 22°35.19′～22°35.26′ N，其特點是人口密集，周圍高樓林立，綠化程度非常低，道路狹窄，車輛較少。右下是商業區：西麗的鎮中心，113°56.99′～113°57.11′ E ，22°35.05′～22°35.12′ N，其特點是人類活動集中區，綠化很少，道路寬闊，車流量非常大。

圖1 運動樣帶不同地被類型樣地俯視圖（圖中紅線代表樣帶路線）Fig.1 Top view of different urban landscapes (the red line is routes)

2 研究方法

采用定點觀測法與區域樣帶觀測相結合的方法。

2.1 定點觀測法

定點觀測法是指在選定的位置安放儀器獲取氣象數據，定點觀測法的研究區域一般較小，關注小區域內的微氣候，有利于研究特定的城市景觀對城市熱島的影響。比如：鄧蓮堂等（鄧蓮堂等，2001）對上海市的研究，唐羅忠等（唐羅忠等，2009）在南京市的研究，都采用了定點觀測法。本實驗采用定點觀測法研究城市水體對城市熱島的影響，將3對Cu-Co熱電偶（檢測水體的表面溫度，每秒鐘測量一個數值），以及1個Davis Vantage Pro 2小型無線自動氣象站安置在鏡湖中心。在Davis Vantage Pro 2氣象站中融合了雨量采集器、溫度傳感器、濕度傳感器以及風力計。氣象站整機的工作環境為-20 ℃到70 ℃，每1分鐘測量一個數據。所有的實驗數據均通過CR1000數據采集器紀錄并自動整合給出各個指標每10 min的平均值。同時，每天觀察天氣情況，主要關注云量、太陽強度，用來輔助自動氣象站數據準確確定天氣情況。

2.2 區域樣帶觀測

運動樣帶法是指在機動車輛上安裝氣溫、氣象以及定位儀器，連接便攜式數據采集器，在固定的路線重復觀測，以得到具體的實驗數據。不同的運動樣帶實驗，所采取的儀器以及采樣頻率都有所不同，例如Kazimierz Klysik等（KAZIMIERZ和KRZYSZTOF，1999）利用Vaisala HMP-35傳感器，同時安裝在5部車上，研究熱島的空間格局。本實驗使用電動自行車作為移動觀測工具，在車上裝載Cu-Co熱電偶和GPS定位系統，使用CR1000數據采集器，實現數據的自動記錄。組裝圖如圖2。

樣帶位置位于深圳市南山區西麗大學城附近，以西麗大學城北大園區E棟為起點，途徑大學城圖書館、平山村、西麗鎮，繞道清華深研院，最后回到E棟，全長約8 km（如圖3所示）。每2 h觀測一趟，晝夜連續觀測，車速為15 km/h，每次耗時30 min左右，熱電偶每秒鐘輸出一個數值，數據采集器記錄時間間隔為5 s。樣帶上設置了12個計時點，用秒表記錄到達每一個點位的時間，以保證速度的穩定。本實驗紀錄的數據包括途經路線的經緯度、氣溫、風速，樣帶路線如圖3所示，圖中紅線為樣帶路線，紅線左右兩側取150m內景觀為研究區域。

圖2 運動樣帶實驗設備示意圖（底圖來源: YOKOBORI & OHTA（YOKOBORI和OHTA，2009），本實驗組設計、組裝、安置各項儀器）Fig.2 Thermistor sensors and GPS device mounted on the observation e-bike (Revised from Yokobori & Ohta, 2009)

圖3 運動樣帶路線示意圖（圖中紅線為樣帶路線）Fig.3 The schematic of belt transect routes (the red line is routes)

3 結果與分析

本文選取了2011年7月、8月、9月、10月以及11月的觀測數據進行分析。城市熱島強度在每年的冬季會達到最強，但是從今年夏季的城市高溫現象來看，夏季的城市熱環境對人們日常生活影響更大。所以本文選擇了深圳市溫度最高的5個月份，以此來探究高溫季節中不同地被類型對城市熱環境的影響。

3.1 5種城市景觀全天整點熱島強度

如圖4所示，橫坐標是整點時刻，縱坐標是定點觀測的溫度以及樣帶實測的溫度。從圖4可知，在5種城市觀景中的氣溫高低次序為：商業區＞城中村＞城市景觀水＞城市綠地＞郊區。

根據城市熱島強度的計算公式：

如上公式所示：UHI是城市熱島強度，T城區是指城區的氣溫，T郊區是指城市郊區的氣溫。

從行政劃分的角度，本研究區沒有明顯的城區郊區之分，但是為了計算出城市熱島強度，本研究根據城市郊區的特點選出一塊樣地作為郊區。選該塊樣地為郊區的原因有：1、從圖3可以看到綠地樣塊植被覆蓋率很高；2、此樣地沒有高層建筑，通風效果好似；3、此樣地人流車流量都比較小；4、通過數據統計，發現此樣地的氣溫相對偏低。根據以上分析，下文的城市熱島強度計算方法就是用各種城市景觀的氣溫減去郊區的氣溫，得圖5。

圖4 5種城市景觀平均氣溫圖（誤差棒正負各是一個標準差）Fig.4 5 kinds of urban landscape’s average temperature

圖5 5種城市景觀全天整點熱島強度圖（誤差棒正負各是一個標準差）Fig.5 5 kinds of urban landscape’s urban heat island intensity

如圖5所示，橫坐標是整點時間，縱坐標是城市熱島強度。4種城市景觀一天的城市熱島強度均呈現明顯的”U”字形變化。在凌晨0點左右達到最高，在中午12點左右達到最低。這與前人的研究結論相一致。一些研究認為出現這個現象的原因是：城市建筑物的密集和地面硬化程度高使得城區比郊區具有更小的熱容量和更快的吸收率，所以城市大氣在日間存儲了較多的熱量。同時城市人為熱源的釋放遠比郊區多, 因此造成同一時間城區氣溫普遍高于郊區。日間由于太陽輻射增溫使得城郊近地層對流加強, 熱量的垂直和水平交換比夜間強, 故白天郊區熱島效應較弱。到了夜間，城市空氣中大量的CO2等溫室氣體及顆粒污染物更多地吸收地面長波輻射, 使空氣中的熱量不易散失, 因此夜間城市、郊區溫差迅速增大。

根據目前的研究文獻，日城市熱島強度在2點鐘左右達到最高。因此在下文中的研究中，主要選取2點和14點的數據作為對照。

3.2 5種城市景觀2點與14點熱島強度

如圖6所示，左圖是每天2點氣溫圖，右圖是每天2點的熱島強度圖；如圖7所示，左圖是每天14點的氣溫圖，右圖是每天14點的熱島強度圖。圖6、7使用兩個典型的時間點展示了白天與黑夜的氣溫、熱島強度的對比。14點的氣溫平均比2點的高5.20 ℃（表1），熱島強度比2點的低1.20 ℃（表2）。從圖6、7還可得知，凌晨2點的氣溫、熱島強度的區分度都相對14點的好，且本研究所選擇的樣地分層效果較佳，大致表現為商業區的熱島強度最高、城中村次之、鏡湖第三、城市綠地最低。

圖5、6、7的結果否定了本文的兩個假設。即：假設水體比其他城市景觀有更好的降溫效果；假設現在城市中城中村的城市熱島強度應該最大。從圖9可知，城市綠地對城市熱島效應的緩解作用比城市景觀水更強，校園的氣溫比鏡湖氣溫低約0.75 ℃；商業區的城市熱島強度最高，比城中村高約0.45 ℃，比校園高約1.57 ℃。

圖6 5種城市景觀2點平均溫度與平均熱島強度圖Fig.6 5 kinds of urban landscape’s temperature and urban heat island intensity at 2 o’clock

圖7 5種城市景觀14點平均溫度與平均熱島強度圖Fig.7 5 kinds of urban landscape’s temperature and urban heat island intensity at 14 o’clock

表1 5種城市景觀2點鐘與14點平均氣溫Table1 5 kinds of urban landscape’s temperature at 2 o’clock and 14 o’clock

表2 5種城市景觀2點鐘與14點鐘平均熱島強度Table2 5 kinds of urban landscape’s urban heat island intensity at 2 o’clock and 14 o’clock

綜上所述，城市景觀水可減緩城市熱島強度0.9 ℃，城市綠地可減緩城市熱島強度1.57 ℃。城市綠地的降溫效果比城市景觀水好，比城市景觀水的減緩效果強0.67 ℃。分析原因，雖然水體能在短時間內吸收和釋放大量熱量，但城市景觀水的面積以及水體的體積都是有限的，且城市水體白天吸收的部分熱量會在夜晚釋放到大氣中，使得夜晚城市溫度下降不明顯。然而，城市綠地系統有很好的分層，相比景觀水體，相同的占地面積，綠地可以多出更多蒸發面積且遠遠大于景觀水面積。因此，綠地具有更好的降溫效果。

3.3 人類周期活動對城市熱島強度的影響

除以上研究之外，本研究還發現熱島強度跟人類周期性的活動有密切的關系。現今人們正常的生產生活活動是以一周為周期，周一至周五工作，周末兩天休息。根據上文的研究發現，凌晨的熱島強度區分比較明顯，于是做出圖8、9。

如圖8所示，2點鐘熱島強度圖，縱坐標是熱島強度，橫坐標是星期。從圖8發現，熱島強度在每周周末達到最高，而周三熱島強度最低。然而，周三城市景觀水的熱島強度有一個明顯的上升，推測是由于本實驗樣地位于北大深圳研究生院的宿舍區，師生的日常活動規律跟社會人士不盡相同。從圖8可以看出，一周時間內，不同景觀的城市熱島強度都呈現出“U”字形變化。商業區、城中村、城市景觀水、城市綠地4種景觀在周六、周日的熱島強度都比周一到周五高，分別高出0.65 ℃、0.57 ℃、0.26 ℃、0.21 ℃。

圖8 5種城市景觀2點鐘熱島強度圖（誤差棒正負各是一個標準差）Fig.8 5 kinds of urban landscape’s urban heat island intensity at 2 o’clock

圖9 5種城市景觀4點鐘熱島強度圖（誤差棒正負各是一個標準差）Fig.9 5 kinds of urban landscape’s urban heat island intensity at 4 o’clock

4 結論

通過數據的處理，不同樣地的對比。我們可以得出如下結論：

（1）5種城市觀景的氣溫高低次序為：商業區＞城中村＞城市景觀水＞城市綠地＞郊區。商業區、城中村、城市景觀水、城市綠地4種城市景觀一天的城市熱島強度變化規律基本一致，均呈現明顯的”U”字形變化。城市熱島強度在每天夜晚達到最大值。

（2）城市綠化和景觀水對城市熱島效應有明顯的緩解作用，城市景觀水可緩解城市熱島強度約0.9 ℃，城市綠地可緩解城市熱島強度1.57 ℃。城市綠地的降溫效果比城市景觀水好，對城市溫度的緩解效果比城市景觀水強0.67 ℃。因此，綠地具有更好的降溫效果。

（3）人類的周期性活動，對區域城市熱島強度有明顯的影響作用。一周時間內，不同城市景觀的城市熱島強度均呈現“U”字形變化。商業區、城中村、城市景觀水、城市綠地4種城市景觀在周末的熱島強度都比周一至周五高，分別高出0.65 ℃、0.57 ℃、0.26 ℃、0.21 ℃。

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Study on reducing effect of different urban landscapes on urban temperature

LI Xiangze, LI Hongyong, ZHANG Qingtao, QIU Guoyu*
School of Environment and Energy, Shenzhen Graduation School of Peking University, Shenzhen 518055, China

Through continuous belt transect monitoring from June 2011 to July 2013 and fixed-point weather station monitoring from June 2011 to the present, we have recorded the temperature, sun radiation, wind direction, wind speed and other metrological data in detail at Xili University Town, Shenzhen, and other representative locations in its neighborhood. According to different ground covers, we have selected 5 different urban landscapes, including urban waterscape, village in the city, shopping center, urban greenness and suburb. According to the monitoring results, the periodical activities of human beings exert a significant effect on strength of the local urban heat islands. For different urban landscapes, the temperature of Saturday and Sunday is higher than that of working days from Monday to Friday. The temperature difference between the 5 different urban landscapes is significant, i.e. shopping center ＞ village in the city ＞ urban waterscape ＞ campus ＞ urban greenness ＞ suburb. At the same time, compared with shopping center, urban waterscape can reduce the strength of local urban heat island by about 0.9 ℃, and urban greenness by about 1.57 ℃. Abstract:

urban thermal environment; urban heat island; belt transect monitoring; urban Landscapes

X16

A

1674-5906（2014）01-0106-07

李翔澤，李宏勇，張清濤，邱國玉. 不同地被類型對城市熱環境的影響研究[J]. 生態環境學報, 2014, 23(1): 106-112.

LI Xiangze, LI Hongyong, ZHANG Qingtao, QIU Guoyu. Study on reducing effect of different urban landscapes on urban temperature [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 106-112.

深圳市哲學社會科學“十二五”規劃（125A037；125A019）；深圳市發改委新能源學科建設扶持計劃

李翔澤（1988年生），男，碩士研究生，主要從事氣候變化以及城市熱島效應方向的研究。E-mail：xiangzeli.lxz@gmail.com

*通訊作者：邱國玉（1963年生），男，教授，博士生導師，主要從事環境與能源信息工程方向的研究。E-mail：qiugy@pkusz.edu.cn

2013-10-15