城市扩张带来多大增温效应?

北京日报

百家号06-0517:17

导读

我们都知道,城市会带来热岛效应,但并不详知,城市扩张建设带来的增温效应到底有多少?

最近,北京师范大学环境学院柳晓娟博士、田光进副教授和中国科学院大气物理研究所冯锦明研究员在《大气科学进展》杂志发表最新研究成果,该研究主要利用数值模式模拟的方法,高分辨率地模拟研究了北京地区城市用地扩张带来的增温效应特征,并研究了高温热浪与北京地区城市用地扩张增温效应的相互反馈效应。本版特约研究者撰文向读者介绍。

城市地表必然带来增温效应

在过去30年,北京经历了快速的城市化进程。目前,北京已成为中国城市化水平较高的城市之一。依据2014年中国统计年鉴,截止到2013年,53.73%的中国人口是城市人口,而北京的城市人口比例为86.3%,这一比例仅次于上海(89.60%)。

在城市人口大规模增加的驱动下,城市用地面积也在不断增加。那么,城市用地为何会造成气温升高呢?

与耕地不同的是,城市地表大多覆盖混凝土、沥青等建筑物或路面的不透水材料。从地表物理性质的角度看,与耕地相比,城市地表的水汽蒸散作用会变得更弱,城市地表对热能的储存和传导能力更强,所以对太阳光的反射能力更小,对太阳辐射的吸收能力更大,而且,风速也会在众多高大建筑物的影响下有所降低,这样一来,城市用地扩张会造成地表吸收更多的热量,且很大程度上阻止了通过水汽蒸腾来散热的途径,这会最终使得区域地表温度和气温升高。

2016年,北京市常住人口达到2172.9万人。对于北京这个特大城市来说,区域气温变化与城市居民生活息息相关,因此,北京地区城市化气候效应一直是一个重要的科学问题。有人可能会问,城市化带来的增温效应,难道只是城市用地扩张建设引发地表和大气间热量交换造成的吗?当然不是。事实上,除了城市用地扩张这一途径之外,城市化过程还会通过温室气体的排放和人为热的释放这两种途径来使区域气温升高。城市化会增加能源消耗,例如冬季取暖和汽车尾气,这些人为活动会增加温室气体,同时也会放出热量。

尽管如此,城市用地扩张是城市化发展影响区域气温最直接的途径。为了更加清晰地分析出城市用地扩张这一单一因素的影响,本研究仅探讨由城市用地扩张带来的北京地区增温效应特征。

城市用地扩张致六环区域每10年约升高0.2℃

北京地区城市用地扩展进程基本可划分为以下三个重要阶段:第一阶段是1990-1995年城市用地自发扩张阶段,此时的城市建设用地面积从1990年的485平方公里增加到1995年的1014平方公里;第二阶段是1996-2000年受政府干预、速度有所放缓的城市建设用地扩张阶段;第三阶段是2000-2008年,政府宏观调控政策实施,城市建设用地面积由2000年的1038平方公里增加到2008年的1417平方公里。

为了研究不同城市用地扩张水平影响下的增温效应,研究者在保证区域气候模式模拟条件都不变的前提下,仅分别改变城市土地利用数据,在模式运行结束后,模式输出了不同城市用地扩张水平下北京地区的近地表气温,通过计算两组输出结果的差值,获得了不同城市用地扩展水平对近地表气温的影响。结果发现,随着城市用地的扩张,城市用地扩张带来的气温升高强度也在逐渐增强。

在北京城市用地扩张的影响下,北京六环区域气温升高的平均速率大约是每10年升高0.2℃。从不同阶段的对比来看,与1990-2000年城市用地扩张带来的增温幅度相比,2000-2008年城市用地扩张带来的增温幅度则略有下降。这主要是由于2000年以后北京城市用地面积的增长幅度较1990-2000年有所放缓。

扩张导致的夜间升温风险更大

北京城市用地扩张导致的白天增温幅度较小,特别是在上午九点至下午四点这段时间,增温幅度低于0.2℃。与我国东部沿海地区相比,北京地区夏季气候较为干燥,故北京城市用地与耕地的土壤湿度差异较东部沿海地区要小。因此,受土壤湿度变化驱动的白天城市用地扩张增温效应的强度变小。也就是说,一般来讲,北京地区城市用地扩张带来的白天升温幅度会小于其他更为湿润地区,由城市高温引发的人体健康和生态环境风险会低于其他更为湿润的地区。

有关东部沿海地区的研究表明,城市用地扩张导致的夜间增温强度会在日落时分达到一个极高值,之后逐渐降低。但北京城市用地扩张会导致相对较为恒定的夜间升温水平。该特征会加剧城市环境中夜间高温危险事件的风险,且提高了缓解夜间城市热岛问题的难度。

增温效应与高温热浪存在正反馈

那么,高温热浪会对城市用地扩张增温效应产生什么影响呢?该研究进一步模拟分析了这一科学问题。

该研究选取的是北京地区2010年夏季(2010年6至8月)作为模式模拟研究时段,这个时间段包含了2010年7月2日至8日这一典型热浪期。依据北京统计年鉴数据,2010年7月5日的记录气温是40.6℃,它是北京自1951年以来7月初的最高气温。

通过北京六环区域城市用地扩张带来的近地表气温升高的逐日变化(见图表),我们发现,高温天气会加剧夜间的城市用地扩张增温强度。这是因为,一般来讲,高温天气条件下的太阳辐射强度相对较大,城市地表在白天能够吸收更多的太阳辐射能,白天地表热通量增加,夜间释放更多的地表储热,从而增强了夜间的城市用地扩展增温强度。而且,高温热浪天气一般会比较干燥,这也会加剧城市用地扩展带来的增温强度。

然而,高温热浪并不能显著影响北京地区白天的城市扩张增温强度。从模拟结果上看,白天的城市用地扩张区域增温效应在7月下旬到8月期间更强一些。

那反过来讲,城市用地扩张增温效应的加强是否会对高温热浪天气产生影响呢?

高温热浪天气条件下,相比非城市用地,热浪及高温天气对城市用地的增温作用更强。反过来,城市用地扩张能加剧城市地表的高温热浪。

高温热浪形成的直接原因是大气环流异常。但通过以上研究结果,我们依然可以认识到,城市化导致的气温升高也可被视为城市热浪或高温天气形成的原因之一。城市用地扩展增温效应与城市高温热浪间存在正反馈效应,即相互加强。

减少城市增温效应需要研究对策

为了调节我们生活的城市的热环境,我们需要研究并尝试采用一些应对方法和措施。例如,通过增强地表水分蒸腾作用而达到降温目的,典型的方法是增加城市绿色植被以及建设绿色及生态屋顶;还有通过增加城市下垫面的反照率,典型的方法是给城市路面或建筑物屋顶铺设高反照率的建筑材料。目前,课题组也正在开展相关方面的研究工作。

作者 柳晓娟

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