城市熱島效應研究進展

劉施含 曹銀貴 賈顏卉 周天翔 周書寒

摘 要：近年來，隨著城市化進程的加快，城市熱島效應越來越嚴重。該文通過搜集、歸納、整理大量相關文獻，較系統地反映了國內外城市熱島效應的研究現狀，介紹了常規氣象觀測、數值模擬、遙感監測等主要研究方法，總結了城市熱島的時空變化特征，列出了土地利用規劃布局、人為熱的排放、建筑物的布局與設計等主要影響因素;探討了城市熱島的緩解措施;并對城市熱島未來的研究方向進行了展望。

關鍵詞：城市熱島;研究方法;影響因素;緩解措施;展望

中圖分類號 R122.26文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）23-0117-05

1833年，英國氣候學家Lake Howard對倫敦城市中心的溫度比郊區高的現象進行了文字記載，并把這種氣候特征命名為“熱島效應”[1]。20世紀，城市化進程的加快增強了各種環境威脅，全球氣溫不斷上升，且城郊氣溫差異更加明顯，其中城市熱島效應已成為了最突出的威脅之一[2]，人們開始重視這一問題。Manley于1958年首次提出城市熱島（UHI）的概念[3]。

通過Webof Science對主題“Heat Island”進行國外文獻檢索，發現目前已經發表23324篇文獻。據所得數據顯示，國外的研究是從20世紀60年代開始的，在2018年后有下降的趨勢。說明在傳統領域的研究較為成熟，可以考慮從其他創新角度進行研究，如研究各影響因素的相互關系。從圖1可以看出，工程學、氣象學是主要研究領域，對應的是研究技術分析和熱島的成因分析，而建筑施工學、高分子科學等對熱島效應問題起緩解作用的領域研究則相對較少，這可以指示未來的研究方向。

通過知網對主題“熱島”進行國內文獻檢索，發現目前已經發表4789篇文獻，由論文發表的時間可以看出，國內的研究從20世紀80年代開始的，并且預測2019年的論文數量會有回升的現象，其原因是遙感技術時空分辨率的提高會對研究起到積極的作用。由圖2可知，國內的研究方向對于綠地的研究相對較多，研究也最為成熟，說明綠地對于熱島的影響最為顯著。

城市熱島效應是全球現代化城市氣候變化最為顯著的特征之一，會使氣溫上升，促進污染物的聚集，這不僅會對居民的生活環境和健康狀況產生危害，也會破壞城市生態系統的良性循環，制約著城市經濟的可持續發展[4-5]。學者們應用氣象資料分析方法對北京[6-7]、上海[8]等大城市的熱島進行了研究，發現城市熱島較為嚴重。目前，我國廣泛地經歷著熱島效應，并且其空間范圍在未來幾年仍會進一步擴大。因此，城市規劃者和政府官員必須認真對待這一問題，采取更有效的措施，防止生活環境進一步惡化[9]。

傳統的城市熱島效應研究主要通過地面氣象站資料進行，1972年Rao首次利用衛星遙感手段研究了城市熱島效應[10]。隨著科學技術的進步，國內外學者利用常規氣象觀測、地面遙感監測、數值模擬等研究方法對城市熱島效應的形成機制、強度、時空變化特征、危害以及緩解對策等方面進行了廣泛的研究[11]。本文主要總結了城市熱島的研究現狀，分析了城市熱島的影響因素，并對未來的研究方向進行了展望。

1 研究方法

城市熱島效應的研究具有階段性，最初是利用地面氣象數據進行研究，研究范圍為城市大氣熱島，包括城市冠層熱島和城市邊界層熱島。地面氣象數據雖然在時間尺度上具有連續性的優勢，但往往存在著離散的點數據或線性數據代替面狀數據、尺度轉換精度不高、大型城市平面布局和內部結構特征分析困難等問題[12]。直到1972年，Rao首次利用衛星遙感手段研究了城市熱島效應，研究范圍進一步延伸至城市地表層溫度。相對于城市大氣熱島而言，城市地表層溫度與人體的健康和冷暖感受密切相關，既是描述城市空間熱環境狀況、解釋城市空間熱環境形成的重要參數，也是當前城市空間熱環境研究的核心內容之一，屬于城市地表熱島的研究范疇[13]。隨著研究的深入，城市熱島效應不僅有城市地表熱島和城市大氣熱島的區分，而且有宏觀、中觀、微觀尺度的差別。由此可見，影響城市熱島的各種因素及其相互關系十分復雜。熱島沒有絕對的邊界，對于城市熱島的研究也就不拘泥于固定的方法。一般根據基礎數據來源，將研究方法分為以下3類：

1.1 常規氣象觀測 早期的熱島效應研究基于此種方法。根據監測手段的不同，又可將其細分為以下3種：一是基于氣象站數據的研究，其優點是時間尺度較長、數據獲取完整，缺點是空間分辨率不高;二是基于定點觀測數據的研究，其優點是精度高、儀器布置靈活，缺點是研究區域尺度較小、受周邊環境影響較大且不具有連續監測的能力;三是基于移動樣帶數據的研究，其優點是方便獲取多點數據，缺點是獲取數據時間不同步、儀器靈敏度低、受周邊環境影響較大。針對每種方法的優缺點，不同學者根據實際需要選取并作出適當的改進：對市區溫度或郊區溫度用多個氣象站的平均值代替以削弱偶然誤差來提高精度[14-15];用不同尺度的時間序列對城市熱島時空變化特征進行系統的分析[16-18];通過相對城市中心的距離來劃分城市站和郊區站，更加合理的選取城市和郊區代表站點，客觀的反映城市熱島現象[19-21]。

1.2 數值模擬 其側重于研究城市熱島現象和成因之間的物理本質[22]，經歷了從一維、二維到三維的發展過程。其中，應用最廣泛的是邊界層數值模擬模型，該方法可以模擬復雜地形、人為熱等的影響，比常規氣象觀測的研究范圍更廣。通過定量分析城市下墊面能量平衡與交換，以及溫度場的基本特征，從而分析變化規律、深刻理解地表熱量場的變化機制[23]。

1.3 地面遙感監測 前2類方法基本上是離散點或純概念的研究，真實性和有效性不強。相比之下，遙感監測動態性好、觀測范圍大、獲取成本低、獲取時間短，最近10余年來在我國得到了越來越廣泛的應用。地面遙感監測根據不同標準，可劃分為不同的類型，根據遙感傳感器類型可分為航空遙感數據、航天遙感數據和地面數據3類。根據監測技術主要有以下3類遙感監測方法[24]：一是基于溫度的熱島監測方法，是城市熱島研究最常用、最直觀的方法，原理是熱紅外遙感記錄地表物體的各種輻射之和，經過一定處理后轉換成亮溫或地表溫度。國內外學者根據不同熱紅外遙感數據的特點提出了許多反演溫度的算法，包括大氣傳輸方程、單通道算法、多通道算法和劈窗算法，總的來說，學界普遍認為目前地表溫度反演算法較為成熟、應用性和反演精度最好的是劈窗算法;二是基于植被指數的熱島監測方法，植被指數和城鄉氣溫之間存在線性關系，可用來定性和定量地評價植被覆蓋及其活力;三是基于“熱力景觀”的熱島監測方法，通過遙感技術和GIS技術的結合，精確地分析景觀與熱環境空間格局的關系，不少學者還據此建立了研究方法與評價指標體系[25-26]，但不同的景觀之間的鄰接效應仍將其未來的研究方向。

2 城市熱島的特征

對于城市熱島的特征研究，大多數研究人員選擇把熱島效應定量化為熱島強度，再分析其時空變化特征[27-29]，也有部分學者從最高、最低氣溫的變化分析城市熱島的特征[30-31]。目前的研究主要得到了城市熱島在不同時間范圍內二維或三維空間上的分布規律、強度變化等，大致可以總結為：

2.1 隨時間的變化 城市熱島主要用熱島強度來表示，熱島強度隨時間主要表現出周期性的變化，即日變化、年變化[32]，有些學者研究了季節變化、年代際變化[33-35]。在晴朗無風的天氣下，日變化較為統一，一般表現為白天弱，夜晚強;年變化大多表現為秋冬季強，夏季弱[11，32]。但由于當地的地理位置、地形、氣候條件等各種因素，部分地區不符合上述規律，造成熱島強度的非周期性。李曉敏等[35]等研究發現，成都、重慶的春季熱島強度遠高于其他季節的熱島強度。Forster等[36]研究發現，美國、墨西哥、日本以及中國均存在熱島的周末效應。

2.2 隨空間的變化 在水平方向上分布在人口、建筑物密度大，自然下墊面占比小的區域，熱島強度高，而在植被或水體覆蓋度高的區域，熱島強度低。從行政區域看，熱島主要分布在中心城區和城市的其他中心地帶;從土地利用類型看，熱島主要分布在工商業區域;從變化趨勢看，熱島由工商業區、行政核心區向周邊郊區擴展的趨勢明顯[11，29，32]。

3 城市熱島形成的影響因素

城市熱島形成的能量基礎是熱量平衡、自然因素和人為因素共同作用影響這一平衡[37-38]，具體表現有土地利用規劃布局的改變、人為熱的排放、城市建筑布局與材料等。

3.1 土地利用規劃與城市布局 城市化進程會直接改變土地利用與城市布局，給自然環境所帶來的影響是多方面的，由此造成的城市熱島效應已成為了不可忽略的城市發展負面問題。一方面，城市化進程的加快和城市空間的擴展，最為直接地引發了土地利用類型的變化，土地利用類型變化是影響熱島效應的最大因素[39-41]，其中，下墊面的改變是其最直接的變化之一[42]。隨著城市化進程的加快，城市的下墊面以水泥、瀝青路面、建筑等不透水面為主，會吸收更多的太陽輻射能;郊區的下墊面以植被、水體等自然下墊面為主，其中，植被可以通過蒸騰作用吸收大量熱量，還可以通過遮陰作用和滯留塵埃作用間接地降低環境溫度[43]，水體比熱容大，可以有效吸收空氣中的熱量降低環境溫度[44]。由于這種對于輻射、熱量以及濕度特性的差別，顯著影響熱量平衡，進而引起城郊氣候差別產生熱島效應。研究發現，城市下墊面的潛熱輸送比郊區下墊面小，而用于增溫的顯熱比郊區多，使得城區下墊面溫度比郊區高。白天城市下墊面較郊區下墊面熱儲量較多，而夜晚城市下墊面溫度下降較于郊區較慢，有利于城市熱島的產生[45]。植被對于熱島的形成影響巨大，甚至可以逆轉人口和建筑密度對于氣候的影響[7，46-47]。另一方面，城市化會改變城市布局。不透水面具有空間自相關性[48]，容易形成單中心模式，這樣既會導致建筑物的密集，又會導致人口的密集，然后導致熱量的聚集，最終產生熱島效應。

3.2 人為熱的排放和污染 熱島區域在空間上的分布，與人口分布高度重合[49]。人口密集處熱島作用相對明顯，而人煙稀少的地方熱島作用相對很弱甚至出現冷島。眾多學者研究得出如下結論[50-51]：熱島中心大多位于工商業聚集帶和人口居住密集區等人為熱產生較多的區域，并且分析出日變化和周變化都與人類活動有關，尤其是周變化與人類活動周期明顯相似。同時，人類活動還會產生污染氣體和粉塵，如現階段最大的氣候問題——霧霾，其中的氣溶膠粒子通過散射和吸收地表長波輻射起到一定的保溫作用，對夜間熱島的形成做出了巨大的貢獻[52]，再如二氧化硫等污染物是紅外輻射的良好吸收者，它們吸收的熱量會在夜間釋放出來，使得城市比郊區散熱慢。

3.3 城市建筑布局與設計 城市建筑主要通過以下2個方面影響氣候環境：一方面，城市建筑的布局會改變通風廊道，進而間接地影響散熱，從微觀角度影響熱島效應，并且高密度城市建筑物會阻隔路面發出的長波輻射，與鄰近的建筑物抑制熱對流，引起城市熱島[53]，而且街區尺度的熱島效應明顯，比較發現不同規劃設計方式對微氣候影響明顯：混凝土路面覆蓋率高且建筑樓層高但密度低的區域，由于通風良好，熱島效應得到了有效緩解;即使景觀綠化相對豐富，但是周圍高層、中間多層的規劃設計對通風影響甚大，不利于熱量散發;另一方面，城市建筑外墻的設計也會直接影響吸熱、散熱，王燕飛等[54]選取洛陽城市進行研究，發現城市建筑采用外墻外保溫節能措施有效地達到了冬季建筑節能保溫的效果，但是對于夏季的通風降熱效力較低。城市建筑外墻的設計，即不同的建筑材料有不同的反射率和發射率，對于傳熱等的作用不同[55]。

4 城市熱島的緩解措施

隨著城市的發展和人口的增多，城市熱島效應已成為當今城市發展面臨的一個普遍的環境問題。城市熱島效應成因復雜，是人為因素和自然因素共同作用的結果，主要與土地利用規劃布局、人為熱的排放和污染、建筑布局與設計等有關

4.1 改進土地利用規劃與城市布局 土地利用類型是影響熱島效應的最大因素，植被、水體等自然下墊面的特性決定了它們對于太陽輻射有明顯的隔離作用，具有改善小環境、緩解熱島效應的功能[56-58]。盧惠敏等[59]通過遙感溫度反演發現連片、成規模的綠地和水體更有利于降低熱島效應，但是緊湊型城市由于土地集約利用的需要，大范圍的水體和植被用地是不可能實現的[60]。通過實地研究，郭濟語等[61]發現當城市綠化覆蓋率達到30%以上時，熱島效應明顯減弱，覆蓋率達到60%時，熱島效應可消除。同時，城市布局對于熱量的聚集與疏散具有重要影響。研究表明，風力作用能有效疏散熱流，建設城市通風廊道可以防止廢熱迂回，對緩解熱島效應起到積極作用，因而對于秉持集約原則的城市布局應盡量利用此規律，其中包含道路設計與建筑布局兩大主體。道路設計方面，保持植被與交通道路的分散式分布，并且在設計時應著重考慮季風的盛行風向與道路走向的問題[62]，可以通過對不同熱環境風險等級區域采取不同的發展控制手段，在熱環境安全較好區域進行適度的城市用地挖潛，在熱環境極高風險區嚴禁繼續高強度開發并發展有效降溫措施[63]。建筑布局方面，王燕飛等[64]通過氣候模擬結果建議：一方面住宅區規劃布局應考慮建筑朝向順應夏季主導風向，以利于夏季熱空氣及時流動排出;另一方面，城市住宅區中心應布置一定的開闊場地，以綠地或水面最佳，以利于日間對太陽熱輻射的吸收和夜間對所吸收熱量的釋放。

4.2 減少人為熱 一方面，要控制人為熱的產生，發達的交通道路是一大熱源，控制機動車流量仍是一項必要措施，如限行;也可以通過建設地下交通來控制地面熱量的排放，如地鐵。另一方面，要加快人為熱的吸收，可以通過發展新城的方法，實現熱量從單中心向多中心的疏散與轉移[65]，也可以通過土地利用規劃和城市布局合理配置綠化建設、建筑布局、城市通風廊道建設來達到預期目標。

4.3 改進建筑設計與使用材料 綠化是緩解城市熱島效應的重要因素，綠色屋頂指在建筑物頂部部分或全部覆蓋植被，太陽輻射、外部溫度、相對濕度以及風速等都會降低，而且植物通過生物代謝過程可以吸收大量的太陽輻射，從而有效降低建筑物溫度[66]。因地制宜采用不同的GREI技術，可以提高能源效率、減少空氣污染和增加相對濕度等，總的來說，光伏可以同時轉換太陽能和降低表面溫度，從而進一步冷卻建筑環境[67]。另外，不少學者深入分析了自然下墊面與城市不透水面對于熱量的吸收與釋放差別，發現比熱容差異是重要影響因素[68-69]，道路建設可以采用相對高比熱容的材質，如保水路面或其他新型材料。同時，建筑外墻的材質也具有十分重要的影響，它們通過反射、散射、吸收而起到保溫作用，使用“冷材料”可以明顯降低熱島效應[70]。

5 展望

國內對熱島效應的研究已有30余年，但仍然面臨著小尺度不精確性、非連續性的問題。未來可以從以下幾個方面進行提高與改善：

（1）提高數據獲取精度與準確性。如在熱島監測技術上從宏觀大區域縮小至微觀小區域，以提高遙感反演地溫的精度以及影響因素的準確性[18];在綠地提取上結合實地測量與高分辨率遙感影像[71]。

（2）增強綜合分析能力，提高研究結果的可信度和精確性。熱島與影響因素并非簡單的線性關系，各個因素會有互動影響，可以通過分析因素間的關系、城市熱島與多因素之間的關系進行研究[72];還可以從多學科的角度切入研究[73]。另外，還要解決遙感處理中的高程問題，以考慮高程引起的溫度變化來提高研究精度、擴大熱島監測范圍并進行綜合分析[48]。

（3）在高空間分辨率的條件下實現高時間分辨率，準確反映連續時間段的內的空間變化特征。多平臺共同監測可以實現這一要求，但實現衛星的時空分辨率的共同提升才是最好方式。

這些方面的改進與提升，為城市氣候的定量分析提供了科學依據，通過得到城市熱島形成機理，建立一套高精度熱島效應評估模型，對環境保護起及時、準確的提示作用，讓城市生活更美好。

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（責編：張宏民）