寿亦萱等:城市热岛效应的研究进展与展望 Back-Current of HIc 现,城市热岛在区域地表能量平衡和水循环过程中 起着重要作用(H Sea Urban a Urban b 2000)。如Oke(1988)指出由于城市热岛的影响,城 市的辐射平衡关系变得更为复杂,除了感热和潜热 等项以外,还应考虑人类活动的加热作用。再如 C Champollion等(2009)提出,与乡村相比,日落前城 市的感热通量较大,但潜热通量较小,而日落后两者 Sea urban a Urban B 无论在感热和潜热上的差距都较小。由于白天城市 的热容量高,夜间城市下垫面仍能维持较弱的向上 感热通量。因此,白天城市中的水汽通常低于周围 乡村,但夜间特别是后半夜,城市内水汽将会略多于 乡村。故城市热岛现象可作为城市下垫面能量平衡 关系各种过程的不同表现,在能量平衡关系中任何 部分的变化都会影响到整个边界层的稳定度、热 Mountain 力特性以及混合层高度,因此理解地表能量平衡对 veng 研究城市天气和空气污染都具有重要意义。 在早期能量平衡研究中,由于观测手段和分析 方法的局限性,城市下垫面与其他自然表面并未被 Urban 明确的区分开来,其能量平衡关系表示为 Q=QH+QE+Q 图3(a)“链式气流”( Chain flow)形成 其中,Q”、QH、Qε、Q分别表示净辐射、感热通量 过程示意和(b)白天城市边界层内 潜热通量以及传导热。后来,Oke(1988)在此基础 局地环流对水汽的输送过程 (“SBC”表示海风环流,“HIC”表示热岛 上提出了专门适用于城市区域的能量收支平衡关 环流;引自 Ohashi等,2002,2004 系,并将式(1)改写为 Fig 3 (a) Schematic diagram illustrating how the chain flow is formed; and Q+Q=QH+Q+Q3+Q、(2) (b) near-surface moisture transport by 其中,Q是人为加热,Qs为局地热存储量,代表进 local circulations during the daytime 出建筑物表面的净热量,QA则为气柱内热量平流。 from Ohashi, et al, 2002, 2004) 对于净辐射Q',目前普遍认为,城市化效应将 (SEC denotes the seabreeze circulation, and HIC denotes the urban heat island circulation 使城市中太阳短波辐射逐渐减少,而长波辐射逐渐 增多(Oke,1982; Arnfield,2003),城市对短波辐射 的海陆风环流增强。 Freitas等(2007)利用与城市的削减主要是由于污染物的增加。早期的研究,如 能量收支系统耦合的RAMS模式对巴西圣保罗市在圣路易斯、图卢兹、温哥华以及巴塞尔的试验中发 区冬季局地环流进行了数值模拟研究,发现在海风现,城市中污染物对短波辐射的削减量一般小于 锋到达市中心以前,城市热岛效应会使海风锋移动10%( Peterson,etal,1980)。但最近的研究发现, 速度加快。与没有城市的情况相比,城市的存在会在一些城市中短波辐射的削减量超过10%。如 使海风锋移动速度加快约0.32m/s,认为这是城市 Stanhill等(1995)发现香港的短波辐射削减量达到 热岛效应和海风锋产生的气压梯度共同作用的结33%。城市内长波辐射的增加则被普遍认为是城市 果。显然这些新的研究结果对早期研究进行了很好发展的结果,一方面可能是城市热岛的加热作用,另 的补充和修正。 方面也有学者认为是由于颗粒状或气态污染物增 3.3能量平衡研究 加引起大气反射率增加所致(Oke,1982)。不管怎 近年来,随着观测仪器的改进和高分辨率数值样,这些长、短波辐射量的收支引起城乡净辐射之间 模式的发展,人们在研究城市热岛现象的同时还发的差异不大图３ （ａ）“链式气流”（Ｃｈａｉｎｆｌｏｗ）形成 过程示意和（ｂ）白天城市边界层内 局地环流对水汽的输送过程 （“ＳＢＣ”表示海风环流，“ＨＩＣ”表示热岛 环流；引自 Ｏｈａｓｈｉ等，２００２，２００４） Ｆｉｇ．３ （ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇ ｈｏｗｔｈｅｃｈａｉｎｆｌｏｗｉｓｆｏｒｍｅｄ；ａｎｄ （ｂ）ｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｍｏｉｓｔｕｒｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｂｙ ｌｏｃａｌｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄａｙｔｉｍｅ （ｆｒｏｍ Ｏｈａｓｈｉ，ｅｔａｌ，２００２，２００４） （ＳＢＣｄｅｎｏｔｅｓｔｈｅｓｅａｂｒｅｅｚｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ＨＩＣｄｅｎｏｔｅｓｔｈｅｕｒｂａｎｈｅａｔｉｓｌａｎｄｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ） 的海陆风环流增强。Ｆｒｅｉｔａｓ等（２００７）利用与城市 能量收支系统耦合的 ＲＡＭＳ模式对巴西圣保罗市 区冬季局地环流进行了数值模拟研究，发现在海风 锋到达市中心以前，城市热岛效应会使海风锋移动 速度加快。与没有城市的情况相比，城市的存在会 使海风锋移动速度加快约０．３２ｍ／ｓ，认为这是城市 热岛效应和海风锋产生的气压梯度共同作用的结 果。显然这些新的研究结果对早期研究进行了很好 的补充和修正。 ３．３ 能量平衡研究 近年来，随着观测仪器的改进和高分辨率数值 模式的发展，人们在研究城市热岛现象的同时还发 现，城市热岛在区域地表能量平衡和水循环过程中 起着重要作用（Ｈｕｆｆ，ｅｔａｌ，１９７２；Ｂｏｒｎｓｔｅｉｎ，ｅｔａｌ， ２０００）。如 Ｏｋｅ（１９８８）指出由于城市热岛的影响，城 市的辐射平衡关系变得更为复杂，除了感热和潜热 等项以 外，还 应 考 虑 人 类 活 动 的 加 热 作 用。再 如 Ｃｈａｍｐｏｌｌｉｏｎ等（２００９）提出，与乡村相比，日落前城 市的感热通量较大，但潜热通量较小，而日落后两者 无论在感热和潜热上的差距都较小。由于白天城市 的热容量高，夜间城市下垫面仍能维持较弱的向上 感热通量。因此，白天城市中的水汽通常低于周围 乡村，但夜间特别是后半夜，城市内水汽将会略多于 乡村。故城市热岛现象可作为城市下垫面能量平衡 关系各种过程的不同表现，在能量平衡关系中任何 一部分的变化都会影响到整个边界层的稳定度、热 力特性以及混合层高度，因此理解地表能量平衡对 研究城市天气和空气污染都具有重要意义。 在早期能量平衡研究中，由于观测手段和分析 方法的局限性，城市下垫面与其他自然表面并未被 明确的区分开来，其能量平衡关系表示为 犙 ＝犙Ｈ ＋犙Ｅ ＋犙Ｇ （１） 其中，犙 、犙Ｈ 、犙Ｅ、犙Ｇ 分别表示净辐射、感热通量、 潜热通量以及传导热。后来，Ｏｋｅ（１９８８）在此基础 上提出了专门适用于城市区域的能量收支平衡关 系，并将式（１）改写为 犙 ＋犙Ｆ ＝犙Ｈ ＋犙Ｅ ＋犙Ｓ ＋犙Ａ （２） 其中，犙Ｆ 是人为加热，犙Ｓ 为局地热存储量，代表进 出建筑物表面的净热量，犙Ａ 则为气柱内热量平流。 对于净辐射犙 ，目前普遍认为，城市化效应将 使城市中太阳短波辐射逐渐减少，而长波辐射逐渐 增多（Ｏｋｅ，１９８２；Ａｒｎｆｉｅｌｄ，２００３），城市对短波辐射 的削减主要是由于污染物的增加。早期的研究，如 在圣路易斯、图卢兹、温哥华以及巴塞尔的试验中发 现，城市中 污 染 物 对 短 波 辐 射 的 削 减 量 一 般 小 于 １０％（Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，ｅｔａｌ，１９８０）。但最近的研究发现， 在一 些 城 市 中 短 波 辐 射 的 削 减 量 超 过 １０％。如 Ｓｔａｎｈｉｌｌ等（１９９５）发现香港的短波辐射削减量达到 ３３％。城市内长波辐射的增加则被普遍认为是城市 发展的结果，一方面可能是城市热岛的加热作用，另 一方面也有学者认为是由于颗粒状或气态污染物增 加引起大气反射率增加所致（Ｏｋｅ，１９８２）。不管怎 样，这些长、短波辐射量的收支引起城乡净辐射之间 的差异不大。 寿亦萱等：城市热岛效应的研究进展与展望 ３４５