长沙市城区热岛成因及绿地系统缓解热岛效应研究

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导师姓名
康文星
学科专业
生态学
文献出处
中南林业科技大学   2010年
关键词
城市热岛论文  分布规律论文  热岛效应论文  城市绿地论文  长沙城区论文
论文摘要

随着城市化进程的加快,人口高度密集,城区面积越来越大,导致了下垫面性质改变,高强度的经济活动中消耗大量能源,释放出有害气体和粉尘对人类生产和生活产生影响。如此种种变化改变了原有区域的气候状况,在城市区域形成了特有的小气候特征——城市热岛效应。本文利用长沙市有关气象资料等数据,对长沙市热岛效应形成的原因、分布规律、热岛效应的危害以及城市绿地在缓解城市热岛效应中的作用进行了研究。其目的在于为城市的规划与建设,城市经济社会的可持续发展提供有科学价值的参考依据。本文研究的结果归纳如下。1.长沙城区内部结构特征是城市热岛形成的主要原因。老城区街道走向、几何形状及建筑物的密度大,新建城区的设计也不尽合理,建筑物过高也过密,使城区风速小,热量不易扩散,导致局部气温过高。下垫面多为水泥、混凝土等硬质铺砌,反射率低,热容量大,白天在相同的太阳辐射条件下,城市下垫面比郊区能吸收更多的热量,另外,参差不齐的建筑物使城市建筑墙壁与墙壁、墙壁与地面之间长波辐射进行多次反射与吸收,这些为长沙热岛形成奠定了能量基础。日落后,城市与郊区气温下降的速率不同,是夜晚城市热岛形成的直接原因。2.城区人为热的释放对热岛的形成起着非常重要的作用。城区工厂、企业、机动车辆、空调运转和居民烹饪要消耗大量的能源,由此释放的人为热量是郊区的3-6倍。人为热的排放对城市热岛的影响具有双重作用,一方面直接增加了城市的热量,为热岛形成奠定了基础;另一方面,人为热排放的同时,也排放大量的粉尘和各种污染气体,形成了覆盖在城市上空的“尘罩”与“气罩”,加重了城市热岛的强度。3.一定的气候条件也是长沙城区形成热岛的外部因素。本研究表明,发生城市热岛的天气条件具有相似性,即大多数热岛出现在晴朗、云量少、无风(或微风)、大气温度层结稳定的天气条件下。4.长沙城区热岛水平分布基本上与城市建城区轮廓一致,并且随着城市的发展已有向外扩展的趋势。白天,城区热岛分布构成以中心城区为主,面积大,分布集中,但又出现城区有多个中心热岛分布的特征,夜间城市热岛范围较小,强度较强,以工业区和人口密度的居民区以及水体效应(大的湖泊)为主构成热岛零星分布。长沙城区热岛的垂直分布,城区对最高气温的影响高度约在50m以下,对最低气温的影响其高度超过70m。5.近20年来,长沙市热岛强度逐年增大,2008年热岛年平均强度为1.46℃。热岛强度的季节性变化表现为秋季>冬季>春季>夏季。长沙市热岛日变化有2种类型,一种类型是其变化特征表现出日变化明显,白天强度较弱,夜间热岛强度在深夜或日出前达到了最大值,这种变化过程多出现在秋冬季天气晴稳的条件下;另一类型是日变化特征可以明显地看出热岛强度日变化周期,有时也有明显的峰期出现,但总体变化平稳,变化幅度小,且最大热岛强度出现时间变化较大。这类热岛大都出现在多云、有风以及降水多的湿润天气。6.由于热岛效应的存在,长沙城区年平均气温从本世纪初的17.2℃,猛增到2008年的18.1℃。最近几年来,夏季极端高温达到39.8℃~40.6℃,一年内,日平均气温在30℃以上的天数由85天,气温出现高于35℃的炎热日数有56天,热岛效应造成持续的高温和频繁的热浪冲击,已严重地影响城市居民正常生活和健康。城区热岛效应有利形成城区和郊区的辐合环流,促成了郊区的大气中污染物流向城区,另外,若出现静风或者逆温层存在,污染物不易扩散,被抑制在低空逆温层内,增大了近地面层污染物的浓度,使城区经常遭受各种高浓度污染源的封闭性污染。热岛效应改变了一些植物的习性。长沙城区的一些植物发芽、开花、长叶出现的时间比郊区同种植物药提前3-5天,落叶时间要延迟5-7天。7.夏天热岛效应带来了酷热,增大了制冷能源的消耗,消耗能源的同时,也增大了温室气体的排放量,温室气体的排放又直接加速全球气候变暖,气温进一步上升,反过来加重热岛效应,形成一种恶性循环。8.在炎热的季节,城区内的城市森林较无林的城区地带,舒适天数增加了31.18%,较舒适天数增加38.57%,而稍不舒适天数减少了7.38%,稍闷热天数减少18.24%,闷热天气减少53.71%。城市森林缓解城市热岛效应的作用是巨大的。9.不同类型的绿地降低城市热岛效应的效果不一样,降温效果和增湿效应表现出乔木林>乔灌林>灌丛>草地。乔木林、乔灌林、灌丛和草地的温度变化指数分别为7.32、6.59、5.33和4.10,湿度变化指数依次是16.87、13.23、9.42、7.61。绿地面积、形状不同,林分的郁闭度和树种不同,它们削减热岛效应的效果不一样。10.随着天气的不同,城市绿地系统降温的效果不一样,降温的效果晴天>阴天>雨天。绿地系统降温的日变化(白天)规律是,降温作用最大的时段是日出以后不久,上午降温作用逐渐下降,到午后14:00时左右,降温作用最小,下午到日落前,降温作用又逐渐回升。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 国内外研究动态

1.1.1 国外研究动态

1.1.2 国内研究动态

1.2 热岛效应形成的原因

1.2.1 城市下垫面性质改变

1.2.2 人为热和大气污染

1.2.3 城市规模、形状和人口

1.2.4 其他因素

1.3 热岛效应的时空特征

1.3.1 热岛强度随时间变化

1.3.2 城市热岛强度随空间的变化

1.4 热岛效应的生态环境效应及其危害

1.4.1 城市气候特征

1.4.2 城市水文特征

1.4.3 城市大气环境

1.4.4 城市生物习性

1.4.5 城市物质循环

1.4.6 城市能量代谢

1.4.7 城市居民健康

1.5 城市热岛效应的研究方法

1.5.1 根据基础数据来源划分的研究方法

1.5.2 城市热岛效应的研究模型

1.6 城市热岛效应的治理与对策

1.6.1 增加绿化投入,提高城市绿地覆盖率

1.6.2 采用新型的城市规划与设计理念

1.6.3 减少人为热的排放量

1.6.4 保留城区水域面积,增加喷水洒水设施

1.6.5 采用高反射率的地表材料

1.7. 城市绿地与热岛效应的关系

1.7.1 城市热岛分布与城市植被覆盖的关系

1.7.2 城市绿地在水平方向的降温作用

1.7.3 城市绿地在垂直方向上的降温作用

1.7.4 不同类型绿地削减热岛效应的作用

2 长沙市概况

2.1 地理位置和人文概况

2.2 国民经济与社会发展

2.3 气候条件

2.4 能源消耗

2.5 城市环境污染

2.6 城市绿地

2.7 河流与水域

3 研究技术路线和方法

3.1 研究思路

3.2 研究工作流程图

3.3 研究方法

3.3.1 基本资料的收集

3.3.2 利用遥感数据经处理生成长沙市热岛分布图

3.3.3 社会调查和野外实验

3.3.3.1 社会调查

3.3.3.2 野外实验

3.3.4 资料的统计分析和计算

3.3.4.1 热岛强度的计算

3.3.4.2 大气污染物的污染负荷率的计算

3.3.4.3 人居环境舒适度的计算

3.3.4.4 绿色植物蒸腾增湿作用的计算

3.3.4.5 绿地蒸腾的降温功能

3.3.4.6 温度变化指数和湿度变化指数的计算

4 长沙市热岛形成的原因

4.1 城市化进程的加快

4.1.1 长沙市城市发展指数的变化

4.1.2 城市化进程对热岛效应的影响

4.2 人为热的释放

4.3 污染物的排放

4.4 城市下垫面性质的改变

4.5 天气条件的影响

4.6 本章小结

5 长沙市热岛分布规律

5.1 热岛的时间分布特征

5.1.1 热岛强度的年际变化

5.1.2 热岛效应的季节性变化特征

5.1.3 热岛效应的日变化特征

5.2 热岛空间分布规律

5.2.1 热岛的水平分布特征

5.2.2 热岛效应的空间分布

5.3 长沙市热岛的环流特征

5.4 本章小结

6 长沙市热岛效应的危害

6.1 改变长沙市大气环境

6.2 影响长沙城区气候

6.3 加剧大气污染

6.4 影响城市水文特征

6.5 影响居民的身体健康

6.6 增加了能源的消耗

6.7 改变了城市生物习性

6.8 本章小结

7 城市绿地系统缓解热岛效应的作用

7.1 城市绿地系统

7.2 长沙市绿地系统削减热岛效应作用

7.2.1 城市森林改善人居环境的舒适度

7.2.2 城市绿地系统的降温、增湿效应

7.2.2.1 绿地系统的降温作用

7.2.2.2 绿地系统的增湿作用

7.2.2.3 植物蒸腾的降温作用

7.2.3 不同绿地类型缓解热岛效应的作用

7.2.4 不同郁闭度的绿地对热岛效应的影响

7.2.5 不同绿地面积对热岛效应的影响

7.3 本章小结

8 缓解长沙市热岛效应的技术与对策

8.1 构筑统一完整的城市绿地系统体系

8.2 开展垂直绿化,增加城市总绿量

8.3 提高绿地系统质量,增大绿地系统服务功能

8.4 增加城市水面、湿地面积

8.5 其他治理措施

9 结论、创新点和问题与展望

9.1 结论

9.2 创新点

9.3 问题与不足

9.4 研究的发展方向

参考文献

附录(攻读学位期间的主要学术成果)

致谢

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