寿亦萱等:城市热岛效应的研究进展与展望 蓬勃发展,城市热岛效应给环境造成的各种问题才 1引言 引起科学家们的广泛关注和政府的高度重视。为全 从20世纪开始,随着全球经济发展,城市化也面地了解国际上城市热岛(UHI的研究现状,疏理 进入了空前发展的阶段。据联合国人口组织的统计了城市热岛的研究成果以供研究国内城市热岛效应 资料显示,到20世纪末,世界上城市人口占总人口参考。此外, Armfield2003)和 Rizwan等(2008)先 数的45%,其中,发达国家中城市人口比例高达后从区域气候和工程角度对城市热岛效应的相关研 75%( United Nations,2001)。城市化给自然环境究进行了不同程度的总结。 所带来的影响是多方面的,其中,下垫面类型的改变2观测手段和模式发展 是其造成的最直接的变化之一。城市的下垫面通常 是由混凝土、沥青等构成的(三维)建筑物和(二维) 和大气科学中的其他学科一样,城市热岛效应 道路组成,相对于由水、土和植被构成的自然表面 的研究进展离不开观测、数值模拟以及实验室仿真 这些人造表面一般具有较小的反照率、较大的热容 手段的进步 性以及很小的蒸发和蒸腾,从而能够更有效地将入 2.1外场试验和观测手段 射太阳辐射转换为热量并储存。因此,受这种复杂 由于观测能最直接、客观地揭示城市热岛效应 的特征,自20世纪70年代以来,国际上已组织了多 表面的影响,加之工业、交通和商业等人类活动产生 次大型的外场观测实验。如以研究边界层内不同尺 的热量,城市气温要比其周围的环境气温高,这种现 度污染物的扩散为目的,在美国犹他州盐湖城举行 象就是城市热岛效应( Chandler,etal,1976;Oke,的 URBAN2000观测实验( Allwine,etal,2002), 1982)。过去人们习惯用(2m高度)百叶箱内的空以研究城市边界层结构为目的在瑞士巴塞尔举行的 气温度(即地面气温)来表示城市热岛效应。后来随历时一年的 BUBBLE201实验( Roach,etal 着卫星遥感资料的广泛使用,地表温度也常被用来2005)和在美国俄克拉荷马进行的主要针对城市边 研究城市热岛效应 界层、城市街谷中气流扰动(Pol,etal,2006)等5 据统计,到目前为止,世界上在1000多个不同个方面的科学问题的JU2003示踪气体实验。 规模的城市中发现了城市热岛现象,范围遍及南、北 近年来,中国也先后组织过多次大型的城市观 半球各纬度地区( Magee,etal,199; Arnfield,测实验,如2001-2002年受中国科学技术部“973 2003)。虽然城市热岛效应本身不会像热带气旋、暴项目”支持,由中国气象局气象科学研究院以及北京 雨等强烈天气那样直接造成重大的自然灾害,但往城市气象研究所等多家单位联合完成的 BECAPEX 往会通过改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边观测实验,着重研究了京津冀地区城市的边界层结 界层结构、污染物传播和扩散规律,而对人类生产、构和大气化学成分的分布(Xu,etal,2005)。2004 生活产生间接的危害。一方面伴随着经济发展,城年进行的 BUBLEX实验,在 BECAPEX基础上对 市化进程加快,而另一方面随着人类文明的进步,人城市边界层结构进行了重点观测。此外还有2007 类对生存环境的要求也是有增无减,这两者的矛盾年被WMO接收并正式启动的上海城市气象和环 使城市热岛效应成为一亟待解决的课题。从目前的境研究示范项目。该项目旨在通过观测以及数值模 研究现状来看,城市热岛效应已经成为一个跨学科拟,重点研究上海地区及其周边的不均匀下垫面对 领域的问题,不仅是大气科学研究关注的焦点,而城市热岛的形成和城市环境的影响以及空气污染的 且,还受到环境、地理、水文、生态、卫生和城镇规划物理和化学过程等问题(WMO,2007)。 等学科学者的关注,有关的研究论文也相当丰富 上述外场观测试验中既采用了传统的局地观测 虽然中国关于城市热岛效应的研究已开展多年(桑仪器,也利用了高科技的遥感技术。前者包括地面 建国等,2000;胡非等,2003;李维亮等,2003;徐祥观测站、风廓线仪、飞机机载仪器等,这些都是研究 德等,2004;佟华等,2004;何晓凤等,2007;蒋维楣城市热岛所使用的重要观测工具。利用这些工具通 等,2007;王迎春等,2009),并也取得不少成果。过对城市中某一个站点进行时序观测( Tereshchen 但直至近几年由于中国经济迅速上升带来各城市的ko,etal,2001),或对多个城乡站点进行对比观测１ 引 言 从２０世纪开始，随着全球经济发展，城市化也 进入了空前发展的阶段。据联合国人口组织的统计 资料显示，到２０世纪末，世界上城市人口占总人口 数的 ４５％，其 中，发 达 国 家 中 城 市 人 口 比 例 高 达 ７５％ （ＵｎｉｔｅｄＮａｔｉｏｎｓ，２００１）。城市化给自然环境 所带来的影响是多方面的，其中，下垫面类型的改变 是其造成的最直接的变化之一。城市的下垫面通常 是由混凝土、沥青等构成的（三维）建筑物和（二维） 道路组成，相对于由水、土和植被构成的自然表面， 这些人造表面一般具有较小的反照率、较大的热容 性以及很小的蒸发和蒸腾，从而能够更有效地将入 射太阳辐射转换为热量并储存。因此，受这种复杂 表面的影响，加之工业、交通和商业等人类活动产生 的热量，城市气温要比其周围的环境气温高，这种现 象就是城市热岛效应 （Ｃｈａｎｄｌｅｒ，ｅｔａｌ，１９７６；Ｏｋｅ， １９８２）。过去人们习惯用（２ｍ 高度）百叶箱内的空 气温度（即地面气温）来表示城市热岛效应。后来随 着卫星遥感资料的广泛使用，地表温度也常被用来 研究城市热岛效应。 据统计，到目前为止，世界上在１０００多个不同 规模的城市中发现了城市热岛现象，范围遍及南、北 半球 各 纬 度 地 区 （Ｍａｇｅｅ，ｅｔａｌ，１９９９；Ａｒｎｆｉｅｌｄ， ２００３）。虽然城市热岛效应本身不会像热带气旋、暴 雨等强烈天气那样直接造成重大的自然灾害，但往 往会通过改变局地的能量平衡、水循环过程、大气边 界层结构、污染物传播和扩散规律，而对人类生产、 生活产生间接的危害。一方面伴随着经济发展，城 市化进程加快，而另一方面随着人类文明的进步，人 类对生存环境的要求也是有增无减，这两者的矛盾 使城市热岛效应成为一亟待解决的课题。从目前的 研究现状来看，城市热岛效应已经成为一个跨学科 领域的问题，不仅是大气科学研究关注的焦点，而 且，还受到环境、地理、水文、生态、卫生和城镇规划 等学科学者的关注，有关的研究论文也相当丰富。 虽然中国关于城市热岛效应的研究已开展多年（桑 建国等，２０００；胡非等，２００３；李维亮等，２００３；徐祥 德等，２００４；佟华等，２００４；何晓凤等，２００７；蒋维楣 等，２００７；王 迎 春 等，２００９），并 也 取 得 不 少 成 果。 但直至近几年由于中国经济迅速上升带来各城市的 蓬勃发展，城市热岛效应给环境造成的各种问题才 引起科学家们的广泛关注和政府的高度重视。为全 面地了解国际上城市热岛（ＵＨＩ）的研究现状，疏理 了城市热岛的研究成果以供研究国内城市热岛效应 参考。此外，Ａｒｎｆｉｅｌｄ（２００３）和 Ｒｉｚｗａｎ等（２００８）先 后从区域气候和工程角度对城市热岛效应的相关研 究进行了不同程度的总结。 ２ 观测手段和模式发展 和大气科学中的其他学科一样，城市热岛效应 的研究进展离不开观测、数值模拟以及实验室仿真 手段的进步。 ２．１ 外场试验和观测手段 由于观测能最直接、客观地揭示城市热岛效应 的特征，自２０世纪７０年代以来，国际上已组织了多 次大型的外场观测实验。如以研究边界层内不同尺 度污染物的扩散为目的，在美国犹他州盐湖城举行 的 ＵＲＢＡＮ２０００观测实验（Ａｌｌｗｉｎｅ，ｅｔａｌ，２００２）， 以研究城市边界层结构为目的在瑞士巴塞尔举行的 历时 一 年 的 ＢＵＢＢＬＥ２００１ 实 验 （Ｒｏｔａｃｈ，ｅｔａｌ， ２００５）和在美国俄克拉荷马进行的主要针对城市边 界层、城市街谷中气流扰动（Ｐｏｌ，ｅｔａｌ，２００６）等５ 个方面的科学问题的ＪＵ２００３示踪气体实验。 近年来，中国也先后组织过多次大型的城市观 测实验，如 ２００１—２００２ 年受中国科学技术部“９７３ 项目”支持，由中国气象局气象科学研究院以及北京 城市气象研究所等多家单位联合完成的 ＢＥＣＡＰＥＸ 观测实验，着重研究了京津冀地区城市的边界层结 构和大气化学成分的分布（Ｘｕ，ｅｔａｌ，２００５）。２００４ 年进行的 ＢＵＢＬＥＸ 实验，在 ＢＥＣＡＰＥＸ 基础上对 城市边界层结构进行了重点观测。此外还有２００７ 年被 ＷＭＯ 接收并正式启动的上海城市气象和环 境研究示范项目。该项目旨在通过观测以及数值模 拟，重点研究上海地区及其周边的不均匀下垫面对 城市热岛的形成和城市环境的影响以及空气污染的 物理和化学过程等问题（ＷＭＯ，２００７）。 上述外场观测试验中既采用了传统的局地观测 仪器，也利用了高科技的遥感技术。前者包括地面 观测站、风廓线仪、飞机机载仪器等，这些都是研究 城市热岛所使用的重要观测工具。利用这些工具通 过对城市中某一个站点进行时序观测（Ｔｅｒｅｓｈｃｈｅｎ ｋｏ，ｅｔａｌ，２００１），或对多个城乡站点进行对比观测 寿亦萱等：城市热岛效应的研究进展与展望 ３３９