王業(yè)寧,陳婷婷,孫然好

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北京主城區(qū)人為熱排放的時(shí)空特征研究

王業(yè)寧1,2,陳婷婷1,3,孫然好1*

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230022)

利用源清單法對(duì)北京主城區(qū)的人為熱進(jìn)行研究,得出不同熱源排放總量與時(shí)空特征并進(jìn)行小區(qū)驗(yàn)證.結(jié)果表明:主城區(qū)的人為熱年排放總量為1.11×1018J/a,為太陽輻射總量的8.1%,其中建筑排熱占人為熱排放的45.3%,交通和工業(yè)部分分別占30.1%、20.2%;人為排熱總量最大的為朝陽和海淀區(qū),占主城區(qū)總量的52.2%,最少的東城和大興區(qū)均占7.7%;主城區(qū)平均排放強(qiáng)度為14.55W/m2,最大為西城區(qū)82.30W/m2,大興區(qū)僅為2.61W/m2;人為熱排放高值區(qū)多集中于北二環(huán)與北四環(huán)內(nèi),約為60~100W/m2,少數(shù)街道和地區(qū)排熱在150W/m2以上,最高排熱強(qiáng)度272~376W/m2為北京CBD區(qū),人為熱結(jié)果與遙感反演的地表溫度有一定的正相關(guān)關(guān)系;交通排熱的月變化不顯著,日變化系數(shù)在09:00、18:00左右較高,建筑排熱在不同季節(jié)不同時(shí)刻均有明顯差別,出現(xiàn)”雙峰”現(xiàn)象,同人們作息規(guī)律相一致.

北京主城區(qū)；人為熱；交通排熱；建筑排熱；時(shí)空變化

人為排熱顯著改變了城市的熱環(huán)境,氣候背景和城市規(guī)模等原因致使不同城市、不同時(shí)間的排熱對(duì)熱環(huán)境的作用也各不相同[1-2].北京的人為排熱對(duì)其城市熱島的貢獻(xiàn)越來越大,研究表明北京人為熱可致白天增溫約0.5℃,夜晚達(dá)1~3℃[3].

國內(nèi)外對(duì)不同尺度上人為熱的計(jì)算已有大量研究.Flanner[4]用能耗和2.5￠′2.5￠的人口數(shù)據(jù)得到全球人為熱通量為0.028W/m2,而美國和西歐分別為0.39,0.68W/m2.石廣玉等[5]得出2008年全球年均人為熱僅0.031W/m2,但預(yù)測(cè)2030年可增至0.30W/m2.陸燕等[6]、謝旻等[7]利用能耗與人口數(shù)據(jù)對(duì)我國長(zhǎng)三角及全國的人為熱特征進(jìn)行研究,表明區(qū)域尺度上的人為排熱極具異質(zhì)性.Quah等[8]利用車流量、建筑能耗和人口密度數(shù)據(jù)計(jì)算新加坡不同功能區(qū)的人為熱,表明商業(yè)區(qū)時(shí)均熱通量最高為113W/m2,高、低密度居民區(qū)僅為17,13W/m2,且最大的貢獻(xiàn)源建筑排熱在工作日占49%~82%,非工作日為46%~ 81%.Nie等[9]對(duì)清華園區(qū)的人為排熱進(jìn)行時(shí)空特征研究,模擬結(jié)果表明冬季建筑排熱可高達(dá)221W/m2.在城市尺度上,Lee等[10]研究得到首爾、仁川、京畿道的人為熱通量分別為55,53, 28W/m2,且冬季排熱均比夏季高.Sailor等[11]基于人口密度提出了針對(duì)美國各大城市人為熱的計(jì)算通式,并用6個(gè)城市為例得出夏季最高人為熱為60W/m2,冬季為75W/m2.我國城市尺度上的人為熱研究起步較晚,佟華等[3]對(duì)北京市區(qū)冬季的人為熱進(jìn)行估算,結(jié)果表明7:00市中心平均強(qiáng)度為100~200W/m2,郊區(qū)僅為50~60W/m2. Ichinose等[12]、Hamilton等[13]、馬盼盼等[14]引入土地利用數(shù)據(jù)、DMSP/OLS 遙感夜燈數(shù)據(jù)等分別計(jì)算東京、倫敦、浙江各縣市的人為熱,發(fā)現(xiàn)其時(shí)空異質(zhì)性更強(qiáng),如冬季早晨的東京排熱可達(dá)1590W/m2.

針對(duì)北京的氣候環(huán)境研究非常廣泛,但多數(shù)并未考慮人為熱排放或僅將其作一常量引入模型,降低了模擬結(jié)論的準(zhǔn)確性與可靠性,為更精確地模擬該城市的氣候變化,城市尺度上人為熱的排放特征亟待研究清楚.本文基于能源、人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)等統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù),利用源清單法詳細(xì)計(jì)算北京主城區(qū)的人為熱,給出不同熱源排放總量及其時(shí)空特征,以期為構(gòu)建城市景觀優(yōu)化模型給予基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,探索人為熱對(duì)城市熱環(huán)境的影響機(jī)理.

1 研究區(qū)概況

北京位于115.7°~117.4°E,39.4°~41.6°N,地形西北高、東南低,平均海拔為43.5m.北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促.全年降水的80%集中在6~8月,太陽輻射量年均為112~136kcal/cm2,年均日照時(shí)數(shù)為2000~2800h[15].

2013年北京消耗7.68′107噸標(biāo)準(zhǔn)煤(tce),而主城區(qū)占據(jù)近一半的能耗量,如朝陽區(qū)[16]全年總能源消費(fèi)量達(dá)1.11′107tce,海淀區(qū)[17]則為8.20′106tce,東城區(qū)[18]也達(dá)到2.89′106tce.其中原油、天然氣100%外調(diào),且煤炭、汽柴油也主要依靠外部輸送[19],根據(jù)《北京市進(jìn)一步促進(jìn)能源清潔高效安全發(fā)展的實(shí)施意見》,2020年能源消費(fèi)總量控制在8.8′107tce,其中優(yōu)質(zhì)能源比重提至92%左右,煤炭消費(fèi)控制在9′106t以內(nèi),新能源和可再生能源比重提至8%左右[20].雖然能源結(jié)構(gòu)有所優(yōu)化調(diào)整,但終端消費(fèi)不可避免地產(chǎn)生廢熱排放至大氣中.

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

人為熱的計(jì)算方法分為3種:源清單法、能量平衡方程法、建筑模型模擬法[1].對(duì)于城市尺度尤其是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏的區(qū)域,精細(xì)尺度的能耗數(shù)據(jù)難以完整地搜集且調(diào)研成本極高,通常采用自上而下的源清單法結(jié)合一定分配原則進(jìn)行估算.本文將人為熱分為人體新陳代謝、工業(yè)、交通和建筑排熱4部分,建筑排熱又細(xì)化為居民、商業(yè)兩類,首先計(jì)算各轄區(qū)內(nèi)不同熱源的年排放總量.其中最基本的兩個(gè)假定為:?所有能耗均轉(zhuǎn)換為顯熱且直接排放至大氣中;?排熱平均分布于研究區(qū)域內(nèi),不考慮外源釋放影響臨近的計(jì)算單元.本文主要數(shù)據(jù)來源于北京市及各轄區(qū)人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、能源等的統(tǒng)計(jì)年鑒和相關(guān)報(bào)告,如北京市統(tǒng)計(jì)年鑒(2012)、2013北京海淀統(tǒng)計(jì)年鑒、北京區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒2013、石景山區(qū)2013年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等,在計(jì)算人為熱時(shí)空特征時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取2012年.利用Grimmond[21]的方法結(jié)合各區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量估算交通排熱,新陳代謝部分用人口數(shù)據(jù)及代謝率計(jì)算,工業(yè)取第二產(chǎn)業(yè)中工業(yè)能耗數(shù)值,居民建筑按居民生活能耗分別計(jì)算,商業(yè)建筑則取其能耗余量以保證能量守恒,不同熱源及總?cè)藶闊嵩敿?xì)的計(jì)算公式如下:

式中:F為總?cè)藶闊?W/m2;M為新陳代謝排熱, W/m2;I為工業(yè)排熱,W/m2;V為交通排熱, W/m2;Br、Bc為居民、商業(yè)建筑排熱, W/m2;1、2為睡眠和活動(dòng)時(shí)的代謝率,W;1、2為睡眠和活動(dòng)的時(shí)段22:00~06:00,06:00~ 22:00,;為人口,萬人;為面積,m2;i、Br、Bc分別為工業(yè)、居民和商業(yè)建筑能耗,104tce;為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值, 29306kJ/kg;為1年;為機(jī)動(dòng)車保有量,輛;為每車年均行駛距離,km;FE為燃燒效率,L/hkm;為燃料密度,kg/L;NHC為凈排熱值,kJ/kg.

表1 北京主城區(qū)人口及各部門能耗量 Table 1 Population and energy consumption in Beijing

表1為各轄區(qū)、各部門的能源消費(fèi)量及其人口數(shù)據(jù),已將各類能源按熱值折算成標(biāo)準(zhǔn)煤以便于比較和計(jì)算.上述計(jì)算公式各參數(shù)取值均采用其對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)或標(biāo)準(zhǔn)中的平均值或中位數(shù),即可得到不同熱源在轄區(qū)尺度上的年均排熱強(qiáng)度,在長(zhǎng)時(shí)間序列上其合理性較高,真實(shí)的能源消耗與熱值排放之間的滯后時(shí)間可忽略,即本文同其他研究[8-9,22]一樣,假設(shè)耗能瞬時(shí)排放至大氣環(huán)境中.

針對(duì)北京主城區(qū)人為熱在街道尺度上的空間分布,根據(jù)Ziock等[23]和陳兵等[24]分析能耗與GDP呈線性關(guān)系的結(jié)論,以2012年為基準(zhǔn)年,選取街道為最小行政單元,對(duì)工業(yè)、交通及商業(yè)建筑排熱量按其GDP數(shù)據(jù),人類新陳代謝和居民建筑排熱按其人口密度分別進(jìn)行分配,利用ArcGIS空間分析功能可得出街道尺度上不同熱源的年均排熱強(qiáng)度空間分布.

由于人類活動(dòng)的復(fù)雜性,收集各街道每天每時(shí)的排熱量數(shù)據(jù)不切實(shí)際,因此本文主要利用UTHSCSA Image Tool軟件提取其他文獻(xiàn)結(jié)論結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)對(duì)不同熱源的時(shí)間變化進(jìn)行分析.人體新陳代謝散熱強(qiáng)度因年齡、活動(dòng)量不同而有所區(qū)別,無法準(zhǔn)確獲得排放規(guī)律,參考Quah等[8]假定僅有日變化且”活動(dòng)”和”睡眠”時(shí)為定值;假設(shè)交通排熱與車流變化規(guī)律保持一致,獲取北京市交通委員會(huì)發(fā)布的交通指數(shù)數(shù)據(jù)與主要道路車流量調(diào)研資料,分別探討車輛排熱的月、日變化情況;根據(jù)能耗與氣象數(shù)據(jù)的關(guān)系[25-26],借鑒Sailor[27]的方法結(jié)合DeST (Designer's Simulation Toolkit)軟件的人員作息情況,該軟件是基于"分階段模擬"針對(duì)建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的平臺(tái),根據(jù)室外氣象條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況,利用三維動(dòng)態(tài)傳熱算法預(yù)測(cè)其按維持室內(nèi)假定溫度下的能量得失情況,反映其建筑冷熱負(fù)荷以表征排熱強(qiáng)度.其模擬計(jì)算過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程,后一時(shí)刻室內(nèi)溫度、冷熱負(fù)荷以及供暖空調(diào)設(shè)備的耗電量受前一時(shí)刻的影響,可根據(jù)輸入的建筑結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、空調(diào)系統(tǒng)布置形式、室內(nèi)人員活動(dòng)規(guī)律、照明設(shè)備和室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度值等,計(jì)算出該建筑全年時(shí)變化的動(dòng)態(tài)能耗.同時(shí)參考其他研究如佟華[3]、Quah[8]、Nie[9]等,探討建筑排熱其月、日變化系數(shù).疊加上述各熱源即可得到總?cè)藶闊岬臅r(shí)間演變模式. 最后為說明該結(jié)果是否可應(yīng)用于氣候模型,選取中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心科研園區(qū)2015年7~8月的能耗資料實(shí)地驗(yàn)證本文方法的可行性與適用性.

3 結(jié)果與分析

3.1 人為熱排放總量及平均強(qiáng)度的空間特征

對(duì)北京主城區(qū)7個(gè)轄區(qū)不同熱源的總量分別計(jì)算,結(jié)果見圖1.總體上,各區(qū)的年排熱總量為1.11′1018J,同陳曦等[28]研究結(jié)果相近,其中建筑排熱最多(5.02′1017J),占總量約45.3%,其次為交通、工業(yè)排熱部分,分別占據(jù)30.1%、20.2%,人體新陳代謝總量為4.91′1016J,僅占4.4%.各轄區(qū)的排熱總量相差較大,最多的為朝陽和海淀區(qū),占主城區(qū)總量的52.2%,最少的是東城和大興區(qū),兩者均占7.7%.

由圖1可知,主城區(qū)平均人為熱強(qiáng)度為14.55W/m2,約為陳兵等[24]研究結(jié)果的3.6倍,其原因是其研究區(qū)為北京整個(gè)行政區(qū)范圍,而本文則限定于主城7個(gè)轄區(qū),同佟華[3]只考慮五環(huán)區(qū)域的結(jié)論相近.各區(qū)平均排熱強(qiáng)度相差較大,最大為82.30W/m2,最小為2.61W/m2.西城和東城區(qū)的排熱強(qiáng)度(65~82W/m2)遠(yuǎn)高于其他區(qū),而大興區(qū)則低于平均值,同巴西圣保羅的結(jié)果[22]相近,法國圖盧茲[29]最高排熱區(qū)域的平均強(qiáng)度為43W/m2,仍低于本研究東城區(qū)、西城區(qū)的平均排熱強(qiáng)度.

各轄區(qū)不同熱源、不同街道的排熱強(qiáng)度也有所區(qū)別,利用人口數(shù)據(jù)分配新陳代謝和居民建筑排熱,用GDP指標(biāo)分配工業(yè)、交通和商業(yè)建筑排熱量.總體上看,四環(huán)內(nèi)街道的排熱強(qiáng)度較高,約為60~100W/m2,且多數(shù)處于東城區(qū)、西城區(qū),最高排熱強(qiáng)度272~376W/m2為建國門外和朝外街道,兩街道均為北京CBD區(qū)域.

圖2為不同熱源及總?cè)藶闊崮昃欧艔?qiáng)度的空間分布,5類熱源的空間特征不一致,但分布格局較類似.工業(yè)排熱主要集中于西城區(qū)、海淀區(qū)東南角和朝陽區(qū)高碑店街道附近,其他地區(qū)也有少數(shù)高值區(qū)分布,最大值為62.4W/m2,出現(xiàn)在朝陽區(qū)王四營地區(qū),朝外街道、東風(fēng)地區(qū)與大興多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)零值,表明該區(qū)域沒有工業(yè)排熱;人體新陳代謝、交通和建筑排熱主要分布于人口密度高的街道與地區(qū),其中北三環(huán)內(nèi)普遍偏高.在總?cè)藶闊釓?qiáng)度空間分布圖中可見東、西城區(qū)、海淀區(qū)、朝陽區(qū)的高值區(qū)已連成片,集中分布在二環(huán)至三環(huán)內(nèi),多數(shù)街道地區(qū)排熱可達(dá)60~130W/m2,最高值375.8W/m2在東二環(huán)至東三環(huán)內(nèi)的CBD區(qū)域;石景山區(qū)的排熱也較高,約為55~91W/m2,其中最高值90.6W/m2處于西五環(huán)處,其中工業(yè)排熱高達(dá)55.5W/m2.北京五環(huán)內(nèi)大部分街道和地區(qū)人為排熱強(qiáng)度為20~80W/m2,少數(shù)地區(qū)在150W/m2以上.本研究結(jié)果同NASA發(fā)布的1km′1km地表溫度空間格局較一致,表明粗分辨率下的人為熱對(duì)地表溫度有一定的正相關(guān)關(guān)系,同參考文獻(xiàn)[6,30]相似,但人為熱排放對(duì)局地溫度的定量關(guān)系尚需進(jìn)一步探討.

3.2 人為熱排放的時(shí)間演變特征

除了人為熱的空間分布,其時(shí)間演變規(guī)律對(duì)氣候環(huán)境的影響也非常重要.不同熱源的排放具有明顯的時(shí)間特征(圖3),圖中縱坐標(biāo)的變化系數(shù)代表各月排熱強(qiáng)度占全年(12 個(gè)月)的比例.交通車輛排熱的月變化并不顯著,基本上處于6%~ 10%,僅有9月的排熱系數(shù)較高,達(dá)到10.4%;建筑熱排放具有明顯的”雙峰”,冬季采暖與夏季制冷均會(huì)導(dǎo)致能源消費(fèi)激增,排熱強(qiáng)度較高. 總?cè)藶榕艧嵬ㄖ艧岬淖兓厔?shì)基本一致,呈冬夏”雙峰”曲線.

交通與建筑排熱在工作日與非工作日中有所差別,但因數(shù)據(jù)缺乏本文不考慮周變化.對(duì)于不同熱源的日變化,處理分配方式不同.人體新陳代謝產(chǎn)熱參考已有研究,工業(yè)廢熱排放與東京[12]的變化相似[3],交通車輛排熱情況利用清華大學(xué)空氣污染調(diào)研數(shù)據(jù)作為日變化系數(shù);根據(jù)DeST住宅與商建版本的人員作息情況,同時(shí)借鑒已有研究結(jié)論得出其日變化系數(shù)[8,31](圖4),與月變化系數(shù)相似,該系數(shù)表明每小時(shí)排熱強(qiáng)度占全天(24h)總量的比例.易知人體新陳代謝在白天的排熱強(qiáng)度約為夜間的2.5倍;工業(yè)排熱在工作時(shí)段明顯較高,約為夜間的6.6倍;交通排熱在白天較高,尤其是9:00、18:00左右,同早晚高峰時(shí)間段一致,而在夜晚排熱強(qiáng)度可低至白天的1/10;居民與商業(yè)建筑在冬、夏季的排熱特征明顯不同,但均是在白天高于夜晚,一般出現(xiàn)”雙峰”現(xiàn)象,符合人們作息規(guī)律.商業(yè)建筑在冬季白天工作時(shí)段內(nèi)排熱系數(shù)大且較平緩,而夏季的下午的排熱強(qiáng)度高出上午約一倍;居民建筑在冬季時(shí)明顯有兩個(gè)高峰,同炊事活動(dòng)相關(guān),在夏季則呈鋸齒狀波動(dòng),沒有明顯的峰值.總?cè)藶闊岬娜兆兓禂?shù)在8:00和18:00左右出現(xiàn)高峰,白天其他時(shí)段變化較平緩,夜晚排熱系數(shù)降為0.02以下.

3.3 總?cè)藶闊崤c入射太陽輻射的對(duì)比

為評(píng)估人為排熱對(duì)城市能量平衡的影響程度,將總?cè)藶闊嵬琋ASA網(wǎng)站發(fā)布的北京每月太陽輻射平均值對(duì)比分析.北京主城區(qū)全年總輻射量為1.37×1019J,約為人為熱總量的10倍,且七月的太陽輻射強(qiáng)度是一月的1.8倍.一月和七月的平均人為熱強(qiáng)度分別為17.28W/m2、16.34W/m2,為太陽輻射平均強(qiáng)度的14.9%、7.6%,夏季結(jié)果同Hamilton等[13]的結(jié)論相似.冬、夏季的人為熱強(qiáng)度與空間格局基本沒有差別,年均或月均排熱強(qiáng)度約為太陽輻射平均強(qiáng)度的10%,但少數(shù)街道和地區(qū)的排熱強(qiáng)度仍高于太陽輻射強(qiáng)度,二環(huán)至三環(huán)之間達(dá)60~150W/m2,個(gè)別地區(qū)超過400W/m2.

由此可見,人為熱已成為地表能量平衡的重要組分,尤其是冬季,人為熱可能產(chǎn)生重大影響,在數(shù)值模擬中不能忽略.由于數(shù)據(jù)的缺失,本文僅對(duì)月均值進(jìn)行對(duì)比,日均或小時(shí)尺度上需進(jìn)一步探討.

3.4 小區(qū)驗(yàn)證

采集中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心2015年7~8月及年總用電量數(shù)據(jù),驗(yàn)證街道尺度上利用人口、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)對(duì)其人為排熱進(jìn)行分配的合理性.假定此時(shí)期為空調(diào)季,其他月份為非空調(diào)季,得出空調(diào)用電占年總用電量的37.3%,同其他調(diào)查或報(bào)道[26,32-34]相吻合.取08:00時(shí)至次日08:00時(shí)為當(dāng)天的耗電量,空調(diào)COP設(shè)為3.0,則建筑排熱約為43.9W/m2;生態(tài)環(huán)境研究中心2014年底在職職工432人,在讀研究生與博士后共867人,新陳代謝排熱約為3.7W/m2;研究中心所處科研園區(qū)少有車輛駛?cè)?在此不計(jì)交通排熱;因此,7~8月的平均人為熱強(qiáng)度為44.7W/m2,同生態(tài)環(huán)境研究中心所在的學(xué)院路街道的估算結(jié)果(45.4W/m2)相差很小,周日大多為低值而周變化并不明顯,日均排熱為40~60W/m2;該小區(qū)年均排熱強(qiáng)度34.1W/m2比學(xué)院路街道低13.3%.根據(jù)已有數(shù)據(jù),每天8:00~20:00的小時(shí)變化不明顯,夜間用電量較白天低,與上述居民、商業(yè)建筑排熱變化均有不同,但在排熱量值上符合學(xué)院路街道的估算結(jié)果.該小區(qū)為科研園區(qū),工作模式很特殊,沒有明顯的晝夜差異,考慮到北京的科研場(chǎng)所較多,該結(jié)論仍可作人為熱估算的有利參考.證明我們利用人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)計(jì)算人為熱方法的合理性,這對(duì)研究人為熱與局地溫度的影響具較高的應(yīng)用潛力.

3.5 討論

本文選取市轄區(qū)與街道為計(jì)算單元,將數(shù)據(jù)直接分配至行政區(qū),可針對(duì)性地提出有效措施以改善人居熱環(huán)境.本文采用的方法易推廣至其他城市,其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與調(diào)研資料可相互對(duì)比驗(yàn)證;對(duì)于面積較大的街道和地區(qū)內(nèi)的熱狀況,由于缺乏更詳細(xì)的有效數(shù)據(jù),其空間分配僅依據(jù)人口、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),不確定性較大,需引入城市三維結(jié)構(gòu)如道路、建筑等資料以提高其計(jì)算精度,而針對(duì)人為熱計(jì)算的基本假定尚未解決如風(fēng)速等影響不同單元準(zhǔn)確度的弊端,這一點(diǎn)仍需進(jìn)一步研究;不同熱源的時(shí)間變化系數(shù)僅反映普遍排放模式,而不同街道不同小區(qū)人們的生活方式?jīng)Q定了其排放特征的復(fù)雜性,甚至功能相同的建筑其能耗也存在較大的差異[35],所以我國亟待構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以深入探討城市精細(xì)尺度上人為熱的時(shí)空特征.

4 結(jié)論

4.1 北京主城區(qū)內(nèi)建筑排熱最高(5.02×1017J),其次為交通和工業(yè)部分.轄區(qū)內(nèi)年均排熱強(qiáng)度為14.55W/m2,高排熱值為東、西城區(qū)(82.30W/m2).

4.2 街道尺度的排熱空間上呈輻射狀分布,與其區(qū)域規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān),且人為熱強(qiáng)度同地表溫度在空間格局上較為一致.

4.3 時(shí)間演變上,建筑排熱在冬夏季出現(xiàn)”雙峰”而其他熱源則無明顯季節(jié)變化;交通排熱在通勤高峰時(shí)段較高而不同類型的建筑排熱日變化很復(fù)雜,與人們的工作、生活模式相關(guān).

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* 責(zé)任作者, 副研究員, rhsun@rcees.ac.cn

Assessing the spatiotemporal characteristics of anthropogenic heat in Beijing

WANG Ye-ning1,2, CHEN Ting-ting1,3, SUN Ran-hao1*

(1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.School of Life Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230022, China)., 2016,36(7)：2178~2185

Anthropogenic heat (AH) emission in Beijing was investigated using the inventory approach. We assessed the total amount of heat emissions and their spatiotemporal characteristics. Results showed that: the total amount of AH emissions in the main zones was 1.11′1018J/a, accounting for 8.1% of the amount of solar radiation. Building sector contributed to 45.3% of heat emissions, followed by transportation and industrial sectors in the proportion of 30.1%, 20.2%, respectively. The largest amounts of AH emission were located in Chaoyang and Haidian district, accounting for 52.2% of the main zones. The least amount of AH emission was located in Dongcheng and Daxing district (7.7%). The average AH flux of the main zones was 14.55W/m2, a maximum (82.30W/m2) in Xicheng and only 2.61W/m2in Daxing. High values of AH flux (60~100W/m2) were concentrated between the northern 4thring-road and 2ndring-road. The highest AH intensity (272~376W/m2) was located in CBD of Beijing. The positive correlation between the AH fluxes and land surface temperature was quantified to reveal the impact of AH in Beijing. We found that there had no significant variations in monthly transportation AH and the diurnal peaks of transportation AH were at 9:00 and 18:00. The AH of building sectors varied in different seasons and different times, exhibiting the ‘double peak’ in a day.

main urban zone in Beijing；anthropogenic heat；transportation heat emission；building heat emission；spatiotemporal variations

X51

A

1000-6923(2016)07-2178-08

王業(yè)寧(1990-),男,河南新鄉(xiāng)人,中國科學(xué)院生態(tài)中心碩士研究生,主要從事城市人為熱及其對(duì)局地溫度的影響研究.

2015-12-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471150;41230633)