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Review on studies of anthropogenic heat emission.

人为热计算方法的研究综述


近年来随着全球大都市的快速发展,热岛效应成为城市环境的严峻问题.人类活动日益增加的排热会显著改变城市热环境,从而加剧城市热岛效应的恶化.不同气候区、不同尺度的人为热排放特征不同,因此,其时空变化使人为热的计算变得复杂和不确定.本文通过对国内外人为热的不同计算方法结合实例进行综述,总结了其时空尺度、所需的基础数据及误差来源等,最后讨论了不同方法的优缺点并提出改良方向.建议人为热研究需要首先考虑时空尺度,并据此选择合适的计算方法以保障精度.人为热的计算有助于学者更好地理解研究区的排热状况,并通过合理的城市规划改善人居热环境.

With the rapid development of metropolises worldwide, the urban heat island (UHI) effect is becoming a serious environmental problem in recent years. The rapidly increasing anthropogenic heat (AH) from human activities has more significant impacts on urban microclimate which aggravates the UHI effect. The characteristics of AH emissions at different scales may vary according to different natural backgrounds. Therefore, the calculation of AH is complicated and uncertain due to the temporal and spatial variation. This review presented different methods of AH calculation according to specific case studies at home and abroad. We summarized the scales of different methods and required data set as well as the certainty of error sources. Last we discussed the advantages, limitations, and potential improvements for different approaches. By the review, we suggested that the AH research should first choose a reasonable calculation method based on spatial and temporal scales to guarantee the accuracy. The calculation of AH could provide useful information to better understand the AH emissions of specific areas, which bring more potentials to improve the living environment through rational urban planning.


全 文 :人 为 热 计 算 方 法 的 研 究 综 述
王业宁1,2  孙然好1∗  陈利顶1
( 1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2 中国科学院大学, 北京 100049)
摘  要  近年来随着全球大都市的快速发展,热岛效应成为城市环境的严峻问题.人类活动
日益增加的排热会显著改变城市热环境,从而加剧城市热岛效应的恶化.不同气候区、不同尺
度的人为热排放特征不同,因此,其时空变化使人为热的计算变得复杂和不确定.本文通过对
国内外人为热的不同计算方法结合实例进行综述,总结了其时空尺度、所需的基础数据及误
差来源等,最后讨论了不同方法的优缺点并提出改良方向.建议人为热研究需要首先考虑时
空尺度,并据此选择合适的计算方法以保障精度.人为热的计算有助于学者更好地理解研究
区的排热状况,并通过合理的城市规划改善人居热环境.
关键词  热岛效应; 能量平衡方程; 时空尺度
Review on studies of anthropogenic heat emission. WANG Ye⁃ning1,2, SUN Ran⁃hao1∗, CHEN
Li⁃ding1 ( 1State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco⁃Environ⁃
mental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 2University of Chinese Aca⁃
deny of Sciences, Beijing 100049, China) .
Abstract: With the rapid development of metropolises worldwide, the urban heat island (UHI)
effect is becoming a serious environmental problem in recent years. The rapidly increasing anthropo⁃
genic heat (AH) from human activities has more significant impacts on urban microclimate which
aggravates the UHI effect. The characteristics of AH emissions at different scales may vary according
to different natural backgrounds. Therefore, the calculation of AH is complicated and uncertain due
to the temporal and spatial variation. This review presented different methods of AH calculation ac⁃
cording to specific case studies at home and abroad. We summarized the scales of different methods
and required data set as well as the certainty of error sources. Last we discussed the advantages,
limitations, and potential improvements for different approaches. By the review, we suggested that
the AH research should first choose a reasonable calculation method based on spatial and temporal
scales to guarantee the accuracy. The calculation of AH could provide useful information to better
understand the AH emissions of specific areas, which bring more potentials to improve the living en⁃
vironment through rational urban planning.
Key words: heat island effect; energy balance function; spatiotemporal scale.
本文由国家自然科学基金项目(41471150,41230633)资助 This work
was supported by the National Natural Science Foundation of China
(41471150, 41230633).
2015⁃10⁃10 Received, 2016⁃03⁃07 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: rhsun@ rcees.ac.cn
    随着我国经济的快速发展,城市人口急剧增加,
人类生产生活不断释放的热量加剧了城市热岛的恶
化[1-2] .人为热排放主要包括工业能源消费产生的热
量、交通道路车辆废热、居民生活排热及人类自身新
陈代谢的热量. Torrance 等[3]最早关注城市人为热
排放及其对气候的影响,随后,许多学者投入到人为
热的研究中,对城市或区域的人为热排放进行估算
并模拟其对热环境的影响等.
关于人为热的研究主要包括不同地区的计算方
法、对气候环境的影响及相应的对策等,其中人为热
的计算是后续研究的必要步骤.人为热排放随着研
究区范围、背景气候、时空尺度不同而变化[4],针对
特定的区域,需选择适用的方法.人为热的精确计算
对资源循环、局部热环境及相关污染情况的调查至
关重要,因此把握计算方法对其研究有重要意义.而
不同地区的人为热研究对类似区域特别是数据缺乏
的地区具有借鉴意义.为此,本文对不同研究区人为
排热的计算方法结合实例进行综述,以期为学者研
应 用 生 态 学 报  2016年 6月  第 27卷  第 6期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 2024-2030                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201606.007
究人为热提供适用的计算方法.
1  人为热的计算方法
国内外学者已对不同尺度的人为热开展了大量
研究,并建立了不同精度的空间分布和时间演变清
单.目前,研究者均假设人类活动产生的热量即时排
入大气且通常为显热形式[5],在计算方法上主要分
为 3类:源清单法、地表能量平衡方程法、建筑模型
模拟法.源清单法通过将能源消费数据直接转换为
热通量,从而得到人为热的时空分布;地表能量平衡
方程法是通过测量或估算净辐射量、水平传导量、地
下储热量等,利用能量守恒原理间接计算人为热;建
筑模型模拟法则是利用能耗模型得出不同类型建筑
的人为排热,继而上推至研究区.这 3 种方法各有优
缺点,不同尺度上的人为热需慎重选择计算方法.
1􀆰 1  源清单法
源清单法是计算不同尺度人为热最常用的方
法,通常具粗糙的时间和空间分辨率.基于能耗数据
通过一定假设将其热值分配至不同尺度的研究区,
通常将年排放数据细化为月变化或日变化系数,反
映该区域人为热的时空特征.一般按热源不同分为
人体新陈代谢(QM)、工业(QI)、交通运输(QV)、建
筑排热(QB)4部分,总人为热(QF)计算公式为:
QF =QM+QI+QV+QB
通常,QM 占 QF 极少,而 QI 在大都市中一般不
存在或计入建筑型排放[6],所以 QF 主要取决于 QV
和 QB .其中,QV 极其复杂[7]难以准确计算,QB 不同
文献中处理方式有所不同,其他通量在方法上较为
一致.
1975年,Torrance等[3]计算人为热并研究其对
城市气候的影响,假定工业排热为常数,交通排热根
据小时车流量信息估算,用经验模型计算建筑排热,
将能耗数据按人口密度分配得到一城市人为热强度
为 83. 7 W· m-2,另一城市夏季排热高达 135
W·m-2 .Klysik[8]用不同区年能耗数据和街道类型
表征人为热的空间异质性,结合每月气温估算日变
化系数,结果表明建成区年均人为热通量为 28. 5
W·m-2,其中,最小值在夏季,为 12 W·m-2,最大
值为冬季的 54 W·m-2,在市中心因工业、居民建筑
排热增强可达 71 W·m-2 .Lee等[9]得到首尔、仁川、
京畿道的人为热通量分别为 55、53、28 W·m-2,且
冬季排热均比夏季高,最高可达 120 W·m-2,其中,
交通和工业排热占 70%.Quah 等[10]研究热带城市
新加坡不同功能区的人为热,发现时均强度最高为
商业区的 113 W·m-2,高、低密度住宅区仅为 17、13
W·m-2,且最大贡献源建筑排热在工作日占 49% ~
82%,非工作日为 46% ~ 81%.Sailor 等[11]对不同热
源基于人口密度提出了针对美国各大城市的简易方
法,并用实例表明,夏季最高人为热为 60 W·m-2,
冬季为 75 W·m-2;Fan 等[2]将其用于费城发现,
冬、夏季最大人为热分别为 60 和 90 W·m-2,其热
量可致夏夜气温升高 0.8 ℃、冬夜达 2.5 ℃,该增温
幅度与文献[12-13]结果相近.佟华等[14]对北京市
区冬季的人为热进行估算,居民排热、车辆废热按建
筑物密度和高度、人口密度进行分配,工业产热假设
为东京的一半,时间演变参考 Ichinose 等[12]建立人
为排热清单,结果表明,崇文门地区晚上和清晨人为
热在 130~ 170 W·m-2,7:00 市中心排热为 100 ~
200 W·m-2,而郊区仅为 50 ~ 60 W·m-2 .王志铭
等[15]得出广州日均人为热为 41.1 W·m-2,最大值
为 72.3 W·m-2(11:00),其中工业占据 68.6%;而
占俊杰等[16]引入能源效率发现,工业和交通排热分
别占 55%、36%,在 11:00 和 14:00 达最大值(28 ~
42 W·m-2),且近 12 年的排热强度呈明显增长趋
势,仅 2006 年因能源效率提高而略有降低.赵炎
等[17]通过调研空调日与非空调日两种情况下一住
宅小区的用电量及天然气,并结合小区外车流量得
到车辆排热日均值为 157 kW,建筑空调排热为 8􀆰 91
W·m-3 .
对于区域或全球尺度上的人为热的估算结果通
常很小,侧面反映了各个国家、城市内部排热的空间
异质性,但该热量对全球气候变化的影响愈发明显,
有模拟研究表明,其对全球变暖的贡献超过了 CO2,
结合联合国发布的人口信息预测 2030 年其排热强
度可达 0.30 W·m-2[18] . Flanner[19]用能耗和 2􀆰 5′×
2.5′的人口数据得到全球人为热通量为 0. 028
W·m-2,而美国和西欧分别为 0.39、0.68 W·m-2,
且 2100情景模拟显示年增温可达 0.4 ~ 0.9 K.陈兵
等[20]研究了近 30 年中国人口、能源消费状况与人
为热释放的气候强迫的关系,表明我国平均人为热
从 1978年的 0.07 W·m-2急剧增至 2008 年的 0.28
W·m-2,且呈典型地域分布.
上述研究的计算方法存在一定差异,但均是利
用人口密度进行核算排热强度.有学者认为,仅用人
口估算的精度较低且空间分布不合理,而引入土地
利用数据可提高分辨率.Kimura 等[21]引入 2 km×2
km的土地利用数据发现,东京的人为热强度可达
100 W·m-2,最高为 870 W·m-2,且夏季人为热使
52026期                                  王业宁等: 人为热计算方法的研究综述         
白天增温 1 ℃,夜间增温达 2 ~ 3 ℃;Ichinose 等[12]
引入更详细的建筑类型,结合 25 m×25 m 土地利用
数据表明,市中心白天的小时排热值超过 400
W·m-2,冬季早晨因宾馆等高热水供应的排热可达
1590 W·m-2,而郊外住宅区仅 30 W·m-2,其对气
温增幅与 Kimura 等[21]的结果相近. Hamilton 等[22]
用 1 km×1 km 的土地利用数据得出伦敦年均人为
热为 9 W·m-2,冬季其建筑排热量为入射太阳辐射
的 3~25倍,而夏季仅为 0.04 ~ 0.4 倍,该比值受建
筑密度影响.
有学者如 Narumi等[23]利用空气污染物数据库
间接计算人为排热,Lee 等[24-25]通过理论分析并用
统计学方法得出 NOx、CO 等污染物与排热量的关
系,利用已有数据库对美国大多城市的人为热进行
估算,结果与之前研究[9]相比差异较小.该计算模式
可简易应用于后续的机理或模拟研究.
    源清单法常用的基础数据和处理方式见表 1,
该法有两处明显不足:1)假设能耗等于排热,没有
滞后时间,且通常不能区分显热和潜热组分;2)一
般时空分辨率较低,同时统计数据中的能耗情况并
不适用于热岛面积,因为行政区往往大于实际的城
镇地区.
1􀆰 2  能量平衡方程法
能量平衡方程法是通过测量或估算单位体积内
净辐射量、水平传导量、地下储热量等输入输出量,
利用能量守恒得出人为热,忽略研究区内的能量损
耗.因各组分通量均有实验或计算误差,此法估算人
为热的研究较少.Offerle 等[26]利用罗兹的地表温度
并测量上述各通量得到,冬季人为热为 32 W·m-2,
而夏季却出现负值(-3 W·m-2).Pigeon 等[27]用能
量平衡方程和源清单法同时对图卢兹的人为热进行
计算,前者用于市中心,后者用于城市范围.对两结
表 1  源清单法所需的基本数据
Table 1  Basic data required for inventory approach
热源
Heat source
所需数据
Data
分配原则
Distribution
principle
人类新陈代谢
Human metabolism
人口数据,各类活动的代
谢率
人口密度
工业
Industry
各类行业煤、油、气、电、
热等能耗
工业点
交通
Transportation
道路长度与宽度、机动车
保有量、年均里程、燃烧
效率与热值等
车流量
建筑
Building
气温数据、电力数据、天
然气、GDP 经济数据、人
口数据等
建筑高度
与密度
果对比发现,冬季人为热较吻合(70 W·m-2),而夏
季则相差较大,前者在点位 500 m 半径范围内强度
为 15 W·m-2,后者为 30 W·m-2 .
因实验仪器成本高且应用范围较小,难以推广
至大尺度研究区,后来有学者利用遥感影像通过不
同算法逆推人为热通量.Kato 等[28]利用 ASTER 和
ETM+遥感及气象数据对名古屋人为热分显热、潜热
进行估算,结果显示,夏季的人为显热在市中心超过
100 W·m-2,而秋季低于夏、冬季,且同该地区的能
耗变化相吻合.Zhou等[29]得出印第安纳波利斯典型
夏季日的人为热强度为 32 W·m-2,高密度商业区
Center排热最大,达 78 W·m-2,Franklin 郊区则最
低.肖捷颖等[30]估算石家庄市区人为热强度在 20 ~
100 W·m-2,郊区小于 20 W·m-2,市中心则可超过
100 W·m-2,高密度不透水面排热均值为 41. 3
W·m-2 .Wong 等[31]利用 HJ⁃1B 卫星数据对香港
2012年 10月和 2013 年 1 月的人为热进行估算,结
果表明,其平均人为热为 289.16 W·m-2(10 月)、
283.17 W·m-2(1月),商业区达 500~600 W·m-2,
且其排热强度与建筑密度(R2 > 0. 9)、高度(R2 ≈
0.6)的相关性较强.朱婷媛[32]基于 Landsat 影像估
算 1991、2000 和 2010 年杭州的最大人为热分别为
83.63、147.68、287.17 W·m-2,年均值分别为 18.76、
27.5、125.66 W·m-2,且其在空间上明显扩张,尤其
是拱墅区、江干区、滨江区,城市人为热对地表有增
温作用,且其通量与人口密度、GDP、不透水面比率
呈正相关关系.
由上述研究可知,利用遥感影像和气象数据推
广计算大范围的人为热,精确度取决于基础数据的
分辨率和算法,结果可与源清单法对比验证.
1􀆰 3  建筑模型模拟法
建筑排热一般占据比重较大,目前已有不少能
耗模型用于估算其排热量,基本原理是根据室外气
象条件、围护结构情况,利用动态传热过程计算室内
假定温度下的能量得失情况,反映其建筑冷热负荷,
以表征排热强度.通常需输入气象因素、建筑结构、
围护结构材料、供暖空调方式与系统布置形式、室内
人员活动规律等,数值模拟研究已取得较多成果.
Dhakal 等[33]用 DOE⁃2 计算东京夏季典型办
公、商业和居民建筑的排热量,结果表明,在丸之内、
新宿和池袋集中了商业、行政区,其人为热强度最
高,如新宿在 18:00 可达 677 W·m-2;热源贡献率
在白天以办公建筑最高,夜晚以商业建筑为主,深夜
和早晨则主要为居民建筑.Heiple 等[34]用 eQuest 对
6202                                     应  用  生  态  学  报                                      27卷
德克萨斯休斯敦的商业和居民建筑模拟发现,1.33
km网格下市中心最大排热超过 100 W·m-2,其中
50%~ 80%为显热组分,且建筑排热占人为热的
50%以上.Assimakopoulos 等[35]对雅典 20 个位点用
TRNSYS模拟建筑能耗,同时与 neural network 排热
结果对比,发现两者对冷负荷的模拟较为吻合.Zhou
等[29]用 eQuest 模型表明,其建筑排热为 0 ~ 85
W·m-2,均值为 5.5 W·m-2,最大能耗值为市中心
如 Center可达 36 W·m-2,同能量平衡方程结果对
比发现,人为热与建筑能耗的关系随尺度不同而变
化.Hsieh 等[36]针对 10 类典型建筑通过 EnergyPlus
软件计算建筑排热,利用 GIS 得出台北市大安区空
调排热的空间分布图,发现夏季居民建筑排热强度
仅为商业建筑的 17. 6%,且前者最强排热时间在
21:01—24:00,后者在 09:01—15:00. Nie 等[37]用
DeST模型模拟清华园区不同类型建筑的冷热负荷,
得出夏季最大排热为 220.0 W·m-2(19:00),冬季
为 221.0 W·m-2(6:00).该区的建筑排热占人为热
的比例高达 97.4%,且具明显的日变化与季节周期.
Chow等[38]对菲尼克斯的研究表明,夏季日均排热
通量为 13 W·m-2,其商业或工业区在午后达到最
高(50 W·m-2),且人为热的时空特征会影响到热
岛效应尤其在傍晚时的变化.
建筑模型模拟法在小尺度上计算人为热是较精
确的,而上推至大面积的研究区时,在无数据库或其
他辅助资料时可能会产生较大误差.该法的关键因
素在于选取典型建筑.
2  计算方法的对比
不同方法在不同研究区的应用及结论见表 2.上
表 2  不同方法计算人为热的结论汇总
Table 2  Chronological summaries about estimating AH with different methods
年份
Year
地区
Areas
尺度
Scale
方法
Method
结论
Results (W·m-2)
文献
Reference
1975 伊萨卡 Ithaca 城市 源清单法 83.7,135(夏) [3]
1991 东京 Tokyo 城市 源清单法 870(最大值) [21]
1996 罗兹 Ł􀆩dż 城市、街区 源清单法 28.5(年均值),12(7月)、54(1月);中心区 71(1
月)、18(7月)
[8]
1999 东京 Tokyo 城市 源清单法 中心区>400(昼);冬季最大值 1590(夜)、郊区
30(夜)
[12]
2002 东京 Tokyo 城市 建筑模型 DOE⁃2 677(18:00最大值) [33]
2003 美国 6个城市 6 US cities 城市 源清单法 最大值 60(夏)、75(冬) [11]
2004 北京 Beijing 城市 源清单法 130~170(崇文门),100~ 200(市区)、50 ~ 60(郊
区) [14]
2004 费城 Philadelphia 城市 源清单法 60(夏),90(冬) [2]
2006 罗兹 Ł􀆩dż 城市 能量平衡方程 32(冬),-3(夏) [26]
2007 台北 Taipei 区块 建筑模型 EnergyPlus 21:01—24:00 最大(居民区),09:01—15:00 最
大(商业区)
[36]
2007 图卢兹 Toulouse 区块 源清单法、能量平衡方程 70(冬),15(夏) \70(冬),30(夏) [27]
2008 休斯敦 Houston 多尺度 源清单法、建筑模型 eQuest >100(市中心区) [34]
2008 重庆 Chongqing 街区 源清单法 夏季建筑排热 8.91(W·m-3) [17]
2009 伦敦 London 城市 源清单法 9 [22]
2009 京仁 Gyeong⁃In 城市 源清单法 55(首尔)、53(仁川)、28(京畿道) [25]
2009 全球 World 全球 源清单法 0.028(全球)、0.39(美国)、0.68(西欧) [19]
2010 全球 World 全球 源清单法 0.031(2008)、0.30(2030) [18]
2011 印第安纳波利斯
Indianapolis
多尺度 RS⁃能量平衡方程、eQuest
模型
32(平均值)、78(中心区) [29]
2011 广州 Guangzhou 省 源清单法、WRF / UCM模型 41.1(平均值)、72.3(11:00最大值) [15]
2012 新加坡 Singapore 城市 源清单法 商业区 113,高、低密度住宅区 17、13 [10]
2013 石家庄 Shijiazhuang 城市 RS⁃能量平衡方程 41.3(高密度不透水面区) [30]
2013 广州 Guangzhou 城市 源清单法 28~42 [16]
2013 香港 Hong Kong 城市 RS⁃能量平衡方程 289.16(10 月)、283. 17( 1 月),500 ~ 600(商业
区)
[31]
2014 北京 Beijing 街区 建筑模型 DeST 220(夏),221(冬) [37]
2014 菲尼克斯 Phoenix 多尺度 源清单法、能量平衡、建筑
模型 WRF⁃BEM+BEP
13(夏季日均),50(商业、工业区) [38]
2015 中国 China 区域、城市 源清单法 0.5~20(东部),0~0.05(西部),20~100(城镇) [6]
2015 杭州 Hangzhou 城市 RS⁃能量平衡方程 18.76(1991)、27.5(2000)、125.66(2010) [32]
72026期                                  王业宁等: 人为热计算方法的研究综述         
述 3种方法各有利弊.源清单法简单易行,一般利用
人口、用电量、燃气量、车流量等估算不同热源的排
热量,但车辆排热复杂且精细的数据难以获取,故一
般时空精度较低,且无法识别显热和潜热通量.能量
平衡方程法是通过实验定点测量或利用遥感影像估
算各组分通量后反推人为热,前者受仪器及地形等
限制难以应用于大范围研究区,后者则弥补这一缺
陷,但同样受算法及数据分辨率限制.建筑模型模拟
法可较精确地计算单栋建筑的排热及时间演变系
数,但道路排热尚无有效模型,同时结果精度受其输
入数据尺度和维度的制约,通常在小尺度上应用.故
需进一步发展多尺度多方法耦合研究[27,29,34,38],以
便不同地区对比验证.
    上述研究涵盖街区尺度、城市及区域尺度、全球
尺度,其中,全球或小区的人为热估算较少,而城市、
区域水平上最多[39],研究对象遍布世界各地,而欧
美[11,39]、日韩[9,12]等更为广泛且已初步建立数据库
及排热清单.实际上,针对不同热源处理方式的差异
必然会导致结论的不同,而研究区社会发展的差异
增加了相关文献横向对比的难度.通常假设热量最
终全部以显热形式排放,然后以一定原则如按人口
密度[11,40]、DMSP / OLS数据[41]、气象数据[42]等进行
分配,得到精细的人为热排放特征,相似方法得出的
结论主要取决于城市规模及能耗情况[11,20,43] .国内
外研究对不同热源的计算方式不同,其中,人体新陈
代谢和工业点排放基本有类似的分配模式,而交通
车辆排热则多利用主要道路上车流量[10,16]、建筑密
度与高度[14]、空气污染物特征[23]来表征;其分布的
范围也有所差异,大多文献将其分配至整个研究区,
也有学者仅将其平均至道路面积[37,44] .车辆排热对
热环境的影响范围具体有多远仍需进一步探讨.建
筑排热受地理位置、建筑结构与内外扰的影响很大,
一般利用建筑类型、密度或土地利用数据[21-22]进行
空间分配,甚至相同地区同一方法所得结论可能相
差很大[12,21] .对于模型模拟法,在大范围内因建筑排
热复杂多变,增加了其不确定性,而车辆排热又无可
行的模型适用[45],所以学者常将其单独应用于建筑
空调排热的研究[34,36] .
3  研究展望
不同地区的人为热研究须首先估算其排热强
度,不同学者所得的结论如下:1)大尺度如全球的
人为热分布较分散,平均强度较低(0.03 W·m-2),
而小尺度如市中心的热源集中,排热相应很高(200
W·m-2).不同研究区的人为热随人口密度、建筑密
度和交通量变化具有明显的空间异质性.对于城市
尺度,人为热在空间上通常为辐射状分布,与热岛强
度相一致,市中心及商业区或高密度住宅区的排热
强度非常高(1590 W·m-2),而郊区及低密度住宅
区则较低(30 W·m-2).2)大尺度上的人为热的地
理位置对排热强度有决定因素.纬度较低地区的平
均温度高,空调制冷能耗大,人为排热多集中在夏
季;中高纬度地区的冬季采暖能耗一般比夏季制冷
多,致使排热强度冬季最高.3)人为热受气候环境和
季节影响最明显,不同地区不同热源的排热时间演
变有所不同:因人体新陈代谢和工业排热变化幅度
小,占据比重最多的交通车辆和建筑排热使得总人
为热日变化具有明显的早晚“双峰”现象.而商业金
融及行政办公区工作时段是人为排热高峰期;居民
住宅区排热高峰则出现在夜晚、黎明时.
对于小尺度研究因数据方便收集,可同时用上
述 3种方法进行对比分析,大尺度则适宜用源清单
法,中尺度计算人为热常用源清单法和能量平衡方
程法.在数据库不足时,用地表能量平衡⁃遥感影像
法可估算从街区到区域尺度的各组分通量.这种融
合遥感、气象数据的方法可得出高空间分辨率且瞬
时的人为热特征,同时,数据的易获取性便于研究其
在时空上的变化,虽各组分的计算会增加不确定性,
但可结合源清单法减小误差.在具体地区的人为热
研究时,首先需根据时空尺度选择合理的计算方法,
然后针对性地提高精度,以便进一步开展研究.
人为热的计算主要包括交通车辆和建筑排热两
部分.前者通常根据车流量或建筑密度等进行分配,
但均难以表征完整真实的时空特征,需引入能实时
描述车辆真实变化的指标如交通指数以提高时空分
辨率;建筑排热可用 EnergyPlus、DeST 等能耗模型
进行计算,但尚未建立完备的建筑类型数据库,使得
其工作量和误差均会大幅增加,需结合我国如北京
市地理国情普查资料和小气候监测数据进行研究;
识别其排热中显热、潜热组分对热能循环应用有实
际意义;排热强度对局地温度的影响范围是亟待解
决的难题,尤其是市中心高层建筑垂直向的热量分
布特征.不同气候带的人为热研究很多,但方法各
异,不宜直接对比,多尺度多方法耦合研究仍需进一
步发展.利用空气污染数据库给今后的研究提供了
新思路,遥感技术的发展和算法的完善对人为热的
研究非常有帮助,且能量平衡方程法得到的结论可
直接与地表温度相关联,对人为热机理解释及其与
8202                                     应  用  生  态  学  报                                      27卷
热岛效应的关系研究有重要意义.
针对我国特有的社会经济发展模式,由于行政
区划和历史原因,各城市统计数据标准不同,对具体
研究区需对数据进行校正,而目前国内地理数据库
并不完善,学者在研究中多根据国外已有结论或选
择性调研获取基础资料.另外,必须考虑国家政策如
北京地区通州副中心的建设,以后超大城市的发展
趋势是多中心而非辐射状模式,其人为热时空特征
也会随之变化.目前首要的问题是基础数据库的建
立与完善,其次是统一计算方法与标准化流程,然后
构建参数模型,以便更简易地估算各组分通量,最后
得到不同尺度的人为热,以应用于气候环境的后续
研究.
参考文献
[1]  Jiang W⁃M (蒋维楣), Chen Y (陈  燕). The impact
of anthropogenic heat on urban boundary layer structure.
Chinese Journal of Atmospheric Sciences (大气科学),
2007, 31(1): 37-47 (in Chinese)
[2]  Fan H, Sailor DJ. Modeling the impacts of anthropogenic
heating on the urban climate of Philadelphia: A compa⁃
rison of implementations in two PBL schemes. Atmosphe⁃
ric Environment, 2005, 39: 73-84
[3]  Torrance KE, Shun JSW. Time⁃varying energy consump⁃
tion as a factor in urban climate. Atmospheric Environ⁃
ment, 1976, 10: 329-337
[4]  Sailor DJ. A review of methods for estimating anthropo⁃
genic heat and moisture emissions in the urban environ⁃
ment. International Journal of Climatology, 2011, 31:
189-199
[5]  Ryo M, Manabu K, Hiroshi S, et al. Anthropogenic wa⁃
ter vapor emissions in Tokyo. Water Resources Research,
2008, 44: 150-176
[6]  Lu Y, Wang Q, Zhang Y, et al. An estimate of anthro⁃
pogenic heat emissions in China. International Journal of
Climatology, 2016, 36: 1134-1142
[7]   Wagner M, Viswanathan V, Pelzer D, et al. Cellular
automata⁃based anthropogenic heat simulation. Procedia
Computer Science, 2015, 51: 2107-2116
[8]   Klysik K. Spatial and seasonal distribution of anthropo⁃
genic heat emission in Lodz, Poland. Atmospheric Envi⁃
ronment, 1996, 30: 3397-3404
[9]  Lee SH, Song CK, Baik JJ, et al. Estimation of anthro⁃
pogenic heat emission in the Gyeong in region of Korea.
Theoretical and Applied Climatology, 2009, 96: 291 -
303
[10]  Quah AKL, Roth M. Diurnal and weekly variation of an⁃
thropogenic heat emissions in a tropical city, Singapore.
Atmospheric Environment, 2012, 46: 92-103
[11]  Sailor DJ, Lu L. A top⁃down methodology for developing
diurnal and seasonal anthropogenic heating profiles for
urban areas. Atmospheric Environment, 2004, 38: 2737-
2748
[12]  Ichinose T, Shimodozono K, Hanaki K. Impact of an⁃
thropogenic heat on urban climate in Tokyo. Atmospheric
Environment, 1999, 33: 3897-3909
[13]  Kondo H, Kikegawa Y. Temperature variation in the ur⁃
ban canopy with anthropogenic energy use. Pure & Ap⁃
plied Geophysics, 2003, 160: 317-324
[14]  Tong H (佟  华), Liu H⁃Z (刘辉志), Sang J⁃G (桑
建国), et al. The impact of urban anthropogenic heat on
Beijing heat environment. Climatic & Environmental Re⁃
search (气候与环境研究), 2004, 9(3): 409 - 421
(in Chinese)
[15]  Wang Z⁃M (王志铭), Wang X⁃M (王雪梅). Estima⁃
tion and sensitivity test of anthropogenic heat flux in
Guangzhou. Journal of Applied Meteorological Science
(应用气象学报), 2011, 31(4): 422-430 ( in Chi⁃
nese)
[16]  Zhan J⁃J (占俊杰), Dan L (丹  利). Diurnal and an⁃
nual variation of anthropogenic heat estimation in Guang⁃
zhou City, China. Climatic & Environmental Research
(气候与环境研究), 2014, 19(6): 726-734 (in Chi⁃
nese)
[17]  Zhao Y (赵  炎), Lu J (卢   军). The investigation
of anthropogenic heat emission of building group. Refri⁃
geration & Air Conditioning (制冷与空调), 2011, 25
(suppl.): 239-244 (in Chinese)
[18]  Shi GY, Dai T, Tan SC, et al. Preliminary estimate of
the global average annual climate forcing resulted from
anthropogenic heat release. Advances in Climate Change
Research, 2010, 6: 119-122
[19]  Flanner MG. Integrating anthropogenic heat flux with
global climate models. Geophysical Research Letters,
2009, 36: 270-274
[20]  Chen B (陈  兵), Shi G⁃Y (石广玉), Dai T (戴 
铁), et al. Climate forcing due to anthropogenic heat re⁃
lease over China. Climatic & Environmental Research
(气候与环境研究), 2011, 16(6): 717-722 (in Chi⁃
nese)
[21]  Kimura F, Takahashi S. The effects of land⁃use and an⁃
thropogenic heating on the surface temperature in the To⁃
kyo Metropolitan area: A numerical experiment. Atmos⁃
pheric Environment, 1991, 25: 155-164
[22]  Hamilton IG, Davies M, Steadman P, et al. The signifi⁃
cance of the anthropogenic heat emissions of London’ s
buildings a comparison against captured shortwave solar
radiation. Building and Environment, 2009, 44: 807-
817
[23]  Narumi D, Kondo A, Shimoda Y. The effect of the in⁃
crease in urban temperature on the concentration of pho⁃
tochemical oxidants. Atmospheric Environment, 2009,
43: 2348-2359
[24]  Lee SH, Mckeen SA, Sailor DJ. A regression approach
for estimation of anthropogenic heat flux based on a bot⁃
tom⁃up air pollutant emission database. Atmospheric En⁃
vironment, 2014, 95: 629-633
[25]  Lee SH, Kim ST. Estimation of anthropogenic heat emis⁃
sion over South Korea using a statistical regression me⁃
thod. Asia⁃Pacific Journal of Atmospheric Sciences,
92026期                                  王业宁等: 人为热计算方法的研究综述         
2015, 51: 1-10
[26]  Offerle B, Grimmond CSB, Fortuniak K. Heat storage
and anthropogenic heat flux in relation to the energy ba⁃
lance of a central European city centre. International
Journal of Climatology, 2005, 25: 1405-1419
[27]  Pigeon G, Legain D, Durand P, et al. Anthropogenic
heat release in an old European agglomeration ( Tou⁃
louse, France). International Journal of Climatology,
2007, 27: 1969-1981
[28]  Kato S, Yamaguchi Y. Analysis of urban heat⁃island
effect using ASTER and ETM+ data separation of anthro⁃
pogenic heat discharge and natural heat radiation from
sensible heat flux. Remote Sensing of Environment,
2005, 99: 44-54
[29]  Zhou Y, Weng Q, Gurney KR, et al. Estimation of the
relationship between remotely sensed anthropogenic heat
discharge and building energy use. ISPRS Journal of
Photogrammetry and Remote Sensing, 2012, 67: 65-72
[30]  Xiao J⁃Y (肖捷颖), Zhang Q (张  倩), Wang Y (王
燕), et al. Urban surface heat flux analysis based on re⁃
mote sensing: A case study of Shijiazhuang City. Scien⁃
tia Geographica Sinica (地理科学), 2014, 34 ( 3):
338-343 (in Chinese)
[31]  Wong MS, Yang J, Nichol J, et al. Modeling of anthro⁃
pogenic heat flux using HJ⁃1B Chinese small satellite
image: A study of heterogeneous urbanized areas in
Hong Kong. IEEE Geoscience & Remote Sensing Letters,
2015, 12: 1466-1470
[32]  Zhu T⁃Y (朱婷媛). Reasearch on Quantitative Estima⁃
tion of Anthropogenic Heat in Hangzhou based on Land⁃
sat Remote Sensing Data. Master Thesis. Hangzhou:
Zhejiang University, 2015 (in Chinese)
[33]  Dhakal S, Hanaki K. Improvement of urban thermal en⁃
vironment by managing heat discharge sources and sur⁃
face modification in Tokyo. Energy and Buildings,
2002, 34: 13-23
[34]  Heiple S, Sailor DJ. Using building energy simulation
and geospatial modeling techniques to determine high
resolution building sector energy consumption profiles.
Energy and Buildings, 2008, 40: 1426-1436
[35]  Assimakopoulos MN, Mihalakakou G, Flocas HA. Simu⁃
lating the thermal behaviour of a building during summer
period in the urban environment. Renewable Energy,
2007, 32: 1805-1816
[36]  Hsieh CM, Aramaki T, Hanaki K. Estimation of heat re⁃
jection based on the air conditioner use time and its miti⁃
gation from buildings in Taipei City. Building and Envi⁃
ronment, 2007, 42: 3125-3137
[37]  Nie WS, Sun T, Ni GH. Spatiotemporal characteristics
of anthropogenic heat in an urban environment: A case
study of Tsinghua Campus. Building and Environment,
2014, 82: 675-686
[38]  Chow WTL, Salamanca F, Georgescu M, et al. A multi⁃
method and multi⁃scale approach for estimating city⁃wide
anthropogenic heat fluxes. Atmospheric Environment,
2014, 99: 64-76
[39]  Lindberg F, Grimmond CSB, Yogeswaran N, et al. Im⁃
pact of city changes and weather on anthropogenic heat
flux in Europe 1995 - 2015. Urban Climate, 2013, 4:
1-15
[40]  Belova I, Ginzburg A. Anthropogenic heat fluxes over
Moscow agglomeration and other Russian and world
cities. Geophysical Research Abstracts, 2010, 12:
EGU2010-7262
[41]  Chen B (陈  兵), Shi G⁃Y (石广玉), Wang B (王
标), et al. Estimation of the anthropogenic heat release
distribution in China from 1992 to 2009. Acta Meteorlo⁃
gica Sinica (气象学报), 2012(4): 507-515 (in Chi⁃
nese)
[42]  Sailor DJ, Vasireddy C. Correcting aggregate energy
consumption data to account for variability in local
weather. Environmental Modelling & Software, 2006,
21: 733-738
[43]  Niu Q, Nie CQ, Lin F, et al. Model study of relation⁃
ship between local temperature and artificial heat re⁃
lease. Science China, 2012, 55: 821-830
[44]   Iamarino M, Beevers S, Grimmond CSB. High⁃resolu⁃
tion (space, time) anthropogenic heat emissions: Lon⁃
don 1970- 2025. International Journal of Climatology,
2012, 32: 1754-1767
[45]   Smit R, Brown AL, Chan YC. Do air pollution emis⁃
sions and fuel consumption models for roadways include
the effects of congestion in the roadway traffic flow? En⁃
vironmental Modelling & Software, 2008, 23: 1262 -
1270
作者简介  王业宁,男,1990年生,硕士研究生. 主要从事城
市人为热排放研究. E⁃mail: wangyening0@ 163.com
责任编辑  杨  弘
王业宁, 孙然好, 陈利顶. 人为热计算方法的研究综述. 应用生态学报, 2016, 27(6): 2024-2030
Wang Y⁃N, Sun R⁃H, Chen L⁃D. Review on studies of anthropogenic heat emission. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27
(6): 2024-2030 (in Chinese)
0302                                     应  用  生  态  学  报                                      27卷