第1章 绪论
1.1 快速城市化进程
随着人类社会文明和经济的发展，城市逐渐兴起并成为人类活动比较集中的区域。城市化是指人口向城市或城市地带集中、乡村地区转变为城市地区的现象或过程，它既表现为非农产业和人口向原城市集聚，城市规模扩大，又表现为在非农产业和人口集聚的基础上形成新的城市，城市数量增加。在某种程度上，城市化既是人类进步必然要经过的过程，也是人类社会结构变革中的一个重要节点，只有经历了城市化才能真正地实现现代化的目标（杨秋各和曹雪芹，2019）。因此，城市化的速度和规模成为检验社会文明和生产力发达的重要标志之一。中国的城市化与美国的高科技被认为是深刻影响21世纪人类发展的两大主题。城市规模随人口的增加而迅速增大，2000年全球居住在城市里的人口比例为45%，到2014年这个比例达到了54%，预计到2050年将达到66%（Du et al.，2016）。
我国改革开放初期，工业化的迅速发展推动了中国经济开始高速发展。20世纪90年代中后期，在外向型工业化快速发展的同时，中国城市化也开始了其加速历程，并成为中国经济进一步发展的新动力（张平和刘霞辉，2011）。在工业化和城市化的带动下，中国经济保持了三十多年的高速增长，被称为“中国奇迹”。中国经济的发展进一步推动了城市化的快速发展，城市化率从1949年的10.6% 增长到2018年的59.58%，城镇常住人口增加了约7.7亿人，如此大规模的农村人口迁移到城市，在世界城市化发展历史上也是少见的经典案例（踪家峰和林宗建，2019）。
我国的城市化进程具有明显的阶段性特征，新中国成立以后至1978年城市化进程缓慢而曲折，城乡二元结构明显。这一时期，中国过度加快工业化的发展，特别是重工业的发展水平，城镇化的发展主要以工业化为特征。这一阶段的城市化特征是：城市人口快速增长，城市化的年均增长率为0.53%，略高于世界平均水平。城市化水平由1949年的10.6%增加到1978年的17.92%，30年间增加了7.32%，城市数量由1949年的136个增加到1978年的192个，30年间增加了56个（连倩倩和安乾，2018；踪家峰和林宗建，2019；杨秋各和曹雪芹，2019）。1978～2012年为我国城市化转型阶段，改革开放以来，原有的计划经济体制逐渐放开，商品经济快速发展，同时国家放松了对人口流动的管制，城市经济体制改革陆续展开，小城镇发展战略的实施、经济开发区的普遍建立以及乡镇企业的兴起，推动了城市化水平的高速发展。从1979年到1991年，全国共新增城市286个，相当于前30年增加数的4.7倍。到1991年末，城镇人口增加到31203万人，城市化率达到26.94%，比1978年提高了9个百分点。此后，城市化进程不断加快，2010年城市化水平达到了49.68%，城乡人口基本上持平。2012年以来为城市化新常态化阶段，十九大报告明确提出了实行乡村振兴战略，破除城乡二元结构，推进城乡一体化发展。国民经济和社会发展第十个五年计划中突出了城市化因素，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》首次将“城镇化与城市发展”列为主题，使中国城市化研究进入空前的繁荣时期。2015 年城市化率达到56.1%，城镇常住人口达到7.7亿人，2017年1000万人口以上城市达到7个，500万～1000万人城市达到9个，100万～500万人城市达到124个，50万～100万人城市达到138个，50万人以下城市达到380个（顾朝林等，2008；连倩倩和安乾，2018；踪家峰和林宗建，2019；杨秋各和曹雪芹，2019；郑毅，2020）。目前，我国城市化呈现出下面的特征。
1）城市化已经进入快速增长时期
中国城市化进程不断加快，20世纪80年代，中国的城市化率不超过20%，与世界发达国家相距甚远；90年代以后，超过25%；21世纪以来，中国的城市化率已超过50%。由此可见，中国城市化率不断提高，城市人口规模不断扩大。1949年中国城市化水平仅10.6%，1979～1996年，中国城市化水平由17.92%提高到30.48%，年均增长0.70个百分点，是前29年中国城市化速度的2.5倍，是世界同期城市化平均速度的2倍。1997～2006年，城市化水平年均增幅1.33%，是1979～1996年的2倍左右，城市化进入快速发展期（顾朝林等，2008）。
2）多层次城市体系正在形成
中国城市体系规模结构从城镇数量的分布看，呈宝塔形，结构基本合理。城镇人口数量的分布则呈葫芦形，两头粗中间细，大城市和小城市的人口数量偏多。在全国范围内已初步形成以大城市为中心，中小城市为骨干，小城镇为基础的多层次城市体系。
3）不同地区的城市化水平不同，城市群成为国家经济增长核心
我国幅员辽阔，不同地区的经济发展水平不尽相同。中国沿海和沿江地区，由于拥有多方面的地理优势和较好的经济基础，始终是中国城市分布最密集的地区，也是若干城市密集区形成、发展的主要地带，其城市化进程非常快。中部城市的经济发展水平有待提高，西部地区的城市化水平最低。城市群也在国内正在形成并发展。2006年，珠江三角洲、长江三角洲、环渤海湾地区三大城市密集区GDP分别占全国的11.34%、20.67%和10.34%，三大城市群GDP占全国的比重达42%以上（顾朝林等，2008；林雨滢，2019；孙倩，2020）。
研究表明，2016年有54%的世界人口被报告为城市居民，预计到2050年，全球城市居民将增长到68%（Du et al.，2016；Kousis and Pisello，2020；Guo et al.，2020；Yamak et al.，2021）；而越来越多城市人口的快速增加，使得世界范围内的城市化进程加快，从而引起了土地覆盖和土地利用的变化和一系列的环境问题，导致城市气候效应的增强（Morabito et al.，2016；Lu et al.，2020）。
1.2 全球气候变暖
近百年来，全球气候变暖已经成为毋庸置疑的事实。自1950年以来，气候系统观测到的许多变化是过去几十年甚至近千年以来史无前例的。IPCC（2014）第五次评估报告指出，1880～2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85℃（0.65～1.06℃），2003～2012年平均温度比1850～1900年平均温度上升了0.78℃，过去30年，每10年地表温度的增暖幅度高于1850年以来的任何时期。其间，陆地比海洋增温快，高纬度地区增温比中低纬度地区大，冬半年增温比夏半年明显。在北半球，1983～2012年是过去1400年来最热的30年，21世纪的第一个10年是最暖的10年。特别是1971～2010年海洋变暖所吸收热量占地球气候系统热能储量的90%以上，海洋上层（0～700m）已经变暖。具有高信度的是，在中世纪气候异常期（950～1250年）中的多个年代内一些区域的温暖程度与20世纪后期相当。几乎可以确定的是，自20世纪中叶以来，在全球范围内对流层已变暖（沈永平和王国亚，2013； Daba and You，2020）。全球变暖对全球生态系统的结构、功能和过程甚至世界各国的社会经济、政治外交等领域产生了并将继续产生重大影响。因此，全球变暖问题已成为各国政府、社会公众以及科学界共同关心的重大问题。
中国气候变暖趋势与全球及北半球基本一致，中国陆地区域的平均地表气温在1909～2011年上升幅度达到了1.2℃。特别是近50年中国平均气温变暖趋势达到了0.6～1.1℃/50a，升温速率可达0.25℃/10a， 大于北半球平均的升温速率（林学椿和于淑秋，2003；任国玉等，2005；赵宗慈等，2005；丁一汇等，2007；张学珍等，2020），可认为在近百年来，我国变暖趋势高于全球平均水平（Cao et al.，2017）。气候代用资料研究也表明，中国20世纪的变暖在近千年中属于明显的。气温变暖幅度在空间上是不均匀的，最显著的变暖发生在中国的西北部和东北部，中国北方地区气温升高幅度大于南方地区，青藏高原大于同纬度的亚热带区域，气温年方差总体呈现减小趋势，气温年内波动减缓（Chen et al.，2014；Cheng et al.，2019；赵东升等，2020）。相关研究表明，中国西北地区近50年平均气温呈极显著上升趋势，增幅达到0.427℃/10a，西北地区气温持续变暖、降水量总体增加趋势（刘维成等，2017；罗万琦等，2018；黄小燕等，2018；冯蜀青等，2019）。
全球气候变化的原因包括自然因素与人为因素两大类。目前，多数气候学家认为1850～1920年的变暖主要由太阳辐射的增加、火山活动的减少及气候系统内部因子的反馈引起；而导致近50年来变暖的主要影响因子则是人类活动，主要由于温室气体排放导致的温室效应增强有关，IPCC报告认为在过去的100多年里，尤其是最近50年中，人类活动引起大气中温室气体特别是CO2的浓度超出了过去40万年间的任何时期。
1.3 城市气候效应
伴随着城市化高速发展，城市成为人类活动最剧烈的区域，人口密集，下垫面变化很大，由于高度集中的经济活动、工业生产以及居民生活向城市大气中排放大量的温室气体、人为热量、人为水汽、烟尘、气溶胶等，再加上对下垫面的大幅度改造，这对城市气温、降水、湿度、日照、能见度和风等都有很大影响，使人类活动对大气的影响在城市中表现得最为突出。城市气候就是在区域气候的背景上，经过城市化后，在城市的特殊下垫面和城市人类活动的影响下而形成的一种局地气候（周淑贞和束炯，1994）。大量观测事实表明，城市的气候特征可归纳为五岛效应，即城市热岛效应、城市混浊岛效应、城市干岛效应、城市湿岛效应、城市雨岛效应（周淑贞，1988；刘晓英，2012），尤其热岛效应是现代城市气候最具代表性的特征之一（崔林林等，2018；陈炳杰等，2021），此外城市风速减少、多变。城市气候既受所属区域大气候背景的影响，又反映了城市化后人类活动所产生的影响（崔林丽等，2008；史军等，2009）。
自1818年，英国学者Howard发现伦敦市内的气温比郊区高后，各国学者在诸多城市进行了城市气候的观测研究。国内早在宋朝时，著名诗人陆游就有“城市尚余三伏热，秋光先到野人家”，描述了城市热岛效应这种现象。城市热岛效应是人类首次关注城市气候特征的开端，也是城市人类活动对气温影响最突出的特征，对城市热岛效应的研究也一直是城市气候研究乃至气候学研究的重要课题（Zsolt et al.，2005）。2005年，国家环境保护总局曾在《中国的城市环境保护》报告中列举了城市环保工作面临的三大新问题，其中，由城市生态失衡加重导致的“热岛效应”榜上有名。近年来全国各大城市气温持续走高，尤其在夏季，几乎所有的大城市都有高温橙色警报的发布，其主要原因之一就是城市热岛效应的增强。国内外大量的研究结果表明，世界上所有城市，无论规模大小、纬度高低，是位于沿海还是内陆以及地形、环境如何，均存在城市气候效应。城市热环境作为城市空间环境在热力场中的综合表现，是包括空气温度、空气湿度、太阳辐射、气流速度等诸项因素组成的与人们身体健康、工作效率直接相关的物理环境条件（柳孝图等，1997）。通过对城市热环境的研究可以揭示城市空间结构、城市规模的发展变化，有助于引导城市可持续发展，提高人居环境质量。城市气候效应对全球变暖的贡献问题已经引起广泛关注，对城市化气候效应的研究也已成为当今气候、生态、环境领域研究的新热点。
随着城市规模不断扩大、人口不断增长、人类活动加剧、城市的生产活动和特殊地面结构共同作用于大气，使大气边界层的特性发生变化，导致城市出现气温、湿度、降水、风速和气压等气候要素的变化，城市气候要素的改变，对城市环境质量、工业生产和居民生活产生很大的负面影响，对人类的生产生活产生了一系列危害，这些危害表
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