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Heat island effect and human body comfortable degree in Zhengzhou city

郑州市热岛效应研究与人体舒适度评价



全 文 :郑州市热岛效应研究与人体舒适度评价 3
郑敬刚1  张景光1   李 有2 3 3
(1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙坡头沙漠试验研究站 ,兰州 730000 ;2 河南农业大学环境系 ,郑州 450002)
【摘要】 采用网格式布点法设置观测点 ,监测导致郑州市热岛效应的关键因子 ,揭示了郑州市热岛效应的
日变化、季节变化与空间分布状况 ,并对不同类型的绿化区域进行了人体舒适度评价. 结果表明 ,郑州市热
岛效应的日变化大体上呈单峰型 ;不同季节的热岛效应强度相差很大 ,热岛强度的强弱顺序为 :冬季 > 春
季 > 秋季 > 夏季 ;热岛中心的空间分布与其附近有无工业热源密切相关. 就人体舒适度而言 ,以乔木绿化
为主的人民公园的舒适度最好 ;而以草坪绿化为主的西流湖公园 ,其改善小气候的能力较乔木为差 ;火车
站广场由于其空间开阔 ,空气流动性强 ,故最舒适的频率也有 16 %.
关键词  郑州市  热岛效应  舒适度  热岛强度
文章编号  1001 - 9332 (2005) 10 - 1838 - 05  中图分类号  X16  文献标识码  A
Heat island effect and human body comfortable degree in Zhengzhou city. ZHEN G Jinggang1 , ZHAN G Jing2
guang1 ,L I You2 ( 1 S hapotou Desert Research & Ex periment S tation , Cold and A rid Regions Envi ronmental
and Engineering Institute , Chinese Academy of Scienses , L anz hou 730000 , China ;2 Envi ronmental Depart ment
of Henan A gricultural U niversity , Zhengz hou 450002 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (10) :1838~
1842.
In this paper ,the key factors of heat island effect in Zhengzhou city were monitored by grid method to study the
diurnal and seasonal changes and the spatial distribution of the effect ,and to evaluate the comfortable degree of
human bodies at different sites of the city. The results showed that on the whole ,the heat island effect had a uni2
modal diurnal change ,while its intensity was distinctly different among seasons ,being decreased in order of win2
ter > spring > autumn > summer. The spatial distribution of heat island center was significantly related to its near2
by industrial heat resources. As for the comfortable degree of human bodies ,the People’s Park was the best site
because of its arbor virescence ,while in the Xiliu Lake Park with lawn as its main greening type ,its capability of
improving microclimate was weaker. The railway station square still had 16 % frequency of most comfortable de2
gree ,because of its open space and better air fluidity.
Key words  Zhengzhou city , Heat island effect ,Heat island intensity , Comfortable degree.3 国家自然科学基金项目 (40401004) 和河南省科技攻关资助项目
(30400200) .3 3 通讯联系人.
2004 - 10 - 28 收稿 ,2005 - 03 - 22 接受.
1  引   言
由于城市规模的不断发展 ,人口过于集中 ,人为
热增长迅速 ,城市建筑物猛增 ,城市下垫面的绿化/
硬化比逐年下降等因素 ,城市热岛现象已经从一般
的气象问题变为城市生态条件的重要指标[20 ] . 加之
工业热源和温室气体排放的增多 ,以及调节空气温
度和湿度的水体又日益缩小 ,导致城市热岛效应越
来越显著 ,热岛效应已经演变为城市生态环境的一
大公害. 热岛效应的研究方法主要有四类[10 ] :一是
通过城市和郊区历年气象资料分析来研究城市热岛
效应的动态和现状 ;二是利用遥感卫片、航片资料 ,
通过计算机技术 ,解释热岛效应特征 ;三是通过建立
数学模型 ,进行数学模拟 ;四是通过布点观测. 本项
研究就是通过人工布点 ,对不同区域进行小气候观
测 ,找出郑州市热岛效应的变化规律和分布状况 ,并
对不同区域小气候进行了人体舒适度评价.
2  研究地区与研究方法
211  郑州市概况
郑州市位于河南省中部偏北 ,112°42′~114°14′E ,34°16′
~34°58′N ,北临黄河 ,西依嵩山. 郑州市属暖温带大陆性气
候 ,四季分明 ,年平均气温 1414 ℃,7 月最热 ,平均气温 2713
℃,1 月最冷 ,平均气温 012 ℃,年平均降雨量为 64019 mm ,
无霜期 220 d ,全年日照时间约 2 400 h ,全市总面积 7 44612
km2 ,市区面积 1 01013 km2 ,全市总人口 69717 万人 ,中心城
区人口 322 万.
212  观测仪器
通风干湿表 ,气压表 ,轻便风向风速表等.
213  研究方法
在郑州市交通图上 ,将郑州市 (含城区和近郊) 划分为 7
km ×6 km 的网格 30 个 ,从中选择具有代表性的 24 个网格
应 用 生 态 学 报  2005 年 10 月  第 16 卷  第 10 期                               
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2005 ,16 (10)∶1838~1842
(城区和近郊各 12 个) ,以 1、4、7、10 月分别代表冬、春、夏、
秋四季 ,在 4 个代表月内 ,选择热岛效应明显的晴天为观测
时间. 在各网格中选取全天有日照 (下垫面为水泥硬化路
面) 、全天无日照 (全天均被高大建筑物遮挡 ,下垫面为水泥
硬化路面) 、树阴下 (高大乔木下 ,根部灌溉部分用槽围起 ,观
测点的下垫面为水泥硬化路面) 和植被上 (下垫面为草坪或
低矮灌木) 4 种不同类型观测点 (分别代表 4 种微环境) ,同
时对气温、空气湿度、风向与风速等热岛效应的相关因子进
行观测 ,观测时间为每间隔 2 h 观测一次 ,观测高度为人体
舒适度的响应高度 115 m. 在进行人体舒适度评价时 ,选取
气温、相对湿度和风速作为评价指标 ,采用模糊综合评判
法[6 ] ,对不同绿化类型区域小气候舒适度进行综合评判.
3  结果与分析
311  郑州市热岛效应分析
31111 热岛效应的日变化  通过对观测资料的统计
分析 ,绘制了郑州市春、夏、秋、冬四季热岛效应的日
变化和季节变化曲线 ,并对郑州市热岛效应的空间
分布进行了描述 ,同时 ,对不同绿化区域的人体舒适
度进行了评价.
热岛效应的强弱用热岛强度来表示[11 ] (Δ T =
T u - T r ,即热岛强度为城市平均气温与郊区平均气
温之差) . 通过对郑州市全天有日照、全天无日照、树
阴下和植被上 4 种微环境下的气温观测 ,找出郑州
市热岛效应的日变化、季节变化和空间分布.
为了研究郑州市热岛效应的日变化 ,分别计算
了春、夏、秋、冬四季 4 种不同类型微环境下的热岛
强度的日平均值 ,绘制热岛效应日变化曲线 (图 1) .
由图 1 可以看出 ,郑州市热岛效应的日变化大体上
呈单峰型 ,即白天热岛效应弱 ,夜晚热岛效应强. 热
岛效应的变化特点大致可以分为 3 个阶段 :14 :00~
22 :00 ,热岛效应缓慢升高 ,22 :00 春、夏、秋、冬四季
热岛强度依次为 :213 ±0197 ℃、018 ±0112 ℃、118
±0111 ℃、215 ±0169 ℃; 22 :00~2 :00 ,热岛效应
急剧增强 ,2 :00春、夏、秋、冬四季热岛强度依次为 :
图 1  郑州市热岛效应日变化
Fig. 1 Daily changes of heat island effect in Zhengzhou city.
316 ±1157 ℃、112 ±0122 ℃、214 ±0116 ℃、412 ±
1148 ℃; 2 : 00~12 : 00 热岛效应急剧减弱 , 12 : 00
春、夏、秋、冬四季热岛强度依次为 : 016 ±014 ℃、
011 ±0104 ℃、018 ±0103 ℃、110 ±0111 ℃. 对全天
有日照、全天无日照、树阴下和植被上 4 种不同微环
境下的热岛强度进行统计分析并对其方差进行显著
性检验 ,结果表明 ,4 种微环境下热岛强度并无显著
性差异 ( P > 011 , n = 12) . 但树阴下和植被上 2 种微
环境下日平均热岛强度与全天有日照的日平均热岛
强度比较而言 ,至少要低 0127 ±0104 ℃(夏季) . 因
此 ,城市绿地在缓解热岛效应方面的作用仍然不容
忽视 ,这可能与绿色植被作为城市景观要素中的绿
色斑块 ,对城市环境的光、热、水、氧及有毒物质等具
有积极调节作用有关[19 ] .
31112 热岛效应的季节变化  为了研究郑州市热岛
效应的季节变化 ,计算了 1、4、7、10 四个月份 (分别
代表冬、春、夏、秋四季) 的热岛强度的日平均值 ,绘
制了热岛效应季节变化曲线 (图 2) . 由图 2 可以看
出 ,郑州市热岛效应的季节差异非常显著 ,冬季热岛
效应最强 ,平均热岛强度为 215 ±0194 ℃;夏季热岛
效应最弱 ,平均热岛强度仅为 016 ±0139 ℃. 对不同
季节热岛强度进行统计分析并对其方差进行显著性
检验 ,结果表明 ,春、夏、秋、冬四季热岛强度有显著
性差异 ( P < 0101 , n = 12) ,不同季节热岛强度的强
弱顺序为 :冬季 > 春季 > 秋季 > 夏季.
图 2  郑州市热岛效应季节变化
Fig. 2 Seasonal changes of heat island effect in Zhengzhou city.
31113 热岛效应的空间分布  为了研究郑州市热岛
效应的空间分布 ,计算了秋季中午 14 :00 (此时白天
气温最高 ,人体感觉最热) 各网格中全天有日照、全
天无日照、树阴下和植被上 4 种微环境下热岛强度
的日平均值 ,得出郑州市秋季热岛强度的空间分布
状况. 研究发现 ,中午 14 :00 热岛强度最大值为 018
±0119 ℃,该测点位于郑州市中原西路和嵩山北路
交叉口附近 ;城东南路郑州农药厂附近的热岛强度
次之 ,为 015 ±0113 ℃;与此同时 ,在经三路与黄河
路交叉口、铭功路人民公园西门、文化路和农业路交
938110 期              郑敬刚等 :郑州市热岛效应研究与人体舒适度评价            
叉口河南农业大学校园内 3 个测点的热岛强度则相
对较弱 ,甚至出现负值 ,这可能与这些测点所在区域
的绿化和通风状况较好有关.
312  郑州市不同绿化类型区域的人体舒适度评价
由于人体对小气候的感觉是多种气候因子的综
合反应 ,因此 ,人体对气候舒适度的评价也必须用综
合的、多指标的方法进行[8 ] . 基于人体对气候因子
的反应有一定的幅度和范围 ,没有一个确切的界限 ,
故本文选取气温、相对湿度和风速作为指标 ,采用模
糊综合评判法 ,对不同绿化区的小气候舒适度进行
综合评判 (表 1) .
在夏季 ,影响人体舒适的主要因素是气温、空气
湿度和风速[4 ] ,故选定人体舒适度的影响因素的论
域为 :
U = {气温 ,相对湿度 ,风速} (1)
选定人体舒适度评价的论域为 :
V = {很舒适 ,较舒适 ,舒适 ,不舒适} (2)
据报道 ,当气温为 24 ℃、相对湿度为 70 %和风
速为 2 m·s - 1时 ,人体感觉最舒适[4 ] . 据此 ,对这 3
种气候因子分别建立隶属函数方程 :
μt =
1 当 t = 24 ℃
1
1 + a ( t - 24) 2 当 t ≠24 ℃
(3)
其中 , a = 010476 ;
μr =
1 当 r = 70 ℃
1
1 + b ( r - 24) 2 当 r ≠70 ℃
(4)
其中 , b = 010038 ;
μv =
1 当 v = 2 m ·s- 1
1
1 + c ( v - 2) 2 当 v ≠2 m ·s
- 1 (5)
其中 , c = 015634 .
依据这 3 个隶属函数方程 ,把表 1 的数据分别
代入 ,求出各区域不同时刻的气温、相对湿度和风速
的隶属函数μ(表 2) .
由于μ的大小可反映出人体的舒适程度 ,故其
舒适度的等级划分为[8 ] :μ≥0185 为很舒适 ;0185 >
μ≥0175 为较舒适 ; 0175 >μ≥016 为舒适 ; 016 >μ
为不舒适.
从单因素评判入手 ,建立 U 到 V 的模糊关系
R , R是单因素评判所组成的矩阵 . R中的每个元素
表 1  郑州市夏季不同区域气温( ℃) 、相对湿度( %) 、风速( m·s - 1)
Table 1 Air temperature ,relative humidity and wind velocity in different sites of Zhengzhou city in Summer
时间
Time
A
T H W
B
T H W
C
T H W
D
T H W
E
T H W
14 :00 3018 66 0 3013 44 110 3011 48 310 2919 82 0 3111 47 0
16 :00 3013 65 0 3018 55 116 3018 42 218 3017 89 0 3019 44 0
18 :00 2816 68 0 3018 50 210 2910 52 218 2819 90 0 2911 51 0
20 :00 2610 73 0 3910 54 118 2612 65 210 2517 98 0 2517 73 0
22 :00 2510 70 0 2612 68 110 2412 71 216 - - 0 2413 75 0
24 :00 2412 88 0 2410 77 110 2312 72 112 - - 0 2219 74 0
2 :00 2313 88 0 2210 83 113 2116 77 117 - - 0 2017 85 0
4 :00 2118 92 0 2018 86 210 1919 83 114 - - 0 2101 82 0
6 :00 2014 97 0 2014 84 111 1916 86 015 - - 0 1911 90 0
8 :00 2119 89 0 1918 85 015 2212 79 012 2217 97 0 2019 89 0
10 :00 2516 74 0 2210 79 012 2612 66 015 2519 97 0 2519 67 0
12 :00 2811 61 0 2614 65 0 2910 53 014 2717 91 0 2913 59 0
A :西流湖 Xiliu Lake ;B :火车站 Railway station ;C :西郊 West of suburb ;D :人民公园 Renmin Park ; E :经济开发区 Economic development area1T :
气温 Temperature ; H :相对湿度 Relative humidity ;W :风速 Wind velocity1 下同 The same below.
表 2  郑州市不同区域气温、相对湿度和风速的μ值
Table 2μvalue of air temperature ,relative humidity and wind velocity in different sites of Zhengzhou city
时间
Time
A
μ
T
μ
H
μ
W
B
μ
T
μ
H
μ
W
C
μ
T
μ
H
μ
W
D
μ
T
μ
H
μ
W
E
μ
T
μ
H
μ
W
14 :00 0131 0194 0131 0135 0128 0164 0136 0135 0164 0138 0165 0131 0129 0129 0131
16 :00 0135 0191 0131 0131 0154 0192 0131 0125 0174 0142 0142 0131 0131 0131 0131
18 :00 0150 0198 0131 0131 0154 1100 0146 0145 0174 0140 0140 0131 0145 0145 0131
20 :00 0184 0197 0131 0146 0151 0190 0181 0191 1100 0125 0125 0131 0188 0188 0131
22 :00 0195 1100 0131 0181 0198 0164 0199 0199 0183 - - 0131 0199 0199 0131
24 :00 0199 0145 0131 1100 0184 0164 0195 0199 0136 - - 0131 0194 0194 0131
2 :00 0198 0145 0131 0184 0161 0178 0178 0184 0195 - - 0131 0166 0166 0131
4 :00 0181 0135 0131 0167 0151 1100 0156 0161 0183 - - 0131 0158 0158 0131
6 :00 0162 0127 0131 0162 0157 0169 0152 0151 0144 - - 0131 0147 0147 0131
8 :00 0183 0142 0131 0154 0154 0144 0187 0176 0136 0193 0127 0131 0169 0169 0131
10 :00 0188 0194 0131 0184 0176 0135 0181 0194 0144 0185 0127 0131 0185 0185 0131
12 :00 0156 0185 0131 0179 0191 0131 0146 0148 0141 0193 0132 0131 0143 0143 0131
μ
T
: Temperature ;μ
H
:Relative humidity ;μ
W
:Wind velocity.
0481                    应  用  生  态  学  报                   16 卷
是 U 中各因素的隶属函数对应于 V 的各等级的个
数在该因素中所占的百分率.
在小气候条件对人体舒适度的评价中 ,对单因
素评价如气温 (相对湿度或风速) 一个因素是比较容
易的. 但人体对小气候的感觉是多种因素的综合反
应 ,因此需作综合性评判. 对人体的舒适度来说 ,气
温、相对湿度和风速 3 因子的重要性并不等同 ,夏季
人体反应最强的因子是气温 ,空气湿度和风速只在
加强蒸发和交换冷却中具有重要作用 ,基于这种考
虑 ,用数学公式表达为 U 的一个模糊子集A .μ对A
的隶属函数 A (μ) 就是因素μ的权重.
令  6i = n
1
A (μi) = 1 (6)
那么 A 是归一化的 , A (μi) 就是因素重要性的权重
分配. 设气温、相对湿度和风速三者的权重分配为 :
A = { 016  012  012} (7)
则综合评价值可由式
B = A ·R (8)
计算.
根据上式得出郑州市西流湖公园、火车站、西
郊、人民公园和经济开发区的综合评价值. 将夏季任
一区域某一舒适等级的综合评价值除以各舒适等级
的综合评价值之和 ,得出该区域这一舒适等级的出
现频率 (表 3) .
城市绿色空间是城市复合生态系统的重要组成
部分 ,具有显著的生态服务功能[7 ] . 以乔木绿化为
主的人民公园舒适程度最好 ,有 63 %的时间是舒适
的 ;以草坪绿化为主的西流湖公园 ,改善小气候的能
力较乔木为差 ,该区域的最舒适率与以农田为主的
西郊相当 ,但其舒适以上等级的发生频率仍比以裸
地为主的经济开发区域高 12 %. 火车站广场由于空
间开阔 ,空气流动性强 ,最舒适的频率仍有 16 %.
表 3  郑州市夏季不同区域各等级舒适度的出现频率
Table 3 Frequency of different comfortable grades in different sites of
Zhengzhou city in Summer( %)
测点
Sites
很舒适
Very
comfortable
较舒适
Relative
comfortable
舒适
Comfortable
不舒适
Uncomfortable
 
西流湖公园 Xiliu Lake Park 31 15 5 48
火车站 Railway station 16 18 20 46
西郊 West of suburb 31 28 6 35
人民公园 Renmin Park 38 22 3 37
经济开发区 Economic development area 26 0 14 60
4  讨   论
411  郑州市热岛效应变化特点
郑州市热岛效应的日变化大体上呈单峰型 ,即
白天热岛效应弱 ,夜晚热岛效应强. 热岛效应的日变
化之所以表现出这样的特点 ,与城市下垫面主要由
热容较大的硬化材料构成有很大关系. 对于市区而
言 ,白天城市下垫面吸收一定太阳辐射后 ,由于其热
容大而温度升高较慢 ,因此下垫面以长波辐射形式
输入近大气层的热量也相对较少 ,故对近地面大气
增温效应较弱 ,而郊区由于下垫面热容量较小气温
升高较快 ,由热岛强度公式ΔT = T u - T r 可知 ,白
天城市热岛强度较小 ;当日落以后 ,市区由于下垫面
热容大而降温缓慢 ,而郊区由于其下垫面热容较小
降温迅速 ,故夜晚城市热岛强度较大. 热岛效应这种
昼弱夜强的日变化特点 ,其本质是由于城市下垫面
较大热容致使气温变化滞后性引起的. 这与国内其
他学 者 对 不 同 城 市 热 岛 效 应 的 日 变 化 特
点[1~3 ,12 ,13 ,16 ]的研究结果基本一致.
郑州市热岛效应的季节差异非常显著 ,冬季热
岛效应最强 ,而夏季热岛效应最弱 ,导致这种状况的
原因可以从两方面来解释 :首先 ,郑州市年降雨量
70 %以上都集中在夏秋两季 ,大气中丰沛的水汽在
很大程度上缓解了城市热岛效应 ;其次 ,冬季由于城
市集中供暖 ,导致大量工业和民用热能排入城市有
限空间的大气中 ,加上工业产生的温室气体如 CO2 、
N2O、CH4 、CFCs、水汽等 ,增强了大气对地面长波辐
射的吸收能力 ,并以大气逆辐射的形式返回地面 ,从
而降低了地面有效辐射 ,加剧了城市热岛效应 ,故热
岛效应的季节变化整体上表现为 :冬季 > 春季 > 秋
季 > 夏季. 热岛效应的这种季节变化特点与以前学
者通过遥感或其它技术检测的结果基本吻
合[9 ,14 ,15 ,17 ,18 ] .
郑州市的热岛中心 ,位于中原西路和嵩山北路
交叉口和城东南路农药厂附近 ,这可能是由于这两
个测点分别位于中原化工厂和郑州农药厂的下风
向 ,由于工厂排放的余热被主导风吹向该处 ,致使该
区域热岛效应较为强盛.
412  城市不同绿地类型对人体舒适度的影响
就人体舒适度而言 ,以乔木绿化为主的人民公
园舒适度最好 ,有 63 %的时间是舒适的 ;以草坪绿
化为主的西流湖公园 ,其改善小气候的能力较乔木
为差 ;火车站广场由于其空间开阔 ,空气流动性强 ,
最舒适的频率仍有 16 % . 因此 ,在居民住宅小区、工
厂、学校等单位见缝插针 ,种草植树 ,一方面可以提
高城市绿地斑块数量和面积[5 ] ,同时也可以改善城
市居民居住环境 ,提升城市品位 ,缓解日益增强的城
市热岛效应.
148110 期              郑敬刚等 :郑州市热岛效应研究与人体舒适度评价            
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作者简介  郑敬刚 ,男 ,1975 年生 ,博士生. 主要从事干旱区
植被恢复机制和生物多样性研究 ,发表论文 3 篇. E2mail :
zhengjinggang @sohu. com
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