城市环境热场的形成原因

地表温度是地表物质的热红外辐射的综合定量形式，是地表热量平衡的结果，是由物质的热特性及几何结构共同决定的。城市环境热场形成的主要原因，是城市化过程中对原有辐射平衡的改变。城市建筑物白昼吸收的太阳能量在夜间通过长波辐射放出，以及人类活动放散的热量通过湍流运动输送到边界层内，造成了城乡边界层温度场结构的差异。

1.下垫面介质及其空间结构

在天气睛朗、无风或微风情况下，城市热岛效应主要取决于下垫面的介质和结构。城市建筑材料多为水泥、沥青、砖石、金属和合成材料等，这些不渗水的水泥或者沥青道路和建筑材料取代了天然的土壤和植被，改变了地表径流与地下水以及蒸发与空气湿度的结构，改变了地表反照率和辐射特性。大型城市下垫面可分为城镇建筑区、工业区、城郊接合部和郊县农业区，在白天的热红外波段，具有水泥、瓦片结构的建筑物、广场、居民地、桥面和道路等介质具有较高的亮温，而以土壤为主的裸地和植被等介质亮温低于城镇，亮温最低的介质为水体。

建筑物、道路、广场、大桥和待建用地等的水泥、瓦片结构正是构成高温区的主导成分。在城市环境中，环境热场因下垫面基本介质的不同而形成不同的热环境本底特征和不同的环境热容量特征。在此基础上，因为环境空间结构及其热行为的差异而形成了城市特有的热环境，在其他条件相同的情况下，城市下垫面能够获得较多的辐射能。

城市景观的空间结构直接影响城市的环境热场。城市区域的环境状况通常由于复杂的地形和城市结构而形成非均匀的下垫面性质，它可对风场、温度场和水汽及物质分布造成多种影响，形成城市建筑群结构特有的地表辐射平衡、水分和物质储环与通量将性水面、绿地、人工建筑群和工矿区等城市组分由于各类景观之间的面积比例及空间结构配置类系的不同，产生了源、聚、梯度带等不同的热场特征，如热容量、热愤量、热传导和发射萃等多个参量。具有水泥、瓦片结构介质面积所古比例越大，其亮温值越高：具有植被和水系等介质面积比例越大，其亮温值越低。城市热岛变化是城郊下垫面组分的物理性质和空间儿何结构不同引起的辐射收支差异所致，包括城郊反射率的差异、热贮量的差异以及日落后湾却率的差异等。城市的植被面积小、不透水面积大，城市下垫面储藏水分的能力比郊区和农村小，这样水分蒸发耗热也小，使城市下垫面热量容易积聚。城镇建筑密度越稠、楼层越高，其热力强度也越大，这是由于热量容易集中且不易散发造成的。

此外，城市下垫面对天气系统的摩擦阻滞作用会使天气系统移动减慢或停留，也使城市气候有别于郊区和农村。

2.城市中人为热活动和能耗对环境的直接作用

城市能耗包括生产能耗和生活能耗。由于城市人口密度大，经济活动较为集中，人们在工业生产、家庭炉灶、内燃机、空调、汽车及摩托车等生产和生活过程中消耗大量能源所排放的大量废热将直接增暖城区大气；城市的工业生产和交通运输，如车辆众多的火车站和以高架道路及厂房为主的工业区，人口密集的商业区和生活区以及钢铁厂和发电厂等，排放出大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物及各种颗粒物，改变了大气的成分，使大气透明度降低，造成城市大气污染，同时也阻挡了城市地面长波辐射的外逸，改变了地一气辐射平衡。人为热量的过量排放是城市热岛形成的内部因素。

3.大气候条件的影响

无云、微风、稳定层结的夜间是城市热岛形成的最基本的大气物理条件。在同一时间的同一城市中，在其下垫面与人为释放热量、大气污染程度基本相同的情况下，城市热岛的强弱主要取决于当时的天气形势和气象条件，即风速、云量与大气层结稳定度等大气物理条件。热岛强度与低层大气层结稳定度成正比，与盛行风速成反比。当盛行风达到一个临界风速值时，热岛就消失。形成热岛的临界风速值同城市人口有关。例如，北京城市热岛的临界风速值较小，且因季节而异，通常为2～5m/s。