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城市热岛

城市热岛 (英语：Urban heat island，UHI) 指的是那些城市区域，由于人类活动的缘故，让其温度明显比周边的农村地区为高。两者间的夜间温度差距通常会高于日间的，[1]碰到风力微弱的时候会更为明显。UHI现象在夏季和冬季期间最为明显。造成UHI效应的主要原因是地表受到人类改变的结果。[2][3]一项研究显示UHI会因靠近不同的地表而受到不同的影响，因此靠近荒地（英语：barren vegetation）会让城市区域变得更热，而靠近植被覆盖的土地会让城市区域变得较为凉爽。[4]使用能源而产生的废热是导致此种现象的次要原因。[5]随着人口中心增长，受影响的区域往往会扩大，而导致的平均温度也更高。另有热岛（英语：heat island）的名称，用于指代比周围环境相对较热的区域，但通常指的是受到人类活动干扰的区域。[6]

意大利大城市米兰的建物密集，又缺乏绿地，会产生明显的城市热岛效应。

城市下风处的月降雨量较大，也部分是由UHI效应造成。城市中心的热度把植物的生长季节（英语：growing season）延长，并减少小型龙卷风发生的机会。UHI会增加污染物（例如臭氧）的产生而造成空气污染，而温暖的水进入区域中的溪流，会对其中生态系统造成压力，产生水污染。

并非所有城市都有明显的UHI现象，这种特征在很大程度上取决于城市所在地区的气候背景。[7]城市内受到的影响会因环境条件不同而有很大差异。树木和绿色空间可减少热量，它们提供遮荫并促进湿气蒸发的冷却效果。[8]其他降低气温的做法包括有绿化屋顶、采用被动式日间辐射冷却（英语：Passive daytime radiative cooling）技术，以及在城市地区使用浅色表面（参见反射表面（英语：Reflective surfaces (climate engineering)））和吸热性较低的建筑材料，用来反射更多的阳光，吸收更少的热量。 [9][10][11]

气候变化不是导致UHI效应的原因，但会引起更频繁、更强烈的热浪，进而加剧城市的UHI效应。[12]:993拥挤、密集的城市建筑物会加剧这种效应，导致更高的温度和更频繁的此类现象。 [13]

描述

 
城市热岛效应会让城区内温度比邻近郊区为高。

定义

 
日本关东地方几个大城市（包括东京）都有明显的城市热岛效应，夏季温度在21世纪初开始快速上升。

UHI的定义是：“较周围农村地区具有较高气温的城市区域。”[14]:2926这种相对热度是由“土地利用、建成环境的配置和设计（包括街道布局和建筑规模、建筑材料的吸热性能）、通风减少、绿化和水景减少，以及由家庭和工业直接产生的热排放，共同造成的热量捕获结果”。[14]:2926

昼夜性变化

 
城市中有热岛效应，夜间与邻近郊区会有较大的温差表现，但效果会随城市所处位置和地形而有差异。

对大多数城市来说，与周边农村地区之间温差最大的时候是在夜间，尤其是在冬季。[15][16]两个地区之间的典型温差可达摄氏温标数度。天气报告中经常提到的内城与其周边郊区之间的温差如“市中心68°F（20°C），郊区64°F（18°C）”。美国两区的白日温差在0.6–3.9°C (1–7°F) 之间，而夜间温差在1.1–2.8°C (2–5°F) 之间。对于较大的城市和空气湿度高的地区，差异会更大。[17][18]

虽然UHI在夜间通常有明显较高的气温（称为大气UHI温度(atmospheric urban heat island，AUHI )） ，但在UHI内的表面温度（称为表面UHI温度(surface urban heat island，SUHI ）)会表现显著而且有些矛盾的现象。[19][20]

在整个白天，特别是当天空万里无云时，城市表面因吸收太阳辐射而变暖。城市地区的地表往往比周围农村的暖得快。凭借城市本身的高热容量，城市表面充当巨大的热能储存库。例如混凝土可容纳的热量大约是同等体积空气的2,000倍，因此通过人造卫星热遥感测，很容易看到UHI内白天较高的地表温度。[21]在白天变暖过程中，会在城市边界层内产生大气对流。理论上，由于大气混合的结果，UHI内的气温扰动在白天通常是最小，或是不存在，但地表温度可达到极高的水平。[22]

到晚上，情况逆转。因没太阳能加热而产生大气对流，城市边界层相对稳定。当稳定时，就会形成逆温层，而把城市空气困在地表附近，并让仍然有热量的城市表面持续为地表空气加温，让UHI内夜间仍有较高的温度。除城市地区具有的保温特性外，城市内的夜间温差最大值也可能是由于冷却过程中经“天空视野”的阻挡而造成：城市表面在夜间主要是透过辐射到相对凉爽的天空而失去热量，却被市区的建筑物阻挡。当风速低且天空万里无云时，城市内的热量无法被风带走，此时与周围农村地区的温差最大。[23][24]

季节性变化

UHI温差通常不仅在夜间比白天大，而且在冬季也比夏季大。[25]在积雪常见的地区尤其如此，因为城市的积雪时间往往比周围的农村地区为短（城市的绝缘能力较高，以及会铲雪的缘故），城市的反照率因而会减少，而放大变暖的效果。农村地区有较高的风速，尤其是在冬季，也让农村地区比城市地区会有较低温度的作用。雨季和旱季明显的地区在旱季会表现出更大的城市热岛效应。[26]

模型与模拟

如果一个城市或城镇有良好的天气观测系统，可直接测量UHI。[27]另一种方法是使用复杂的位置模拟来计算UHI，或是使用近似的经验法则。[28][29]此类模型可把气候变化，加计UHI因素，而用来估计城市气温升高的程度。

美国学者Leonard O. Myrup于1969年发表第一个综合数值模型来预测城市热岛 (UHI) 的影响。[30]热岛效应是几个相互间有竞争关系的物理过程所产生的结果。一般而言，城市中心的蒸发量减少以及城市建筑和道路材料的热性能是导致这种现象的主要引素。[30]

成因

 
高耸建筑密集的大城市案例：黄昏时的纽约市曼哈顿。
 
以红外线热成像法（英语：Thermography）拍摄的纽约市卫星相片（上图）与一般卫星相片（下图）比较，显示有植被处的温度会较低。
参见：热浪

导致UHI的成因有数种，例如深色表面会吸收更多的太阳辐射，由于城市中有众多的道路和建筑物聚集，在白天比郊区和农村地区会受热更多；[2]城市地区常用于构筑人行道和屋顶的材料，例如混凝土和沥青, 与周围的农村地区相比会有显著不同的热体积特性（包括热容量和热导率）和表面辐射特性（反照率和发射率）。这情况导致城市地区的能量收支发生变化，通常的结果就是比周边农村地区有更高的温度。[31]

另一个重要原因是城市地区缺乏蒸发散（例如缺乏植被的结果）。[24]美国国家森林局在2018报告，该国城市每年少掉3,600万棵树。[32]城市因植被面积减少，除失去树木的遮荫之外，也失去其蒸发散功能而产生的冷却效果。[33][34]

产生UHI的其他原因是几何（位置、形状和面积等）效应。许多城市地区的高层建筑，增加数量庞大的反射和吸收阳光的表面，会提高城市地区的暖化效率。此现象被称为“都市峡谷效应”。建筑物的另一个作用是会挡风，也抑制会产生冷却效果的大气对流，并阻止污染物被吹散的机会。来自汽车、空气调节、工业和其他来源的废热也对UHI推波助澜。 [5][35][36]

城市地区的高污染水平，也因其中许多成分会改变大气的辐射特性，而促进UHI发生。[31]UHI不仅会提高城市温度，还会增加臭氧浓度，臭氧是种温室气体，它会随着温度的升高而加速形成。[37]

气候变化的放大效果

更多信息：气候变化与城市和气候变化调适

气候变化并非造成UHI效应的原因，但有放大此效应的能力。联合国的2022年IPCC第六次评估报告（英语：IPCC Sixth Assessment Report）总结已有的研究结果说：“气候变化增加城市的热负荷风险 [...]并且放大跨亚洲城市的温度，达到增加1.5°C或2°C的程度，这种增温均高于目前的全球暖化平均值 [...]。”[[38]:66报告接着说：“在一个暖化的世界里，气温升高导致城市的UHI效应更为严重。一个主要风险是未来全球城市人口中的一半会受到城市热浪的影响，对人类健康和生产力均会造成危害。[12]:993

热量与建成的基础设施之间存在有害的相互作用：增加城市居民受热负荷侵害的风险。[12]:993

影响

 
另一处城市化的案例：迪拜。

于天气和气候

UHI除会影响温度之外，还会对当地气象产生附带影响，包括改变当地的风型、云和雾的形成、湿度和降水率。[39]UHI产生的额外热量会导致更大的气流向上运动，而引发额外的阵雨和雷暴活动。此外UHI在白天创造一个局部低压区，吸引周围农村环境相对潮湿的空气向其汇聚，而为云的形成提供更有利的条件。[40]城市下风向的降水率因此会增加48%到116%。城市下风向介于20英里（32公里）至40英里（64公里）之间的地区与上风向地区相比，月降雨量会收变暖的影响而增加约28%。[41]一些城市的总降水量会增加51%。[42]

一项研究的结论是受UHI影响而改变气候的区域，比城市自身区域大2-4倍。[43]在1999年所做的一项城乡比较显示，UHI效应对全球平均温度趋势的影响很小。[44]而另有人认为UHI效应会透过影响高速气流而影响全球气候。[45]

于人类健康

参见：热病和[[:气候变化对人类健康的影响]]
 
美国乔治亚州首府亚特兰大，图中蓝色部分是凉爽地区、红色是温暖地区，而白色则是高热地区。

UHI效应有可能会直接影响城市居民的健康和福祉。UHI的特点是升高温度，它们会增加城市内热浪的强度和持续时间。这种变暖会让暴露在极端温度下的人数增加。.[46]UHI的夜间效应在热浪期间尤其有害，因城市居民无法在夜间享受如农村地区的凉爽感觉。[47]

据报导，温度升高会导致热病，例如中暑、热衰竭、热晕厥（英语：heat syncope）和热痉挛。[48]

高UHI强度与夜间空气污染物浓度增加有关联，而会影响第二天的空气质量。 [49]污染物包括有挥发性有机物、一氧化碳、氮氧化合物和悬浮微粒。[50]这些污染物的生成加上较高的温度可加速臭氧形成。[49]地表臭氧被认为是种有害污染物。[49]研究显示因UHI而温度升高，会增加污染的日数，但也确定其他因素（例如气压、云量、风速）也会对污染造成影响。[49]

针对香港所做的研究发现，城市室外空气流通较差的地区与通风良好的地区相比，往往具有更强的UHI效应，[51]居民全因死亡率[52]也会明显更高。

于水体与水生生物

UHI还会损害水质。雨水从温热的路面和屋顶表面把热量携带进入雨水管道，然后进入小溪、河流、池塘和湖泊，提高该处的水温。城市中水体的温度升高会导致水中生物多样性下降。[53]例如在2001年8月，爱荷华州锡达拉皮兹的降雨导致附近溪流在一小时内上升10.5°C（18.9°F），而发生大量鱼类死亡（英语：fish kill）事件。应该是雨水把路面的余热带入溪流所造成。类似事件在美国中西部，以及俄勒冈州和加利福尼亚州均发生过。[54]快速的温度变化会对水生生态系统造成压力。[55]

由于建筑物的温度有时会与周围近地表气温相差超过50°F (28°C)，降水会迅速受其影响而升温，而产生的径流进入附近的溪流、湖泊和河流（或其他水体） ) 会形成热污染。这种污染有时可让水温升高20至30°F（11至17°C），导致栖息在水体中的鱼类遭受热应力和冲击。[56]

透水性铺面可让水从路面渗入地下储存设施来降低这些影响，而在这些设施的水分可经吸收和蒸发而消散。[57]

于动物

擅长移居的物种可利用UHI提供的条件在其通常居住范围之外的城市繁衍生息。案例有灰头狐蝠和疣尾蝎虎。[58]在澳大利亚墨尔本，因当地气温升高而有灰头狐蝠来此定居。气温升高，导致冬季气候变暖，让墨尔本的气候与该物种在更偏北的荒地栖息地更为相似。

在温带气候区，UHI效应会延长生长季节，改变栖息物种的繁殖策略。[59]

UHI效应改变自然选择过程。[59]选择压力如食物、捕食和水的时间变化等得以缓解，而产生一组新的选择压力。例如在城市栖息地内，昆虫比农村地区更为丰富。昆虫是变温动物，依靠环境温度来控制体温，而城市温暖的气候非常适合它们茁壮成长。在北卡罗来纳州罗里对一种学名为Parthenolecanium quercifex的介壳虫进行的研究显示，这种特殊物种更喜欢温暖的气候，因此在城市橡树上的数量要多过在农村的。随着时间的推移，它们已经适应温暖的城市气候。[60]

于冷却所需的能源

UHI效应产生的另一个后果是在相对炎热的城市中，空调和制冷所需的能源会增加。UHI效应每年让洛杉矶要多花费约1亿美元的能源（2000年）。[61]芝加哥、盐湖城和多伦多等北部地区城市透过降低这类效应的做法，每年可节省大量能源。[62]

美国每年有15%的能源用于应对这些城市热岛中建筑物的空调之用。一篇在1998年发表的报导说，“空调需求在过去40年内增长10%”。[63]家庭和企业主均可从建设凉爽的社区受益。

减少热岛效应的做法

 
芝加哥市政厅的绿化屋顶。
 
纽约市的中央公园，可以减少城市热岛效应。
外部视频链接
 
  “重新思考城市在极端高温下的处境”（影片）, Knowable Magazine（英语：Knowable Magazine）, 2022年。

减少城市过热的策略有：植树、采用建物反射表面和浅色混凝土、建设绿色基础设施（英语：green infrastructure）（包括绿化屋顶）、和运用被动式日间辐射冷却技术。

城市地区与周边郊区或农村地区之间的温差可高达5°C (9.0°F)。有近40%的增长是由于城市内普遍采用深色屋顶，其余来自深色路面，还有植被减少。使用白色或反光材料以建造房屋、屋顶、人行道和道路，可增加城市的整体反照率，而可稍微抵消UHI效应。[64]

城市植树

主条目：城市森林（英语：urban forest）和城市森林管理（英语：urban forestry）

在城市普遍植树是增加反照率和降低UHI效应的方式之一。落叶植物可提供许多好处，例如在夏天能提供更多遮荫，而在冬天不会阻隔温度。[65]树木是对抗大多数UHI效应的必要因素，它们可将气温降低10°F（5.6°C），[66]而把地表温度降低高达20-45°F（11-25°C） 。[67]

白色屋顶和浅色混凝土

主条目：反射表面（气候工程）（英语：Reflective surfaces (climate engineering)）

把屋顶漆成白色已成为减少UHI效应的常用策略。[68]目前的城市中有许多深色表面，会降低城市的反照率，并吸收太阳热量。[68]白色屋顶可提高太阳反射率和辐射率，增加城市或区域的反照率，有明显效果。[68]

相对而言，把深色屋顶换掉，仅用到最少的成本就可获得立即回报。由聚氯乙烯等反光材料制成屋顶可反射至少75%的太阳光线，并反射至少70%会被建筑结构吸收的太阳辐射。相较之下，沥青组合屋顶 (BUR)仅能反射6%到26%的太阳辐射。[69] 使用浅色混凝土被证明可有效反射比沥青多50%的光线，并降低环境温度。[70]黑色沥青具有低反照率的特征，会吸收大量的太阳热量，而产生更暖的近地表温度。使用浅色混凝土替代沥青铺路，可把社区平均温度降低。[71]但针对反照路面和建筑物之间相互作用的研究发现，除非道路附近的建筑物安装有反光玻璃，否则由浅色路面反射的太阳辐射会增加建筑物的温度，而增加空调的需求。[72][73] 目前有种太阳辐射反射率高达98.1%的被动式日间辐射冷却涂料配方问世。 [74][75]

绿色基础设施

主条目：绿色基础设施（英语：green infrastructure）和绿化屋顶
 
在塞尔维亚首都贝尔格莱德，行驶于绿色轨道上的轻轨电车。

另一种做法是增加植被的数量。这种做法可与绿化屋顶相结合。绿化屋顶在较热的天气月份是极好的绝缘体，屋顶栽种的植物可冷却周围环境。当植物吸收二氧化碳并同时产生氧气时，空气质量可获得改善。[76]

绿化屋顶是在屋顶种植植被（例如树木或是花圃）的做法。这些植物可增加反照率并降低UHI效应。[68]经过研究，由于绿化屋顶受气候条件的影响，变量难以测量，并且是非常复杂的系统，而受到批评。[68]

利用生命周期评估方法衡量典型城市的混合用途社区中广泛安装的绿化屋顶，结果显示绿化屋顶对私人而言，目前尚不具有成本效益，但对多户住宅和商业建筑的绿色屋顶，把社会效益列入考虑时，则具有竞争力。多户住宅和商业绿色屋顶也是减少温室气体和雨雪水径流的有竞争力替代方案。但绿色屋顶并非最具竞争力的节能技术。[77]

绿色停车场（英语：Green parking lot）采用植被和沥青以外的表面，也可达到限制UHI效应的目的。

 
美国西雅图街道旁的低洼地（英语：Swale (landform)）及紧邻的透水混凝土（英语：pervious concrete）人行道，雨雪水经这些设施过滤后进入土壤，可减少城市径流进入排水沟的机会。

本节摘自绿色基础设施。

绿色基础设施（或称蓝绿色基础设施）指的是透过与自然共建，提供解决城市和气候挑战的“原料”网络。[78]这种方法的主要组成包括雨雪水管理、气候变化调适、减少热负荷、增加生物多样性及粮食生产、改善空气质量、达成永续能源生产、提供清洁水和健康土壤（英语：healthy soil），以及加入更多以人类为中心的功能，例如在城镇及周边地区经由休闲活动，以及增加遮荫和休憩地点来提高生活品质。[79]绿色基础设施还可为周围的社会、经济和环境健康提供生态框架。[80]近来学者和活动家还呼吁建立绿色基础设施，以促进社会包容和平等，而不是强化现有，以不平等方式获取自然界服务的架构。[81]

被动式日间辐射冷却

主条目：被动式日间辐射冷却（英语：Passive daytime radiative cooling）

采用被动式日间辐射冷却技术可让白色屋顶的节能效果加倍，原因是其可把红外窗口中的太阳能和热放射大量反射，[82]在炎热干燥的城市（如凤凰城和拉斯维加斯）具有甚高的冷却潜力。[83]这种材料安装在密集城市地区的屋顶上时，可显著降低室外，行人范围的表面温度。[10][11]

社会与文化

研究史

英国学者卢克·霍华德在1810年代就率先调查和描述这种UHI现象，但他不是为这种现象命名的人。[84]卢克·霍华德对UHI的第一份报告中描述，伦敦市中心夜间的温度比周围乡村的高2.1°C（3.7°F）。[85]

此类对城市大气的调查在19世纪内持续进行。在1920年代和1940年代之间有局部气候学（或称微气象学）兴起，欧洲、墨西哥、印度、日本和美国的研究人员采用这类新的方法来了解此一现象。

1929年，阿尔伯特·佩普勒（德语：Albert Peppler）在德国出版物中使用städtische Wärmeinsel（德语中的城市热岛之意，据信这是首个与城市热岛等效的实例）。[86]从1990年到2000年间，每年对此发表的研究报告大约有30篇；到2010年，数目增加到100篇，到2015年，数目超过300篇。[87]

Leonard O. Myrup于1969年发表第一个综合定量研究来预测UHI的影响。[30]他的论文针对UHI深入调查，并批评当时既有理论过于着重于质性研究（相对于量化研究）。

社会不平等的面向

参见：环境正义（英语：Environmental justice）

一些研究显示UHI对健康的影响有不成比例的现象，因为根据年龄、[50][88]族群和社会经济地位等多种因素，其影响呈现分布不均的现象。[89]这为UHI对健康的影响有成为环境正义问题的可能。

社区收入与树荫覆盖之间存在关联性。[90]低收入社区的树木数量与高收入社区相比，往往少得多。[91]研究人员的假设是较不富裕的社区无经济资源来种植和维护树木，而富裕的社区可在“公共和私人财产”上种植更多的树。[92]部分原因还在于较富裕的屋主和社区买得起更多的土地，再建为绿带（英语：green belt），而较贫穷的地方通常是租屋而居，地主通常会在其土地上尽可能增加居住人口密度，达到利润最大化。

研究人员还注意到广设的不透水铺面（英语：impervious surface）与美国各个城市和州的低社会经济社区有关联。[93]使用这些材料（包括混凝土、焦油和沥青）的程度可作为“城市内温度变化”的预测指标。

首席热力官

从2020年代开始，全球许多城市开始设置首席热力官（英语：Chief Heat Officer）职位，以组织和管理用于抵消UHI效应的工作。[94][95]

范例

美国

法案S.4280[96]于2020年提交给美国参议院，将授权国家综合高温健康信息系统机构间委员会 (National Integrated Heat Health Information System Interagency Committee ，NIHHIS) 来应对美国的极端高温现象。[97]这项立法如经通过，将为NIHHIS提供五年的经费，并将在NIHHIS内启动一项1亿美元的拨款计划，以鼓励和资助城市减热项目，包括使用冷却屋顶和人行道的项目，以及改善暖通空调系统的项目。截至2020年7月22日，法案尚未提交给美国国会。

纽约市认定行道树的单位面积降温潜力最高，其次是绿化屋顶、浅色表面和在开放土地种植树木。从成本效益的角度来看，浅色表面、浅色屋顶和路边种植的单位降温成本较低。[98]

洛杉矶

洛杉矶在1997年有个假想的“凉爽社区”计划，根据预测，在种植1,000万棵树、重新整修500万座房屋的屋顶并对4分之1的道路进行加色后，城市温度可降低大约3°C（5°F）（估计花费成本为10亿美元），通过减少空调，估计每年可带来1.7亿美元的收益，并在雾霾造成相关的健康问题方面节省3.6亿美元。[65]

在1998年针对洛杉矶盆地（英语：Los Angeles Basin）的个案研究，模拟显示即使并未在这些城市热岛中策略性的植树，一般植树仍可大幅度减少污染物和能源消耗。估计洛杉矶市经过大规模实施，每年可节省1亿美元，其中大部分节省来自凉爽屋顶、浅色路面和植树。当在整个市内实施后，从降低雾霾水平的额外好处是每年至少可节省10亿美元。[63]

洛杉矶的环境倡议组织TreePeople（英语：TreePeople）举办的活动是植树能赋予社区力量的一个例子。这个组织为当地人提供聚在一起、培养能力、社区自豪感以及相互合作和交流的机会。[99]

日本

在2008年之前的100年里，东京的平均气温已上升约3°C，而大阪则上升2°C。由于全球变暖导致日本的平均气温升高约1°C，因此UHI效应导致的额外气温升高在东京约为2°C，在大阪约为1°C。针对UHI问题，日本政府于2002年成立促进缓解UHI效应联络委员会，并于2004年制定《减轻城市热岛效应政策框架纲要》。纲要规定每年需检讨为减缓UHI效应而采取的措施，联络委员会每年举行会议，并发布进度报告。减缓措施包括降低人为热排放、通过在建筑群中创造风道以尽力避免热量积聚、促进绿化及改善路面[100]等。另一个新想法是沿着电车线路种植草地。屋顶和墙壁的绿化已经成为普遍的做法，近来有越来越多的居民在自家窗外的网或框上种植牵牛花、苦瓜等攀缘植物，形成植被绿幕。[101]也有都市民众自发性，称为Uchimizu（打ち水，洒水之义）的做法，在炎热天气时将家中余水（例如洗澡水）洒在街上，取得降温的效果。[100]

雅典绿地倡议

希腊首都雅典已采取措施，以减少城市热岛效应并减少车辆污染的影响。为建立提供降温的绿色空间，小块未使用的土地被重新设置成袖珍公园。[102]

参见

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