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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。
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。該現象,屬於城市氣候最明顯的特徵之一。
中文名
熱島效應
外文名
Urban Heat Island Effect

熱島效應定義

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城市熱島效應 城市熱島效應
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,是城市氣候最明顯的特徵之一。 [4]  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
熱島效應 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%。

熱島效應城市熱島效應

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英文名稱:Urban Heat Island Effect, 簡稱UHI(而非熱導效應)
城市氣候最顯著的特徵之一就是熱島效應,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] 
熱島效應 熱島效應
城市人口密集、工廠及車輛排熱、居民生活用能的釋放、城市建築結構及下墊面特性的綜合影響等是其產生的主要原因。熱島強度有明顯的日變化和季節變化。日變化表現為夜晚強、白天弱,最大值出現在晴朗無風的夜晚,上海觀測到的最大熱島強度達6℃以上。季節分佈還與城市特點和氣候條件有關,北京是冬季最強,夏季最弱,春秋居中,上海和廣州以10月最強。年均氣温的城鄉差值約1℃左右,如北京為0.7~1.0℃,上海為0.5~1.4℃,洛杉磯為0.5~1.5℃。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。
城市熱島效應城市氣候中典型的特徵之一。它是城市氣温比郊區氣温高的現象。城市熱島的形成一方面是在現代化大城市中,人們的日常生活所發出的熱量;另一方面,城市中建築羣密集,瀝青和水泥路面比郊區的土壤、植被具有更小的函授比熱容(可吸收更多的熱量),並且反射率小,吸收率大,使得城市白天吸收儲存太陽能比郊區多,夜晚城市降温緩慢仍比郊區氣温高。城市熱島是以市中心為熱島中心,有一股較強的暖氣流在此上升,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。

熱島效應成因

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。
熱島效應 熱島效應
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。
原則上,一年四季都可能出現城市熱島效應。但是,對居民生活和消費構成影響的主要是夏季高温天氣下的熱島效應。為了降低室內氣温和使室內空氣流通,人們使用空調、電扇等電器,而這些都需要消耗大量的電力。高温天氣對人體健康也有不利影響。有關研究表明,環境温度高於28°C時,人們就會有不適感;温度再高還容易導致煩躁、中暑、精神紊亂等症狀;氣温持續高於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,氣温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。
城市熱島效應主要由以下因素影響:蒸發減少、城市下墊面反射率降低、能量輸入,其強度影響為:蒸發減少0.05g/sm,熱輸入增加120.9w/m;城市下墊面反射率降低10%,熱輸入增加30w/m;人工能量輸入10w/m,城市中總熱輸入增加160.9w/m,由於受空氣對流的影響,實際熱輸入約20w/m,計算温升約3.5℃,這與實際比較相符。當夏季空氣流通減緩時,熱輸入會急劇增加,由於城市蒸發系統適應性低,造成城市温度急劇上升,同時由於空調和火電廠的加速運轉又會造成惡性循環,加劇城市大氣温升。城市蒸發量減少也形成了城市幹島效應,造成城市上空大氣穩定度升高,不易發生垂直對流,易形成近地表高温,產生嚴重的空氣污染(例發灰霾和光化學煙霧)。

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;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] 

熱島效應緩解對策

1 城市綠地與森林
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。當一個區域的植被覆蓋率達到30%時,城市綠地對熱島效應即有較明顯的削弱作用,相反,植被減少則是城市熱島形成的首要貢獻因子。因此,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。研究還發現城市森林在調節城市小氣候中具有明顯的效果,而草地則效果不明顯。因此,城市合理的喬、灌、草比率是十分重要的,時下風行的草坪熱不宜提倡,至少在緩解城市熱島效應上沒有起到最佳的效果。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的概念最早起源於歐洲,其作用已被眾多的研究所證實。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。屋頂花園自著名的巴比倫空中花園以來一直為人們所熟知,基於對環境問題日益惡化的擔憂,對屋頂花園的重要意義開始重新認識。2004年10月22日在瑞典的Malmö城召開主題為國際綠色屋頂研究的學術研討會,來自瑞典、瑞士、德國和英國的學者就屋頂綠化的研究現狀進行了研討。美國芝加哥市政府啓動屋頂綠化工程來降低城市温度,日本對新建築或重新翻新的舊建築強制進行屋頂綠化的做法值得借鑑。 [3] 
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。據估計,綜合採用這些措施可在美國全國範圍內每年降低大約100億美元的能耗投入。 [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。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] 
4 城市濕地與水體的保護
受城市化的影響,城市濕地形成了分佈不均勻、面積較小、孤島一樣的濕地斑塊,斑塊之間的連接度下降,濕地內部生境破碎化。即便是這種業已破碎化的斑塊,也可能會因城市土地開發而被侵佔,挪作他用。事實上,隨着城市化的進程,城市濕地與水體的面積急劇下降,其調節城市氣候與熱量收支平衡的生態服務功能受到很大的削弱。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

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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:對流層大氣的主要直接熱源是地面,或稱“下墊面”,青藏高原由於下墊面大面積抬升,(相當於把“火爐”升高),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

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單片太陽能電池一般是不能使用的,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。

熱島效應防止方法

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熱島效應 熱島效應
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温室氣體排放較為密集的地區的綠化,營造綠色通風系統,把室外新鮮空氣引進室內,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覆蓋,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佈局,減弱熱島效應
在現有的條件上,應考慮
1.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。
2.建築物淡色化以增加熱量的反射。
3.提高能源的利用率,改燃煤為燃氣。
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,降低路面温度。
5.形成環市水系,調節市區氣候。

熱島效應減弱建議

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(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着十分可觀的作用。
(2)城市熱島強度隨着城市發展而加強,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,常形成氣温的高值區。
(3)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。
(4)減少人為熱的釋放,儘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。
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,兩者升高的温度不同而形成温差,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温的作用,這樣就可以使城區温度不致過高,就達到了防止城市熱島效應的目的。
此外,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,其餘部門應遷往衞星城,再通過環城地鐵連接各衞星城。
(5)城市人口稠密,綠化面積較少,應多種植樹木。
(6)還需控制工廠的排放。
(7)人工蒸發補償:解決城市大氣熱污染的首要辦法是增大蒸發量,受城市安裝條件的限制,採用噴霧系統是一種高效且經濟的辦法。蒸發量在0.05g/sm時(白天噴霧11小時相當於2mm降雨量),大氣平均降温達7℃。
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
  • 4.    熱島效應  .中國氣象科普網[引用日期2022-08-03]