城市中心热岛效应的形态耦合机理

城市和郊区农村地区很早就被观测到存在温度的差异，城市表面的温度要高于农村地区，此种现象被形象地称为热岛效应。研究和观测证实全球许多城市都存在着城市热岛效应，而且在晴朗无风的夜间尤其明显。城市热岛效应可以被看做是城市化进程对气候带来的最明显的影响。一般用热岛效应强度（Urban Heat Island Intensity，UHII）表示热岛效应的强弱，热岛效应强度等于城乡温度的差值：Tu-r=Tu-Tr。从图1-3中可以看出，热岛效应存在强度的梯度变化和城乡空间的差异。奥克（Oke T.R.）用高峰和陡坡来形容。根据热岛发生的位置可以将其分为不同的城市热岛类型：空气热岛、地表热岛和地下热岛，其中空气热岛又分为城市边界层热岛（建筑物顶层至边界层顶层）和城市冠层热岛（城市地面至建筑物顶层），地表热岛一般通过遥感图像技术进行计算分析，城市气象观测的热岛现象为城市空气热岛中的城市冠层热岛。

图1-3　城市热岛效应示意图

＊资料来源：改绘自Oke.T.R

1818年，霍华德（Howard）实测伦敦城市气温，首次发现城市和乡村之间存在温度的差异。Renou也同样在19世纪后期对巴黎的研究中，发现了相似的现象。Schmidt在20世纪初对维也纳的研究同样表明存在此种现象。周淑芳等（1985）以上海为研究对象，证实上海城乡在日落后2～3h出现5℃的最大温差。香港在1989—2007年，共有11个大于10℃的热岛强度天数，最大热岛强度出现在早上6点左右。

通过对国内外已有研究进行总结，普遍认为可能引起城乡温度差异的形成因素包括（Oke，1973，1982；Arnfield，2003；Grimmond，2007）：

（1）城市中植被覆盖面积少于农村，不透水面面积要远远多于农村，城市中蒸腾带走的潜热少于农村地区。

（2）城市下垫面深色硬质材质要远远多于农村地区，能够储存更多的能量。

（3）城市地区天空可视因子远远低于农村地区，影响到夜晚长波辐射的释放。

（4）城市中人为热释放高、低风速或静风天气及空气污染等多因素同样有利于城市热岛的形成^[8]。(www.xing528.com)

城市热岛效应是一种城市化进程的后果，不同地区、不同季节，热岛效应会产生不同的影响。分析热岛效应的影响要特殊情况特殊对待。在某些高纬度或高海拔城市，冬季热岛效应可以使城市气温升高，降低供暖产生的能源消耗，这在某些程度上可以看做有利的一面，但研究表明冬季热岛效应对城市污染物扩散起到不利影响。夏季时，城市中建筑虽然可以产生部分凉爽舒适的遮阴区域，但夏季城市，尤其是夏季湿热城市，热岛对人类生活产生重要影响，包括夏季建筑能源消耗、城市室外空气质量、城市外部空间的人体热舒适度等方面，甚至有研究表明珠三角城市热岛效应会增加夏季降水概率^[9]。绝大多数城市受到城市热岛效应的负面影响更为显著。

在学者的不断研究中，城市热岛效应已有研究表明了以下几点共识特征（Oke，1973，1982，1987；Arnfield，2003）：

（1）城市热岛强度最大值出现在夜间，最小值在白天。

（2）气温升高主要是由于城市下垫面比农村地区吸收更多太阳辐射。

（3）晴朗无风天气下，空气温度和表面温度存在差异最为明显。

（4）植被越少、开发强度越大的城市区域产生热岛效应的趋势越大。

（5）热岛效应现象主要出现在城市边界层，城市上空逆温现象同热岛效应关系不大。

（6）影响热岛强度的因素分为不同尺度，宏观尺度包括城市规模、人口规模、城市的土地利用情况，中观尺度包括建筑形态与下垫面材质。

当然不同城市有着其独特的城市热岛强度，这些取决于城市的土地利用情况、建筑形态、人口规模、自然环境和气候等。