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城市热岛的成因及控制

论文导读：“城市热岛效应”也称“大气热污染现象”，是指城市市区气温高于郊区气温，高温城区处于低温郊区的包围之中，在用等温线表示的气温分布图上，形成内高外低的岛屿形式，故称为“城市热岛效应”。环保专家认为,“热岛效应”80%的因素归咎于绿地和湿地的减少，城市热量的排放因素只占20%，所以城市热岛效应的控制重点是绿地和湿地的建设。而卫星热红外遥感技术能有效、全面地探测到下垫面的温度特征，周期性、动态地监测城市热环境变化趋势，是研究城市热岛效应的有效手段。

关键词：城市热岛效应，城市热环境，成因，控制

一、城市热岛效应

“城市热岛效应”也称“大气热污染现象”，是指城市市区气温高于郊区气温，高温城区处于低温郊区的包围之中，在用等温线表示的气温分布图上，形成内高外低的岛屿形式，故称为“城市热岛效应”。

城市热岛效应使城市年平均气温比郊区高出1 ℃以上，夏季城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6 ℃以上。在全球高速城市化的背景下，城市热岛已经成为影响城市环境的要素之一，对城市公共健康、空气质量、能源消耗等方面构成了严重威胁。

二、城市热岛效应成因分析

城市热岛效应的形成与许多因素有关，城市化是形成热岛现象的主要原因。

1、下垫面的变化

城市微气候的形成与城市人工构筑的下垫面有着密切的关系。由于城市与郊外的下垫面不同,形成各自的热环境和热平衡(图1、图2)。

图1郊外的热平衡图2城市内的热平衡

城市地表无机化，越来越多的地表被建筑物、混凝土和柏油所覆盖，绿地和水面的减少使蒸发作用减弱，大气得不到冷却；同时，这些人工构筑物热容量小,在相同太阳辐射条件下,比自然绿地、水面等升温快。

2、人工热源的影响

城市中大量的人为热排放也是产生热岛的重要原因。工厂生产、交通运输以及居民生活都需要燃烧各种燃料,每天都在负外排放大量的热量。

3、城市中的大气污染

城市中的机动车,工业生产以及居民生活所产生的氮氧化物、二氧化碳和粉尘待排放物,这些物质会吸收城市中人工构筑物的热辐射,产生温室效应,从而引起大气进一步温升。在城市热岛现象的影响下,城区气温比周围郊区的农村高,城市地区的热空气上升,并在高空向四周扩散,周围郊区的较冷空气流入城区,这样就形成城市特有的热岛环流。城郊工厂排出的污染物可随热岛环流由低空吹向城区,使城市污染物浓度升高,进一步增强了城市的热岛效应。

4、城市建筑物密度和负荷

高密度的建筑物增加了太阳辐射的直接吸收和太阳辐射反弹吸收, 城市中高层建筑物林立，影响风的自然流动，也是导致城市热岛效应的原因之一。

5、城市能耗

城市大量的能耗增加了表面大气的温度,也使热岛效应增强。特别是夏季高温天气下的建筑空调负荷大大增强了热岛效应，反过来，城市热岛效应又增加了空调能耗，形成恶性循环。

此外,城市建成率、几何形状、城市规模和城市地理位置也与热岛效应存在明显的相关关系。

三、城市热岛效应的控制

绿地和水面是有效缓解城市热岛效应，调节和改善城市微气候环境的最有效因素。环保专家认为,“热岛效应”80 %的因素归咎于绿地和湿地的减少，城市热量的排放因素只占20 % ，所以城市热岛效应的控制重点是绿地和湿地的建设。

1、大力推广城市立体绿化

植物对太阳辐射的吸收率高，透过率低；植物可通过蒸腾作用带走大量热量，提高空气湿度；特别是树木通过遮挡阳光可以大量减少辐射热。植物对太阳辐射的反射率一般为10 %～20 % ，对红外线的反射率高达70 %以上。研究表明,当一个区域的绿化覆盖率达到30%,热岛强度明显减弱;绿化覆盖率大于50%,热岛缓解现象极其明显。植物因为进行光合作用，可以产生良好的环境效益，这对缓解全球温室效应，补救臭氧层空洞都会起到非常重要的作用。

在城市绿化中应进行合理的乔灌草搭配,尤其是乡土树种的种植。应舍弃一味种植草坪和名贵树木的不合理做法。论文参考网。由于城市用地紧张，城市绿化中除了进行水平方向森林规划外，应向立体绿化方向发展。城市有大量的水泥或混凝土屋顶、墙体、立交和边坡，这些裸露表面为立体绿化提供了可能。发展立体绿化是缓解城市热岛效应的重要方法。

建筑物的屋面是建筑与大气接触的重要界面。而城市中屋面的面积占去了整个城市面积的50 % 左右。增加屋顶绿地覆盖面积,不仅可以降低空调能耗, 而且还能调节室外气温.具有减缓城市热岛效应的作用，生态效益显著。

2、保护自然湿地，努力构建人工湿地

水体热容量大，水分蒸发多，增温降温缓和，城市内水面的存在，可在一定程度上缓解城市热岛现象。城市化导致大量的城市农田、水塘、湖泊、内河、沼泽等湿地减少或消失，不透水混凝土建筑、道路和广场，使大量的降水直接通过排水网流失。湿地的减少或消失，天然降水的白白流失，致使城市失去了通过蒸发带走城市热量，降低热岛效应的机会以及水通过促进林木生长，间接降低热岛效应的可能性。要在大力保护原有湿地的基础上（包括城郊湿地的保护），在城市进行人工湿地的构建，这是降低热岛效应的有效方法。此外，积极改善不透水下垫面层，利用透水性材料（透水砖等），有资料表明透水性水泥混凝土路面可降低路面温度约5℃，所以，城区中透水性铺装与城市水体蒸发及绿化体系的蒸腾作用一样,对改善城市市区热环境及形成局地风都有明显作用。

3、构建合理的城市规划结构

注重城市建设的合理布局，在城市规划方面实施可持续发展战略。

城市热岛效应与城市规模有一定的相关性。有学者认为城市扩展是城市热岛效应形成的主要原因。人口高密度区同时也是建筑物高密度区和能量高消耗区，不可避免地形成高气温区。据研究, 10万人口的城市热岛效应可达℃，100万人口的城市热岛效应可达℃。因此，必须对城市规模进行规划，将城市的人口数量控制在一定范围之内。同时，要控制市区人口密度和建筑密度和高度，选择通气流畅的地形进行城市建设，因地制宜，对城市的各个功能区进行合理布局，加大空气流动空间，尽量使主干道与夏季盛行风的方向一致。

4、降低设备能耗，合理规划城市能源

通过改进能源消耗设备构件，更新能源使用方法，提高能源使用效率，减少能源损耗。将城区分散的、低效率的小热源控制起来，大力推广集中供热，以提高能源利用率；尽可能考虑集中空调方式, 以减少建筑物HVAC 系统向空气的排热。可以通过改进建筑空调技术、积极探索和推广新能源利于技术（如地源热泵技术）、大力开展建筑节能，还应制定相应的政策法规，推动节能措施的落实。

在经济合理、技术可行的情况下，可以适当利用绿色能源，如风能、太阳能、生物能、地热等。不仅节约能源，将一部分太阳能转换为其他形式能源，减少了辐射能中直接转换为热能的能量，即减少了太阳辐射对城市热岛现象的影响。

5、发展“生态隔热”建筑表皮

建筑节能技术通常使用白色或浅色处理建筑表面的“反射隔热”、增大建筑围护结构的热阻的“热阻隔热”、采用人工材料构造的遮阳设施遮挡太阳辐射的“遮阳隔热”等，都是将太阳辐射热直接转移到室外,在满足建筑室内热舒适与建筑节能的同时,却带来了城市热岛强度的增加。所以，目前我们应弱化热岛控制中推行反射饰面材料等常规手段，采用绿色植被、水体介质等具有生态要素的复合体,将其置于建筑表面构成生态建筑表皮,将吸收的太阳辐射热经过物理、生化反应之后，通过蒸腾作用以水分蒸发方式散热。这样，就可以降低建筑表皮对周围环境的太阳辐射反射和热量转移，从根本上改善了建筑外部的热环境，减弱了城市的热岛效应。

6、规范城市交通系统

提倡公共交通，控制私人小汽车数量，逐步用清洁液化气取代石油作为城市公交车和出租车的主燃料。目前，国外已研制出以电力作为机动车动力的新技术，这将对城市热岛及城市气候环境产生积极的影响。同时，对城市大量交通进行有层次的划分，对车辆进行分流，促进城市大量集聚的热量、温室气体以及悬浮颗粒物分散，减少尘罩作用，降低热岛效应。

四、研究现状与建议

1．热岛效应的研究现状

多年来，众多学者对城市热岛现象做了大量的研究工作。国内外不少学者根据观测资料分析指出了城市温度场及城市热岛强度的影响因素，并提出了城市热岛强度与某些因子的相关模式。论文参考网。不少学者对城市能量平衡中的一些物理过程进行了广泛的探讨，取得一些有益的成果。近几年来我国研究人员从城市的人口密度、绿地数量和分布、建成区面积、人为热、大气污染、地形等方面研究了城市热岛的范围、强度与这些因素之间的关系，也针对城市热场分布与土地利用、覆被之间关系进行了研究。

常规的城市热岛研究以监测为主，根据监测结果分析影响城市温度场及城市热岛强度的因素。常规监测方法采用线路观测和定点观测相结合，由于观测不可能同步进行，观测点位的密度不高，这种方法不能全面、同步地反映地面热辐射状况。而卫星热红外遥感技术能有效、全面地探测到下垫面的温度特征，周期性、动态地监测城市热环境变化趋势，是研究城市热岛效应的有效手段。常用的热红外遥感技术有气象卫星NOAA AVHRR、陆地卫星(Landsat)TM等。相比气象卫星NOAA AVHRR 地面分辨率(1 km ×1 km)，陆地卫星(Landsat) TM6 具有120 m ×120 m 的地面分辨率，对于要求精确分析的区域，TM6 是较好的选择。此外，日本九州大学城市与建筑环境实验室开发的城市热岛模拟软件——AU SSSM TOOL , 可对典型区域的热环境进行模拟，对城市的合理规划提供参考。论文参考网。

2．几点建议

首先，热岛效应的研究应从基础资料的调研、收集入手，实地监测城市不同地区热流方向及大小，对建筑气候小区进行划分。其次，在城市不同地区、不同建筑条件下，尤其是热岛现象显著地区建立监测站，进行测量，获得城市重点地区热岛现象的变化模式。这些实地监测数据对当地城市和建筑气候小区的数学模型的建立和修订是非常重要的。最后，根据实测数值，可以建立当地建筑和城市环境的能量平衡模型，包括建立模拟当地的城市气候小区、城市下垫面层、人工排热与热岛效应之间的有机联系模型。

五、结语

21世纪环境和能源问题影响着城市形态和人们的社会生活，热岛效应对城市热环境的影响亟待解决。通过对热岛效应的研究，把握城市热效应分布与城市发展的关系，对促进城市规划和生态环境建设，推进城市可持续发展，提高人居环境质量具有重要的意义。

热学发展史对中学热学教学的启示学是中学物理教学中必不可少的一个重要内容，而由于比较抽象，因此成为中学物理教学中的一个难点.热现象普遍存在.同学们很早就有了相关的经验，这是进行热学教学的一个很好基石.但也正因为这个基石的作用，一些不正确的观点很难进行纠正.根据教学经验和相关研究人员的调查结论知道，不管是小学生还是中学生，不管是否学过物理，都有相当多的人对热的理解不科学，其中非常典型的想法就是把热看成是一种可以流动的物质.根据当前国际科学教育上富有广泛影响的学习理论即“概念转变”理论认为:科学学习的过程就是概念转变过程，提出了为概念转变而教.那么作为中学物理热学部分的教学，其主要目标是让同学们通过热学的学习.实现其概念发生转变，建立起科学的分子运动论观点.为了实现概念发生转变，很多的教师和研究者进行了多种尝试，如通过“做中学”“实验探究”等方法来帮助学生建立科学的热观点，都取得了一定的成效.而本文中笔者试从利用热学发展史开展有效教学帮助学生转变概念进行浅析.从认知发展心理学的观点看，同学们个体在对某一事物认识的时候，认识水平是在主体与客体间不断地相互作用过程中变化和提高的.个体的认识发展过程是人类认识发展过程的一个缩影.因此个体的认知发展水平和历史上人类对其认识水平是相对应的.也就是说从人类对热的认识发展就可预知学生对热的理解情况.那么要进行有效的热学教学，我们有必要向学生介绍有关热学发展史.在历史上，人类对“热”是什么的思考一直没停止过.对热的认识不断变化和发展.大致可以归纳为以下三个阶段:一、热质说的形成受古希腊原子论思想的影响，热是某种特殊的物质实体的观点也得到流传.法国科学家和哲学家伽桑狄认为，热和冷也是由特殊的.‘热原子”和’‘冷原子”引起的，波尔哈夫认为热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可塑性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此排斥.这个观念，把人们引向“热质说”.‘’热”可以从高温物体传向低温物体，就好似水从高处流向低处.认为热是一种特殊的物质.它暗藏在物质粒子之间，受到物质粒子的吸引，热质粒子之间互相排斥.在18世纪..热质说”几乎统领热学各个领域，当时“热质说”能简单地、比较满意地解释当时发现的大部分热现象，并取得了一定的成功.例如.物体温度的变化是吸收或放出“热质”引起的;热传导是“热质”的流动，等等.在“热质说”的影响下，热学(主要是量热学)的研究取得了一些进展.但到了后来，“热质说”无法解释热缩冷胀、摩擦生热等现象，受到了严重的挑战.二、定性的热动说的形成1658年，伽桑狄提出物质是由分子构成的假设，假想分子是硬粒子，能向各个方向运动，使它们以不同形式进行结合并表现出不同的特征.他用这个假说进一步解释了固、液、气三种状态.即在固体内部，硬粒子结合得很紧密，粒子之间强大的力使它们保持着固定的形状、粒子排列规则;在液体内部，相距较近的粒子之间的力使它们不易分散开来;在气体中，相距很远的粒子之间不存在相互作用力，各个粒子自西运动.19世纪初，随着化学原子论的确立，分子概念同样也被提了出来，分子无规则运动的现象也由实验所呈现出来.在1803年时，道尔顿(英国化学家)通过对大气的成分、性质以及气体的扩散和混合现象的研究，提出了他的新原子学说的基本要点.即:一切化学元素都是由不可分割的原子组成的;各种元素的原子以其不同的形状、性质而区别，并具有特定的质量;不同元素的原子以简单整数的比例柑结合而形成各种化合物的原子.当时由于“分子”概念尚未建立，道尔顿把不同原子组成的分子称为“复杂原子”.1811年，阿伏加德罗(意大利物理学家)在道尔顿的原子论的思想基础上，开始引入“分子”的概念，并把它与原子概念相区别.1827年，由于布朗(英国植物学家)长期的观察研究，发现布朗运动，他在分子运动论方面做出了新发现，为分子运动提供了有力的证据.1905年爱因斯坦从统计力学观点最终建立了布朗运动的理论，给分子运动的研究提供了理论依据.接着法国的佩兰根据爱因斯坦及他人的理论研究成果，做了多年的关于布朗运动的实验，并由此相当精确地测定了阿伏加德罗常数和分子的各个有关的数据.因此，布朗运动是微观分子运动的宏观表现.也是分子存在热运动和分子间存在空隙的有力证据.三、定盆的热动说的形成焦耳等人通过大量的实验，认为热和机械运动等同其他运动形式一样，也是运动的一种形式，而不是一种特殊的物质(热质).之后，人们进一步对热运动作了定量的比较系统的研究.使分子运动论得以建立起来.在分子运动论方面做出大量工作的有许多科学家，其中克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼的工作尤为重要，他们是分子运动论的主要奠基者.经过许多物理学家几代人的共同努力，分子运动理论终于建立起来了.它不仅揭示了宏观“热”过程与分子的微观运动状态之间的联系，而且表明了热是大量分子的无规则运动的表现，一个宏观系统的热力学状态是由组成该系统的大量分子的统计规律决的.这也说明热运动和机械运动是完全不同的运动形式.单个分子的运动遵从牛顿力学规律，大量分子的运动遵从的是统计规律性.四、热学发展史对中学热学教学的启示中学物理教学，不要求定量地掌握有关分子运动论，所以目前的中学物理教科书中只涉及到分子运动论的一些基本概念，内容表述为:(l)宏观物体是由大量微粒—分子或原子组成的;(2)物体内的分子在不停地运动着，这种运动是无规则的，其剧烈程度与物体的温度有关;(3)分子之间有相互作用力.由此可以看出，对于中学生只要建立起定性的分子运动论的观点就可以了，这是中学热学的教学目标.真正有效的教学过程实际上就是想办法缩短学生科学认识所用的时间，不必再像历史上人类那样通过那么长的时间去摸索探究，所以在热学教学中，不能忽视学生原有经验，设置合适的问题情景，让学生面临当初科学家们所面临的问题，通过探究来不断发展或改变原有不科学的概念.了解在人类认识历史上是如何从热质说发展到热动说，难点何在，怎么突破等问题，对中学物理教学具有参考意义.参考文献1丁帮平.国际科学教育导论.太原:山西教育出版社，20022吴瑞贤，章立源.热学研究.成都:四川大学出版社，1987

建立满足基于“工作过程”项目导向教学的实训室是必要，能保证学生在校期间学习有一个真实的工作环境，为培养学生的技术应用能力提供保证。实训室应具有高新的技术内涵、逼真的实训环境、完备的设备配置、配套的实训教材、科学的组织管理。 关键词：高职教育；竞争力；能力；素质 由于我国的高等职业教育在起步较晚，其人才培养模式基本上是以学科为核心的普通教育模式，强调培养的学生具有扎实的理论基础、具有一定的研究和设计能力，还没有完全形成培养职业人才的教育体系和教育模式。相应的实验室也满足不了培养职业人才的要求。现有高职院校的实验室基本上是本科和中专学校的原有实验室，而本科院校的实验室是以理论研究和验证为主，中专学校的实验室是以教学演示为主，两者均缺乏培养学生动手操作能力、分析和解决问题能力的功能。如何搞好高等职业院校实验室建设，使其能更好地为教学服务以满足培养高素质职业人才的要求，是迫切需要解决的问题。 我院的“供热通风与卫生工程技术”专业为中德联合办学的首批试点专业，省级重点专业。通过与德国专家的全面合作，我们制定了“面向实践的课程”体系和人才培养模式。该课程体系打破了传统的“老三段”式的教学模式，把和专业教学有关的“基础课”、“专业基础课”和“专业课”合并成“职业技术课”，所有“职业技术课”按专业特点进行整合，分别在“供热”、“给排水”和“通风空调”三个实验室内组织教学。因此，这三个实验室的建设对课程体系的改革至关重要。下面就这三个实验室的建设谈谈自己的看法。 1 应以服务课堂教学为建设宗旨 原来的课堂教学大多数是在教室内进行，实验室内进行的教学演示实验和验证实验相对很少，即使建设了设备先进的实验室，对课堂教学来讲，利用率也是极低的，造成了资源的大量浪费。由于人才培养模式的不同，工科高等职业院校实验室的建设与同类型的本科院校有很大差异，它不需要过多地进行教学演示实验和验证实验，其重点应放在为课堂教学服务上。 通过对高职的人才培养模式的研究和借鉴德国的成功经验，我们制定了一个既能适应“面向实践的课程”体系又能提高实验设备的利用率的教学实验室的建设计划，该计划的最大特点是将课堂教学改在实验室内进行，即把实验室作为课堂教学的主要场所，这就要求实验室除满足实验教学外更主要的应满足课堂教学要求。这样的实验室与传统的实验室有很大的不同，实验室的功能、系统的组成、设备的布置等都有较大变化。“供热通风与卫生工程技术”专业的教学内容，主要是讲授“供热”、“给排水”和“通风空调”系统的组成和分类、热力和水力计算、设备选型计算、安装及运行管理等方面的知识。按三大系统建立三个实验室，分三条教学主线组织教学，所有的专业教学均在三个实验室内进行。三个实验室分别建有各种类型的供热系统、给水排水系统、通风空调系统，教师在实验室内参照各种系统讲授、提出问题并和学生一同解决问题。这样的教学与传统的学科教学相比很多优点。 第一，教学直观方便，系统中所有的设备、管路、附件、仪表均为实物就地安装，教师按实物讲解它们的构造、工作原理、安装位置等，既方便又直观。 第二，系统的整体感较强，系统中所有的设备、管路、附件、仪表均安装在同一实验室内，使学生一眼就能看出系统的整体结构，不存在传统的学科教学中首尾分离的现象。 第三，教学过程中师生可以互动，能充分调动学生学习的积极性。 2 应注重学生动手能力、分析和解决问题能力的培养 工科高等职业院校主要培养的是技术应用型人才，学生应具有较强的动手操作能力、分析和解决问题的能力，而这些能力的培养主要是在校内学习期间完成的。培养学生动手能力、分析和解决问题能力可以有很多途径，除了参加社会实践、毕业实习外，在校内建立高标准的实验、实训基地是最为有效的方法。 我们的实验室建设从一开始构思就把学生动手能力、分析问题和解决问题能力的培养问题放在了首位。从实验室整体设计到系统某一局部的细化处理处处都考虑上述问题，贯穿始终。如“供热实验室”设计时，我们首先考虑把系统中的供热热源、泵站、热力分配站、热用户用管道连接组合成一个完整的、实际的供热系统，系统中安装有各种管路附件、热工检测和控制仪表、实验用仪表等。锅炉点火、水泵启动这个系统就可以运行。而过去的这些实验室（台）均是独立的，没有形成整体。学生可以通过锅炉点火、水泵启动、锅炉烟气测定、热工和水力参数检测、维护管理等培养其动手操作能力。由于系统是一个实际运行的整体，各设备、附件、仪表相互关联，可以通过系统运行、参数调节及人为故障设定等培养学生分析问题、解决问题的能力。这在过去的课堂上和分散的实验室里是绝对做不到的。 3 应密切结合生产实际 我们培养学生的目标是毕业即顶岗、毕业即就业，也就是说学生毕业到工作单位后能够胜任自己的工作。对“供热通风与卫生工程技术”专业来讲，毕业生应能独立完成一般的安装工程施工、施工管理及暖通空调系统运行管理等工作。为了达到这一目标，所建设的实验室要和生产实际紧密结合。我们实验室内安装的系统应为生产实际中常见的系统，所选的设备应为生产实际中常用的设备，并且尽可能采用新工艺、新材料、新设备，也就是说实验室内的系统、设备和材料要比生产实际所采用的要更好更新。这就要求教师除正常教学外，要积极参加本专业的学术活动，及时了解本专业的新技术和新工艺，更好的服务于教学。 4 加强厂校合作，保证设备及时更新 实验室建成后，经过一段时间的使用，随着技术的进步，其系统和设备就要落后，如何对落后的技术和设备进行更新，是每一个实验室都要面对的问题。与其他专业不同，暖通工程中使用的设备种类繁多且更新较快。为了使我们的实验室能更好地服务于教学、服务于生产，就要求其系统、设备和材料按工程实际不断地进行更新，对于学校来讲这是一笔不小的费用。我们的做法是，利用我们的技术优势和生产厂家的设备资源，积极开展厂校合作，互惠互利，及时更新实验设备。比如某厂家生产出了新型的设备，可免费安装在我们的实验室内，生产厂家可以以我们的实验室作为基地，进行产品宣传、组织用户参观、对用户进行安装和运行等方面的培训。我们也可以免费为他们进行性能测试、产品鉴定等。通过这种合作方式使我们和生产厂家都受益，真正实现了互惠互利。目前我们已经和多个生产厂家达成了这样的协议。 实践教学是达到教学要求、实现培养目标、保证教学质量、提高教学效益的重要环节，必须科学合理建立相应的专业实验实训室及其配套管理机制。建设好高职院校专业实验实训室，提高学生综合技能，提高就业率，是所有高职院校领导和老师的期望，是企业、社会进行市场竞争的需要，需要建设者付出大量辛勤的劳动和汗水。