謝 旻，朱寬廣，王體健，3，馮 文，朱新勝，陳 飛，歐陽琰，劉芷君（.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京 003；.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?57003；3.江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 003；.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 00）

中國地區(qū)人為熱分布特征研究

謝 旻1，2，3*，朱寬廣1，王體健1，3，馮 文2，朱新勝4，陳 飛4，歐陽琰4，劉芷君1（1.南京大學大氣科學學院，江蘇 南京 210023；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?570203；3.江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；4.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042）

利用中國統(tǒng)計年鑒中全國各省份的非再生能源消費資料和2.5min×2.5min分辨率的人口格點數(shù)據(jù)，對中國地區(qū)人為熱排放的時空分布進行研究，討論了其分布特征和影響因素.結(jié)果表明，中國地區(qū)人為熱通量隨時間持續(xù)增長，特別是在2000年后增長加速，1985年到2000年從0.09W/m2增長到0.16W/m2，而到2013年已經(jīng)增長到0.38W/m2.中國地區(qū)的人為熱排放具有顯著的地域特征，在華北、華東和華南，由于人口密度大、經(jīng)濟發(fā)達，人為熱的污染很嚴重；在華中地區(qū)，人為熱污染較嚴重的區(qū)域主要分布在以武漢為中心的經(jīng)濟圈；在東北地區(qū)，以大連、沈陽、長春和哈爾濱為中心的城市區(qū)域人為熱污染也較為嚴重；而在西北和西南的大部分地區(qū)，人為熱排放量很小，僅在以成都、重慶為中心的區(qū)域較大.歷年來全國年均人為熱的最大值都出現(xiàn)在上海，其中2010年最大，為113.5W/m2，上海人為熱排放的年均值增長明顯，可達到0.6W/m2/a.隨著城市化進程的加快，人為熱的排放愈來愈強，熱污染對城市和區(qū)域的氣候以及空氣污染的影響也會越來越重要.

人為熱；能源消費；熱污染；氣候強迫

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人類日常生活中，利用非再生能源會直接和間接的向大氣中排放大量的人為熱，造成熱污染，對局地甚至區(qū)域氣候和空氣質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響，全球溫度可能會因此升高3℃［1］.特別是在經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的城市地區(qū)，大量的熱在一個相對較小的區(qū)域內(nèi)被釋放出來，對局地的輻射平衡、地表溫度、晝夜溫差等方面都會造成顯著的強迫作用.多年的研究表明，城市人為熱的排放是導致城市熱島形成的一個重要的因素［2-5］，可以造成城市區(qū)域的溫度升高1℃以上［6-8］.在歐洲，2W/m2的人為熱排放可以造成區(qū)域溫度升高0.15K，20W/m2時可以使得區(qū)域溫度升高0.5K［9］.研究人為熱的大小及其時空分布特征，不僅有利于認識熱污染的狀況，而且也是城市空氣質(zhì)量數(shù)值模擬研究中的重要內(nèi)容，將人為熱加入數(shù)值模擬中能提高地面溫度預報的準確性［10］.

國內(nèi)外很多學者已經(jīng)對不同地區(qū)的人為熱排放量進行了定量研究［11］.全球尺度人為熱的氣候強迫作用平均約為0.028W/m2［12-13］，在美國大陸、歐洲西部和中國分別為0.39、0.68和0.22W/m2［12］.陳兵等［14-15］研究中國地區(qū)人為熱排放，結(jié)果顯示在2008年全國平均值為0.28W/m2.城市尺度上，人為熱排放遠遠高于區(qū)域平均值.Ichinose估算東京城區(qū)冬季白天人為熱釋放量平均可達400W/m2，在早上甚至可以達到1590W/m2［3］； Sailor等［16］研究了美國的六個大城市的情況，結(jié)果表明人為熱排放量分別在早、晚達到峰值，夏季可達60W/m2，冬季可達75W/m2；Quah等［17］研究了新加坡的人為熱強迫作用，發(fā)現(xiàn)在商業(yè)區(qū)最大值可達113W/m2；在首爾，人為熱排放也能達到50W/m2［18］；在London僅僅從建筑物中釋放的人為熱就高達9W/m2［19］；佟華等［20］研究表明北京白天最高人為熱強迫作用可達180W/m2.人為熱在城區(qū)的影響更顯著，可能對城市局地氣候和環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生很大影響.

自從1978年改革開放以來，中國經(jīng)濟快速發(fā)展，同時伴隨著能源消費的快速增長.隨著城市化進程的加快，城區(qū)的人口密度愈來愈大、能源消費量越來越多，人為熱排放造成的熱污染越來越嚴重，對局地氣候和空氣質(zhì)量的影響越來越重要.因此，研究中國地區(qū)的人為熱的時空分布以及它與人口密度和經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系對研究此區(qū)域的氣候、大氣環(huán)境有重要的科學意義，對城市合理布局、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展有實際參考價值.

1 資料與方法

1.1 資料

利用國家統(tǒng)計局1985～2013年的《中國統(tǒng)計年鑒》［21］以及各省的相關(guān)統(tǒng)計資料，得到全國和各省份歷年總的能源消費情況、經(jīng)濟總量、人口總量等數(shù)據(jù).此外，還從哥倫比亞大學的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和應用中心（http：//sedac.ciesin.columbia. edu/gpw）獲得1990、1995、2000、2005、2010年的2.5min×2.5min分辨率的人口格點資料.

1.2 方法

根據(jù)熱力學定律，能量不能憑空產(chǎn)生或者憑空消失，只能通過一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式.對于非再生能源的消費產(chǎn)生的能量通常可以直接轉(zhuǎn)化為熱能，然后熱能再通過一些設備轉(zhuǎn)化為動能、勢能、電能和內(nèi)能等等，除了部分勢能外，其它能量最終都會通過各種途徑或者再經(jīng)過轉(zhuǎn)化以熱的形式排放到大氣中.據(jù)此，本研究中假設非再生能源消費產(chǎn)生的熱量最終全部以熱的形式排放進入到大氣中.

本文將人為熱分為兩個部分，一部分是能源消費所產(chǎn)生的熱量，另外一部分是由人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量，可以由下面公式表示：

式中：AHF是總的人為熱通量；AHFf是能源消費產(chǎn)生的人為熱通量；AHFm是人體新陳代謝產(chǎn)生的人為熱通量.

研究區(qū)域是70～138°E、16～56°N之間的中國地區(qū).用2.5min×2.5min分辨率將區(qū)域分為1632×960的網(wǎng)格（與人口資料的網(wǎng)格相對應）.通過計算各格點能源消費以及人的新陳代謝產(chǎn)生的熱量，得到人為熱的空間分布情況.

各格點的AHFf可以通過下列公式計算：

式中：Mtotal是指在人口數(shù)為Ptotal的區(qū)域（該格點所處的省份或直轄市）在時間ta（1 年）內(nèi)總的能源消耗（來自各省或直轄市的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，已換算成標準煤的消費量）；C是標準煤釋放的熱量，取值292.7×108KJ/kg；Pgrid和Sgrid分別是格點上的人口數(shù)量和格點面積.

每個格點的AHFm可以通過該格點的人口估算出來，計算公式如下：

式中：A1，A2分別是活動和睡眠時人體新陳代謝單位時間產(chǎn)生的熱量；t1和t2分別是活動和睡眠的時間；td是一天的總時間（24h）.根據(jù)研究，人在睡眠時的新陳代謝功率大概在75W左右；而人活動時的值較大，坐著的時候大約是115W，走路的時候大約是230W，劇烈活動時甚至會超過300W［22-23］.據(jù)此，本研究中A1取活動時人體平均新陳代謝功率175W，活動時長t1為16h，睡眠時的A2取為75W，時長t2為8h.

2 結(jié)果與分析

2.1 中國地區(qū)人為熱排放通量及其變化趨勢

圖1為中國地區(qū)1985～2013年能源消耗總量和年均人為熱通量的變化曲線.可見，中國的能源消費量在2000年之前總體變化趨勢是平緩穩(wěn)步增長，從1985年的7.7億t增長到2000年的14.6億t（1997～1999年有一點小的減幅，應該同金融危機有關(guān)）.但在2000年之后，能源總消費量急速增長，到2013年已經(jīng)增長到37.5億t.全國平均的人為熱通量從1985年的0.09W/m2開始一直增長，到1996～1997年達到一個高值0.15W/m2后，1998～1999年有所下降，這與中國在1997年開始受到金融危機的沖擊、國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展速度變緩有關(guān)；2000年后，隨著經(jīng)濟的復蘇，全國平均人為熱通量開始急速增長，從2000年的0.16W/m2增加到2013年的0.38W/m2.總體上，能源消費總量和年均人為熱通量的變化趨勢基本一致，說明兩者關(guān)系密切.可見，改革開放后的經(jīng)濟快速發(fā)展，伴隨著人口和能源消費的高速增長，導致了全國平均人為熱通量顯著增長.

我國2005年平均人為熱排放為0.25W/m2、2008年為0.30W/m2.Flanner［12］研究我國2005年的值為0.22W/m2，陳兵等［15］研究2008年的值為0.3W/m2.由于估算方法類似，都是包含能源消費和人體新陳代謝的貢獻，本文與他們的研究結(jié)果一致.

由圖1還可以看到，2000年以后能源消費增長速度加快且呈線性增長趨勢.若假設未來增長趨勢不變，則能源消費E（萬t標準煤）隨年份t變化可由下列擬合公式計算：

同理，假設人口增長趨勢不變，則未來中國人口總量X（萬人）隨年份t變化可由下式估計：

根據(jù)式（4）和式（5），預計未來中國地區(qū)的能源消耗量及人口總量，從而估算得到2025年全國平均的人為熱通量將達到0.61W/m2，2050年將達到1.07W/m2.陳兵等［15］預計我國2050年人為熱排放可能增長到0.86W/m2，與本文結(jié)果接近.可以預見，我國（特別是城市區(qū)域）未來人為熱排放造成的熱污染將越來越嚴重，對局地氣候和空氣質(zhì)量的影響將越來越重要.

2.2 中國地區(qū)人為熱排放通量的時空分布

我國的人口分布有典型的地域特征，東部多、西部少，人口密集地區(qū)主要分布在東部沿海的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)以及其它經(jīng)濟較發(fā)達的城市.根據(jù)人為熱排放同人口以及經(jīng)濟的關(guān)系可知，這些人口密度大、工業(yè)和經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)人為熱污染較大.

圖1 中國地區(qū)1985～2013年能源消費總量和年均人為熱通量Fig.1 The total energy consumption and the annual average anthropogenic heat flux in China from 1985 to 2013

圖2給出了1990年、1995年、2000年、2005年和2010年全國人為熱通量的空間分布.可以看出，全國人為熱排放的空間分布與經(jīng)濟和人口分布特征相似，主要是東部高，西部低；在西北部和西南部大部分地區(qū)，由于地廣人稀，經(jīng)濟相對落后，歷年的人為熱通量都是小于0.1W/m2，僅成渝城市群區(qū)域的排放相對較大；中國中部，人為熱通量在以武漢及其周邊城市為中心的區(qū)域較大；在東北地區(qū)，工業(yè)和經(jīng)濟較發(fā)達區(qū)域主要在遼寧中部城市群和長春、哈爾濱等城市，其人為熱通量明顯高于附近地區(qū)；而在華北、華東和華南，大部分區(qū)域人為熱排放量較大，特別是在京津冀、長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)以及山東半島、海峽西岸等城市群區(qū)域，其熱污染遠遠高于全國其它地區(qū).可見，中國地區(qū)人為熱的局地影響已經(jīng)非常明顯，尤其是在一些經(jīng)濟、工業(yè)發(fā)達，人口比較密集的大城市.

從分布的逐年變化來看，1990～2000年全國的人為熱通量的分布變化不大，主要是大值區(qū)面積有所擴大，但增速較慢，數(shù)值高于1.5W/m2的區(qū)域有限，主要集中在上海、江蘇南部、京津地區(qū)和珠江三角洲地區(qū)，其中數(shù)值超過10W/m2的區(qū)域僅在北京、上海和天津3個城市.但是，2000年以后，全國人為熱通量數(shù)值明顯增加、大值區(qū)面積有較大的變化（高于1.5W/m2的區(qū)域面積明顯增多）.到2010年，可以看到從北京到上海一線，基本全區(qū)域都高于1.5W/m2，部分地區(qū)甚至高于2.5W/m2；在京津冀、長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)和成渝、遼寧中部、武漢及其周邊城市群等區(qū)域的人為熱通量要明顯高于周邊其它地區(qū)，其中上海已經(jīng)出現(xiàn)數(shù)值超過100W/m2的區(qū)域，北京、天津的最大值也超過了50W/m2.人為熱的空間分布與城市群的分布特征非常一致，說明城市化發(fā)展導致了城市地區(qū)人為熱排放量的快速增長.

2.3 中國部分省市的人為熱排放通量變化

表1 全國以及部分省市各年人為熱排放的空間最大值和平均值（W/m2）Table 1 The maximum and average values of anthropogenic heat flux in China and some provinces in different years（W/m2）

中國人為熱通量的大值區(qū)主要在京津冀、長江三角洲和珠江三角洲這些人口集中、經(jīng)濟發(fā)達地區(qū).表1給出了其中主要省市近年的年均人為熱的最大值和平均值變化情況.可見，這幾個省市的最大值和平均值都是隨著時間增長的.年平均值增長最快的是上海，增長幅度最高可達0.6W/m2/a.歷年來，全國年均人為熱最大值都是在上海，2010年的時候，最大值高達113.5W/m2；北京的最大值和上海的比較接近，2010年也達95.5W/m2；其次是天津，2010年最大值為71.9W/m2.Quah等［17］研究了新加坡的人為熱強迫作用，認為商業(yè)區(qū)最大值可達113W/m2；在法國圖盧茲的人口密集區(qū)，人為熱最高也可以達到100W/m2［24］.本研究對于商業(yè)化大城市的研究結(jié)果與他們在量級和數(shù)值上都非常接近.這幾個地區(qū)的人為熱排放年均值都遠遠超過同期全國年平均值，如上海地區(qū)的值基本是當年全國年均值的50倍，其2010年年均值高達14.46W/m2；而北京和天津年均值約為當年全國年均值的15倍，在2010年分別達到了3.71和4.47W/m2.陳兵等［15］研究得到2008年北京的人為熱排放為4.0W/m2，天津為5.1W/m2，河北為1.44W/m2，山東為2.16W/m2，上海為16.54W/m2，江蘇為2.32W/m2，浙江為1.60W/m2，廣東為1.40W/m2.本文中各省份人為熱的研究結(jié)果與其基本一致.

根據(jù)Flanner［12］的研究，當區(qū)域的人為熱通量超過3W/m2時，區(qū)域的年平均溫度會增加0.15℃，邊界層高度增加32m，可知上述省市的人為熱對地面年平均溫度和邊界層高度的影響會非常顯著，將對城市局地小氣候和空氣污染造成重要影響.江蘇、浙江、廣東、山東和河北這幾個經(jīng)濟大省年均值遠高于全國，但比北京、天津和上海要小，這主要是由于這幾個省份的人口密度和經(jīng)濟發(fā)展狀況高于全國但又低于高度發(fā)達的城市，由此可知，人為熱污染對城市的影響更加顯著.

3 結(jié)論

3.1 中國的能源消費量總體變化趨勢是增長的，在2000年后增長速度加快；人為熱主要是由能源消費產(chǎn)生，與經(jīng)濟增長密切相關(guān)；全國平均的人為熱通量從1985年的0.09W/m2增長為2013年的0.38W/m2.按照這個趨勢，2025年全國平均的人為熱通量將達到0.61W/m2，2050年可以達到1.07W/m2.

3.2 中國的人為熱分布不均勻，具有明顯的地域特征：東部多，西部少；全國的人為熱通量的大值區(qū)主要在京津冀、長江三角洲和珠江三角洲等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，其次在以部分城市為中心的區(qū)域.近年來人為熱通量增長較大的地區(qū)也主要是這些經(jīng)濟發(fā)展速度快的地區(qū).在2010年，從北京到上海一線，年均值基本都高于1.5W/m2，部分地區(qū)超過2.5W/m2，上海已經(jīng)出現(xiàn)年均值大于100W/m2的區(qū)域，北京、天津的最大值也超過了50W/m2，人為熱污染對這些區(qū)域的影響顯著.

3.3 歷年來我國人為熱污染最嚴重的區(qū)域都在上海，其年平均值增長最高可達0.6W/m2/a，在2010年上海的最大值達到113.5W/m2.京津冀、長江三角洲、珠江三角洲地區(qū)的年均人為熱排放都遠遠超過同期全國的年平均值，上海地區(qū)2010年年均值高達14.46W/m2，是全國的50倍.人為熱污染與經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān)，對局地氣候和空氣質(zhì)量的影響不容忽視.

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Study on the distribution of anthropogenic heat flux over China.

XIE Min1，2，3*， ZHU Kuan-guang1， WANG Ti-jian1，3，F(xiàn)ENG Wen2， ZHU Xin-sheng4， CHEN Fei4， OUYANG Yan4， LIU Zhi-jun1（1.School of Atmospheric Science， Nanjing University， Nanjing 210023， China；2.Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province， Haikou 570203， China；3.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Climate Change，Nanjing 210023， China；4.Nanjing Institute of Environmental Sciences， Ministry of Environmental Protection， Nanjing 210042， China）. China Environment Science， 2015，35（3）：728～734

In this study， the temporal and spatial variations of anthropogenic heat flux over China as well as the relevant influence factors were investigated by using the province depended unregenerate energy consumption data from Chinese Statistical Yearbook and the gridding population data with a resolution of 2.5 min. The results show that the anthropogenic heat flux in China has been increased continually since 1985， especially in the period after 2000. The national average anthropogenic heat flux has been increased from 0.09 to 0.16 W/m2during the period between 1985 and 2000 while to 0.38W/m2till 2013. The spatial distributions of anthropogenic heat flux are similar to those of population and economy activities. High levels of the fluxes are mostly found in Central （Wuhan）， Northeast （Dalian， Shenyang， Changchun and Harbin）， East and South China， with a maximum annual mean value of 113.5W/m2in Shanghai in 2010， while the lower ones appear in Northwest and Southwest China except for Chengdu and Chongqing. The annual growth of anthropogenic heat flux in Shanghai can reach to 0.6W/m2. Our results might imply that the thermal pollution would get more serious with the rapid growth of the urbanization， which thereby would substantially result in regional climate change and air pollution.

anthropogenic heat；energy consumption；thermal pollution；climate forcing

X57

A

1000-6923（2015）03-0728-07

謝 旻（1978-），男，湖北黃岡人，副教授，博士，主要從事大氣環(huán)境與氣候變化相互作用、中小尺度空氣質(zhì)量模擬方面的研究.發(fā)表論文30余篇.

2014-07-14

國家973計劃項目（2010CB950704）；江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）項目（BK2011578）；國家自然科學基金項目（41475122）；海南省南海氣象防災減災重點實驗室開放基金項目（SCSF201401）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

* 責任作者， 副教授， minxie@nju.edu.cn