熱島效應:“發燒的”城市

李微

在全球變暖的大背景下，多種因素讓人口高度密集和發達的城市形成強大的“熱島”。熱島效應不僅影響城市的生態環境，還對居民的健康產生威脅。屋頂綠化是降解城市熱島效應的最常用和最有效的辦法，可是由于觀念和經費方面的問題，北京屋頂綠化總面積還不到應綠化面積的1%

入夏以來，頻繁的雷暴導致北京首都機場的航班大面積延誤，讓那些“空中飛人”們只能眼看著錯過的會議干瞪眼。其中最嚴重的一次發生在6月7日夜間，夜空上千次地被“撕裂”——這是北京地區今年以來遭遇的最強雷電。無獨有偶，5月底，連續的雷雨天氣在美國密蘇里州喬普林市引發了龍卷風，造成136人死亡，這是美國近60年以來單次致死人數最多的一次龍卷風襲擊。

雷雨天氣正在城市里演變得更加暴烈，對這一現象，氣象研究人員已經注意到，并早已對此展開了研究。

美國普渡大學上個月底公布了他們為期兩年的研究結果。該校農學系副教授德福·奈約奇解釋說，造成城市雷暴天氣增多的原因有好幾種，首當其沖的便是“城市熱島效應”。其次，城市中的高層建筑會改變風向，即所謂“地表粗糙效應”。此外，城市中較高的大氣污染水平，也會對云層狀況產生影響。

實際上，所謂的地表粗糙效應與大氣污染這兩個因素，還是與城市熱島效應密切相關。熱島效應是造成城市里很多異常氣象的“禍首或幫兇”。根據國內學者的總結，熱島效應會改變云和霧的發展，增加閃電的頻率，帶來暖冬、颶風和暴雨等。熱島的存在，使城區的凝露量、結霜量、霜凍日數、下雪頻率和積雪時間都小于郊區。

“發燒的”城市

自1820年英國氣象學家霍華德發現倫敦城市和郊區存在溫差現象，并將此稱之為“熱島效應”以來，學者們就不斷發現，熱島效應不僅影響城市的生態環境，還對城市居民的健康產生威脅。

長期以來，全球有50%的人口居住在城市。在最近20年里，這個數字上升到80%。城市是現代經濟的命脈，但同時也是一個“大鍋爐”。由于熱島效應的影響，熱浪引發的死亡率呈現迅速上升的趨勢，尤其是夜間的熱浪，更易致人死亡。

2003年8月的一場熱浪，造成巴黎近5000人死亡，這在當時引發了一場關于天氣致死的課題研究。張平和他的同事在美國航空航天局（NASA）的戈達德空間飛行中心利用衛星數據，比較了全球幾千個城市不同的熱量生成特點后發現，最強大最密集的熱島，仍絕大多數集中在高度密集的發達城市。

在那些大城市里，置身于高溫的夜間，尤其是連續幾個晚上，就會使那些身體原本就虛弱的人的死亡風險加倍，尤其是一些特殊人群，如超過65歲的老人、嬰幼兒或是有長期慢性病的人。

造成熱島效應的因素有很多。首先是在城市下墊面性質的改變：道路、廣場、建筑物等城市下墊面都是由砂石、瀝青、鋼筋混凝土、人為燒制的磚瓦和金屬構件等組成。研究表明，城市下墊面反射率比郊區小10％～15％，而吸收率卻較綠地和濕地大，這使得城市地表能夠吸收較多的太陽短波輻射和紅外長波輻射，表現出與巖石相類似的熱特性，稱為“城市建筑物巖石裸露化”現象。

其次，城市大氣污染一般要比周圍郊區更重，市區內釋放的二氧化碳等溫室氣體都能吸收地面的長波輻射并以逆輻射的形式投向地表，使地表增溫。城市大氣中的懸浮顆粒物，尤其是氣溶膠也會產生類似的溫室效應。此外，在中高緯度城市，冬季排放大量的人為熱也是熱島形成的一個重要原因。

研究者還發現，城市的建成率與建筑的幾何形狀，也會影響熱島效應的分布。城區中溫度最高的區域往往與最深的城市街道相對應，即通常分布在市中心。

如果街道走向設計或幾何形狀不合理，則密不通風，風速小，熱量不易散發，溫室氣體也難于迅速擴散，導致局部氣溫過高。從這個意義上講，科學的城市規劃與交通布局，將對緩解熱島效應有重要意義。

此外，還有城市規模的影響。即使是1000人的小城鎮，也能在長時間溫度記錄中觀測到熱島效應的存在。可是，城市人口越多，規模越大，熱島效應越明顯。據研究，1萬人口城市的熱島強度達到0.11℃,10萬人口是0.32℃, 100萬人口的城市其熱島強度可達到0.91 ℃。

國內還有學者發現，高原城市的熱島強度要明顯大于平原城市。根據云南楚雄師院地理系林萍等人于2003年的一項研究，在1981～1990年間，蘭州市的熱島強度為3.30℃，西寧市為3.43℃,而與之緯度相差不多的平原城市濟南市為1.40℃，鄭州市為1.95℃。

這種現象其實類似于青藏高原的“熱島效應”。早在18世紀末，近代地理學創始人之一、德國科學家洪堡在南美洲安第斯山脈考察時就發現，赤道附近的高山雪線，比中緯度的青藏高原許多高山的雪線低200米左右。例如：青藏高原東部邊緣的貢嘎雪山，其西坡雪線在5100米左右，而靠近赤道的厄瓜多爾基多附近的高山雪線僅約4800米多一些。這不符合常理：由于赤道地區熱量較高，高山雪線通常應該從赤道向兩極遞降，到極地附近降至海平面。

據此，洪堡就提出了青藏高原“熱島效應”理論：對流層大氣的主要直接熱源是地面，青藏高原由于下墊面大面積提升，相當于把“火爐”升高，故其熱量較同緯度、同海拔高度的其他地區高得多，甚至比赤道附近的同海拔地區也要高得多。

“熱島”呼喚“綠島”

研究城市熱島效應的形成原因，有助于人們更好地緩解與應對。在對2003年歐洲那場熱浪的研究中，研究人員就發現，同時期，在擁有更多綠地的倫敦只造成了約600人的死亡，而在巴黎，這一數字卻高達4867人。這說明，溫度的差異與綠化面積有關。根據模擬計算的結果，植被覆蓋每增長一個百分點，巴黎夏季正午的表面溫度就下降0.2℃。

植物是最好的隔熱材料，而屋頂綠化，則是寸土寸金的大城市中增加綠化面積的最好辦法。在下午2點時，裸露屋頂表面溫度可高達70℃以上，而屋頂綠化后的屋面溫度只有29℃，溫差高達40℃以上。國外科學研究表明:當一個城市屋頂綠化總量達到城市建筑70%時，夏天的氣溫將下降5℃～10℃，熱島效應可基本消除。

因而，歐洲把屋頂綠化作為降解城市熱島效應的最常用和最有效的辦法。近20年來，德國通過立法強制推廣屋頂綠化，使一些污染嚴重的城市，生態環境發生了巨大改善，并基本消除了熱島效應。

而根據北京市屋頂綠化協會今年1月發布的消息，我國現有可綠化屋頂73億平方米，上海、北京等大都市各有1億平方米以上可綠化的屋頂。

其中，北京中心城區可進行綠化的平屋頂約有6979萬平米，但在1983年～2007年間，北京屋頂綠化總面積只有約60萬平方米，不到應綠化面積的1%。影響國內屋頂綠化發展的主要障礙是經費不足與理念的落后。

在氣候變暖的大趨勢下，城市的熱島效應將會越來越突出。據美國能源部的估計，美國為緩解熱島效應每年要多花費高達100億美元的能源成本支出。另一方面，熱島效應促使城市用于空調運轉的耗能量上升，從而導致溫室氣體排放大量增加，溫室氣體排放又直接加速全球變暖，氣溫進一步上升，反過來又加重熱島效應，這兩者之間已經形成了惡性循環。

盡管近200年前霍華德就在《倫敦的氣候》一書中首次提出“熱島效應”理論，但倫敦的市民至今仍要為該市愈發嚴重的熱島效應而頭疼。

據美國國家氣象研究中心6月17日發布的最新研究結果，在全球變暖的大背景下，本世紀內英國將在夏季迎來越來越多的高溫難耐的夜晚。