寿亦萱等:城市热岛效应的研究进展与展望 岛环流的影响,还不可避免地受到海陆风的影响,两N2O、CH4、CFC等温室气体在城市上空形成一层屏 种环流的相互作用,可能改变城市能量平衡,并对气障,它们吸收长波辐射,使温度升高,从而加重城市 候变化、极端天气、污染物传播产生影响,因此,需要热岛效应。另一方面城市热岛效应又对污染物的产 给予特别关注 生和分布具有重要影响。近年来开展了很多专门针 依山而建城市的热岛效应与附近地形产生的环对城市上空大气污染的外场观测实验,从观测结果 流相互作用是另一异常复杂的科学问题。众所周来看,污染物的空间分布和时间演变特征主要受城 知,不同地形高度的热力、动力差异能形成不同形式市上空热力和动力过程驱动。最近 Agarwal等 的山谷风、坡风和绕流,加上中尺度天气强迫可导致(2010)利用一个二维数学模型研究在城市热岛条件 风向、风速、大气稳定度的日变化。在这些时、空多下空气污染物分布和扩散特征时指出,城市热岛效 变的环流与城市热岛环流的非线性相互作用以及对应引起的中尺度风场有助于污染物的水平输送和向 城市地表温、湿度要素和风场、降水、大气边界层、湍上扩展。此外,还特别分析了污染物的浓度分布与 流能量,空气污染物的三维空间扩散、雾和霾的产生大气稳定度的关系,结果发现在大气稳定状态下,城 和消亡的影响中存在许多有待解决的问题。如简单市热岛效应会使污染物大量聚积在污染源的下风方 使用对水平均匀、平坦地形成立的边界层相似理论向上,而当大气处于不稳定状态时,污染物则会较多 显然是不合适的 集中在污染源附近 前沿海和复杂地形下的城市热岛这两个研究 就城市热岛效应而言,高温、弱风、相对湿度小 课题已经在一些地区开展,并得到部分科学家的重以及晴空少云是其发展的重要局地天气条件,而这 视,但是,研究深度和广度还远远不够。从研究内容些大气条件又常常在空气污染产生和分布中起着关 看,如何区分城市热岛环流与海陆风和复杂地形产键作用( Yoshikado,etal,1996)。 Solecki等 生的环流在气候变化、极端天气、污染物传播中所起(2004)在研究中发现城市温度与二级污染物O3的 的具体作用也是沿海(湖、江、河)或依山而建城市的形成有密切关系,城市温度升高常常会伴随O3浓 热岛问题研究的重要内容 度的增高。徐祥德等(2006)分析了北京市区和郊区 4.2城市群间热岛环流的相互作用 大气边界层对比观测试验结果后发现,城市热岛群 世界城市化进程加快的最明显表现就是单个城中出现的多个辐合、辐散中心与城市建筑群“冠层” 市面积的迅速扩大,城市之间的空间距离缩短,从而边界内的湍流垂直输送共同作用可导致城市大气污 在局地范围上形成城市群或城市带。城市群的建染局地“堆积”、“滞留”,呈非均匀分布特征 立,使城市热岛环流不再是一个局地天气现象。在 些研究还特别指出,某些大尺度天气背景下 某些天气条件下,城市群区热岛环流之间相互作用不仅很容易产生城市热岛效应,而且,与城市热岛效 可能加强热岛现象(如产生热浪)或有上风和下风位应相配合更易于空气污染的产生( Cheng,etal 置的热岛效应之差别,故对温、湿和污染物的分布产1998)。例如, Cheng等(1998,2001)指出在台湾,当 生重要影响。此外,城市群热岛环流对能量平衡、边大陆高压东移,中心位于125°E时,或者热带低压或 界层结构的影响,以及与盛行风向、风速的关系问题台风影响台湾时,台中市会出现O3污染事件。 也值得展开深入思考。由于城市群的概念是在近几 由此可见,城市中空气污染的未来研究须加强 年才被提出来的,因此,这个课题是当前城市热岛问污染物的监测,通过外场观测和使用气象、大气化学 题研究中新的挑战和发展方向之一。至于如何估算模式来理解污染物间的化学反应、它们与热岛环流、 局地热存储量和人为加热项在城市能量平衡关系中周围地表不均匀产生的环流以及较大尺度系统的相 的大小还有待于很多细致的观测和模式研究工作。互作用。所造成空气污染的分布可因时、因地不同, 4.3城市化与空气污染的问题 其结论也可能对不同城市而不同 城市和工业区中人类活动是城市大气污染物的4.4城市热岛效应对平均降水的影响 主要来源,这些大气污染物与城市热岛效应之间具 城市热岛效应对年、季、月平均降水率的影响主 有相互影响的关系。一方面,由城市中车辆、空调以要表现在使城市中心及其下风地区降水增加。这一 及工厂等排放出来的大量煤灰、粉尘以及CO2、现象最早是由 Changnon(1968)以及 Holtzman等岛环流的影响，还不可避免地受到海陆风的影响，两 种环流的相互作用，可能改变城市能量平衡，并对气 候变化、极端天气、污染物传播产生影响，因此，需要 给予特别关注。 依山而建城市的热岛效应与附近地形产生的环 流相互作用是另一异常复杂的科学问题。众所周 知，不同地形高度的热力、动力差异能形成不同形式 的山谷风、坡风和绕流，加上中尺度天气强迫可导致 风向、风速、大气稳定度的日变化。在这些时、空多 变的环流与城市热岛环流的非线性相互作用以及对 城市地表温、湿度要素和风场、降水、大气边界层、湍 流能量，空气污染物的三维空间扩散、雾和霾的产生 和消亡的影响中存在许多有待解决的问题。如简单 使用对水平均匀、平坦地形成立的边界层相似理论 显然是不合适的。 目前沿海和复杂地形下的城市热岛这两个研究 课题已经在一些地区开展，并得到部分科学家的重 视，但是，研究深度和广度还远远不够。从研究内容 看，如何区分城市热岛环流与海陆风和复杂地形产 生的环流在气候变化、极端天气、污染物传播中所起 的具体作用也是沿海（湖、江、河）或依山而建城市的 热岛问题研究的重要内容。 ４．２ 城市群间热岛环流的相互作用 世界城市化进程加快的最明显表现就是单个城 市面积的迅速扩大，城市之间的空间距离缩短，从而 在局地范围上形成城市群或城市带。城市群的建 立，使城市热岛环流不再是一个局地天气现象。在 某些天气条件下，城市群区热岛环流之间相互作用 可能加强热岛现象（如产生热浪）或有上风和下风位 置的热岛效应之差别，故对温、湿和污染物的分布产 生重要影响。此外，城市群热岛环流对能量平衡、边 界层结构的影响，以及与盛行风向、风速的关系问题 也值得展开深入思考。由于城市群的概念是在近几 年才被提出来的，因此，这个课题是当前城市热岛问 题研究中新的挑战和发展方向之一。至于如何估算 局地热存储量和人为加热项在城市能量平衡关系中 的大小还有待于很多细致的观测和模式研究工作。 ４．３ 城市化与空气污染的问题 城市和工业区中人类活动是城市大气污染物的 主要来源，这些大气污染物与城市热岛效应之间具 有相互影响的关系。一方面，由城市中车辆、空调以 及工厂 等 排 放 出 来 的 大 量 煤 灰、粉 尘 以 及 ＣＯ２、 Ｎ２Ｏ、ＣＨ４、ＣＦＣ等温室气体在城市上空形成一层屏 障，它们吸收长波辐射，使温度升高，从而加重城市 热岛效应。另一方面城市热岛效应又对污染物的产 生和分布具有重要影响。近年来开展了很多专门针 对城市上空大气污染的外场观测实验，从观测结果 来看，污染物的空间分布和时间演变特征主要受城 市上 空 热 力 和 动 力 过 程 驱 动。 最 近 Ａｇａｒｗａｌ等 （２０１０）利用一个二维数学模型研究在城市热岛条件 下空气污染物分布和扩散特征时指出，城市热岛效 应引起的中尺度风场有助于污染物的水平输送和向 上扩展。此外，还特别分析了污染物的浓度分布与 大气稳定度的关系，结果发现在大气稳定状态下，城 市热岛效应会使污染物大量聚积在污染源的下风方 向上，而当大气处于不稳定状态时，污染物则会较多 集中在污染源附近。 就城市热岛效应而言，高温、弱风、相对湿度小 以及晴空少云是其发展的重要局地天气条件，而这 些大气条件又常常在空气污染产生和分布中起着关 键 作 用 （Ｙｏｓｈｉｋａｄｏ，ｅｔａｌ，１９９６）。Ｓｏｌｅｃｋｉ 等 （２００４）在研究中发现城市温度与二级污染物 Ｏ３ 的 形成有密切关系，城市温度升高常常会伴随 Ｏ３ 浓 度的增高。徐祥德等（２００６）分析了北京市区和郊区 大气边界层对比观测试验结果后发现，城市热岛群 中出现的多个辐合、辐散中心与城市建筑群“冠层” 边界内的湍流垂直输送共同作用可导致城市大气污 染局地“堆积”、“滞留”，呈非均匀分布特征。 一些研究还特别指出，某些大尺度天气背景下 不仅很容易产生城市热岛效应，而且，与城市热岛效 应相 配 合 更 易 于 空 气 污 染 的 产 生 （Ｃｈｅｎｇ，ｅｔａｌ， １９９８）。例如，Ｃｈｅｎｇ等（１９９８，２００１）指出在台湾，当 大陆高压东移，中心位于１２５°Ｅ时，或者热带低压或 台风影响台湾时，台中市会出现 Ｏ３ 污染事件。 由此可见，城市中空气污染的未来研究须加强 污染物的监测，通过外场观测和使用气象、大气化学 模式来理解污染物间的化学反应、它们与热岛环流、 周围地表不均匀产生的环流以及较大尺度系统的相 互作用。所造成空气污染的分布可因时、因地不同， 其结论也可能对不同城市而不同。 ４．４ 城市热岛效应对平均降水的影响 城市热岛效应对年、季、月平均降水率的影响主 要表现在使城市中心及其下风地区降水增加。这一 现象最早是由 Ｃｈａｎｇｎｏｎ（１９６８）以及 Ｈｏｌｔｚｍａｎ等 寿亦萱等：城市热岛效应的研究进展与展望 ３４７