城市熱島效應

城市熱島效應

城市熱島效應或稱熱島現象,是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象。無論從早上到日落以後,城市部份的氣溫都比周邊地區異常的高,並容易產生霧氣。這個現象的發現,是由于人造衛星的出現,使人類得以利用人造衛星從高空以紅外線拍攝地球。人類從紅外線的影像發現了照片中的城市地區的溫度有著很明顯的差異,看起來城市部份就好像在周邊地區的一個浮島。
  • 中文名稱
    城市熱島效應
  • 外文名稱
    Urbanheatislandeffect
  • 形成原因
    大量的人工發熱、建築物和道路等
  • 概念
    城市中的氣溫明顯高于郊區的現象
  • 年平均溫差
    1°C
  • 夏季溫差
    6°C以上

基本簡介

城市熱島效應(The Urban Heat Island Effect)是指城市中的氣溫明顯高于外圍郊區的現象。在近地面溫度圖上,郊區氣溫變化很小,而城區則是一個高溫區,就象突出海面的島嶼,由于這種島嶼代表高溫的城市區域,所以就被形象地稱為城市熱島。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。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。由于城市熱島效應,城市與郊區形成了一個晝夜相同的熱力環流

城市白天和黑夜的熱島效應城市白天和黑夜的熱島效應

  城市白天和黑夜的熱島效應

晴朗無風的夏日,海島上的地面氣溫,高于周圍海上氣溫,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。近年來,由于城市人口集中,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,它的熱傳導率熱容量都很高,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,在溫度的空間分布上,城市猶如一個溫暖的島嶼,從而形成城市熱島效應。熱島效應是由于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征之一。

來源與發展

20世紀初,英國氣候學家賴克·霍德華在《倫敦的氣候》一書中把這種氣候特征稱為"熱島效應"。

熱島效應熱島效應

  熱島效應

近年來,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。城市熱島形成的原因主要有以下幾點:

首先,是受城市下墊面特徵的影響。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于自然下墊面。

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。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。

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。這些物質會吸收下墊面熱輻射,產生溫室效應,從而引起大氣進一步升溫。

熱島效應熱島效應

  熱島效應

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。如目前美國1/6的電力消費用于降溫目的,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。有關研究表明,環境溫度高于28°C時,人們就會有不適感;溫度再高還容易導致煩躁、中暑、精神紊亂等症狀;氣溫持續高于34°C,還可導致一系列疾病,特別是使心髒、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。

考慮事項

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,因此在控製城市發展的同時,要控製城市人口密度、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。

城市熱島效應城市熱島效應

  城市熱島效應

(3)如北京市位于平原中部,三面環山。由于山谷風的影響,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,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。

形成原因

城市熱島效應形成的原因主要是:

1.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。

熱島效應熱島效應

  熱島效應

2.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于氣溫,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"涌泉風",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。

3.由于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。

4.城區密集的建築群、縱橫的道路橋梁,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。

-在風速小于6 m/s時,可能產生明顯的熱島效應,

-風速大于11 m/s時,下墊層阻力不起什麽作用,此時熱島效應不太明顯。

5.城市大氣污染使得城區空氣質量下降,煙塵、S02、,N0x,C0,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。

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/sm2,熱輸入增加120.9w/m2;城市下墊面反射率降低10%,熱輸入增加30w/m2;人工能量輸入10w/m2,城市中總熱輸入增加160.9w/m2,由于受空氣對流的影響,實際熱輸入約20w/m2,計算溫升約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,由于城市蒸發系統適應性低,造成城市溫度急劇上升,同時由于空調和火電廠的加速運轉又會造成惡性迴圈,加劇城市大氣溫升。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,易形成近地表高溫,伴生嚴重的空氣污染(例發灰霾和光化學煙霧)。

防止措施

那麽,我們應該如何防止"熱島效應"呢?

綠化城市及周邊環境

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定,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製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覆蓋,甚至在樹冠投影處草坪難以生長的地方,也套用碎玉米秸和鋸木小塊加以遮蔽,以提高地表的比熱容。

5.建設若幹條林蔭大道,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;

在現有的條件上

1、控製使用空調器,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,"透水性公路鋪設計畫",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。

6、提高人工水蒸發補給,例如噴泉、噴霧、細水霧澆灌。

因為水的比熱大于混凝土的比熱,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迴圈速度, 而在大氣的迴圈過程中,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。

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,在市中心隻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,再通過環城捷運連線各衛星城。

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,控製城市的過快發展,合理規劃城市,這個問題並非不可解決。

影響

由于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髒病,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。

另一方面,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,可損害人的腎髒,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、食欲減退、消化不良、潰瘍增多、胃腸疾病復發等,給城市人們的工作和生活帶來說不盡的煩惱。在中國,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。

氣象規劃

大氣污染在城市熱島效應中起著相當復雜特殊的作用。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覆蓋在城市上宛,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。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,因此在控製城市發展的同時,要控製城市人口密度、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)如北京市位于平原中部,三面環山。由于山谷風的影響,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,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。

城市綠地

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于植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉化為化學能,用于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,相當于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,每公頃綠地可以年滯留粉塵2.2噸,降低環境大氣含塵量50%左右,進一步抑製大氣升溫。

城市綠地城市綠地

  城市綠地

研究表明:城市綠化覆蓋率與熱島強度成反比,綠化覆蓋率越高,則熱島強度越低,當覆蓋率大于30%後,熱島效應得到明顯的削弱;覆蓋率大于50%,綠地對熱島的削減作用極其明顯。規模大于3公頃且綠化覆蓋率達到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。

除了綠地能夠有效緩解城市熱島效應之外,水面、風等也是緩解城市熱島的有效因素。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,要建設成為便于空氣流通的模式;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。

形成的原因

一、城市下墊面(大氣底部與地表的接觸面)特徵的影響

城市熱島效應城市熱島效應

  城市熱島效應

城市內大量人工構築物如鋪裝地面、各種建築牆面等,改變了下墊面的熱屬性。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。如夏天裏,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,烘烤著周圍的大氣和我們的生活環境,怎麽能不熱呢?

二、城市大氣污染

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。

三、人工熱源的影響

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!

四、城市裏的自然下墊面減少了

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,那麽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。

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