Acta Meteorologica sinica气象学报2012,70(3) 感热通量Q是城市能量平衡中一个重要分被区域覆盖率而变化,当然也受人为浇灌影响 量。Yap等(1974)以加拿大温哥华市为对象,通过 与其他热通量相比,人为加热与人类活动的关 观测实验首次对城市中感热通量的特点进行了详细系最密切,量级较小且变化缓慢,但与城市热岛效应 分析,发现午后城市中感热下降的时间较乡村晚即的强度关系密切。据测算,在20世纪60—70年代 使在夜间仍有较弱的感热通量。后来一些研究还发中,一个中纬度普通城市的Q年平均值在15-50 现Q与城市建筑物有关,如白天城市Q通常是乡W/m2,对区域温度的直接影响较小(Oke,1988)。 村测量值的2倍,而夜间的感热强度和符号大致与但从80年代开始,在一些大都市如伦敦( Harrison, 建筑物的密度有关等( Christen,etal,2004)。 etal,1984)、纽约( Clark,etal,1985)和东京(lch 除了感热通量外,热存储量Qs是城市能量平nose,etal,1999),Q有明显的增长。如 Ichinose 衡中另一个重要分量(Oke,1987)。Q主要是由于等(199)通过模拟研究发现,东京白天Q最大值 城市的热力特性(如较大的热容以及热传导)以及结为400W/m2,冬季甚至可达到1590W/m2,它对区 构特征(例如建筑物的复杂三维几何表面),使大量域温度提高的直接影响可达到1°C。Q的大小也 多余的能量存储在建筑物中而产生的,其大小变化与人类活动的时、空变化直接相关。如受Q的影 对城市地面能量平衡有显著意义( Grimmond,et响,工作日与非工作日的温差可高达1C(Sim al,1999)。 Christen等(2004)基于 BUBBLE实验 monds,etal,1997)。最近,Ryu等(2012)使用中 中7个观测试验站点的数据分析了瑞典巴塞尔市中尺度单层城市冠层模式研究显示人为加热、不可渗 心及其附近存储热的变化规律,发现白天城市的热透表面以及城市的三维几何特征是影响城市热岛效 存储量为周围乡村的2—3倍,而夜间市中心的热存应强度的3个关键因素。在3个要素中人为加热和 储量通常是乡村的2倍。对于夜间能量平衡而言,不可渗透表面全天都对城市热岛效应强度具有正贡 热存储量是变化最显著的一项。 献,前(后)者对夜间(白天)城市热岛效应强度贡献 在此需要指出的是,直接测量热存储量较为困最大,而城市三维几何特征只有在夜间才有正贡献, 难,通常的做法是通过扣除能量平衡方程中可以直且这部分正贡献主要是来自垂直墙面内的存储热。 接观测到的Q'、QH和Qε项来获得。但是,由于测 4未来研究方向与展望 量Q、QHt以及Qε过程中存在很多不确定性,加上 热存储量的变化时间尺度长,以及受人为热源的干 综上所述,有关城市热岛问题的研究在过去半 扰等原因,因此,精确评估热存储量的大小目前仍然个世纪中已取得很多可喜成果,这为城市热岛效应 有相当的难度。 深入研究打下了很好的理论基础。在城市热岛的基 植被是城市中水汽的主要来源。长久以来,由本特征逐渐为人们所认识的同时,一些学者也开始 于植被覆盖率较低,城市蒸发潜热αε一直被视为对城市热岛问题的未来研究方向进行思考。从近 整个能量平衡中的一个小量,至少相对于乡村来说10年的研究成果看,城市热岛研究不仅在深度有了 城市Qε要低很多,因此,未受到过多地重视。然明显加深,而且,广度也显著扩展,这其中包括探讨 而,近几年的研究表明,城市中的Qε比原本想象要城市热岛对天气、气候和环境的影响。事实上,当今 高很多。Oke(198⑦)对城市中一个灌溉草坪的能量科学技术发展迅速,不确定因素较多,对未来城市热 分布进行观测分析后提出,除非是可蒸发的水量不岛研究方向做出准确预测是很困难的。因此,这里 足,上游干、暖空气的平流往往会增加城市中植被的根据一些国际上热点问题对城市热岛效应未来数十 蒸腾和地表的蒸发,即所谓的“绿洲效应”。这个概年的研究作一粗略展望。 念提出以后,有关城市蒸发潜热问题的研究开始重4.1沿海和复杂地形附近的城市热岛问题 新受到重视。在此基础上,一些学者开展了较为精 将沿海(或湖、江、河)城市热岛作为一单独问题 细的研究,如 Hagishima等(2007)通过试验证明在提出来,是因为世界上很多大城市都位于海岸附近 相同的户外条件下,城市中一盆孤立的盆载植物产且往往都是工商业中心与人口和建筑物密集区,在 生的Qε是该植物在一植物丛中产生的αε的两倍。世界经济、文化方面具有非常重要的影响。另一方 这些结果表明城市中单位植被面积上的蒸发可随植面,与内陆城市不同,沿海城市的空气运动除了受热感热通量 犙Ｈ 是 城 市 能 量 平 衡 中 一 个 重 要 分 量。Ｙａｐ等（１９７４）以加拿大温哥华市为对象，通过 观测实验首次对城市中感热通量的特点进行了详细 分析，发现午后城市中感热下降的时间较乡村晚，即 使在夜间仍有较弱的感热通量。后来一些研究还发 现犙Ｈ 与城市建筑物有关，如白天城市犙Ｈ 通常是乡 村测量值的２倍，而夜间的感热强度和符号大致与 建筑物的密度有关等（Ｃｈｒｉｓｔｅｎ，ｅｔａｌ，２００４）。 除了感热通量外，热存储量 犙Ｓ 是城市能量平 衡中另一个重要分量（Ｏｋｅ，１９８７）。犙Ｓ 主要是由于 城市的热力特性（如较大的热容以及热传导）以及结 构特征（例如建筑物的复杂三维几何表面），使大量 多余的能量存储在建筑物中而产生的，其大小变化 对城市 地 面 能 量 平 衡 有 显 著 意 义 （Ｇｒｉｍｍｏｎｄ，ｅｔ ａｌ，１９９９）。Ｃｈｒｉｓｔｅｎ等（２００４）基于 ＢＵＢＢＬＥ 实验 中７个观测试验站点的数据分析了瑞典巴塞尔市中 心及其附近存储热的变化规律，发现白天城市的热 存储量为周围乡村的２—３倍，而夜间市中心的热存 储量通常是乡村的２倍。对于夜间能量平衡而言， 热存储量是变化最显著的一项。 在此需要指出的是，直接测量热存储量较为困 难，通常的做法是通过扣除能量平衡方程中可以直 接观测到的犙 、犙Ｈ 和犙Ｅ 项来获得。但是，由于测 量犙 、犙Ｈ 以及犙Ｅ 过程中存在很多不确定性，加上 热存储量的变化时间尺度长，以及受人为热源的干 扰等原因，因此，精确评估热存储量的大小目前仍然 有相当的难度。 植被是城市中水汽的主要来源。长久以来，由 于植被覆盖率较低，城市蒸发潜热 犙Ｅ 一直被视为 整个能量平衡中的一个小量，至少相对于乡村来说 城市犙Ｅ 要 低 很 多，因 此，未 受 到 过 多 地 重 视。然 而，近几年的研究表明，城市中的 犙Ｅ 比原本想象要 高很多。Ｏｋｅ（１９８７）对城市中一个灌溉草坪的能量 分布进行观测分析后提出，除非是可蒸发的水量不 足，上游干、暖空气的平流往往会增加城市中植被的 蒸腾和地表的蒸发，即所谓的“绿洲效应”。这个概 念提出以后，有关城市蒸发潜热问题的研究开始重 新受到重视。在此基础上，一些学者开展了较为精 细的研究，如 Ｈａｇｉｓｈｉｍａ等（２００７）通过试验证明在 相同的户外条件下，城市中一盆孤立的盆载植物产 生的犙Ｅ 是该植物在一植物丛中产生的 犙Ｅ 的两倍。 这些结果表明城市中单位植被面积上的蒸发可随植 被区域覆盖率而变化，当然也受人为浇灌影响。 与其他热通量相比，人为加热与人类活动的关 系最密切，量级较小且变化缓慢，但与城市热岛效应 的强度关系密切。据测算，在２０世纪６０—７０年代 中，一个中纬度普通城市的 犙Ｆ 年平均值在１５—５０ Ｗ／ｍ２，对区域温度的直接影响较小（Ｏｋｅ，１９８８）。 但从８０年代开始，在一些大都市如伦敦（Ｈａｒｒｉｓｏｎ， ｅｔａｌ，１９８４）、纽约（Ｃｌａｒｋ，ｅｔａｌ，１９８５）和东京（Ｉｃｈｉ ｎｏｓｅ，ｅｔａｌ，１９９９），犙Ｆ 有明显的增长。如Ｉｃｈｉｎｏｓｅ 等（１９９９）通过模拟研究发现，东京白天 犙Ｆ 最大值 为４００ Ｗ／ｍ２，冬季甚至可达到１５９０ Ｗ／ｍ２，它对区 域温度提高的直接影响可达到１°Ｃ。犙Ｆ 的大小也 与人类活动的时、空变化直接相关。如受 犙Ｆ 的影 响，工 作 日 与 非 工 作 日 的 温 差 可 高 达 １℃ （Ｓｉｍ ｍｏｎｄｓ，ｅｔａｌ，１９９７）。最近，Ｒｙｕ等（２０１２）使用中 尺度单层城市冠层模式研究显示人为加热、不可渗 透表面以及城市的三维几何特征是影响城市热岛效 应强度的３个关键因素。在３个要素中人为加热和 不可渗透表面全天都对城市热岛效应强度具有正贡 献，前（后）者对夜间（白天）城市热岛效应强度贡献 最大，而城市三维几何特征只有在夜间才有正贡献， 且这部分正贡献主要是来自垂直墙面内的存储热。 ４ 未来研究方向与展望 综上所述，有关城市热岛问题的研究在过去半 个世纪中已取得很多可喜成果，这为城市热岛效应 深入研究打下了很好的理论基础。在城市热岛的基 本特征逐渐为人们所认识的同时，一些学者也开始 对城市热岛问题的未来研究方向进行思考。从近 １０年的研究成果看，城市热岛研究不仅在深度有了 明显加深，而且，广度也显著扩展，这其中包括探讨 城市热岛对天气、气候和环境的影响。事实上，当今 科学技术发展迅速，不确定因素较多，对未来城市热 岛研究方向做出准确预测是很困难的。因此，这里 根据一些国际上热点问题对城市热岛效应未来数十 年的研究作一粗略展望。 ４．１ 沿海和复杂地形附近的城市热岛问题 将沿海（或湖、江、河）城市热岛作为一单独问题 提出来，是因为世界上很多大城市都位于海岸附近， 且往往都是工商业中心与人口和建筑物密集区，在 世界经济、文化方面具有非常重要的影响。另一方 面，与内陆城市不同，沿海城市的空气运动除了受热 ３４６ 犃犮狋犪犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犛犻狀犻犮犪 气象学报 ２０１２，７０（３）