孙政 张航 董明轩 张辰毓

摘 要：随着土地利用类型和下垫面性质的改变，原有区域生态系统遭到破坏，导致城市温度上升。随着城市化进程的推进，“城市热岛”逐渐成为人们广泛关注的话题。本文从城市热岛的测量与模拟入手，综述了城市热岛研究现状。

关键词：城市;热岛效应;观测;方法

中图分类号：P463.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0143-03

Research on Urban Heat Island

SUN Zheng ZHANG Hang DONG Mingxuan ZHANG Chenyu

（Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130022）

Abstract： With the change of land use type and the nature of the underlying surface， the original regional ecosystem is destroyed， resulting in an increase in urban temperature. With the advancement of urbanization， "urban heat island" has gradually become a topic of widespread concern. This paper started with the measurement and simulation of urban heat islands， and summarized the current status of urban heat island research.

Keywords： urban;heat island effect;observation;method

随着城市化的快速推进，土地开发规模持续扩大，土地利用类型发生显著变化，下垫面性质发生改变，使得城市温度上升，这就是城市热岛效应。城市热岛测量对分析区域天气影响具有十分重要的意义，人们要构建城市热岛模型，加大研究力度，减少城市热岛的负面影响。

1 热岛测量

1.1 固定站测量

固定站测量是分析城市热岛的最简单、最常见的方法，比较分析两个或多个固定位置测得的天气数据。世界上，大多数城市都有气象站，这些气象站积累了当地多年的气温、风速、云量、湿度和降水量等信息。一些站点还测定当地太阳辐射量。

固定站数据有三种常用方式：一是比较城市气象站和农村气象站的数据;二是研究多个气象站的数据，以发现区域性的二维影响;三是调查大量历史数据，评估城市热岛的发展趋势。

如果局部区域不能被现有测站很好地覆盖，则可以利用周围测站数据代替研究位置的数据。测站数据应至少包括温度、湿度、风速和风向四个方面。总辐射表是一种仪器，用于测量太阳辐射强度。

1.2 移动导线测量

在城市周围，固定站通常数量较少，无法清晰显示热岛的二维图像。建立临时站点，在其他固定位置收集数据，成本较高，也难以实现。所以，移动导线测量是研究城市热岛的一种经济方法。

一般来说，移动导线测量需要借助交通工具，行驶路径固定，到达待测位置后，仅使用一套气象仪器即可读数。如果研究区域较小，人们可以步行或骑自行车。如果研究区域较大，人们可以乘坐公共交通工具或驾驶小汽车出行。

移动导线测量方法存在缺陷。一是无法同时记录不同位置的测量结果，虽然可以同时使用两套或多套移动设备，但设备成本会显著增加。二是虽然移动导线测量可以在1 h内完成，但是其间气象条件可能会发生很大变化。通常，人们需要将移动测量结果与一个或多个固定位置的数据进行比较，统一基准。

1.3 遥感测量

固定站测量和移动导线测量通常用于监测城市周围的气温。遥感可用于测量地表温度和其他特征，方法是测量屋顶、人行道、植被和裸露地面等反射的能量。飞机或卫星搭载的传感器可以拍摄城市及其周围環境的能量图像。

遥感可以实现城市下垫面温度的可视化。然而，遥感仅显示城市温度的鸟瞰图，而忽略了墙壁和植被的温度以及树木下的温度。对于城市热岛而言，这些垂直和阴影表面测量十分重要。所以，有研究将这些垂直信息添加到遥感数据中，以产生真实、完整的三维表面温度[1]。

另外，遥感平台的运行时间限制了城市的实时观测效果。一些卫星可以提供昼夜的地表能量对比影像。人们可以利用飞机平台弥补观测时间间隔的缺陷。

1.4 辐射能的垂直感应

城市热岛会影响上层大气空间的温度，尤其是对流层。大多数影响局限于边界层。白天，空气被加热，边界层最厚。到了晚上，地表温度往往比大气层低，边界层收缩。农村和城市的边界层存在显著差异，人们可以通过测量了解城市热岛对局部区域天气的影响。

1.5 辐射能量守恒

地表流入和流出能量测量可以用于分析城市热岛效应，了解城市热岛的成因。地表能量有两种来源。一是人为因素，如建筑物、机械和人释放的能量，二是净辐射，即被吸收、未被反射的太阳能量。任何时刻，热量必须通过风进行对流，通过水分蒸发、植物蒸腾而消散或存储在地表中。能量平衡试验使用大量设备来测量流入和流出表面的能量。

2 热岛模拟

2.1 建筑能源模型

建筑能源模型用于测定建筑物供暖和制冷的能量。这些模型非常复杂，可以查看建筑物的位置、几何形状、建筑、照明情况、加热和冷却系统以及日常运行模式。通过建立热岛测量建模，人们可以估算建筑能源消耗。建筑能源模型可用于评估各种节能设施，为缓解热岛效应提供方案。

最常用的建筑能源模型是DOE-2，這是美国能源部花费数十年时间开发的软件。尽管该软件在2001年被更高级的EnergyPlus软件所取代，但是EnergyPlus只有少量的用户界面可用，难以执行，所以具有大量简化用户界面的最终版DOE-2.1E仍然是大多数节能工作的计算基础工具。

DOE-2存在一些限制，它无法正确计算风引起的屋顶对流传热，也无法解决阁楼或通风空间中的辐射传热。该软件计算时，假定屋顶隔热性能稳定，不随温度变化[2]。

尽管如此，该工具还是许多热岛研究中估算建筑能耗的有效手段[3]。

2.2 顶层能量计算

可供使用的建筑能源模型计算器主要有三种。

一是美国环境保护署“能源之星”计划开发的工具，这个计算器可以通过屋顶产品估算节省的能源和资金，可用于研究空调建筑物。输入计算器的信息包括建筑物的年龄、类型及位置，加热和冷却系统的效率，当地的能源成本，屋顶面积，隔热层和屋顶类型。

二是由美国能源部橡树岭国家实验室开发的另一种工具，它有两个版本：一个用于低坡屋顶的建筑物，另一个用于陡坡屋顶的建筑物。此计算器函数基于屋顶传热模型进行校准，以匹配屋顶和天花板测试组件的结果[4]。该模型的输入信息包括建筑物位置、屋顶隔热等级、拟建屋顶的太阳反射率和热辐射率、供暖和制冷系统的能源成本和效率。计算器的输出信息包括与黑色屋顶相比每年节省的成本和每年的供暖能源损失。计算器还可以计算减少峰值用电量时降低的能耗。

三是美国屋面工程协会开发的EnergyWise，它详细地介绍了使用的屋顶类型，分析了不同配置如何影响能源使用。

2.3 城市峡谷和舒适度模型

城市峡谷模型可用来阐明城市热岛成因[5]。它可以用于评估城市的几何形状如何影响城市天气变化[6]，研究城市天气如何影响建筑物的能源使用[7]。

舒适度模型使用类似于城市峡谷模型的函数来评估不同条件下的人体舒适度。OUTCOMES模型是一种基于天气和周围环境特征来计算人体舒适度的工具。Grant等利用它观察了树荫对生存环境舒适度的改善效果[8]。

2.4 生态系统模型

生态系统模型着眼于分析城市植被的影响。它主要有两种模型，即美国林业署开发的CITYgreen和美国农业部森林服务处开发的i-Tree。

CITYgreen是一个基于地理信息系统（GIS）的模型，用于评估一个地区的树木、植被如何减少雨水径流、改善空气质量、减少能源消耗和存储碳。它可用于评估城市植被的经济效益。

i-Tree是一套用于评估城市树木成本和收益的工具。它的两个主要组件是UFORE（评估树木对环境的影响的工具）和STRATUM（评估树木的成本和收益的工具）。完整的软件包可估算树木管理成本和价值，评估树木在节能、改善空气质量、减少二氧化碳、控制雨水和财产价值方面的价值。

2.5 区域模型

区域模型可用于评估城市热岛缓解对区域气温和空气污染的影响。人们已经能够综合运用气象学和光化学理论，对热岛效应进行建模[9]。

3 结语

城市热岛效应使城市温度升高，给人们的生活带来诸多不便。其研究和防控工作早已展开，本文从测量方法与模型模拟两个角度综述了其研究现状。单独开展热岛测量，人们仅能了解热岛情况，只有配合使用热岛模型，才能更好地了解城市热岛原理，采取有效的应对措施。

参考文献：

[1]Voogt J A，Oke T R.Complete Urban Surface Temperatures[J].Journal of Applied Meteorology，1997（9）：1117-1132.

[2]Gartland L，Konopacki S，Akbari H.Modeling the Effects of Reflective Roofing[Z].1996.

[3]Konopacki S，Akbari H.Energy Savings for Heat Island Reduction Strategies in Chicago and Houston （Including Updates for Baton Rouge，Sacramento，and Salt Lake City）[Z].2002.

[4]Wilkes K E.Thermal model of attic systems with radiant barriers[Z].1991.

[5]Arnfield A J.An approach to the estimation of the surface radiative properties and radiation budgets of cities （Columbus，Ohio）[J].Physical Geography，1982（2）：97-122.

[6]Lars B，Mattsson J O，Lindqvist S.Canyon geometry，street temperatures and urban heat island in Malmo，Sweden[J].Journal of Climatology，1985（4）：433-444.

[7]Santamouris M，Papanikolaou N，Livada I，et al.On the impact of urban climate on the energy consumption of buildings[J].Solar Energy，2001（3）：201-216.

[8]Grant R H，Heisler G M，Gao W.Estimation of Pedestrian Level UV Exposure Under Trees[J].Photochemistry & Photobiology，2002（4）：369-376.

[9]Haider T，Altostratus I.Urban Surface Modification as a Potential Ozone Air-Quality Improvement Strategy In California - Phase Two：Fine-Resolution Meteorological and Photochemical Modeling of Urban Heat Islands[J].Boundary-Layer Meteorology，2008（2）：219-239.