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南阳城市化发展对城市热岛效应的影响.rar

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    南阳 城市化 发展 城市 热岛效应 影响
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    第 1 页 (共 14 页)南阳城市化发展对城市热岛效应的影响作 者:周 欢指导老师:王书转摘要:采用城市化的多项要素指标,系统的考察了南阳地区城市化发展对其城市热岛效应强度的影响关系,发现城市化的发展是导致热岛效应形成和加剧的主要原因,城市化的发展主要作为一种常态因素,通过常态加温中心城区,提高中心城区气温的平均状态,从而形成和加剧城市热岛效应,城市人口规模是考察城市化发展对城市热岛效应影响关系的一个很有价值的综合性指标,城市热岛效应不仅与人口规模有关,亦与人口密度有关。南阳在城区建成面积达到 217.51km2,建成区人口达到 88.07 万人时,南阳城市的温度有明显的上升趋势,城市化的发展对南阳城市的热岛效应也有明显的提升作用。 关键词:城市化;热岛效应;南阳引 言城市是人类社会发展到了一定阶段的产物,是人类走向成熟和文明的标志,也是人类群居生活的高级形式。当前城市化建设进程不断加快,城市化带来的日趋集中的高强度的人类活动,使得城市环境问题也日益严重,热岛效应就是其中之一,表现为城市比周围非城市化地区的地表温度和大气温度要高,而这一现象在夜间表现得更为突出。因而探讨城市化发展与城市热岛效应的关系已经成为当前城市化发展的热点。关于城市热岛效应的研究早在 19 世纪英国化学家 Howard 就指出,伦敦市市中心的气温比周围乡村的气温要高。城市热岛效应与人类活动密切相关,近些年来引起国内外学术界的关注和研究。城市中密集的人口与热岛效应的加剧有着一定的相关性,比如Mitchell 通过美国 77 个城市的资料证明城市最大热岛效应强度与城市人口密度的平方根呈正相关 [1]。关于城市热岛效应及其与人类活动的关系,近些年来已引起国内外学术界的关注和研究。如日本学者 SaitohT S 等 [2]研究,快速的城市化和工业化引起了城市经济和社会活动集聚,能源消费增加是造成城市热岛效应的重要原因。第 2 页 (共 14 页)KingVJ 等 [3]根据对美国卡罗莱纳州南部和北部城市热岛效应的研究,认为城市热岛效应产生的原因是城市和乡村热量收支平衡的差异。KolokotroniM 等 [4]还通过对英国伦敦热岛效应强度的研究发现,城市发展使自然地表面积减少,影响城市昼夜气温差的最关键因素是地表反射率的变化。从以上文献可以看出,热岛效应越来越受到学者们的重视,但关于热岛效应的及其影响因素的研究尚存在一些局限和不足,着重研究了城市化因素与热岛效应的影响,但对解决方案研究不足,所以我们还需要更科学更系统的数据研究,为实现经济社会可持续发展提供科学依据。 南阳,河南省省域次中心城市,豫陕鄂川渝交界处区域性中心城市,豫西南政治、经济、文化教育、科技、物流、交通中心。南阳是国务院第二批命名的历史文化名城,有“南都” 、 “帝乡”之称。是中国首批对外开放的历史文化名城之一,是全国楚文化与汉文化最集中的旅游区之一,也是中部地区重要的旅游胜地之一。卧龙岗旅游文化集聚区、伏牛山世界地质公园、南水北调中线渠首,和桐柏淮源国家风景名胜区是南阳四大重点旅游景区景点。南阳从 1948年 11 月 4 日南阳解放时人口仅有 4 万余人,城区面积仅 3.5km2,到2009 年 6 月,市中心城区人口达 113 万人,中心城区面积达 117 平方公里。另一方面,南阳工业发展也相当的快,因此,随着南阳城市化的快速发展,使得南阳气候局部发生了改变,南阳市的气温明显有上升的趋势,城市热岛效应也愈发明显。但自实施城市规划,环境保护等措施对城市热岛效应的提升作用呈明显的减缓趋势。1.城市化发展对城市热岛效应的作用机理1.1 关于城市化和城市热岛效应的简述1)城市化:城市化包括丰富的内涵,其中首先是人口的城市化。随着经济社会的发展,人口向城市迁移集中,使城市人口规模增长。人口的集中往往伴随着经济活动的集中,因而人口和经济活动的集中,城市化的发展,又推动城市人口、经济规模不断增大。人口、经济活动的集中和城市化的发展,不仅带来城市人口、经济规模的第 3 页 (共 14 页)不断增大。而且也使城市下垫面发生变化,带来土地利用的城市化。城市下垫面的变化,一方面在横向上表现为城市面积特别是建成区面积不断扩大,另一方面,在纵向上则随着城市建成区的不断扩大,城市建筑物特别是高层建筑也逐渐增加,使城市“高度”也明显“长”高。以城市化度(城市人口占总人口的比重)单一指标考察城市化发展对城市热岛效应的影响有很大的局限,城市化的丰富内涵也使城市化的发展需要采用多指标才能给以充分反映。因此,本研究在考察南阳影响城市热岛效应的城市化发展要素时将根据其内涵确定相应的指标。2)城市热岛效应:所谓城市热岛,即指城市中心区域的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面气温图上,郊区气温较低且变化很小,城区中心区域则气温高且变化明显。城市中心区域的高温区就像突出海面的岛屿,故称为城市热岛。而使城市热岛形成和加强的效应,即称为城市热岛效应。热岛效应产生的原因:热岛效应是由多方面的原因造成的,主要原因是城市规模不断扩大和城市迅速发展,城市中高楼林立,建筑物高度集中。城市地面导热性比松土或湿土高出数倍,并且热容量很高,散热速度快大量接受太阳辐射,并积蓄能量,吸收和反射、辐射的热量大量被积聚、截留在不太流通的城市街道空间,从而产生热岛效应。热岛的产生还受到地理条件和自然条件的影响,街道的走向对城市通风的影响也是热岛产生的原因。城市人口集中,空调的密集使用排出热气,进入空气,形成一个恶性循环。垃圾废弃物集中,汽车尾气排放的 CO2也是城市热岛产生的原因之一。同时有利于减少热岛强度的因素在城市中又被削弱,首先,在城市中缺乏高大的树木以及灌木和草地,特别是高大的乔木,因为植物能有效地阻挡、吸收太阳辐射、净化空气、减轻热岛强度;其次,建筑物阻碍空气流通,风速减小。另外,城市中水体缺乏,蒸发量少,植被缺乏,蒸腾量也少,也增加了热岛强度。热岛效应的危害:夏季发病率提高。夏季中暑与高温关系十分密切,每年都有因高温而中暑甚至引发死亡的事情发生,尤其在日最高温度超过 37℃时,中暑病人、患肠胃疾病病人和高血压、冠第 4 页 (共 14 页)心病发作的病人明显增加,由于高温导致死亡的人数也明显增加,温度升高与中暑的死亡率成正比关系。光化学污染加剧。在高温季节,汽车尾气和工厂排放的废气中的氮氧化物和碳氢化物,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,不易沉降,空气混浊,造成散射光,显著降低能见度,水平视程缩短,不利于车辆的行驶安全,对人的眼睛有强烈的刺激作用,也容易引发呼吸道感染。城市热岛强度越大,太阳辐射强度越大这种光化学烟雾浓度就越大,危害性就强。热岛效应加重了污染。由于有热岛的存在,城市中盛行上升气流。城市空气中悬浮着大量的烟尘等微粒,因而城市上空便易形成以这些微粒为团粒结构的云团。造成城市地区的近地层空气污染严重。1.2 城市化发展影响城市热岛效应的作用机理现有事实和研究都说明,城市热岛效应与人类活动密切相关,城市化的发展造成了城市热岛效应的形成和加剧。根据城市化的丰富内涵,可以把城市化大致概括为 3 个方面,一是人口的迁移集中,这是城市化最基本的内涵;二是经济活动的集中,这是城市化内涵的重要内容;三是城市空间的扩大,这是城市化的主要“实体”表现形式。在一定意义上,可以把城市化的这 3 个方面看作是城市化发展的 3 个阶段:首先是人口的迁移集中,人口的迁移集中带动了经济活动的集中;人口和经济活动的集中,又推进了城市空间的扩大。可以说,城市化的这 3 个方面或者城市化发展的这 3 个阶段,都与城市热岛效应密切相关,都直接影响并造成了城市热岛效应的形成和加剧。城市化的发展影响城市热岛效应的作用机理如图 1 所示。第 5 页 (共 14 页)可以看出:第一,人口的迁移集中造成城市人口规模增大,使城市人体排热和生活排热大量增加。一方面,人体本身就是一个热源。一个成年人即便在静坐状态下也会与周围环境产生一定的热量交换,大约相当于 1 个 100W 功率的灯泡向外界散发热量。因此,人口的迁移集中造成城市人体热源及其排放热量的增加。另一方面,人口的迁移集中造成城市人口生活能源消费的增加。城市人口生活需要饮食、洗浴,需要电灯照明、空调控温,随着生活水平的提高还需要购车代步,等等。这些都需要消费大量能源,造成大量生活排热。特别是城市人口的高密度,更造成了城市人体热源和生活能源消费的高度集中及其排放热量的相对集聚。第二,人口的迁移集中带动了经济活动的集中,而城市集中的经济活动,又都是第二、三产业等非农业生产活动。特别是上海近些年来仍以消费大量能源的工业为主导。因此,城市经济活动的集聚,就意味着以工业为主的非农生产规模的扩大和生产能源消费的增加。非农生产规模的扩大和生产能源消费的增加,势必造成城市人工热量的大规模排放。毫无疑问,经济活动集中、非农产业生产规模扩大造成的生产性人工排热要远远超过人口迁移集中带来的生活性人工排热效果。第三,城市空间的扩大。一方面在横向上由于人口和经济活动的集中,势必造成城市面积特别是城市建成区面积的不断扩大。在此过程中,城市下垫面发生本质性变化,农业用地转变为城市用地,第 6 页 (共 14 页)绿地、水面趋向减少,沥青、水泥路面以及建筑物大量增加、密度升高。绿地、水面减少与固化地面增加造成地表水分蒸发减少,使下垫面通过蒸发排热减少,贮热增加;同时,造成下垫面比热下降,因而在同样热焓条件下温度增高。另一方面,在纵向上随着城市建成区的扩大和建筑物数量的增多,高层建筑也逐年增加,使城市不断“长”高。地面建筑物增加增高,造成地面粗糙度增加,近地面风速下降,地面与大气热交换能力下降,地面通过乱流热交换向大气散热能力下降,造成地面高热而增温。另外,诸多建筑物的外墙材料,也在很大程度上加大了对红外辐射的吸收和辐射热的扩散。2.城市化发展对南阳市热岛效应的影响通过前人研究表明:城市化发展能在一定程度上影响城市气温的变化,所以本文通过南阳市 1985-2005 年气温的变化来考察和分析南阳市人口,建成区面积等城市化因素和南阳气温的关系,从而得出城市化建设对南阳城市热岛效应的影响。2.1 南阳市温度变化1313.51414.51515.51616.519851987198919911993199519971999200120032005时 间 /年气温/摄氏度图 2 南阳市 1985-2005 年气温变化图从图 2 可以清楚的看到南阳 1985-2005 年间气温的变化情况,虽然近二十年间气温上下起伏较不稳定,但是总的来说,南阳市气温是呈上升趋势的。第 7 页 (共 14 页)2.2 城市人口数量与南阳城市热岛效应的关系随着城市的快速发展和城市扩建,城市的建筑用地越来越多,乡村变为城市,城市人口因此也越来越多,除此之外,近几年大规模的人口向城市迁移,这带来了城市人口大规模的增长。从表 1 可以看出,从 2005 至 2008 年间,城区人口逐渐增加,暂住人口先增加后有所降低,人口密度也是先降后增加,总的来说人口的城市化率是不断增加的。表 1 南阳市 2005-2008 年间城市人口表050100150200250300350198519861987198819891990199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005时 间 /年城市人口数/万人024681012141618气温/摄氏度城 市 人 口 ( 万 人 ) 气 温 线 性 (气 温 )图 3 南阳市 1985-2005 年间城市人口及气温变化图2005 2006 2007 2008城区人口数(万人)70 75.84 83.29 88.09城区暂住人口(万人)9 22.5 17.04 17.18城区人口密度(人/平方公里)10000 3632 4805 4839人口城市化率(%)30.02 31.56 33.30 34.92第 8 页 (共 14 页)由图 3 可以看出南阳市 1985—2005 年期间,南阳市城市人口规模与气温的关系,人口呈显著的直线上升,年平均气温年间变化不稳定,但是总的呈上升趋势,可以概括为人口的增长对城市热岛效应也是有明显的影响。但是第一,这里分析的城市人口增长对城市热岛效应的影响,并非单纯的表示人口增长带来的人体排热,而是在很大程度上也体现了城市化影响的综合效应,如人口的增长必然伴随着经济及能源消费的增长,所以人口规模增长对城市热岛效应的影响实际上也体现了经济活动及能源消费增长对城市热岛效应的影响;第二,城市人口规模与城市的气温有很明显的关系,也就对城市的热岛效应有很大的影响。当然城市的热岛效应不仅与人口规模有关,也与人口密度有关,当人口到达一定规模时才能对城市的热岛效应产生显著的影响。2.3 能源消费与南阳城市热岛效应的关系城市的能源消费主要包括两个方面,一是人口的集中、规模增长及收入提高、生活改善带来的生活能源增长,二是经济活动集中,规模带来的生活能源消费的增长,随着城市化的快速发展,南阳生活生产能源消费都大幅增长,因此造成大量的人工排热,从而对城市热岛效应产生影响。南阳市生活能源的消费,不仅有人口规模的增长而增加,而且因收入提高、生活改善导致的能源消费也迅速增加。图 4 南阳市生活能源消费第 9 页 (共 14 页)根据图 4 可以看出南阳市生活消费是不断增加的,结合图 2 可以得出,城市生活能源消费与温度是有一定联系的,城市人口的增加,生活能源消费增长导致温度呈上升趋势,因此对城市热岛效应有加强的作用。2.4 市区建成面积与南阳城市热岛效应的关系南阳城市市域范围大,各地地表特征(土地利用、建筑密度、人为热源)差异明显。从多年气候平均来看,城市热岛范围在扩大的同时热岛强度也有所增加随着南阳城市建设的迅速发展,南阳城市的用地范围、用地属性在这 10 年间发生了巨大的变化。相应地,城市交通道路增扩、交通流量加大、工业发展和人口激增必然带来城市人为热源的变化,进而影响到城市气候,城市热岛的影响范围与其强度都在增加。丁金才等 [5]的研究指出,在城市发展进程中城市建成区范围与热岛效应影响范围具有同步增大的关系。城市建成区的扩大与热岛强度影响范围的延伸有很好的对应关系。南阳城市的快速发展一方面使得城市建成区不断扩大,另一方面也影响气候,使得城市热岛不断向近郊区延伸。本文考察了南阳市从 2000 年到2008 年城市建成区域面积的变化,2000 年南阳市的建成区面积为37km2,2005 年增加到 58km2,自 2006 年南阳市的建成区面积的增长幅度较大依据达到 70km2,2007 年为 74.59km2,2008 年增加到80.72km2,这比 2000 年增加了二倍多。 01020304050607080902000 2005 2006 2007 2008时 间 /年建成区面积/平方公里图 5 南阳市建成区面积变化图第 10 页 (共 14 页)从图 5 可以看出,近几年由于城市扩建和城市建成区面积的增加,工业的发展以及城市交通道路建筑的修建,极大的改变了城市近地面的地质状况,另外,从南阳市气温图中可以明显的看到南阳市的气温有明显的上升趋势,从而使得城市热岛现象强度增加。但近几年城市热岛现象越来越受到相关人士的关注,在城市化发展过程采取了一系列相应措施,如关注城市规划,必要的城市绿化面积等都在一定程度上减缓了热岛效应,所以近几年城市温度的增加较为平缓。2.5 城市规划对南阳热岛效应的影响为了最大限度地减轻城市热岛效应,在城市的规划、设计和建设过程中,多采用生态设计和施工的理念,而其中最重要的方法就是要用“绿岛”拯救“热岛” ,也就是要增加城市绿地和绿化覆盖面积,改善环境质量,增强生态调节能力。李延明等 [6]定量分析了北京市绿化量与热岛效应强度关系,认为一个区域绿化覆盖率达到 30%时,热岛强度开始明显减弱;达到 50%时,热岛缓解现象极其明显。不同的季节和绿化树种对热岛降温作用不同。如张景哲等 [7]利多元统计回归分析模型分析了下垫面结构对城市热岛效应的贡献,指出绿地降温作用以夏季最为明显。严平等 [8]通过研究合肥绿地的降温作用,发现草地与林地树木的冠层可调节底层以及绿地上方气层温度,绿地的降温效果与树木的种类及季节有关,在夏季,绿地具有显著的降温效应。绿地是城市中最主要的自然因素,城市绿化覆盖率与热岛强度成反比,绿化覆盖率越高,热岛强度越低,因此,建立规模化的集中绿地是最能直接削弱城市热岛效应的措施。但同时“热岛”时代的城市绿化,不是一个简单的数量增加。汤庚国强调,一个城市绿化得怎样,不仅要看绿地率、人均绿地率以及绿地覆盖率,更要看绿量----树上每片树叶的面积之和。所以不能单纯地追求绿地率,不能把绿化简单地认为是种上草就可以了。在实际的规划操作中,首先要注意改善楼宇和街道的布局,不要一味追求建筑的高层化,要做到布局有利于自然风出入城市市区。然后要改变城市建中所应用的传统的建筑材料与方法,比如城市化中的“水泥化”现
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