城市热环境有哪些特征

城市景观在物质、能量和结构特征上存在着时空差异，在人类与客观世界进行大量物质和能量的交换过程中，人类消耗大量的物质和能量，产生了大量废弃物和无效热量，形成了城市热环境。人类的能量消耗活动，即热行为，加剧了城市热环境的空间异质性特征。城市景观的热量特征是通过电磁波辐射形式进行相互作用的，可被遥感手段直接探测到，这也是利用遥感探测城市热环境特征的依据。

1.城市热环境

城市环境的能量分布和能量交换形成城市热环境，它是城市环境物理的、化学的、生物的过程之间相互联系的纽带。温度指标与这些生物、物理、化学过程指标之间具有紧密的联系，在一定时空尺度内，下垫面温度的变化，反映了这些生物、物理、化学过程之间的能量平衡关系，形成了城市不同的热场分布特征。作为地表能量状态指标，温度深刻地刻画了城市组成物质的热特性及几何结构共同决定的环境热特征，是各种能量流动过程的综合表达。

2.城市热岛效应

一个现代化的大城市，几百万甚至上千万人口的日常生活（取暖、做饭及人体新陈代谢）发出的热量就已经很高了，加上现代化的生产和建设，修建的众多高楼大厦、柏油路、立交桥、高架桥、市区广场、停车场和飞机场等，这些柏油、水泥路面、桥面和砖石墙面、屋顶的热容量较低，白天经太阳照晒，温度很快升高；再加上汽车尾气中排出的高温废气及气温调节过程中所排放的热量（如空调等），这些废热不断向四周和大气中辐射能量，因此城市区域内的气温明显要比四周郊区的气温高。这样，高温的城区处于低温的郊区包围之中，如同汪洋大海中的岛屿，人们把这种现象称为“城市热岛效应”。由人为热产生的城市热岛效应就发生在受城市下垫面影响的城市上空，通过城市与郊区之间明显的温度差异而表现出来。城市越大，都市化程度越高（高楼、柏油路和水泥路面越多），市区与郊区的温差就越大，热岛效应就越明显。城市气温热岛中心（“山峰”）处与同高度（一般为1.5m高处）同期（瞬时、日平均、月平均、年平均等）（近）郊区（“陡岸”）气温的差值大小T（或等温线间距）称为城市热岛强度。T值越大，表示热岛强度越强；T值越小，表示热岛强度越弱。

3.热污染

热污染是指工农业生产和人类生活中排出的各种废热所导致的环境污染。热污染可以污染大气和水源，如工厂循环冷却排出的热水，以及其他工业废水都含有大量的废热。废热排入湖泊河流或者海洋以后，会造成水温骤然升高，导致水中溶解氧气锐减，引发水生生物大量死亡。城市近地面大气中的热气往往形成近地面暖气团，将城市烟尘笼罩在近地面难以扩散，形成有害于人体健康的烟尘，不断污染、恶化城市人居环境，威胁着城市居民的身体健康。所以，城市热环境监测对于认识城市热环境特征和改善城市人居环境具有重要意义。

4.城市热（力）景观

通过引入景观生态学研究方法，可用高度异质性特征的景观观点来研究城市热环境]。

城市热力景观是城市景观在热力学上的表现，主要通过表面热辐射温度场的结构与动态变化来表述。热力景观是城市与周围环境相互作用而形成的，也是人类在改造、适应自然环境基础上建立起来的人工生态系统的热力学表现。城市热力景观受人类活动和气候条件影响显著，由于城市对交通和能源的依赖，城市热力景观具有破碎性和剃度性特征。人工热能、下垫面生态效应及热交换条件的差异是导致城乡不同热力景观的主导因素。

热力景观是具有高度空间异质性的热力区域，它由相互作用的热力缀块以一定的规律组成，根据形状和功能的差异，热力景观要素可分为热力缀块、热力廊道和热力基质。热力缀块是一个与包围它的缀块不同的镶嵌体，具有相对的均质性，具体来说就是热惯量、热耗等的相对均质性导致了温度的相对均质性；热力廊道是指不同于两侧基质的狭长地带，如绿廊、河渠和街道等在热力景观上反映出的带状的热力景观现象；热力基质是指在热力景观中占主体的相对均质背景（称之为基质）的组成部分，它具有高度的连续性。

5.热红外遥感的热景观理论

在热力景观研究的基础上，我们提出了热红外遥感的热景观理论。

热红外遥感的热景观理论是将景观思想引入到热红外遥感领域中，体现了景观热红外辐射特征上的相对差异在影像中的综合表达；它有别于可见光波段遥感得到的景观影像，热景观反映的是具有不同热学性质的组分物质及其空间异质性结构特征所表现出来的综合性热辐射特征。城市景观是一种高度人工化的自然综合体，是城市物质、能量和信息流在空间和过程上的体现。正是由于城市景观在物质、能量和结构特征上的时空差异，使城市在自然与人类的热行为作用过程中产生了空间异质性的热环境，通过电磁波辐射的相互作用，产生了可被遥感手段直接探测到的热力学地域综合体，称为城市热景观。

总之，城市热景观是城市景观的热辐射能量表现形式，包括瞬时热场和热场的日变化和季变化，通常用数字热场图像来表达。在不同时间内，城市不同下垫面介质在热图像上表现为不同的热特征。例如，白天的热建筑物（亮白色，城市热景观基质）、道路（城市热景观廊道）和阴影（城市热景观）构成类似航空摄影照片的景观效果：而在晚上，水体（亮白色）、建筑群较亮处及沥青街道则比较明显。城市热景观强调“热力学自然地域综合体”的空间分异性以及具有一定物理、生物和文化等特征的基本单元在空间上有规律的组合体或群集，以可直接观测到的热红外辐射场（热场）为表现形式，综合反映了城市下垫面物质、空间结构及其热量的动态变化，而并不一定是物理实体（这一点与地学景观的概念不同）。例如，热岛和热场等热环境都是热景观的表现形式之一，它综合反映了城市下垫面实体景观物质、空间结构及其热量的动态变化特征。

遥感监测热景观以景物辐射特征的相对差异在热图像中的综合表达为依据，它是热红外传感器空间分辨率像元内具有不同组分物质的热学性质及其空间异质性结构特征，在与电磁波相互作用过程中所表现出来的具有一定热辐射性特征的地域综合体。它与地学景观一样，具有多尺度、多级别、多类型特征，但又与地学景观有所不同，它的存在与变化是在热力学过程中表现出来的。

热力景观与热红外遥感的热景观都强调热力学特征的空间异质性，但后者更强调在一定空间分辨率热图像上混合像元内具有不同组分物质的热学性质及其空间异质性结构自然地域综合体的整体热力学特征，而不一定是物理实体。

6.热熵

热熵用于表征热辐射的无序度，主要包括两部分：一部分是太阳辐射未经自然环境的水热交换，直接或间接滞留于环境之中而形成的热熵，表现为整体热变化的离散度；另一部分则主要是各种热能转换，在有效利用了部分能源之后，排放到热环境中的剩余热能。城市热景观的结构和类型直接取决于化石燃料和太阳能。凡是有热量累积的地方，热熵的增加会导致结构类型减少，均质性增高。