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熱島效應

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熱島效應(Urban Heat Island Effect),是指一個地區的氣温高於周圍地區的現象,用兩個代表性測點的氣温差值(即熱島強度)表示,主要有城市熱島效應和青藏高原熱島效應兩種。
中文名
熱島效應
外文名
Heat Island Effect

熱島效應城市熱島效應

人類很早以前就發現城市的大氣環境與鄉村及山區具有不同的特點。英國人Lake Howard於1833年第一次對倫敦城市中心的温度比郊區高的現象進行文字記載 [1]  ,Manley於1958年首次提出城市熱島(Urban Heat Island,UHI)的概念 [2]  。現在普遍認為,城市熱島效應是指當城市發展到一定規模,由於城市下墊面性質的改變、大氣污染以及人工廢熱的排放等使城市温度明顯高於郊區,形成類似高温孤島的現象 [3] 
城市熱島效應是由於人為原因,改變了城市地表的局部温度、濕度空氣對流等因素,進而引起的城市小氣候變化現象,最顯著的特徵之一就是城市氣温比郊區氣温高的現象,該現象屬於城市氣候最明顯的特徵之一。由於城市建築羣密集、柏油路和水泥路面比郊區的土壤、植被具有更大的吸熱率和更小的比熱容,使得城市地區升温較快,並向四周和大氣中大量輻射,造成了同一時間城區氣温普遍高於周圍的郊區氣温,高温的城區處於低温的郊區包圍之中,如同汪洋大海中的島嶼,人們把這種現象稱之為城市熱島效應
在近地面等温線圖上,郊區氣温相對較低,而市區則形成一個明顯的高温區,如同出露水面的島嶼,被形象的稱之為“城市熱島”。城市熱島中心,氣温一般比周圍郊區高1℃左右,最高可達6℃以上,大城市散發的熱量可以達到所接收的太陽能的2/5,從而使城市的温度升高。在城市熱島作用下,近地面產生由郊區吹向城市的熱島環流,城市熱島增強空氣對流,空氣中的煙塵提供了充足的水汽凝結核,故城市降水比郊區多,對歐美許多大城市研究發現,城市降水量一般比郊區多5%~10%。由於一股較強的暖氣流在熱島中心上升,而郊外上空為相對冷的空氣下沉,這樣便形成了城郊環流,空氣中的各種污染物在這種局地環流的作用下,聚集在城市上空,如果沒有很強的冷空氣,城市空氣污染將加重,人類生存的環境被破壞,導致人類發生各種疾病,甚至造成死亡。
城市熱島效應 城市熱島效應

熱島效應時空分佈特徵

1、城市熱島強度隨時間的變化
熱島強度隨時間主要表現出2種週期性的變化,即日變化和年變化。在晴朗無風的天氣下,日變化表現為夜晚強,白晝午間弱;年變化表現為秋冬季強,夏季弱。城市熱島強度不但有週期性變化,而且還有明顯的非週期性變化。引起熱島強度非週期性變化的原因主要與當時的風速、雲量、天氣形勢和低空氣温直減率有關,主要表現為風速越大,雲量越多,天氣形勢越不穩定,低空氣温直減率越大,熱島強度就越小,甚至不存在熱島,反之“熱島”強度就越大。根據過去中國50年的年平均氣温數據研究認為,城市熱島效應對年平均温度的影響主要包括3個方面,即年平均温度值升高、年際間温度差異下降和氣候趨勢的改變,全國熱島的平均強度不到0.06 ℃,與全球0.05 ℃接近;也有研究認為,從上個世紀的70年代到90年代的20年裏熱島強度以每10年0.1℃的速度上升,而珠江三角洲都市羣熱島強度由1983年前的0.1 ℃上升到1993年的0.5 ℃;還有人估計城市化和土地利用性質的改變會使熱島以每個世紀0.27 ℃增加幅度上升。全國主要城市的熱島區域面積也隨時間持續增加,如上海城市熱島區域面積由20世紀80年代的100 km到90年代的800 km [3] 
2、城市熱島強度隨空間的變化
城市熱島的水平分佈表現在熱島出現在人口密集,建築物密度大,工商業最集中的地區,而郊區則有較好的植被覆蓋,或者農田密佈,熱島強度小。熱島的空間分佈因高度的不同而有所差別,表現在白天城郊差別不明顯,但夜晚城郊熱島強度差別大,並且強度的這種差別隨高度的升高而下降,到一定的高度還會出現“交叉”現象 [3] 

熱島效應成因和影響

熱島效應 熱島效應
氣候條件是造成城市熱島效應的外部因素,而城市化才是熱島形成的內因。城市熱島形成的原因主要有以下幾點:
首先,是受城市下墊面特性的影響。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,改變了下墊面的熱力屬性(反射率小,熱量傳導較快)。這些人工構築物吸熱快而比熱容小,在相同的太陽輻射條件下,它們比自然下墊面(綠地、水面等)升温快,吸收熱量多,蒸發耗熱少,散失熱量較慢,因而其表面温度明顯高於自然下墊面。
另一個主要原因是人工熱源的影響。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。當然,城市中的大氣污染也是一個重要原因,城市中的機動車、工業生產以及居民生活,產生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉塵等排放物。這些大氣污染物濃度大,氣溶膠微粒多,會吸收下墊面熱輻射,在一定程度上起了保温作用,產生温室效應,從而引起大氣進一步升温。白天它大大地削弱了太陽直接輻射,城區升温減緩,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,起到保温作用,使城市比郊區“冷卻”得慢,形成夜間熱島現象。
此外,城市裏中綠地、林木和水體的減少也是一個主要原因。隨着城市化的發展,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。
城市熱島可影響近地層温度層結,並達到一定高度。城市全天以不穩定層結為主,而鄉村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空氣上升,到一定高度向四周輻散,而附近鄉村氣流下沉,並沿地面向城市輻合,形成熱島環流,稱為“鄉村風”,這種流場在夜間尤為明顯。城市熱島還在一定程度上影響城市空氣濕度、雲量和降水,對植物的影響則表現為提早發芽和開花、推遲落葉和休眠。

熱島效應緩解對策

大量研究表明,城市植被、水體及濕地是城市生態系統中的重要組分,它們可減緩城市的環境壓力,減輕熱島效應,最終實現城市生態系統的良性循環。城市植被通過蒸騰作用,從環境中吸收大量的熱量,降低環境空氣温度,增加空氣濕度;同時大量吸收空氣中的二氧化碳,抑制温室效應。另外,植物還能滯留大氣中的粉塵,減少城市大氣中的總懸浮顆粒物的濃度。
城市綠地規劃 城市綠地規劃
1、城市綠地與森林:加強城市綠化,改善城市下墊面的熱屬性是緩解熱島效應的關鍵措施。屋頂綠化是增加綠化面積或者總體綠量較為有效的方法之一,特別是在城市用地緊張,建築密度比較大的情況下,顯得更為重要 [3]  ,屋頂綠化或屋頂花園具有如下功能:(1)緩解城市熱島效應;(2)貯藏降雨;(3)增加休閒或其它經濟價值的空間;(4)空氣和水質淨化。另外,草地在調節城市小氣候中具有明顯的效果不明顯,因此,城市要合理調配喬、灌、草的比率。
2、採用新型的城市規劃與設計理念:啓用生態合理的能源規劃、城市開發模式、交通規劃、綠地系統規劃,調節城市產業結構。使用新型建築材料,提高對太陽光的反射率;使用能降温節能,緩解熱島強度的户外建築材料;提倡滲透性的地面鋪裝材料;另外提高能源利用效率,實行清潔生產,或者開發利用新型高效環保能源 [3] 
3、人為熱的降低:需要向城市居民灌輸環保生活理念,提倡每個人、每户家庭都要將環保的生活理念貫穿於日常生活的方方面面,變成自覺行為。居民日常生活方式的改變將是一件長期而又很有意義的工作,可直接大量降低交通運輸、空調、烹飪及工業生產過程的廢熱。
4、城市濕地與水體的保護:城市濕地與水體的保護需要城市管理當局拿出很大的勇氣與堅決的措施,對不能動用的城市濕地與水體堅決予以保護。在條件允許的情況下,應該在城市進行人工濕地的構建,這是降低熱島效應的有效方法 [3] 

熱島效應青藏高原熱島效應

上海城市熱島效應 上海城市熱島效應
近代地理學的開創者之一、德國科學家洪堡1799~1804年間在南美洲安第斯山脈考察時發現,赤道附近的高山雪線,比中緯度的青藏高原許多高山的雪線低200米左右,例如:貢嘎山西坡雪線高5100米左右,而靠近赤道的厄瓜多爾基多附近的高山雪線僅約4800米多一些。這不符合常理:由於赤道地區熱量較高,高山雪線通常應該從赤道向兩極遞降,到極地附近降至海平面。據此,洪堡提出了青藏高原的“熱島效應”理論:青藏高原由於下墊面(對流層大氣的主要直接熱源地面)大面積抬升,故其熱量較同緯度、同海拔高度的其它地區高得多,甚至比赤道附近的同海拔地區也要高得多。青藏高原的“熱島效應”對環境的多要素影響極大,如冰川、生物等,例如,貢嘎山南坡的垂直自然帶和緯度相當的峨眉山相比豐富得多,許多樹木的分佈界線也高於峨眉山,就是這個原理。

熱島效應實際應用

太陽能電池:一般不單獨使用,實際應用的是太陽能電池組件。太陽能電池組件是由多片太陽能電池組合而成,用以達到期望的電壓值。太陽能電池組件在使用過程中,如果有一片太陽能電池單獨被遮擋,例如樹葉鳥糞等,單獨被遮擋的太陽能電池在強烈陽光照射下就會發熱損壞,於是整個太陽能電池組件損壞。這就是所謂熱島效應,為了防止熱島效應,一般是將太陽能電池傾斜放置,使樹葉等不能附着,同時在太陽能電池組件上安裝防鳥針。
參考資料
  • 1.    HOWARD L.. Climate of London Deduced from Metrological Obser-vations :London: Harvey and Dorton Press,1833
  • 2.    MNALEY G.. On the frequency of snowfall in metropolitan England:Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, ,1958
  • 3.    彭少麟,周凱,葉有華,粟娟.城市熱島效應研究進展:生態環境學報, 2005