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热岛效应

热岛效应

热岛效应（热学 Island Effect），通常也称作“城市热岛效应”（Urban Heat Island effeet，UHI effect），主要是指因城市化引起城市区域气候因子变化，造成城市气温明显高于周边郊区的客观现象，通常用两个代表性测点的气温差值（热岛强度）表示，是城市气候最明显的特征之一。

热岛效应是由于人为原因改变了城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素，进而引起的城市小气候产生变化的现象，其强度受到下垫面、人为热源、大气污染物、天气形势与气象条件以及城市规模、形状和所处的地理位置等因素影响。热岛效应的本质是城市气温高于郊区气温，容易形成一个以市区为中心的低压系统以及指向市中心的气压梯度力，同时水平温差的存在使会形成热岛环流，这种流场在夜间尤为明显。热岛效应的强度随时间变化而变化，主要表现为日变化和年变化两个维度。在晴朗无风的天气下，日变化表现为夜晚强、白昼午间弱，尤其是日落后3-5小时内为最强；年变化表现为秋冬季强、春夏季弱。世界上热岛最强的是中高纬度的大中城市，如加拿大的温哥华、德国的柏林、中国的北京、上海市等。

随着热岛效应越来越明显，热岛已经从一般的局地气候现象演变为城市生态环境发展的不利因素，对城市、人类、动植物、环境都产生了严重影响。热岛效应改变了城市内部气候条件，带来各种异常的城市气象；严重影响人们的日常生活和工作，损害人体健康；此外，热岛效应还破坏了城市的生态平衡，使得生物物候、生理活动、区系组成、种群结构、分布范围以及繁殖活动等发生改变。

为了缓解热岛效应的不良影响，世界各地的主要城市都采取了一系列应对措施，例如合理控制城市规模、调整城市下垫面结构、减少人为热源、限制大气污染物的排放等。各国学者采取了不同方法如地面气象资料观测法、边界层数值模拟法和遥感监测法等对热岛效应进行观测研究。

定义

城市热岛（Urban 热学 lsland，UHI）——在近地面气温图上，郊区温度较低且变化不大，城市区域则温度高且变化明显，城市中心区域的高温区如同立于海面的岛屿，故称为“城市热岛”。

热岛效应（Urban Heat Island effeet，UHI effect）——或称“城市热岛效应”，主要是指因城市化引起城市区域气候因子变化，造成城市气温明显高于周边郊区的客观现象，是城市化的必然产物。

中国气象局对“热岛效应”定义——在城市的上空，相同高度（例如50米、 100米或400米）的各位置的温度是不同的。把同一高度各位置的温度标绘在一张图上，把同一温度的各点连成一条封闭曲线，就会得到“等温线”，其中温度最高的等温线所包围的区域，就像大海中的的岛屿一样，这种由最高的等温线包围起来的区域，称作“热岛”；一座城市各点温度不同的现象就是“热岛效应”。

发现历程及命名

1799至1804年间，近代地理学的开创者之一、德国科学家亚历山大·冯·洪堡（Alexander von Humboldt）在南美洲安第斯山脉考察时，发现赤道附近的高山雪线比中纬度的青藏高原许多高山的雪线低200米左右。据此，他提出了青藏高原的“热岛效应”理论——对流层大气的主要直接热源是地面（或称“下垫面”），青藏高原由于下垫面大面积抬升（相当于把“火炉”升高），故其热量较同纬度、同平均海拔的其他地区更高，甚至比赤道附近的同海拔地区也要更高。

1833年，英国气候学家赖克·霍华德（Lake Howard）在对伦敦城区和郊区的气温进行了同时间的对比观测后，发现了城区气温比郊区气温高的现象，并且首次在《伦敦的气候》（The Climate of London）一书中记载了“热岛效应”气候特征，这是人类真正有文字记录的研究城市热岛效应的开始，也是人类关注城市气象研究的开端。

1958年，曼利（Manley）首次提出“城市热岛”这一概念。

1969年，麦若浦（Myrup）根据能量交换方程，建立了描述城市热岛的静力学方程，其基本出发点是利用能量平衡模式计算城市地表热通量的日变化。

形成

随着世界性城市化、工业化进程的加快，城市不断的蔓延扩大及农村人口进一步向城市集中，城市热岛现象变得越来越严重。由于这些人为原因，改变了城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素，进而引起的城市小气候产生变化，使得热岛效应成为城市气候最明显的特征之一。

形成原理

城市的不断发展，建筑物密度、高度不断增大，人工铺装的路面、广场越来越多，此立体化的下垫面层能够比郊区吸收更多的太阳辐射能，这是形成热岛效应的基本条件。

城市中心地区的人口集中，人们的生产生活释放出大量人为热量，各种能量使用之后，最后都转变成为“低温热能”散放给环境，因此城市中心地区有大量的低温热能散放于环境，使得城市中心地区温度高于其他地区。城市局部的温差引起了城区与郊区之间形成小型的热力循环不均，城市区中心空气受热不断上升，周围郊区的冷空气向市区汇流补充，城乡间空气的这种对流运动，被称为“城市风”（Urban Wind），在夜间尤为明显。在城市热岛中心上升的空气又在一定高度向四周郊区冷却扩散下沉以补偿郊区低空的空缺，由此形成了一种局地环流，称为“城市热岛环流”，具体表现为城市中心地面空气受热上升在城市上空形成高压，高空气团向周围低压区运动冷却下降落入郊区，郊区近地面气压升高促使空气流回城市中心并开始新一轮环流，从而形成城市与周围郊区的封闭环流。这样，就使扩散到郊区的废气、烟尘等污染物质重新聚集到市区的上空难于向下风向扩散稀释，加剧城市污染。同时城市风的风场形成对流的天气，对降雨和干湿分布都有影响。

影响因素

下垫面指大气底部与地表的接触面，是底层大气的主要热量来源。城市下垫面主要为人工铺砌的道路（如混凝土或柏油路面）、广场建筑物和构筑物，而郊区则以绿野、水面等自然下垫面为主。相比较而言，城市下垫面不透水面积远比郊区自然下垫面大，降雨后雨水很快从排水管道流失，因此其可供蒸发的水分比郊区少。同时城市的这些人工构筑物吸热快且比热容小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然下垫面升温快，吸收热量多，蒸发耗热少，散失热量较慢，因而其表面温度明显高于自然下垫面。

植被是城市生态系统中的重要组分，其可减缓城市的环境压力，减轻热岛效应，最终实现城市生态系统的良性循环。城市植被通过蒸腾作用，从环境中吸收大量的热量，降低环境空气温度，增加空气湿度；同时大量吸收空气中的Co2，抑制温室效应。另外，植物还能滞留大气中的粉尘，减少城市大气中总悬浮颗粒物的浓度。当一个区域的植被覆盖率达到30%时，城市绿地即对热岛效应有较明显的削弱作用；相反，植被减少则是城市热岛形成的首要贡献因子。

同时，城市森林在调节城市小气候中具有明显的效果，而草地效果不明显。因此，城市应保持合理的乔、灌、草比率，如绿地中保持乔灌木覆盖率不低于70%，有利于发挥绿地更高的生态作用。

人为热源是指人类生产和生活中大量消费各类能源并排出热量，如工厂生产、交通运输以及居民生活燃烧各种燃料并排放的大量热量。在中高纬度城市，特别是在冬季，城市中排放的大量人为热是热岛形成的一个重要因素。许多城市冬季热岛强度大于夏季，周一至周五热岛强度大于周末，即受此影响。

大气污染物是指城市中的机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些大气污染物浓度大，气溶胶微粒多，会吸收下垫面热辐射，在一定程度上起了保温作用，产生温室效应，从而引起大气进一步升温。白天大气污染物削弱了太阳的直接辐射，城区升温减缓，有时可在城市产生“冷岛”效应。夜间大气污染物将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。

稳定和气压梯度小的天气形势有利于城市热岛的形成。在强冷锋过境时，即无热岛现象。当风速大、空气层结不稳定时，城郊之间空气的水平方向和垂直方向的混合作用强，城区与郊区间的温差不明显。一般情况是夜晚风速小，空气稳定度增大，热岛强度增强。当晴天无云时，城郊之间的反射率差异和长波辐射差异明显，有利于热岛的形成。

热岛效应主要是各个区域不同的建筑结构（几何结构）和建筑材料所引起的，城市中温度最高的区域往往与最深的城市街道相对应，即通常分布在市中心。如果街道走向设计或几何形状不合理，则密不通风，风速小，热量不易散发，温室气体也难于迅速扩散，导致局部气温过高。即使是1000人的小城镇也能在长时间温度记录中观测到热岛效应的存在。

城市人口越多规模越大，热岛效应越明显。据研究，1万人口城市的热岛强度达到0.11℃，10万人口0.32℃，100万人口0.91℃。

不同地理位置城市（包括沿海和复杂地形）的热岛效应不同，如沿海（或湖、江、河）城市的空气运动除了受热岛环流的影响，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、污染物传播产生重要影响。

主要特征

气温

城市热岛效应导致建筑物最为密集的市中心区闭合等温线温度最高，然后逐渐向外降低，郊区温度最低，城区温度高出郊区农村0.5~1.5℃（年平均值）左右，在夏季城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6℃以上。

热岛强度是指热岛中心气温减去同时间、同高度近郊的气温差值，差值愈大表示热岛发展愈强。所以热岛强度的强弱只与二者差值有关，而与气温绝对值非线性相关。

气压

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，从而产生一个以市区为中心的低压系统以及指向市中心的气压梯度力。

气流运动

城市热岛可影响近地层温度层结，并达到一定高度。城市全天以不稳定层结为主，而乡村夜晚多逆温。水平温差的存在使城市暖空气上升，到一定高度向四周辐散，而附近乡村气流下沉，并沿地面向城市辐合，近地面产生由郊区吹向城市的热岛环流，这种流场在夜间尤为明显。同时热岛效应会增强空气对流，空气中的烟尘提供了充足的水汽凝结核，故城市降水比郊区多（一般多5%~10%）。

强度变化

城市热岛强度随时间的变化主要表现出两种周期性的变化，即日变化和年变化。在晴朗无风的天气下，日变化表现为夜晚强，白昼午间弱，尤其是日落后3-5小时内为最强；年变化表现为秋冬季强，春夏季弱。太阳辐射热量和余额以冬季最小，加上冬季时中高纬度还有取暖热量，因此热岛效应以冬季最强。不同地区城市的热岛效应在各个季节的强弱变化是不同的。对于中高纬度地区，城市热岛强度的表现为冬季最强，夏季较弱，春秋季介于冬夏之间。对于低纬度地区，热岛效应在各个季度相差不大。

城市热岛强度不但有周期性变化，而且还有明显的非周期性变化。引起热岛强度非周期性变化的原因主要与当时的风速、云量、天气形势和低空气温直减率有关，主要表现为风速越大，云量越多，天气形势越不稳定，低空气温直减率越大，热岛强度就越小，甚至不存在热岛；反之，热岛强度就越大。

世界上热岛最强的是中高纬度的大中城市，如加拿大的温哥华11℃(1972年7月4日)，德国柏林13.3℃。中国曾观测到的最大城乡温差（城市热岛强度），上海市是6.8℃（1979年11月13日20时），北京是9.0℃（1966年2月22日清晨）。城乡温差一般是随纬度的升高而增大的。因为人为热量和太阳辐射热量余额（太阳短波热量收入减去地面长波辐射支出热量）的比值，是从赤道向高纬度迅速增加的。

城市热岛的水平分布表现为热岛出现在人口密集，建筑物密度大，工商业最集中的地区，而郊区则有较好的植被覆盖或者农田密布，热岛强度小。热岛的空间分布因高度的不同而有所差别，表现在白天城郊热岛强度差别不明显；夜晚城郊热岛强度差别大，并且强度的这种差别随高度的升高而下降，到一定的高度还会出现“交叉”现象。

主要影响

对城市的影响

城市热岛效应会显著增强气候变化的影响，并且这种额外的升温效应在超大城市中更突出，会加剧城市热风险和人口的脆弱性。2020年，中国约有1.45万人因热浪过早死亡，高温造成的劳动时间损失约为315亿小时，造成的经济损失约占全年国民生产总值GDP的1.4%。

“气滞效应”是指城市的空气很难扩散更新，城市产生的有害气体长期在城市内循环流动，使得城市居民都会吸入有害气体，这是“热岛效应”的最主要危害。城市热岛形成了一个“气包袱”包裹着整个城市，城市任何角落排放的有害气体，经过往复循环流动之后会散发到各处，每一个人都会吸入这种有害气体。比如居住在距离道路比较远的地方人们，也同样会吸入汽车尾气等有害气体。

热岛效应对年平均温度的影响主要包括三个方面，即年平均温度值升高、年际间温度差异下降和气候趋势的改变。小行星3789热岛的平均强度不到0.06℃，与全球的0.05℃接近；也有研究认为，从20世纪70年代到90年代的20年里，热岛强度以每10年0.1℃的速度上升，而珠江三角洲都市群热岛强度由1983年前的0.1℃上升到1993年的0.5℃；还有人估计城市化和土地利用性质的改变会使热岛强度以每个世纪0.27℃的幅度上升。

夏季热岛效应加剧了酷热，应用空调制冷所消耗的能量十分巨大，据美国能源部的估计，美国为缓解热岛效应每年要多花费高达100亿美元的能源成本支出。另一方面热岛效应促使城市用于空调运转的耗能量（包括建筑物内、交通工具内等）上升，从而导致温室气体排放大量增加，温室气体排放又直接加速全球变暖，气温进一步上升，反过来又加重热岛效应，这两者之间已经形成了恶性循环。

热岛效应也会加剧发生热浪的危险，使一些地区夏季高温天气持续时间增长，高温日出现频繁，增加火灾发生频率。

对人的影响

夏季时本就较高的气温加上热岛效应影响，可以直接影响人们的日常生活和工作，损害人体健康。在热岛效应作用下，周围各类废气和有害化学气体随上升气流扩散，使区内的居民极易患上消化系统或神经系统等的疾病，还行引发各种“城市病”和多发性流行病。医学研究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关，当温度高于28℃时，人会有不舒适感；温度再高就易导致烦躁、中暑和精神紊乱等；气温高于34℃并加以热浪侵袭还可引发一系列疾病特别是心脏病、脑血管和呼吸系统疾病，使死亡率显著增加。

对环境的影响

热岛效应会带来各种异常的城市气象，如暖冬、风及暴雨、夏季城市区域酷热天气日数量（35.1~40℃）多于郊区等。城市热岛效应会引起局地环流，使得城市风场特征极为复杂。热岛的存在使得城区凝露量、结霜量、霜冻日数、下雪频率和积雪时间都小于郊区。热岛效应还改变着其他城市气象，例如云和雾的发展、闪电的频率等。

热岛效应的出现，加强了城市区域大气的热力对流，再加上城市大气中的许多污染物本身就是凝结核，同时城市集中的建筑物使风速减小，强雨带等天气系统在城市上空停留的时间比空旷的郊区长，总降水量增多，这被称之为“雨岛效应”。“雨岛效应”会使城市降雨的次数比城市化前增加10%到20%，另外暴雨和冰雹的次数也会大幅增加。

城市区域的降水量虽比郊区多，但市区空气的相对湿度却比郊区低。其原因除了市区大部分降水被排走，市区蒸发到空气中的水分少外，热岛效应也是主要原因之一。

由于热岛效应的存在，城市中盛行上升气流，上升的气流中含有大量的烟尘等微粒，因而城市上空容易形成以这些微粒为团粒结构的云团，造成城市地区近地层空气污染严重。在高温季节，城市排放的废气中，例如氮氧化合物、碳氢化合物，经光化学反应形成一种浅蓝色的烟雾，在热岛的影响下形成二次污染物，其危害性更大。城市里持续的高温可以加速某些特定的大气化学循环，从而导致地表臭氧的提高。

热岛效应使得生物物候、生理活动、区系组成、种群结构、分布范围以及繁殖活动等发生改变。由于市中心温度提高，植物发芽、开花时间提前，落叶时间延迟，例如日本大城市出现樱花早开、红叶迟红等现象。温度提升促进近地层臭氧形成，导致近郊农作物减产5%~10%。由于市区温度的提高，无霜期延长，极端低温趋向缓和，使得本不属于该区系的植物经过人类驯化，在城市得以繁殖生长。另一方面，由于温度的提高，尤其是极端高温，又限制了一些植物的生长。

城市产生的上升热气流，与潮湿的海陆气流相遇，会在局部地区上空形成乱积云，引起暴雨，造成洪水、山体滑坡和道路塌陷等灾害。

应对措施

控制城市规模

城市规模越大、人口越多，热岛效应越强。中国城市热岛效应以北京、上海市、广州市等城市较强。随着经济的发展，城市基本建设加快，使得城市的规模普遍越来越大，这需要城市建设管理部门防止“一边建设一边污染”。

在控制城市规模的同时，还应防止人口密度和建筑密度过高。局部的高密度会因大量消耗能源而释放高强度的人为热，加上其他形式净得热量，产生很强的局部地区热岛效应，恶化市区热环境，故在城市规划设计中，应尽量避免将人口密度与建筑物密度较高的功能区连片布置。

增加自然下垫面的比例

在城市建设中，在城市中心区域规划出足够的水面和绿地，而且应该分布合理。增加自然下垫面的比例，大力发展城市绿化，营造各种“城市绿岛”是防治热岛效应的有效措施。城市绿地是城市中的主要自然因素，因此大力发展城市绿化，是减轻热岛影响的关键措施。

研究表明城市绿化覆盖率与热岛强度成反比，绿化覆盖率越高，则热岛强度越低，覆盖率大于50%，绿地对热岛的削减作用极其明显。规模大于30000m2且绿化覆盖率达到60%以上的集中绿地，基本上与郊区自然下垫面的温度相当，即消除了热岛现象，在城市中形成了以绿地为中心的低温区域，成为人们户外游憩活动的优良环境。

除了绿地能够有效缓解热岛效应之外，水面也是缓解热岛效应的有效因素水的热容量大，在吸收相同热量的情况下，升温值最小，表现出比其他下垫面的温度低；水面蒸发吸热，也可降低水体的温度。

合理使用人工铺装

在城市区域，由于道路、桥梁等功能要求的需要，必须采用水泥、沥青等人工铺装。但长期以来，在各种路面、广场以及内部庭院盲目使用沥青、混凝土等硬质铺装的现象，是造成夏季严重干热的主要原因之一。故应合理使用人工铺装，使之不超过功能所必需的面积。

改变城市规划与设计理念

应启用合理的城市开发、交通、绿地生态规划模式。建筑物是城市下垫面的重要组成部分，它对城市气温的影响很大，要合理布局城市建筑物，根据城市地理环境（包括纬度、地形、风向、风速、日照、辐射条件等）确定道路网的方位、宽度，建筑物朝向、间距以及建筑物的形体等。

狭窄的街道、建筑密集的里弄或胡同不利于空气的流通，不利于市区的热空气散失到郊外，也不利于空气中污染物向城外扩散。因此，在城市新建和改建时，在总体规划中，要设计有一定数量、一定宽度，且与夏季感行风向相近的街道，以加强市区与郊区之间机械紊流热交换，使得城市的多余热量较快地转移到郊区。

合适的建筑材料可以有效提高反射率，降低吸收率，对缓解热岛效应具有明显的作用。使用能降温节能、缓解热岛强度的户外建筑材料，提倡渗透性的地面铺装材料，通过在建筑物屋顶上涂浅色的涂料，垂直墙面上贴白色墙面砖等均可提高城市下垫面对太阳辐射热的反射率，降低吸收率。另外，在城市区域建筑设计中，应当推行屋顶栽植、墙面立体绿化等设计措施，对改善城市热环境起着良好的作用。

减少人为热的排放量

由于在城市工业生产和人们生活中释放了大量的热，促成了热岛的形成。因此，减少人为热的排放量已经显得极其必要。应该合理地控制市区的人口规模和密度，改善能源配置和使用条件，采取工业集中采热，集中供热，发展民用煤气，以电代煤；通过发展清洁燃料开发利用太阳能等新能源，减少向环境中排放人为热。同时需要向城市居民灌输环保生活理念，提倡每个人、每户家庭都要将环保的生活理念变成自觉行为。大量降低交通运输、空调、烹及工业生产过程的废热，提高能源利用效率，实行清洁生产，或者开发利用新型高效环保能源。

预防和治理大气污染

根据城市的性质及其定位确定合理的产业结构，发展少污染、无污染的工业，特别要加快第三产业的发展，同时加强工业整治及机动车尾气治理，限制大气污染物的排放，减少对城市大气组成的影响。搞好消烟防尘，积极创建烟尘控制区，减少CO等大气污染物的排放量，提高大气质量。

利用人工蒸发补偿

采用喷雾系统是一种高效且经济的办法。蒸发量在0.05g/sm时（白天喷雾11小时相当于2mm降雨量），大气平均降温达7℃。

参考资料

「热点名词」热岛效应.百家号.2024-05-04

隐形岛屿——城市热岛.中国科学院生态环境研究中心.2024-04-21

城市热污染.中国科学院科普云.2024-04-24

热岛效应，包裹城市的“气包袱”.中国气象局.2024-04-18

建成区绿化覆盖面积中乔、灌木所占比率.深圳政府在线.2024-05-04

人为热释放全球气候效应及气候反馈机理的研究.云南大学地球科学学院.2024-05-04

城市“雨岛”.中国气象局.2024-05-04

定义