城市熱島效應

19世紀初，英國氣候學家路克·霍德華（Luke Howard)在《倫敦的氣候》 一書中，首先提出了“熱島效應”的氣候特徵理念。隨著城市建設的高速發展，城市熱島效應也變得越來越明顯。海島上的地面氣溫，由於高於周圍海上氣溫，並因此形成海風環流以及海島上空的積雲對流，這是海洋熱島效應的表現。進入21世紀，由於城市人口集中，工業發達，交通擁塞，大氣污染嚴重，且城市中的建築大多為石頭和混凝土建成，它的熱容量低，熱傳導率高，加上建築物本身對風的阻擋或減弱作用，可使城市年平均氣溫比郊區可高2℃，甚至更多，在溫度的空間分佈上，城市猶如一個溫暖的島嶼，從而形成城市熱島效應。

熱島效應，城市白天和黑夜的熱島效應受城市下墊面（大氣底部與地表的接觸面）特性的影響。城市內有大量的人工構築物，如混凝土、柏油路面，各種建築牆面等，改變了下墊面的熱力屬性，這些人工構築物吸熱快而熱容量小，在相同的太陽輻射條件下，它們比自然下墊面（綠地、水面等）升溫快，因而其表面溫度明顯高於自然下墊面。

城市地表含水量少，熱量更多地以顯熱形式進入空氣中，導致空氣升溫。同時城市地表對太陽光的吸收率較自然地表高，能吸收更多的太陽輻射，進而使空氣得到的熱量也更多，溫度升高。如夏天裡，草坪溫度32℃、樹冠溫度30℃的時候，水泥地面的溫度可以達到57℃，柏油馬路的溫度更高達63℃，這些高溫物體形成巨大的熱源，烘烤著周圍的大氣。

城區大量的建築物和道路構成以磚石、水泥和瀝青等材料為主的下墊層，這些材料熱容量、導熱率比郊區自然界的下墊層要大得多，而對太陽光的反射率低、吸收率大；因此在白天，城市下墊層表面溫度遠遠高於氣溫，其中瀝青路面和屋頂溫度可高出氣溫8℃～17℃。此時下墊層的熱量主要以湍流形式傳導，推動周圍大氣上升流動，形成“湧泉風”，並使城區氣溫升高；在夜間城市下墊面層主要通過長波輻射，使近地面大氣層溫度上升。由於城區下墊層保水性差，水分蒸發散耗的熱量少（地面每蒸發1g水，下墊層失去2.5kJ的潛熱），所以城區潛熱大，溫度也高。。

城市內擁有大量鍋爐、加熱器等耗能裝置以及各種機動車輛。這些機器和人類生活活動都消耗大量能量，大部分以熱能形式傳給城市大氣空間。工廠生產、交通運輸以及居民生活都需要燃燒各種燃料，每天都在向外排放大量的熱量。工廠、機動車、居民生活等，燃燒各種燃料、消耗大量能源，無數個火爐在燃燒，都在排放熱量。

除了綠地能夠有效緩解城市熱島效應之外，水面、風等也是造成城市熱島的因素。城區密集的建築群、縱橫的道路橋樑，構成較為粗糙的城市下墊層、因而對風的阻力增大，風速減低，熱量不易散失。在風速小於6 m/s時，可能產生明顯的熱島效應，風速大於11 m/s時，下墊層阻力不起什麼作用，此時熱島效應不太明顯。

水的熱容量大，在吸收相同熱量的情況下，升溫值最小，表現出比其他下墊面的溫度低；水面蒸發吸熱，也可降低水體的溫度。風能帶走城市中的熱量，也可以在一定程度上緩解城市熱島。因此在城市建築物規劃時，要結合當地的風向，不要把樓房全部建設成為東西走向的，要建設成為便於空氣流通的模式；同時，最好將一些單位的高院牆拆掉，建成柵欄式，增加空氣流通。

城市中的機動車輛、工業生產以及大量的人群活動，產生了大量的氮氧化物、二氧化碳、粉塵等，這些物質可以大量地吸收環境中熱輻射的能量，產生眾所周知的溫室效應，引起大氣的進一步升溫。市大氣污染使得城區空氣質量下降，煙塵、、，CO含量增加，這些物質都是紅外輻射的良好吸收者，至使城市大氣吸收較多的紅外輻射而升溫。

大氣污染在城市熱島效應中起著相當複雜特殊的作用。來自工業生產、交通運輸以及日常生活中的大氣污染物在城區濃度特別大，它像一張厚厚的毯子復蓋在城市上空，白天它大大地削弱了太陽直接輻射，城區升溫減緩，有時可在城市產生“冷島”效應。夜間它將大大減少城區地表有效長波輻射所造成的熱量損耗，起到保溫作用，使城市比郊區“冷卻”得慢，形成夜間熱島現象。

城市裡中綠地、林木和水體的減少也是一個主要原因。隨著城市化的發展，城市人口的增加，城市中的建築、廣場和道路等大量增加，綠地、水體等卻相應減少，緩解熱島效應的能力被削弱。城市的建築、廣場、道路等等大量增加，綠地、水體等自然因素相應減少，放熱的多了，吸熱的少了，緩解熱島效應的能力就被削弱了。既然城市中人工構築物的增加、自然下墊面的減少是引起熱島效應的主要原因，那麼在城市中通過各種途徑增加自然下墊面的比例，便是緩解城市熱島效應的有效途徑之一。

城市綠地是城市中的主要自然因素，因此大力發展城市綠化，是減輕熱島影響的關鍵措施。綠地能吸收太陽輻射，而所吸收的輻射能量又有大部分用於植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉化為化學能，用於增加環境溫度的熱量大大減少。綠地中的園林植物，通過蒸騰作用，不斷地從環境中吸收熱量，降低環境空氣的溫度。每公頃綠地平均每天可從周圍環境中吸收81.8兆焦耳的熱量，相當於189台空調的製冷作用。園林植物光合作用，吸收空氣中的二氧化碳，一公頃綠地，每天平均可以吸收1.8噸的二氧化碳，削弱溫室效應。此外，園林植物能夠滯留空氣中的粉塵，每公頃綠地可以黏滯留粉塵2.2噸，降低環境大氣含塵量50%左右，進一步抑制大氣升溫。

中國春節期間的人口大遷徙被稱為世界上每年最大規模的人類遷移，人次多、周期短、方向性強，具有很強的規律性。最新研究結果表明，中國春節期間大規模人口遷移對城市熱島效應有顯著影響，這種影響尤以夜間更為明顯。春節期間城區人口大規模移出減少了人類活動，進而減少了來自於汽車尾氣排放、工業生產的能源消耗、城市建築物的各種消耗等人為熱的釋放及影響一些其他的過程，導致城市熱島明顯減弱。在北京、深圳等大城市也存在類似的現象，超大城市、大城市人口遷移對城市熱島效應的影響卻不一定比普通城市更強。因為春節期間城市熱島變化會受到人口流動量、氣候背景場以及人為熱的構成等因素的影響。例如，冬天，北方城市用於取暖的人為熱的釋放要比南方城市大得多。關於人類活動對氣候影響方面的研究主要集中在溫室氣體排放、土地利用以及氣溶膠等的作用方面。但是，人口遷移流動對氣候有無影響、影響有多大尚沒有引起足夠的重視。

熱島效應是由於人們改變城市地表而引起小氣候變化的綜合現象，在冬季最為明顯，夜間也比白天明顯，是城市氣候最明顯的特徵之一。城市熱島效應使城市年平均氣溫比郊區高出1°C，甚至更多。夏季，城市局部地區的氣溫有時甚至比郊區高出6°C以上。原則上，一年四季都可能出現城市熱島效應。此外，城市密集高大的建築物阻礙氣流通行，使城市風速減小。由於城市熱島效應，城市與郊區形成了一個晝夜相同的熱力環流。

基於ETM+遙感數據的城市熱島效應研究

1、數據準備及預處理

DEM數據，以及ETM+兩期影像，分別為1999年和2003年，對影像進行幾

何精準校正。

2、地表溫度計算

根據史蒂芬-波爾茨曼定律，地物的輻射強度與溫度的4次方成正比，所以地物溫度的微小差異就會引起熱紅外輻射的明顯變化。熱紅外波段(8-14μm)是研究地表熱輻射特性的一般窗口, 該波段內太陽輻射能量很小，地物反射的太陽能量可忽略不記，故遙感在熱紅外波段內所響應的主要是地物本身的熱輻射。本方案利用 ETM+熱紅外亮溫計算公式將第六波段影像灰度值轉換成像元亮溫值。

由於大氣輻射和地表熱特性的影響，衛星高度的亮溫與實際地表溫度有較大差距。因此對於要求精度較高的地面熱量空間分析，需要進行精確的地溫反演。本方案採用單通道演演算法計算地表溫度。

3、比輻射率反演

由於研究區域有大量水體，因此本方案採用1996年Valor提出的使用NDVI計算植被複蓋率，從而推出比輻射率的計算方法。

4、土地利用類型分類

遙感解譯的IUCC數據為以遙感圖像計算機屏幕人機交互直接判讀為核心的全國土地利用遙感製圖技術方案，同時採用基於遙感監測的土地利用

/土地復被分類系統，從而保證了遙感人工解譯的精度。

5、回歸分析

通過遙感影像不同波段計算出NDVI，MNDWI和NDBI等指數，並分別與地表溫度進行回歸分析。

6、模擬結果

基於以上分析，得到香港九龍及港島地區城市熱島現狀的結果並對結果進行分析。主要分析如下：

(1) 研究區熱島效應的空間分佈狀況

(2) 研究區熱島效應與下墊面性質的關係

(3) 研究區熱島效應與各指數之間的關係

(4) 研究區熱島效應的發展趨勢及改善措施

由於熱島中心區域近地面氣溫高，大氣做上升運動，與周圍地區形成氣壓差異，周圍地區近地面大氣向中心區輻合，從而在城市中心區域形成一個低壓旋渦，結果就勢必造成人們生活、工業生產、交通工具運轉中燃燒石化燃料而形成的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氫化合物等大氣污染物質在熱島中心區域聚集，危害人們的身體健康甚至生命。表現在：

一方面，大量污染物在熱島中心聚集，濃度劇增，直接刺激人們的呼吸道粘膜，輕者引起咳嗽流涕，重者會誘發呼吸系統疾病，尤其是患慢性支氣管炎、肺氣腫、哮喘病的中老年人還會引發心臟病，死亡率高，如英國倫敦在1952年12月份，因為這個原因死亡4000餘人。

第二方面，大氣污染物還會刺激皮膚，導致皮炎，甚而引起皮膚癌。有的物質如鉻等，若進入眼內會刺激結膜，引起炎症，重者可導致失明。汞的含量較多，可損害人的腎臟，引起劇烈腹痛、嘔吐。汞慢性中毒還會損害人的神經系統。

第三方面，長期生活在熱島中心區的人們會表現為情緒煩躁不安、精神萎靡、憂鬱壓抑、記憶力下降、失眠、食慾減退、消化不良、潰瘍增多、胃腸疾病複發等，給城市人們的工作和生活帶來說不盡的煩惱。在我國素有“火爐城市”之稱的南京、武漢、重慶等許多大城市在發展中都不同程度地出現了以上這些現象，所以，城市熱島效應已成為城市發展中應正確面對、亟待解決的問題。

第四方面，對居民生活和消費構成影響的主要是夏季高溫天氣下的熱島效應。為了降低室內氣溫和使室內空氣流通，人們使用空調、電扇等電器，而這些都需要消耗大量的電力。如2012年美國1/6的電力消費用於降溫目的，為此每年需付電費400億美元。高溫天氣對人體健康也有不利影響。

第五方面，有關研究表明，環境溫度高於28°C時，人們就會有不適感；溫度再高還容易導致煩躁、中暑、精神紊亂等癥狀；氣溫持續高於34°C，還可導致一系列疾病，特別是使心臟、腦血管和呼吸系統疾病的發病率上升，死亡率明顯增加。此外，氣溫升高還會加快光化學反應速度，使近地面大氣中臭氧濃度增加，影響人體健康。

研究表明：城市綠化復蓋率與熱島強度成反比，綠化復蓋率越高，則熱島強度越低，當復蓋率大於30%后，熱島效應得到明顯的削弱；復蓋率大於50%，綠地對熱島的削減作用極其明顯。規模大於3公頃且綠化復蓋率達到60%以上的集中綠地，基本上與郊區自然下墊面的溫度相當，即消除了熱島現象，在城市中形成了以綠地為中心的低溫區域，成為人們戶外遊憩活動的優良環境。

1．選擇高效美觀的綠化形式

、包括街心公園、屋頂綠化和牆壁垂直綠化及水景設置，可有效地降低熱島效應，獲得清新宜人的室內外環境。

2．居住區的綠化管理要建立綠化與環境相結合的管理機制並且建立相關的地方性行政法規，以保證綠化用地。

3．要統籌規劃公路、高空走廊和街道這些溫室氣體排放較為密集的地區的綠化，營造綠色通風系統，把市外新鮮空氣引進市內，以改善小氣候。

4．應把消除裸地、消滅揚塵作為城市管理的重要內容。除建築物、硬路面和林木之外，全部地表應為草坪所復蓋，甚至在樹冠投影處草坪難以生長的地方，也應用碎玉米秸和鋸木小塊加以遮蔽，以提高地表的比熱容。

5．建設若干條林蔭大道，使其構成城區的帶狀綠色通道，逐步形成以綠色為隔離帶的城區組團布局，減弱熱島效應。

減少人為熱的釋放，盡量將民用煤改為液化氣、天然氣並擴大供熱面積也是根本對策。提高能源的利用率，改燃煤為燃氣。控制使用空調器，提高建築物隔熱材料的質量，以減少人工熱量的排放；改善市區道路的保水性性能。

從城市氣象規劃設計出發應考慮：

1、要保護並增大城區的綠地、水體面積

。因為城區的水體、綠地對減弱夏季城市熱島效應起著十分可觀的作用。

2、城市熱島強度隨著城市發展而加強，因此在控制城市發展的同時，要控制城市人口密度、建築物密度。因為人口高密度區也是建築物高密度區和能量高消耗區，常形成氣溫的高值區。

3、建築物淡色化以增加熱量的反射。

4、此外，“透水性公路鋪設計劃”，即用透水性強的新型柏油鋪設公路，以儲存雨水，降低路面溫度。

5、形成環市水系，調節市區氣候。因為水的比熱大於混凝土的比熱，所以在吸收相同的熱量的條件下，兩者升高的溫度不同而形成溫差，這就必然加大熱力環流的循環速度，而在大氣的循環過程中，環市水系又起到了二次降溫的作用，這樣就可以使城區溫度不致過高，就達到了防止城市熱島效應的目的。

6、提高人工水蒸發補給，例如噴泉、噴霧、細水霧澆灌。

7、市區人口稠密也是熱島效應形成的重要原因之一。所以，在今後的新城市規劃時，可以考慮，在市中心只保留中央政府和市政府、旅遊、金融等部門，其餘部門應遷往衛星城，再通過環城地鐵連接各衛星城。

如北京市位於平原中部，三面環山。由於山谷風的影響，盛行南、北轉換的風向。夜間多偏北風，白天多偏南風。因此，在擴建新市區或改建舊城區時，應適當拓寬南北走向的街道，以加強城市通風，減小城市熱島強度。綜上所述，熱島效應給人們帶來的危害的確不小，但若能夠正確的利用已有的技術，控制城市的過快發展，合理規劃城市，這個問題並非不可解決。

2015年2月，科學家利用城市和鄉村站的氣溫差來表示城市熱島效應強度，對比了多年平均的春節黃金周和春節前後四周的熱島效應來檢測和量化人口遷移的影響。根據他們的研究，以哈爾濱市為例，1992年到2006年多年平均的春節黃金周的城市熱島強度明顯小於其前後四周的值：就日平均溫度城鄉差而言，城市熱島強度比春節前後四周的熱島強度平均值少了0.65℃，相對而言，春節黃金周的城市熱島強度比它前後四周的值降低了43%；就日最高溫度城鄉差而言，春節黃金周的城市熱島強度與春節前後四周平均值比降低了0.31℃，但因城市熱島強度在白天相對較弱，相對變化卻達到了48%；春節黃金周人口遷出對熱島強度的影響在夜間尤為明顯，在春節黃金周時，日最低溫度城鄉差表徵的城市熱島強度為0.48℃，比其前後四周小了1.14℃，相對變化高達71%。