城市环境物理--热岛效应

1城市热岛效应学号：1263136125姓名：亓鸣班级：城规2012摘要：从城市热岛效应概念入手,寻找其特征,探究热岛效应的形成原因和对城市环境的影响。随着城市化的发展热岛效应越来越广泛，要以合理有效的措施尽量降低热岛现象带来的影响。关键词：城市热岛效应；影响；措施引言：夏天在城市生活中会感觉到酷暑难耐,但是要是来到乡村有凉风吹来顿时使你觉得清爽透骨。为什么会出现这样的现象呢？因此，我们有必要走进“城市热岛效应”。1.城市热岛效应1.1城市热岛城市热岛效应是指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”。城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就像是突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。通俗地讲就是城市中的气温高于周边郊区的现象，它反映的是一个温差的概念，只要城市与郊区有明显的温差，就可以说存在城市热岛效应。热岛效应已成为城市气候最明显的特征之一。城市化的加速和城市人口急剧膨胀导致的热岛效应,使大气污染加剧、城市环境恶化,给居民的生活和生存带来了极大的危害。城市热岛最早见之于科学记载的，可能是1818年英国出版《伦敦气候》。作者L·赫华德对城市气候的两大发现，就是伦敦市中心气温比郊外高（各月平均分别高0.5℃—1.2℃），以及城乡温差夜间比白天大。随着世界各地城市的发展和人口的稠密化，“城市热岛效应”变得日益突出。1.2城市热岛的形成原因据现有的资料分析可以看出,世界上几乎所有城市都存在热岛效应的现象,因此城市热岛效应是城市化的产物。下面通过城市与郊区的对比来详细分析热岛效应形成的原因：(1)城市化进程的不断发展,建筑物的高度、密度不断增大，人工铺装的路面和广场也越来越多,城市内的绿化相对减少了,这个立体化的下垫面层能过比较去吸收更多的太阳辐射能,这是形成热岛的基本条件。(2)城市立体化下垫面层比较去自然下垫面层的热容量要大,白天城市的得热量贮存在下垫面层中的那一部分要比郊区多,使得在日落之后城市下垫面层降温速度要比郊区小。在夜间，城市因有热量补充，湍流显热交换的方向，仍然是地面提供热量给空气。郊区因为地面冷却快，有接地逆温层出现，湍流的热交换的方向是空气向地面输送热量，这是形成城市热岛的另一重要原因。（3）城市中的机动车辆、工业生产以及大量的人群活动，都会产生了大量的氮氧化物、二氧化碳、粉尘等大气污染物，这些物质可以大量地吸收环境中热辐射的能量，产生众所2周知的温室效应，引起大气的进一步升温。特别是二氧化碳温室效应是形成城市热岛效应的主要因素之一。(4)城市人口的密集化,向大气中排放大量地人为热量。较多的人为热量进入大气特别是在冬季对中高纬度的城市影响很大，许多城市的热岛强度冷季比暖季大，星期一至星期五的热岛强度比周末大，就是这个原因造成的。(5)城市中公路和广场等硬化较多,不透水面积大,降水后雨水很快就从人工排水管道流失,地面蒸发量小,再加上植被面积比郊区小,蒸腾量少城市下垫面层消耗于蒸散的热量远较郊区小。而系统输送给空气的显热却比郊区大，这对城市空气增温起着很大的作用。(6)城市建筑物的密度大，通风不良，不利于热量向外扩散，在大多数情况下风速都比郊区小。城市气温比郊区高，即使在日落之后城市气温现将速度也往往比郊区小得多。1.3城市热岛的特征(1)城市热岛是气温分布的一种特殊现象,其本质是城市气温高于郊区气温,在城市气温高的时候并非热岛强度一定强,城市气温低的时候城市热岛强度也不一定弱.(2)城市过摸越大,人口越多,城市热岛现象就越明显。城市越大，下垫面立体化越严重；人口越多，产生的人为热量就越多，同时建筑物就越多，建筑高度和密度也会增加；并且交通硬化增加，空气污染严重，城市气温相对越高，热岛效应越严重。（3）各地区各季节的热岛效应也不同。对于中高纬度地区，其热岛效应表现为：冬季较强，夏季较弱，春秋季介于冬夏之间。（4）白天热岛效应弱、晚间热岛效应强。造成这种差异的原因是下垫面层的热容量有差异。城市热容量较大，郊区较小。（5）晴天无风时热岛强、阴天有风时热岛弱。不同天气对热岛的影响表1-1时刻△T天气状况1月23日21点1.7℃阴，风速0.7-2.0m/s1月30日21点6.9℃晴，风速0.0-1.0m/s由表1-1可见，在同一个月份的晚上21点时，当为阴天且风速加大时，市区与郊区的温差只有17℃；当为晴天切风速较小时，温差达到6.9℃。其原因在于在晴天时，城区立体化下垫面层才能发挥大量吸收贮存太阳辐射热能的机能，阴天时太阳能到达地面很少，当然就无法吸收太阳辐射热。1.4热岛对城市生活的影响由于热岛中心区域近地面气温高，大气做上升运动，与周围地区形成气压差异，周围地区近地面大气向中心区辐合，从而在城市中心区域形成一个低压旋涡，结果就势必造成人们生活、工业生产、交通工具运转中燃烧石化燃料而形成的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物等大气污染物质在热岛中心区域聚集，危害人们的身体健康甚至生命。表现在：3一方面，大量污染物在热岛中心聚集，浓度剧增，直接刺激人们的呼吸道粘膜，轻者引起咳嗽流涕，重者会诱发呼吸系统疾病，尤其是患慢性支气管炎、肺气肿、哮喘病的中老年人还会引发心脏病，死亡率高，如英国伦敦在1952年12月份，因为这个原因死亡4000余人。第二方面，大气污染物还会刺激皮肤，导致皮炎，甚而引起皮肤癌。有的物质如铬等，若进入眼内会刺激结膜，引起炎症，重者可导致失明。汞的含量较多，可损害人的肾脏，引起剧烈腹痛、呕吐。汞慢性中毒还会损害人的神经系统。第三方面，长期生活在热岛中心区的人们会表现为情绪烦躁不安、精神萎靡、忧郁压抑、记忆力下降、失眠、食欲减退、消化不良、溃疡增多、胃肠疾病复发等，给城市人们的工作和生活带来说不尽的烦恼。在中国，素有“火炉城市”之称的南京、武汉、重庆等许多大城市在发展中都不同程度地出现了以上这些现象，所以，城市热岛效应已成为城市发展中应正确面对、亟待解决的问题。1.5热岛对建筑热工设计的影响1.5.1对保温设计的影响在纬度较高的地区，冬季的热岛强度远远高于夏季；因而应考虑热岛效应对保温设计的影响。建筑保温设计的基准是《民用建筑热工设计规范》。《规范》对建筑外围护结构的保温设计,给出了三种方法。基本的方法是最小总热阻法,即外围护结构的总热阻,不应小于确定的热阻值。不论采用何种统计计算方法,总是根据累年气象台站提供的气象资料进行统计、分析、计算的。而这些气象资料一般情况下所代表的是某一城市、某一地区的“乡村”气候(或郊外气候)。亦即现行规范中所提供的冬季室外计算温度值,没有考虑热岛效应引起的温度升高。故在城市中所做的热工设计,其结果是偏于保守的。1.5.2对建筑防热设计的影响建筑防热设计是建筑热工设计的一个主要方面，城市热岛效应使得城市气温高手郊区气温，这对夏季城市建筑防热设计提出更高的要求。1.5.2.1外围护结构的隔热隔热设计的主要途径是提高外围护结构的热阻。当围护结构热阻确定之后,夏季室外气温的升高,将使室内出现过热,这是因为热岛效应出现后,使得室外平均气温升高，每一时刻的瞬时气温亦升高,这对于夏季空调房间来说,室内得热量将增大,冷负荷增加；而对于自然通风房间,室外气温的升高,按线性叠加原理,意味着室内空气瞬时温度、平均温度、围护结构内表面温度都升高，特别是在高温季节,温度每升高1℃,都将使室内热环境恶化许多。由此,热岛效应的出现对外围护结构的隔热指标值要求更严，即外围护结构需要有更大的衰减度，更长的延迟时间。1.5.2.3关于外表面浅色处理外表面浅色处理是现行夏季外围护结构隔热的一项措施,其基本思想在于利用浅色表面对太阳短波辐射反射系数较大,吸收系数较小的特性,将到达外围护结构外表面的太阳辐射进行反射，降低该单体建筑的外表面温度,达到防热降温的目的、这个思想的前提是将所4考虑的单体建筑作为一独立系统,该系统处于无限大恒温的空气层中,因此只要太阳辐射不直接加热围护结构外表面,则可以认为对室内热环境无影响。但对处于规模越来越大的现代化大都市中，则就不一定了。这是因为太阳的短波辐射被多次反射后,又被周围建筑表面进行二次、三次反射。如上所述,最终从整个城市来看,反射系数是很小的；到达城市下垫面层的太阳辐射能量几乎全部用于加热城市覆盖层(包括建筑物与空气)；所以从整体来看尽管每一建筑物都经过浅色处理,但不影响整个城市覆盖层内温度的升高,没有改善城市热环境，因为将到达外表面的太阳辐射热反射后加热市区空气，然后再向室内传热,因此起不到隔热的目的。1.5.3对建筑防潮设计的影响城市热岛的出现伴随着市区覆盖层内空气湿度的降低。因为在市区大量的人工铺装面降低了市区下垫面层的蓄水能力，雨水及生活废水排到郊外，“湿源”减少；其次绿色植被比例相对减少,下垫面层对水蒸汽的“呼吸”能力太差,导致了市区内空气的绝对湿度和相对湿度都比较低。围护结构内部冷凝的多少，按内部冷凝检验判别方法，取决于实际水蒸汽分压力线与饱和水蒸汽分压力线的相交程度。如果某建筑外围护结构在设计参数选定条件下（按现行规范选取）有可能出现内部冷凝，但由于城市热岛的出现，则可能会使冷凝现象消失，这是因为：（1）市区相对湿度的降低使得实际水蒸汽分压力线图下降（即每一点的实际水蒸汽分压力值减小）；（2）市区温度的升高使得饱和水蒸汽分压力线图上升（即每一点温度升高引起饱和水蒸汽分压力值增大）。1.6控制热岛的措施总的来说，城市热岛效应对城市环境的影响是害多利少，从城市建设和发展的角度来看，应控制和减小日趋严重化的热岛现象，改善城市的热湿现象。1.6.1严格控制城市规模城市规模越大，人口越多，热岛越强。现有资料表明，北京、上海等城市热岛最强。在控制城市规模的同时，还应该防止城市人口密度和建筑物密度过高。所以在城市规划设计中就应该避免人口密度和建筑密度较高的功能区连片布置。1.6.2保持城市区域有充足的蒸发面积既然城市中人工构筑物的增加、自然下垫面的减少是引起热岛效应的主要原因，那么在城市中通过各种途径增加自然下垫面的比例，便是缓解城市热岛效应的有效途径之一。城市绿地是城市中的主要自然因素，因而大力发展城市绿化，是减轻热岛影响的关键措施。绿地能吸收太阳辐射，而所吸收的辐射能量又有大部分用于植物蒸腾耗热和在光合作用中转化为化学能，用于增加环境温度的热量大大减少。绿地中的园林植物，通过蒸腾作用，不断地从环境中吸收热量，降低环境空气的温度。1.6.3利用绿色植物，减缓城区热岛效应（1）加强绿廊建设。由于道路处于交通污染严重的环境下，更应进一步加强对道路绿化的建设，道路绿化带及河流绿化带属于人类塑造的一种特殊的绿廊，直观地看，廊道（绿化带）的树冠阻挡了阳光和风，达成了微环境条件，除改变小气候外，还起分割屏障，连通的作用，在规划市区外缘，根据地形和可能条件，设置营造宽展的城市防护林带，并和邻县的农田防护林网相联结，在规划市区内，要在居住区、集团之间营造隔离林带，特别是工业区和居住区必须尽可能设置一定宽度的卫生防护林带。5（2）在市中心创建大型绿地。大型绿色地带给我们最大的生态效应——减缓城市热岛效应，气象专家认为，绿地是城市的天然的“空调”和“空气清洁器”，夏季林区的太阳辐射量为非林区的66%，平均辐射温度可降低14.1%。赤裸的街道气温如40℃的话，公园林地可降低5.64℃，仅为34.36℃。例如，在上海市中心的黄浦区、卢湾区、静安区是上海“热岛效应”最强的地区，而三区的交汇处更是一直受到气象部门关注的“特高温区”，在此规划建设延安中路大型公共绿地等于为城市打开一扇“天窗”。一期工程竣工后，市气象局对该地块测试表明，在7、8、9三个月间，白天气温与同期相比，平均下降0.6℃,晚上气温平均下降1℃多。有专家推算，面积7万平方米的延中绿地一期工程在每小时吸收的热量相当于1385台两匹空调的工作量。目前，面积23万平方米的延中绿地已经建成，缓解“热岛效应”的范围达到4.5平方公里。可见，延中绿地的建设对缓解上海市中心“热岛效应”已经起到了有效的