城市热岛效应研究综述

城市热岛效应研究综述

张明月

沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168

摘要

随着我国高速化发展，城市人口激增，进一步导致建筑容积率不断上升，且城市建筑群逐渐向高密化转变，进一步阻挡城市空气流动，降低城市通风能力，从而加重城市热岛效应。本文对现阶段国内外针对热岛效应的研究现状进行说明，阐述了影响热岛效应的部分因素，并提出现阶段较为有效缓解热岛效应的措施。

关键词：热岛效应；地表温度；

引言

城市热岛效应（Urban Heat Island Effect，UHI）指在城市化发展过程中，由于城区下垫面性质及结构变化、人为热的排放、建筑及道路密集等导致城区温度明显高于郊区，形成类似“高温岛屿”的现象^［1］。世界各国的速发展，因此对生活环境的追求更高，也就将目光投向保护环境，城市热岛受到国内外学者的着重关注，各国学者针对城市热岛的产生原因、作用机制以及如何缓解展开了大量研究。

1 国内外研究现状

近年来，国内外各学者结合各类城市特点，通过分析城市热岛效应的变化特点，获得了一些初步成果。例如上个世纪七十年代末，德国斯图加特率先开始了城市环境、气候与城市空间规划的综合研究，基于当地气候条件对城市的规划布局进行优化，利用山谷风为城市提供新鲜冷空气，缓解城市热岛效应和空气污染问题^[2,3]。从九十年代开始，日本东京也开始评估城市风热环境，并开展了名为“风之道”的城市气候环境与规划应用的研究，充分利用现有街道和河川、以及建筑物的布局引入海风，对重要地区进行行人高度的风环境评估，得到降低热岛效应的效果^[4]。

张心怡等^［5］ 通过用多时相的遥感影像数据来研究上海市各用地类型在不同温度等级范围内所占的面积可以用来衡量不同用地类型对热环境的贡献大小。随着温度级别的升高，城镇建设用地和未利用地所占面积比重明显升高，水域、草地、林地等的比重逐渐下降；王莹等^［6］利用单劈窗算法实现了沈阳市的地表温度反演并构建热环境预测的CA-Markov模型得出2019年与2010年比较，高温区呈现略微增加趋势，9年间仅增加了0.5%，但高温区及次高温区的面积和增幅仍较大，城市热岛范围仍在继续扩张；

2 关于城市热岛效应的研究

2.1 常用的研究方法与技术

2.1.1 研究方法

由于城市热岛效应与热风环境息息相关，因此城市热岛效应属于交叉学科，所以研究方法众多，比较常用的研究方法如下：

1.文献资料研究。系统的总结国内外学者对于城市热岛效应的相关研究，重点关注遥感数据解译方法、GIS空间分析方法、CFD模拟计算方法，GIS平台与CFD的耦合及数理统计分析方法，理清研究的现状及不足。

2.基于遥感的空间分析方法。包括提取不同时空序列上的下垫面信息，通过遥感热红外影像反演地面热环境的分布特征，在GIS平台上叠加地面风场，分析变化规律。

3.热环境正交模拟的对比分析及量化关系模型。对不同情景进行模拟分析，建立不同因素之间的量化关系，寻求最优设计方案。

2.1.2研究技术

常见的研究技术大致有以下两类：

1.基于ArcGIS10及ENVI5.0平台的遥感信息解译与图像反演技术

用卫星Landsat7/8号卫星获取下垫面信息及热红外波段的遥感影像。并且在遥感温度反演分析结果的基础上叠加地面风场的分析，增加地面风的因素，综合讨论出现城市热岛效应的原因。一般反演数据主要来自中国科学院地理空间数据云网站、国家气象数据中心、各省市气象局等相关部门，年份选择云层覆盖比例较少、成像质量较高的时段。采用热红外波段数据通过辐射传输方程法进行地表温度的反演，以获得城市整体的温度分布情况，并进行深度分析。

2. 热环境模拟

热环境模拟着重对城市空间布局优化的改进方案进行验证。主要使用PHOENICS及Envi-met等软件对城市优化空间布局的风、热环境进行评估和模拟。建立数字模型，根据当地的气象数据设置边界条件，使用温湿度模型及湍流模型求解风环境和热环境，计算完成后选择关键点进行验证。

2.2 城市热岛效应的影响因素

由于城市热岛属于跨学科问题，所以影响因素也很多。首要的就是结合城市自身特点，现阶段城市的高速发展导致城市温度逐步攀升，但因为城市布局、城市结构均不相同所以最重要的就是受到自身地域影响。其次，城市结构的变化就会导致土地利用覆盖类型发生变化，而且通过研究得知不同覆盖类型土地的地表平均温度由高到低分别为:建设用地>草地>耕地>林地>水体。同时城市布局又受到景观的影响，也就是水体，绿化，植被等。城市的风向风速也是很重要的影响因素之一，由于不同的风向或风速所带走的城市热量不同，因此直接影响城市散热。考虑到近些年城市污染的逐渐加重，所以空气污染也直接影响城市热岛效应，例如空气中PM_2.5

，PM₁₀等污染物。

2.3 如何缓解城市热岛效应

现阶段对城市热岛效应的研究越来越宽泛，也进行了跨学科的探究。得出以下几种方案：控制城市的发展速度，不一味的追求发展速度，忽略城市发展对环境的巨大影响；由于土地覆盖类型对城市热岛的影响很大，因此应该避免建设用地的扎堆，尽量分散在城市的各个部分；在城市规划中引入通风廊道，根据不同的下垫面性质构建不同等级的风道；通过扩大城市的绿化面积，丰富植被类型，增加植被多样性和密集度等。

3 结论与展望

由人类活动导致的城市热岛问题因其复杂性，已成为多个学科，如城市规划学，环境学，气候学，景观生态学等共同的研究焦点。现阶段虽然国内外有大量的学者投入到城市热岛效应的研究之中，但是感觉并不够，热岛效应的研究必然是一场持久战。目前主要的研究方法就是通过遥感解译，但与应更多的模拟类软件结合，降低研究尺度从而进一步得出如何缓解城市热岛效应。

参考文献

[1]彭少麟，周凯，叶有华，等．城市热岛效应研究进展［J］．生态环境，2005，14（4）：574－579．

[2] Baumulle J. Geoscientific maps of the environment as an essential tool in planning. Environmental Protection, 1978, 57(4): 527-532

[3] Baumulle J, Hoffmann U, Stuckenbrock U. Urban framework plan hillsides of Stuttgart. ICUC. Proceedings of seventh international conference on urban climate. Tokyo: Tokyo Institute of Technology, 2009.

[4] Architectural Institute of Japan. Analysis and design for wind environment in urban area. Tokyo: Architectural Institute of Japan, 2002.

[5] 张心怡. 基于遥感和GIS的上海土地利用_覆盖变化及其热环境效应研究[D].上海市：华东师范大学[硕士学位论文]，2006.

[6] 王莹. 沈阳市城市热环境时空变化遥感研究[D].长春市：吉林大学[硕士学位论文]，2013.