城市中心热环境研究：耦合机理与设计

随着城市化加剧城市热岛效应，学界至今已经开展了大量热岛效应研究，主要通过观测分析城市大气热岛和通过遥感分析城市地表热岛（附表1-1）。Arnfield（2003）^[12]、Parham A.Mirzaei（2010）^[13]系统地综述了城市热环境的测度途径及模拟方法，从参数化计算公式及城市边界层能量守恒公式，深入剖析热环境的物理机制、热岛效应的时空特征和影响因素。根据不同气候类型进行综述分类。早期研究主要关注具体城市的气候分布特征，近期研究更多地关注城市空间形态及人体热舒适度变化研究。柯本将全球气候分为五个基本气候分区（见附图1-1），通过对每个基本气候分区的典型城市进行分类统计，比较研究其城市热环境，可以发现城市热环境研究主要集中在热带和温带气候区，而欧美国家研究成果较多。我国地域辽阔，东西南北具有不同的气候特征，统计发现我国城市热环境研究主要集中在东部地区（附表1-2）。采取不同的城市设计策略以应对特定的气候，在全世界有很多成功城市案例。

希腊雅典大学Mat Santamouris教授（2007）详细总结了在欧洲开展的城市热岛研究（见表1-3），并探讨了影响欧洲城市热岛形成的因素，认为风速、云量、

气旋和反气旋气象条件是决定热岛形成的气象因素^[14]。

表1-3　Mat Santamouris总结的欧洲城市热岛研究结果

续表1-3

续表1-3

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注：^[15]云量指云块占据天空的面积，通常将整个天空划分为10等份，碧空无云或被云遮蔽不到0.5份时，云量为“0”；云遮盖天空一半时，云量为“5”。
＊资料来源：Santamouris M.Heat island research in Europe：the state of the art［J］.Advances in building energy research，2007，1（1）：123-150.

新加坡国立大学M.Roth教授（2007）对热带、亚热带地区城市热岛研究作了综述^[16]。热带、亚热带地区平均热岛强度低于同等人口规模的温带城市，热带城市的热岛强度干湿季差异特征明显，干季的热岛强度甚至会大于温带城市。植被的潜热通量对热岛效应有显著影响。

加拿大学者Stewart（2010）系统地回顾了1950—2007年全球城市热岛效应研究^[17]，提出针对实验设计及信息评估的九项标准，并审查了190个热岛效应的研究样本中的方法学质量。评估的结果仅有一半论文样品达到了平均得分，而近一半的研究中所有城市热岛效应程度被判断为其科学性是站不住脚的。普遍存在两个方面缺点：受限制的实测和空洞的理论。一半的样本研究未能充分控制天气条件，四分之三的样本没能明确交代实测所使用仪器如何获取数据，以及说明实测时气候的环境特征。

Zhou D（2014）研究了中国32个主要城市地表热岛强度（SUHII）的季节变化与昼夜变化特征，并分析了这32个城市热岛在地理空间上的分布变化^[18]。研究发现，年平均城市地表热岛强度白天为0.01℃～1.87℃，夜晚为0.35℃～1.95℃。研究结果表明地表热岛强度在白天和黑夜之间的差异显著（白天57%，夜晚72%），具有鲜明的气候驱动模式，华东华南地区更多发生在白天，而华北东北地区更多出现在夜间。冬季大多数城市会出现热岛效应（夏季61%，冬季90%），东北寒冷气候城市出现了冬季最为明显的地表热岛强度。在季节变化上，统计发现夏季白天比冬季白天更容易发生热岛效应，夜间相反。白天夏季热岛效应的发生同人为热等有密切关联，白天冬季热岛效应的发生同气温及降水有密切关联；夜晚两个季节热岛效应的发生受城市建成区密度、反照率、人为热释放影响显著。

对于南京的城市热岛现象也有大量的观测和研究。杨英宝利用遥感图反演计算，研究南京城市地表热岛变化。从年日变化特征来看，白天地表强度大于晚上；从季节变化特征来看，热岛强度由大到小依次为秋季、春季、夏季、冬季，热岛效应范围由大到小依次为夏季、秋季、春季、冬季。三个面积最大的热岛分别是城南秦淮河、建宁路-红山路-和燕路一线和大厂的南京化工园。杨英宝同时基于1985—2002年南京气象站和六合气象站冬季（1月15日）和夏季（7月15日）气温数据分析大气热岛变化，发现夜晚热岛强度大于白天。从季节变化特征来看，热岛强度由大到小依次为秋季、冬季、夏季、春季，而从热岛出现频率来看，由多到少依次为冬季、秋季、春季、夏季。综上可知，地表热岛同大气热岛存在时间特征的差异，认为主要原因是地表热岛计算的是城市和郊区的平均温度，而大气温度是城乡单点气温之间的比较。

江苏气象学会Yan Zeng（2009）基于对1961—2005年南京四个气象站的气温资料分析，发现南京城市热岛强度在一般情况下约为0.5℃，当夜间最低气温出现时，最大热岛强度约为6℃。南京城市热岛效应具有明显的昼夜变化特征和季节变化特征，热岛强度夏季大于冬季，而夜晚大于白天。随着城市化发展，南京的热岛强度增加，其增速为每10年0.109℃，城市热岛现象主要出现在我国快速城市化时期（20世纪80年代到90年代，尤其是在20世纪90年代），由于城市绿化的增加，2000年后城市热岛强度略有下降^[19]。

南京大学大气科学系在南京市区和郊区两个观测点进行了夏季（2005年7月17日—7月31日）和冬季（2006年2月18日—3月10日）的城市边界层气象观测，同时采用流动观测法和6个固定观测点观测城市热岛，发现南京存在明显的城市热岛特征^[20]。气温由城市中心向郊区递减，冬季最大热岛强度为1.2℃，夏季为0.83℃，晴天热岛强度大于阴天，夜间热岛强度普遍高于白天，夏季和冬季热岛强度最大可达3.6℃和2.4℃。

对于城市热岛效应，受统计数据和统计方法影响较大，但通过长期观测和大量研究，可以得到以下共识：南京大气热岛强度秋冬季大于春夏季，夜晚大于白天。