3.1大气学的热岛效应

3.1.1城市热岛效应基本理论

    1、城市热岛效应概况

19世纪初，英国气候学家路克·霍德华在《伦敦的气候》一书中，首先提出了“热岛效应”的气候特征理念。随着城市建设的高速发展，城市热岛效应也变得越来越明显。进入21世纪，由于城市人口集中，工业发达，交通拥塞，大气污染严重，且城市中的建筑大多为石头和混凝土建成，它的热容量低，热传导率高，加上建筑物本身对风的阻挡或减弱作用，可使城市年平均气温比郊区可高2℃，甚至更多,在温度的空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿，从而形成城市热岛效应。

    2、城市热岛效应形成原因

   根据大气学对城市热岛效应的定义和研究，将其成因归纳为城下垫面、人工热源、风的影响、空气污染、绿地减少和人口迁移。其中：

①城市内有大量的人工构筑物，如混凝土、柏油路面，各种建筑墙面等，改变了下垫面的热力属性，这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面（绿地、水面等）升温快，因而其表面温度明显高于自然下垫面。

②城市内拥有大量锅炉、加热器等耗能装置以及各种机动车辆。这些机器和人类生活活动都消耗大量能量，大部分以热能形式传给城市大气空间。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料，每天都在向外排放大量的热量。工厂、机动车、居民生活等，燃烧各种燃料、消耗大量能源，无数个火炉在燃烧，都在排放热量。

③城市里中绿地、林木和水体的减少也是一个主要原因。随着城市的建筑、广场、道路等等大量增加，绿地、水体等自然因素相应减少，放热的多了，吸热的少了，缓解热岛效应的能力就被削弱了。

④除了绿地能够有效缓解城市热岛效应之外，水面、风等也是造成城市热岛的因素。城区密集的建筑群、纵横的道路桥梁，构成较为粗糙的城市下垫层、因而对风的阻力增大，风速减低，热量不易散失。在风速小于6 m/s时，可能产生明显的热岛效应，风速大于11 m/s时,下垫层阻力不起什么作用，此时热岛效应不太明显。

⑤大气污染在城市热岛效应中起着相当复杂特殊的作用。来自工业生产、交通运输以及日常生活中的大气污染物在城区浓度特别大，它像一张厚厚的毯子覆盖在城市上空，白天它大大地削弱了太阳直接辐射，城区升温减缓，有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间它将大大减少城区地表有效长波辐射所造成的热量损耗，起到保温作用，使城市比郊区“冷却”得慢，形成夜间热岛现象。

⑥中国春节期间的人口大迁徙被称为世界上每年最大规模的人类迁移，人次多、周期短、方向性强，具有很强的规律性。

    3、城市热岛效应基本特征

热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象，在冬季最为明显，夜间也比白天明显，是城市气候最明显的特征之一。

城市热岛效应使城市年平均气温比郊区高出1°C，甚至更多。夏季，城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6°C以上。原则上，一年四季都可能出现城市热岛效应。此外，城市密集高大的建筑物阻碍气流通行，使城市风速减小。由于城市热岛效应，城市与郊区形成了一个昼夜相同的热力环流。

3.1.2城市热岛效应理论研究现状

    1、现有的热岛效应原理示意图

为了清晰的解释城市热岛效应，相关部门和专家绘制了各种图表来解释和说明热岛效应的原理和效应。主要包括有：

http://s4/mw690/002Brj65zy7bjRRKiCT33&690

2、现有的热岛效应示意图的不足

根据对大气学有关热岛效应相关资料的整理可以发现，对热岛效应的描述主要集中在对城市大气温度变化论述，研究的方法主要针对实际环境效应等方面，没有从理论上对热岛效应产生的原因、影响因素建立一个完整的理论模型，对热岛效应认识还处于感性认识阶段。

3.1.3城市热岛效的主要危害

城市大气在被市区内大量余热加热后做上升运动，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：

一是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。

二是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。

三是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。

四是对居民生活和消费构成影响的主要是夏季高温天气下的热岛效应。为了降低室内气温和使室内空气流通，人们使用空调、电扇等电器，而这些都需要消耗大量的电力。

3.1.4大气学热岛效应相关知识的来源

本文引述的城市热岛效应的相关知识，主要来源于网上，受制于篇幅制作简单的介绍。要详细掌握现有的关于热岛效应的其他知识可查阅。

3.2热岛效应物理过程及原理图

3.2.1对城市热岛效应进行理论研究的必要性

热岛效应提出已经有200多年的历史，但早期的热岛效应对大气运行和环境的影响并不严重，所以关注程度不大，只是在气象领域对其现象进行论述，没有对其进行深入的理论研究。近几十年来，随着中国城市化进程的加速，超级城市不断涌现，而随着汽车的普及和居民空调负荷的大力攀升，超级大城市能源消耗强度也越来越大，导致城市热岛效应也更加突出，导致环境问题日趋严重，北京、广州等超大城市本世纪以来夏季季节的灰霾现象连续出现，但对灰霾天气的成因则众说纷纭，至今尚没有深入的理论研究。

随着我国雾霾污染问题日趋严重，社会各界对雾霾问题的理论研究逐渐展开，雾霾大气学从理论上对雾霾的成因进行分类，提出了热岛型固体颗粒霾污染和热岛型光化学霾污染概念。因此，对热岛效应进行深入的理论探讨十分必要和迫切。

热岛效应在学术上属于热力工程范畴，但长期以来都是大气学科进行研究，很少见热力工程专家介入研究。本文将利用热力学理论对热岛效应的进行分析和研究。

3.2.2热岛大气环流概念及物理过程

1、热岛大气环流概念

城市热岛效应在热力学上也可称为“热岛大气环流”，其产生的根源是人类活动产生了大量废热，这些废热通过辐射传递和混合传统等方式加热了周围空气，城市贴地层空气被加热后产生向上垂直抬升运动，垂直抬升的热空气上升到高空强风区被高空西风携带转向水平扩散，城市贴地层热空气抬升后形成低压区，城市周边冷空气被吸附向市区汇集，就这样不断循环流动、形成持续的城市热岛散热环流，把城市废热扩散到大气层。

热岛散热环流按热力学理论可以分为冷空气吸收阶段、城市废热排放、混合加热阶段、垂直抬升阶段和水平扩散阶段等五个过程。其中：

①冷空气吸收阶段：被加热后产生向上抬升后，贴地层大气产生低压，吸附城市周边冷空气向市区汇流，使市区贴地层大气保持正常。产生冷空气向城市中心流动的动力是城市贴地层热空气抬升后的低压，这是保持热岛大气环流能够持续进行的必要条件。

②城市废热排放：城市废热包括太阳辐射排热（扣除植物吸收热量） + 城市人类活动总能耗（城市总用电量、城市总汽车耗能量、城市总工业动力用煤油气量、城市生活用煤油气量、城市人群总食品耗量等）- 排放至江河湖泊中废热量。这些热量通过人体或设施的转换最终把热量排放至城市贴地层大气中，是热岛大气环流的热源。

③混合加热阶段：太阳辐射排热主要为热辐射方式，人类活动排热包括辐射排热方式和其他直接或间接加热方式。

④垂直上升阶段：根据雾霾大气学理论，热空气垂直抬升的高度与热空气温度成正比，与城市占地面积及能源消费总量成正比，热空气温升越大、城市占地面积越大、能源消费量越多则热空气抬升温度越高，热岛效应后果越明显。

⑤水平扩散阶段：这是一个新的提法，只有从热力学角度才能做此类分析，是以前热岛效应研究迟迟得不到科学解释的原因所在。这个阶段是影响热岛大气环流的关键因素，是全回路的核心阻力。也是热岛型霾污染形成的关键因素。

2、热岛大气环流与城市热岛效应

当城市人类活动产生了大量废热，当城市规模不大、或城市能源消费总量较小、或城市水平风速较大时，大气处于正常的水平运动并能够将城市废热完全扩散出去，城市热岛效应基本没有；当城市规模很大、或城市能源消费总量很小、或城市水平风速较小时，热岛大气环流形成，大量的城市废热通过热岛大气环流进行扩散，虽然城市大气温度有所升高，但废热释放正常，城市热岛效应凸显；当城市规模超级大、或城市能源消费总量过高、或城市水平风速趋于0时，热岛大气环流运动受到阻碍，城市废热排放困难，城市大气温度升高明显，热岛效应产生实质性危害。

3、热岛大气环流原理图

http://s12/mw690/002Brj65zy7bjRZYzXB8b&690

4、热岛大气环流主要参数  

用热岛大气环流理论分析，城市热岛效应的影响主要取决于城市大量的废热能不能顺利的扩散出去，而城市废热的扩散程度取决于热岛大气环流能否正常运行。根据热力学理论原理，热岛大气环流的主要参数包括：热岛大气环流速度（Vq）、全流程阻力（h_z）、热岛实体高度（H_r）、浮动盖高度（H_f）、水平扩散通道高度（△H）、热岛温升（△t）和边界大气层水平风动能（N_sp）等。由于热岛大气环流理论尚处于提出阶段本文只其主要参数进行定性分析。

①热岛大气环流速度（Vq）

热岛大气环流速度（Vq）=热动力（F_rd）/全流程阻力（h_z）

热岛大气环流速度（Vq）理论计算复杂，这里只做定性分析。

②全流程阻力（h_z）

全流程阻力（h_z）=冷空气通道阻力（h₁）+热辐射区阻力（h₂）+热岛出口碰撞阻力（h₃）+水平扩散通道阻力（h₄）

由于城市热岛设计范围庞大，冷空气通道很大，冷空气通道阻力很小并且变化不大，可以认为冷空气通道阻力为0，即h₁=0

由于城市废热排放和对大气加热以辐射加热方式为主，对热岛大气环流的阻力很小并且变化不大，可以认为热辐射区阻力为0。即h₂=0

热岛出口碰撞阻力（h₃）是热岛垂直抬升气流与高空水平运动大气碰撞形成的阻力，h₃数值与热岛实体高度和热岛出口水平风速有关，当热岛实体高度很高时，垂直抬升气流会与速度很高的水平气流碰撞，这时候的热岛出口的h3会很大；反之，当热岛实体高度较低时h₃会很低。

水平扩散通道阻力（h₄）是热岛出口水平扩散阶段的运动阻力，h₄数值与水平扩散通道大小（△H）密切相关，当热岛实体高度很高时，水平扩散通道△H很小，h₄阻力值相对很大；反之，当热岛实体高度较低时h₄会很低。

综上所述，全程阻力的大小与热岛实体高度密切相关，当热岛实体高度增长的一定高度后，全程阻力急剧增加，这是热岛效应的实质所在。

全程阻力（h_z）只与热岛出口阻力和水平扩散通道阻力有关。

③热岛温升（△t）

热岛温升与热岛大气环流速度成反比，在城市总废热排放量确定的情况下，热岛大气环流速度越低、热岛温升（△t）越大，热岛效应越明显；反之热岛大气环流速度越高，热岛温升（△t）越小，热岛效应不显著。

④浮动盖高度（H_f）

浮动盖高度（H_f）即为城市热岛垂直抬升气流的最大抬升高度，与热岛垂直抬升气流温度成正比，与城市上空大气水平运动速度成反比。

浮动盖高度（H_f）理论计算比较难，使用热成像仪实测更为便利。

⑤热岛实体高度（H_r）

热岛实体高度（H_r）就是被城市废热加热的空气的垂直抬升高度，是决定热岛效应强弱核心指标。H_r值与总废热排放量成正比，与边界大气层水平风速成反比，与热岛大气环流风速成反比。

⑥水平扩散通道（△H）

水平扩散通道高度（△H）直接反应了城市大气热交换能力，可以形象的反应热岛大气环流的通畅程度。△H小则热岛大气循环受阻、城市热岛效应强；反之△H大则热岛大气循环通畅、城市热岛效应弱。

⑦边界大气层水平风动能（N_sp）

边界大气层水平风动能（N_sp）是城市热岛效应最重要的外部条件，（N_sp）大则热岛实体高度就会小些，热岛效应（N_sp）小则热岛实体高度就会大些。

边界大气层水平风动能（N_sp）与风速成正比、与大气密度成正比。

⑧过顶风

过顶风是判断热岛实体高度的一个主要参数，是指水平运动大气不受热岛影响掠过热岛实体的气流。

5、热岛大气环流的应用

热岛大气环流形成原因是城市废热形成的垂直抬升气流，限制热岛大气环流的主要因素是城市高空浮动盖对抬升气流的压制作用。

热岛大气环流是散发城市废热的最重要的通道，利用热岛环流理论可以更好的解释城市热岛效应发生过程。当城市规模超级大、或能源使用强度特别大、或者边界大气层水平运动速度很低时，城市热岛大气环流遇阻，造成城市废热散发困难，促使大气温度进一步上升，又引发热岛实体高度增加而挤压水平扩散通道高度，又进一步限制热岛大气环流正常运行，这样反复恶性循环，导致城市气温明显高于周边地区，城市污染物扩散困难而加剧了城市的大气污染水平，其过程见下图。

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3.2.3热岛效应的实质和热岛效应原理图

1、热岛效应的实质

城市热岛效应实质是一个完整的城市废热向外释放的热力过程。

2、城市热岛效应原理图

我们用热力学理论去分析城市热岛效应，可以得出完整的科学的诠释。城市热岛效应的实质就是一个完整的城市废热向外释放的热力过程，其物理特性可以用城市热岛效应原理图表示。

http://s7/mw690/002Brj65zy7bjSlCmzQa6&690

3.2.4城市热岛效应的发生条件

    1、热岛效应最主要的外部因素

热岛效应最主要的外部因素是边界大气层水平风动能（F_0x），按流体力学原理，风动能与风速成正比，与大气密度成正比。

根据雾霾大气学概论的分析，夏季高温季节由于太阳热辐射强烈，贴地层200米高度被垂直运动层，大气水平风速趋近0，同时由于大气温度全年最高，大气密度是全年最低的时期。因此，此时的水平风动能是全年最低的，是最容易发生城市热岛效应的时间点。

2、热岛效应最主要的内部因素

热岛效应主要的内部因素是城市规模和废热排放集中度。主要因素包括城市总规模、总能源消耗强度和废热排放叠加度等。

①一般规模的城市热岛效应并不显著，我国只有1990年以后北上广等超级城市出现后，热岛效应造成的雾霾现象才开始凸显。

②城市总能源消费量涵盖总用电量、总汽车耗能量、总工业动力用煤油气量、生活用煤油气量、城市人群总食品耗量。扣除由冷却水带至城市外围的废热，上述能源最终都会以不同的方式转换为废热排放到城市大气中。

根据对城市总能源消费量的分析，汽车耗能集中在早、午、晚三个高峰时期，电力消耗夏季中午为空调电耗的高峰期，其他各类能源消耗比较均匀。

③废热排放叠加度属于废热排放强度指标，根据对城市废热排放规律的研究，夏季中午太阳辐射废热、夏季中午空调电负荷和夏季中午汽车耗能相互叠加，特别是夏季中午空调耗电会向大气释放4倍耗电量的废热。是北京全年废热释放的最高峰，这一时间段是热岛效应的最严重时期。

综上所述，热岛效应最主要的内部因素是城市废热排放强度，城市废热排放强度最大的时间段是夏季高温季节中午时分。