城市热岛与极端高温教学PPT.ppt

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1、城市热岛与极端高温,城市热岛效应：概念,城市热岛效应也称“大气热污染现象”,是指当城市发展到一定规模,由于城市下垫面性质的改变、大气污染以及人工废热的排放等因素使同一时期，城郊对比，气温城区明显高于郊区的现象。形成类似高温孤岛的现象,在气象学上被形象地称为城市热岛。在气象学近地面大气等温线图上，郊外的广阔地区气温变化很小，如同一个平静的海面，而城区则是一个明显的高温区，如同突出海面的岛屿。,在夏季，城市局部地区的气温，能比郊区高6甚至更高，形成高强度的热岛。城市热岛在冬季最为明显，夜间比白天明显，是城市气候最显著的特征之一。分析和评价城市热岛效应已成为当前城市气候与环境研究的重要内容之一，也是

2、全球变化研究的重要方面。,热岛效应：中外城市,Brussels,Belgium,Credit:Hamdi,R,2010,城市热岛环流,在天气睛朗无云，大范围内气压梯度极小的形势下，由于城市热岛的存在，城市中形成一个低压中心，并出现上升气流。从热岛垂直结构看来，在一定高度范围内，城市低空都比郊区同高度的空气为暖，因此随着市区热空气的不断上升，郊区近地面的空气必然从四面八方流入城市，风向向热岛中心辐合。此时郊区因近地面层空气流失需要补充，于是热岛中心上升的空气又在一定高度上流回到郊区，在郊区下沉，形成一个缓慢的热岛环流(local heat island circulation)。,晴朗夜间城市热

3、岛环流模式,乡村风,热岛环流(local heat island circulation)又称城市风系。在近地面部分风由郊区向城市辐合,称为乡村风(country breeze)。应该指出,向城市中心辐合的乡村风,并不是很稳定的,它往往具有间歇性或脉动性(周期性),即吹一段时间,要停一段时间。此脉动周期约为1.5-2.0h，这种脉动性在夜间特别明显。,城市发展过程中气温的前后对比,随着城市化发展,市区呈现出越来越暖的趋势.如东京历史时期气温逐年变化可分三个阶段19201942年:气温变化趋势逐年上升(城市发展)19421945年:气温变化趋势逐年下降(值第二次世界大战期间,东京城市受到大规模的

4、破坏,城市热岛效应不存在)19451967年:气温变化趋势逐年上升(战后城市建设迅速恢复,气温又开始回升),日本东京19161965年年平均气温的变化,城市热岛强度的时间差异,周期性年变化:冬秋两季比夏春两季表现更明显,可能归因于冬季城市取暖耗能较多,释放大量人为热量日变化:夜晚强,白昼午间弱季变化：城市热岛在冬季最为明显周变化:明显受工休日周期影响,周末弱,周内强,以西安为例：年变化,由图可见：西安城市热岛强度从1995年开始上升速度更快，热岛强度更加明显。出现这种现象的原因可能是：近50年来随着西安城市的发展、城区内部进行了大规模的改造，建筑密度、下垫面的性质都有了较大的改变。此外，能源消

5、耗剧增、人为热排放增大等因素加剧了城市化效应，使得城郊温差越来越大，从而导致城市热岛越发明显，热岛效应逐渐增大。另外，在全球变暖的气候背景下，城市地区的高强度经济活动也增加了城郊温差。,西安热岛效应的日变化较为明显。日变化中存在两个明显的峰值，第一个峰值出现在早上5时前后，随后热岛强度迅速减弱，到11时达到最低值，自12时起热岛强度缓慢增加，17时起热岛强度迅速增加，至夜晚21时热岛强度达到第二个峰值。白天向夜间过渡，城市热岛加强；夜间向白天过渡，城市热岛减弱。夜晚的热岛强度普遍高于白天，中午最弱。,以西安为例：日变化,由图可见：热岛强度冬季最强（1.05），其次是春季（1.03），秋季（0.

6、51），夏季最弱（0.39）。造成热岛强度冬季强，夏季弱的主要原因是：1）西安处于季风气候区，季节变化明显。冬季受干冷西伯利亚来的气团控制，湿度小，云量少，利于热岛的形成与发展。2）西安冬季正值采暖期，城区人为热量排放比夏季多，大气中烟尘等污染物浓度增大，使得城市大气逆辐射增多，而夏季城区人为热和大气逆辐射比冬季相对减少，城郊的热量收入相差不大，不利于热岛的发展。,以西安为例：季变化,城市热岛强度的地区差异,城市热岛强度与城市的布局形状、城市地形等有密切关系：1、条形带状结构：城中心增温效应弱；2、团块状紧凑布局：城中心增温效应强；3、盆地或凹地：由于风速小，热岛效应特别强，这里不仅抵消了冷空

7、气的下沉作用，反而成为最暖的热岛中心。城市规模（面积、人口及其密度等）对热岛强度亦有影响,条形带状结构：以兰州为例,兰州市城市热岛的空间分布与延展基本与城市建成区的布局相一致。兰州是一东西长、南北窄的带状河谷盆地城市。兰州市的土地覆盖类型的改变对城市热岛的分布起决定性作用。城市热岛基本集中在工商业集中和人口密集的地区，温度由这些地区向周围逐渐降低。此外，随着城市规模的扩展和河谷内城市整体建筑密度的增大，城市热岛呈现出以黄河为低温带，在一定范围内，温度有由黄河向两岸逐渐降低的趋势，距离黄河低温带较远的城区，温度较高。黄河及两岸的绿化带形成了明显的长条形的相对低温带。,条形带状结构：以兰州为例,团

8、块状紧凑布局：以西安为例,造成以上城市热岛效应的空间分布的差异，与周围地形、建筑构成、自动站所在地理位置有关。城市热岛呈明显的马蹄形分布，中间强，周围弱。西安城市强热岛中心空间分布表现在人口密集，建筑物密度大，工商业最集中地地区，而城乡结合部地区则有较好的植被覆盖，或者农田密布，热岛强度小，不会出现强热岛中心。,团块状紧凑布局：以西安为例,盆地或凹地：以重庆为例,盆地或凹地：以重庆为例,独特的山水地貌格局的影响：从大的地貌格局来讲，重庆位于四川盆地的东部，在北方有秦岭、大巴山，南方有云贵高原北缘的大娄山，南北来气流均受到阻挡，自然通风条件很差。都市区地处盆地东平行岭谷低山求领带，长江、嘉陵江从

9、全区域流过。河谷地形影响，城市排放出的废气和热量不易扩散，则易形成城市热岛。河谷气候的影响：都市区“两江”环绕，属于典型的河谷气候，逆温天气多，副热带高压控制时间长，大气层结稳定，这就加剧了城市热岛效应。下垫面性质改变产业结构及布局的影响能源结构不合理城市人为热的大量释放,盆地或凹地：以重庆为例,城市热岛效应：形成原因,城市污染物的增加城市下垫面性质变化城市人工热源增加城市建筑规模膨胀,原因1：城市污染物的增加,正常的空气中含21%氧气和78%氮气,还有1%是其他物质。随着城市化发展，城市中由于大量的机动车、工业生产以及居民生活等人为因素的影响,城区大气中CO、SO2、NO x等有毒气体浓度大

10、,总悬浮颗粒物密集,温室气体的含量高。其中对城市热岛效应影响最显著的是城市大气总悬浮颗粒物与温室气体的影响。来自工业生产的废气、汽车尾气以及日常生活中的大气污染物，有效增加了城市空气中CO2、NO x、SO2、气溶胶粒等有害物质的浓度，这些污染物善于吸收长波辐射能，尤以CO2吸收长波辐射的能力更强；且城市上空的污染物层如同保温层一样包围在城市上空，有效阻止长波辐射的逸出，增加大气逆辐射，使热岛效应在夜间尤为突出,原因2：城市下垫面性质变化,城市内大量人工构筑物如铺装地面、各种建筑墙面等，改变了下垫面的热属性，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

11、）升温快，因而其表面的温度明显高于自然下垫面。对太阳辐射影响反应由弱到强依次是:水体、草地、泥地、混凝。,在夏天草坪温度32、树冠温度30的时候，水泥地面的温度可以达到57，柏油马路的温度更高达63，这些高温物体形成巨大的热源。这样的下垫面强烈地吸收太阳辐射能量,然后再将其中的大部分以辐射的方式传送给大气,使空气得到过多的热量,气温急剧升高。,原因3：城市人工热源增加,工厂生产、交通运输以及居民生活都需要消耗各种燃料,把大量的废热排放到城市大气中。随着经济快速发展,城市化进程的加快、人口、生产、交通集中,在工业生产、家庭炉灶、内燃机等方面消耗能源的同时,废热排放增多,使城市区域增加许多额外的热

12、量输入。而大城市里面高楼鳞次栉比，商业建筑与日增多，这些地方热量不易于散发，人口集中，风扇，空调的耗能更是惊人。,据调查，城市内人为释放的热量，在美国一般相当于地表所吸收的太阳净辐射热的1015。城市内大量的人为释放引起城市地区局部升温，从而在温度空间分布图上出现一个个高温中心。据1984年统计。上海城区耗煤量为36874 6ta km，是近郊的1 704倍，市区的耗油量为11533 6ta km，相当于郊区的1.508倍。仅就此两项而论，市区每平方公里上空所获得的人为热相当于郊区的3.2倍强，如果再加上空凋排热等其他的人为热，市区与郊区人为热的差异更大。都市越大，现代化程度越高，热岛效应就越

13、明显。可以说，城市热岛效应是城市化进程的副产物。,原因4：城市建筑规模膨胀,城市化的发展，使城内建筑的密度和高度都在不断增加。大量的高层建筑减低了风速，增加了热量水平交换难度。城市建筑密度越大，热岛强度愈大。建筑物高度对地表温度有着至关重要的影响，一方面高大建筑物的巨大阴影可降低地表温度，另一方面建筑物的每一个表面都能吸收太阳辐射和长波辐射，且高大建筑物有效阻止了太阳热辐射的逸出。研究者通过对城市表层气温的空间分区特点分析了热岛效应的成因，认为城市热岛形成的原因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，城市中温度最高的区域往往与最深的城市街谷相对应，即通常分布在市中心4。,城市

14、热岛效应：极端高温的影响与危害,一年四季都可能出现城市热岛。但是，对于居民生活的影响来说，主要是夏季高温天气的热岛效应。医学研究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关，环境温度高于28时，人们就会有不舒适感；温度再高就易导致烦躁、中暑、精神紊乱；气温高于34度，并且频繁的热浪冲击，还可引发一系列疾病，特别是使心脏、脑血管和呼吸系统疾病的发病率上升，死亡率明显增加。城市地面散发的热气，形成近地面暖气团，使得城市烟尘流通受阻，对人体形成有害的“烟尘穹隆”。高温还加快光化学的反应速率，加剧对大气的污染。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，从而在某些地区引

15、发洪水灾害，以及造成山体滑坡和道路塌陷等。,高温预警信号等级中国气象局,黄色预警：连续三天日最高气温将在35以上。橙色预警：24小时内最高气温将升至37以上。红色预警：24小时内最高气温将升至40以上。,高温中暑气象等级 高温中暑事件卫生应急预案卫应急发2007229号,一级预警（红色预警）高温中暑事件级别达到级，且高温中暑气象预报级别达“极易发生中暑”，高温天气还有持续或加重趋势的。二级预警（橙色预警）高温中暑事件级别达到级，且高温中暑气象预报级别达“易发生中暑”以上，高温天气还有持续或加重趋势的。三级预警（黄色预警）高温中暑事件级别达到级，且高温中暑气象预报级别达“较易发生中暑”以上，高温

16、天气还有持续或加重趋势的。四级预警（蓝色预警）高温中暑事件级别达到级，且高温中暑气象预报级别达“可能发生中暑”以上，高温天气还有持续或加重趋势的。,夏季高温热浪的脆弱群体,暴露性：“高温猛于严寒”主体：老弱病残孕及城市化生态脆弱群体重点：户外工作者（外来流动人口与城市本地贫民）建筑工人城市住房问题 环卫工人城市环境问题 交通协管城市交通问题正反馈与外部性；风险转移与环境正义,正反馈与外部性；风险转移与环境正义：关注弱势群体！,高温经济,城市热岛效应的改善措施,加强城市绿化，构建“森林城市”研究和应用“环境友好”路面控制大气污染控制城市人口数量，并减少人为排热量规划城市格局，因地制宜,城市绿化对

17、减低城市热岛强度，改善城市气候条件有着极为重要的意义，绿化具有遮阳蔽荫、蒸发蒸腾和减低温室效应的作用：绿地的面积大小、分布及植物配置直接影响绿化的效果，所以在制定城市绿地系统规划时，不仅要考虑每年的扩绿面积，还应着重考虑绿地的合理分布和植物配置 在旧城改造的规划中要舍得拿出“黄金地块”“黄金地段”来发展绿地同时利用有限的空间，大力发展垂直绿化，增加绿化总量，以逐步改善城市大量建筑物等下垫面的辐射吸收和散热状况，达到减少热岛的效果。另外还可以增加人工湿地面积。人工湿地能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧气、净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等，进而缓解热岛效应。以“绿岛效应”抑

18、制热岛效应。大力推动园林城市创建活动，减轻“城市热岛效应”。,加强城市绿化，构建“森林城市”,目前国内外正在研究的几种“环境友好”路面主要包括路用热反射涂层、透水式路面、保水式路面和热阻式路面。路面使用热反射涂层降低路面温度是由日本道路工作者最先提出的。由于这种特殊材料反射太阳光的能力强，因此将这种材料涂在路面上后，路面积蓄的热量较少。在道路上应用热反射涂层一定要考虑涂层的颜色，以免造成眩光而影响行车安全。而在太阳光谱组成中，太阳辐射能量主要集中在近红外区和可见光区，其中红外区的比例最大。因而提高红外区的反射率会使总体的反射率较高。对于透水式路面，有研究表明该路面相对于SMA路面的表面温度并无

19、差异，而在中面层处温度差异比较大，这说明整个路面结构内部聚集的热量少。这一方面有利于缓解城市热岛效应；另一方面由于中面层温度较低，可以降低对沥青的要求，节约公路建设资金。,研究和应用“环境友好”路面,降低机动车污染物排放量，强化机动车排气污染的管理。推广使用无铅汽油，发展清洁能源（电能、天然气、液化气）的机动车，扩大清洁能源汽车在城市公共交通使用。减低氮氧化物、二氧化硫及有机化合物(VOC)的排放，严格控制高硫高灰份煤炭的开采和推行煤炭洗选，禁止在新、改、扩建和技改项目中使用淘汰的工艺和设备，超过限期的，要坚决取缔。要继续取缔、关停小造纸、土法炼铅铸、土法炼焦、土法炼钵、炼硫磺等污染严重的工厂

20、企业。用静电除尘或袋式除尘器取代旋风除尘器、水膜，使水泥厂、电厂等企业粉尘除尘效率达到80%。,加强城市绿化，构建“森林城市”,城市规模、城市人口密度与城市热岛强度的关系有可能不同,但同城市热岛的强度有直接关系。因此控制工业生产中废热的排放,将民用煤改为液化气、天然气并扩大集中供热面积,控制城市中机动车的数量,以减少废热排放的同时,采取国家宏观调控手段,控制城市规模和人口密度也是减缓城市热岛效应,促进城市健康发展的必要措施之一。,控制城市人口数量，并减少人为排热量,完善城市道路网，构建大容量、无污染、全立交快速交通系统。首先，更新城市交通观念，积极发展大容量、快速公交车、地铁，提高公共系统的运

21、输效率，合理地规划设置公交线路、站点，布局交通枢纽站，使站、车、人流合理衔接；其次，研究城市交通管理的现代化技术，建立交通中心控制指挥系统，在全市各主要道路路口建立自动监测网点，设立智能化的交通信号，提高交通容量。再次，加快城市道路基础设施的建设工作，拓宽道路，疏通瓶颈，实现交通运输快捷，畅通无阻。最后，搞好道路两侧的绿化、美化工作，充分发挥植物吸收机动车排气污染物，净化环境空气的功能。每个城市都应根据自身的特点来选择比较有效缓解措施，如日本东京用大型无污染的人工冷却的方法来给城市降温，投巨资在城市地下铺设专用管道，引入循环流动的冰冷的海底之水给城市降温。武汉就根据自身的气候特点采用“穿堂风”来缓解热岛效应。,规划城市格局，因地制宜,