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0.32℃，100万人口的城市热岛效应可达0.91℃。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。
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光影响建筑布局，热考验建筑物的功能！
1——光在建筑中的应用
人对光环境的审美感知是十分奇妙的。生理学家认为，不同波长的光线在大脑神经系统中产生刺激、在强度和结构上与人类外部物理结构、生理感受结构以及社会情感结构可以产生不同程度的契合。人们但对于建筑中光元素的感知同样也是源自于生命体对于光能的基本需要、同时，人类对光元素李艳却不仅停留在生物性的需求关系。人们在建筑中有意识的组织空间和光线，并积极地从知那个获得审美体验的基础信息。从生物体本能的趋光性，到原始人类在洞穴和茅屋中将光线有意识的引入，在到现代建筑结构对光源的解放，人恶魔呢对光元素的控制越来越主动和自由，同时，人们对光元素的感知越来越从生物性趋向社会性。建筑光环境的建造，离不开人们的丰富想像，这想象可以分为一般的知觉想像和创造性想像。前者通常是有建筑本身的空间所营造的，而后者是有建筑师在设计建筑的时候在建筑结构和建筑开窗户时想像到的光线的形式，所能达到的氛围。这是我们建筑大师对于光的理解和正确运用光到建筑。在安藤忠雄的水教堂中，建筑师充分利用自然光在教堂中形成“十字”，将十字从实体的物体中解放出来，用幻化的光影代之。光线在黑暗的背景衬托下变得明亮异常，我们只有透过光才能感受到那异常抽象的大自然的存在。不但能理解光元素带来的信息，而且恩那个体味到具体的情感体验。在教堂中能体现神与自然的关系，营造一种特殊的氛围，这不能不说是建筑师别具匠心。在其他的建筑中现代建筑师也能充分考虑到光对建筑环境的影响，运用自己的手段去好好的利用光，营造自己想要的氛围。
2——热学在建筑中的应用
建筑物理中热的知识包括室内热环境(人在室内的舒适时的热环境度)、热能的传导方式(帮助我们更好的控制热的聚集和疏导)、建筑的保温和防热(为人类有一个好的热环境)。
现在建筑中都注意了在建筑的外墙面或者内墙面涂上保温材料为室内营造一个好的环境，减少外环境对室内环境的影响。任何时候都能达到人体舒适度。在现在的一些地方温室大棚已很普遍，他们就是在冬天人工营造一个植物能生长的热环境，是植物能在反季节生长。他们利用保温材料将空间围和起来，切断与外界的热交换，然后在大棚里面用人工产热，使植物能很好的生长。在建筑中热主要体现在建筑的隔热和保温上，建筑的保温主要有一个途径1是建筑形体的设计，尽量减少外围护结构的总面积。2是维护结构具有足够的保温性能3是争取良好的的朝向和适用的建筑物间距4增强建筑物的密闭性，防止冷风渗透的不利影响5避免潮湿、防止壁内产生冷凝。隔热的措施也在这几个方面考虑，但做的方法和主导性不同。在民用居住住宅中特别注意的是保温的性能，也起到了节能环保的作用。特别是在环保意识强烈的时代，节能的和低能耗的建筑很符合人们对建筑的要求。建筑物理中的声光热有不同的特性，利用好都能为建筑增添亮色，在现代设计建筑时，需要通过建筑师智慧的双手，建造更好的建筑。
负责国家自然科学基金一项（项目编号：59278329）； 国家八五攻关项目一项； UTC（美国联合技术公司）容闳项目资助课题一项； 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室开放课题一项；论文： 张旭 陈沛霖 风冷冷水机组与DEC联用系统性能及应用前景 暖通空调 vol29(6) 1999，12 张旭 陈沛霖 空气热湿处理的不可逆热力学分析及Le数研究 同济大学学报vol27(5) 1999，10 张旭 薛卫华等 供暖房间热舒适模糊分析及最优室内计算温度的研究 暖通空调 vol29(2) 1999, 4 张旭 陈君红 陈沛霖 管式间接蒸发冷却器传递过程的解析解及验证 同济大学学报, vol26(4) 1998, 9 张旭 陈沛霖 直接蒸发冷却过程不可逆热动力学分析 同济大学学报, vol23(6) (分别被CA和ELF ANTAR FRANCE 摘录) 1995, 12 张旭 陈沛霖 供暖散热器辐射放热量的实验研究 同济大学学报,vol23(6) （陕西省自然科学优秀论文 一等奖） 1995, 12 （属国家自然科学基金项目59278329） 张旭 官燕玲 顾瑞英 我国中部地区连续供暖房间室内热环境动态分析 暖通空调,vol27(6), 1997,12 属国家自然科学基金项目59278329） 张旭 叶天鸿 孙承波 控制强热源诱导含尘浮射流最佳通风量的研究 西安建筑科技大学学报, Vol29(3) 1997, 9 张旭 陈文良 于文剑 等 常用供暖散热器对流－辐射放热量比例的实验研究 暖通空调，Vol 24(6)（陕 西省自然科学优秀论文四等奖） 1994，12 （属国家自然科学基金项目59278329） 张旭 王正慧 等 TIEC中传递过程的理论模型及其解析解 西安建筑科技大学学报, Vol30(4) 1998, 12 张旭 陈沛霖 A NON-EQUILIBRIUM THERMDYNAMICS MODEL FOR SIMULTANEOUS HEAT & MASS TRANSFER IN FORCED AIR STREAM. Tsinhua HVAC'95 International Conference, ,10 张旭 陈沛霖 秦慧敏 空调空气处理中热湿交换的不可逆热力学分析及Lewis数的取值范围的研究 98全 国暖通年会论文集 1998，11 张旭 陈沛霖 板式间接蒸发冷却器中传递过程近似解析解 全国高校工程热物理第七届学术会议论文集, 1998, 5. 张旭 陈君红 陈沛霖 管式间接蒸发冷却器中传递过程的研究全国96暖通空调年会论文集,（年会优秀 论文奖）1996, 8 张旭 管式间接蒸发冷却器中传递过程的研究 中国工程热物理95年会论文集 1995,10. 张旭 陈沛霖 机械通风冷却塔中传递过程不可逆热力学分析 全国高校工程热物理第六届学术会议论文 集, 1996, 5. 谭良才 张旭 大空间浮射流流动规律的数值分析及试验验证 同济大学学报, vol26(6) 1998，12 官燕玲 张旭 大空间中强热源诱导含尘气流控制模型实验研究 西安建筑科技大学学报, vol29(3) 1997, 9 谭良才 张旭 沙高原 大空间中强热源诱导含尘气流控制模型实验研究 通风除尘, vol16(2) 1997, 4. 薛卫华 张旭 供暖房间设计计算的研究 西安建筑科技大学学报, vol30 (4) 1998，12 陈沛霖 张旭 板式间接蒸发冷却器传递过程解析解及实验验证 暖通年会论文集中国建工出版社 1998，11，1 沙高原 张旭 谭良才 CO2模拟开敞大空间中瞬态含尘气流的实验研究 通风除尘, vol16(1), 1997, 2. 谭良才 张旭 圆环紊动浮射流流动的数值分析 全国暖通学术年会论文集中国建工出版社 1998，11，1 简瑞民 张旭 沙高原 强热源诱导含尘浮射流的浓度示踪及捕集效率 同济大学学报,vol27, (2) 1999，12 谭良才 张旭 自由紊动圆环浮射流流动规律的研究 全国高校工程热物理第七届学术会议论文集 1998,5. 薛卫华 张旭 供暖房间热环境参数的实验研究及人体热舒适的模糊分析 建筑热能通风空调 2000(2)
根据联合国报告，2007年10件最严重自然灾害中有9件与全球暖化有关，遏制全球暖化已成为人类首要任务。
肉食是全球暧化的主因
联合国粮食与农业组织FAO报告指出：畜牧业所排放的温室气体占18%,超过全球所有的交通工具的总排放量，肉食是全球暧化的主因。人类活动所产生的一氧化二氮（温室效应为二氧化碳的296倍）有65%来自肉食，产生的甲烷有37%来自肉食（甲烷的温室效应为二氧化碳的23倍）近期一项最重要的信息显示，每吨甲烷造成全球暖化的威力，比二氧化碳高出25倍，这是以100年来分摊计算甲烷暖化作用的平均值。然而，甲烷在大气中只停留10年就几乎侦测不到，20年后更几乎完全消失，因此，将甲烷的温室效应分摊为100年来计算，可说是大大低估了它的影响。由于我们减少温室气体的时间已剩下不到100年，最新的方式是以20年来计算，得出甲烷的温室效应比二氧化碳强72倍。
列举例子：澳洲阿得雷德大学的贝瑞?布鲁克教授所详述畜牧业对环境的影响：“根据资料澳洲的养牛业、畜牧业、牛、羊，目前每年约排放三百万吨甲烷。而火力发电厂约排放一亿八千万吨二氧化碳。电厂的全球暖化贡献似乎远多于牛的贡献。然而若仔细想想，甲烷以二十年为期，效力是二氧化碳的七十二倍，再二十年就变成七十二乘以三倍，很容易算出畜牧业在那段时间对全球暖化的影响更甚于火力发电厂，这是澳洲严重忽略的事实。”
让地球降温最快的方法
大气中的甲烷九至十五年就会消散，但二氧化碳会滞留四十至两百年。因为甲烷比二氧化碳更快消散，暖化气候威力较强，要是没有甲烷，地球会大幅快速降温。美国加州大学柏克莱分校的寇克?史密斯 (Kirk Smith) 博士说：减少甲烷，我们就会有更多时间对抗气候变迁。他也说畜牧业是人为甲烷最大的来源，建议政府课征肉税以减少肉食。
因此吃纯素减少甲烷是让地球降温最快的方法，立即见效。
肉食造成粮食短缺的危机
联合国儿童基金会说，每2.3秒就有一个孩童死于营养不良。但全球有90%大豆和50%谷类及85%玉米都拿去喂养牲畜。越来越多牲畜被繁殖。每天有二万五千人死于饥饿，比战争、艾滋病以及所有疾病丧生者还多。全素饮食者仅耗费肉食者 5 % 的资源，换句话说，原可喂养 20 位素食者的食物，只能喂养 1 位肉食者。
肉食造成地表土壤流失的危机
畜牧业目前占用地球30%的土地，其中大部分为牧场，也包括占全球可耕地33%的牲畜饲料生产用地；全球20%的牧场因过度放牧、土壤板结和侵蚀而退化；肉畜、乳畜占陆地动物生物总量约20%。据评估，在24项重要的生态系统服务功能中，有15项处于下降趋势，而畜牧业被认定是元凶之一。大量的牛羊踏在土地上，挤掉土里的空气，久而导致沙漠化。
肉食造成缺水及水质污染的危机
我们的湖泊, 河水混和了一堆极可怕的有毒物质，地下水已经被硝酸盐污染得很严重，而饲养场排出的废水，正是水源污染的最大凶手。据估计，人类 70 % 用水量是用在喂食经济动物。
一磅牛肉：需要 2,500 加仑的水；
一磅西红柿：需要 29加仑的水；
一磅全麦面包：139 加仑的水。
同样生产一磅食物，生产牛肉所需的水，为蕃茄的 86 倍，近全麦面包的 18 倍。
肉食造成人类健康的危机
1983到1989年，在美国康奈尔大学、英国牛津大学、中国疾病预防与控制中心以及中国医学科学院肿瘤研究所等多家中外权威机构精诚合作，在中国24个省市区的69个县开展了三次关于膳食、生活方式和疾病死亡率的流行病学研究。这项研究荣获我国卫生部科技进步一等奖，并被《纽约时报》称为“流行病学研究的巅峰之作”；该项研究的主要领导者T.柯林?坎贝尔教授，发表过350篇论文，荣获包括1998年美国癌症研究所颁发的终身成就奖在内的无数奖励，是世界营养学界的最重要权威之一。《中国健康调查报告》就是他积一生营养学研究心得精心打造的科普杰作，本书的基本立场——以动物性食物为主的膳食会导致慢性疾病的发生，以植物性食物为主的膳食最有利于健康，也最能有效地预防和控制慢性疾病。本书得出了非常明确的结论：动物蛋白（包括甚至尤其是牛奶蛋白）能显著地增加癌症、心脏病、糖尿病、肾结石、骨质疏松症、高血压、多发性硬化病、白内障以及老年痴呆症的患病几率。尤其令人吃惊的是，所有这些疾病都可以通过调整饮食来进行控制和治疗。中国以植物性食物为主的传统饮食习惯，反而是更加“科学”，更加有利健康的。
建议：
建议：政府应鼓励人民减少吃肉，控制畜牧业规模应纳入政府节能减排规划
畜牧业已成为地球变暖的“祸首”，而控制畜牧业膨胀的抑制点就是人类的嘴巴——少吃肉不仅能健康身体，还能为大气“减负”。鼓励人民减少吃肉，控制畜牧业规模应纳入政府节能减排规划，可以像宣传节水一样，令人们树立起“减少肉食，健康人体和大气环境”的观念。
