單株植物可以通過蒸騰、呼吸等生理機制控制機體的溫度變化，植物聚集在一起又可以在冠層下形成相對穩定的小氣候。植物就像覆蓋在土地上的衣服，將近地表溫濕度控制在適度的范圍內，保護著自己也保護著整個生態系統。
人類也可以改造小氣候。人類通過建造房屋營造良好的居住環境，抵御外界天氣變化。房屋逐漸增加形成村落并進一步發展成為不同規模的城市，這個過程伴隨著原有植被的移除。人們獲得了自己所需的居住條件，也讓植被失去了對當地小氣候的控制。
植被被移除后，土地失去了保護和緩沖，直接暴露在太陽輻射下。水泥、瀝青等材料可以快速吸收太陽輻射并增溫，吸收的能量又以長波輻射的形式向近地表大氣中釋放，釋放過程可以持續到夜間，直到這些材料的溫度降至環境溫度附近。
圖1 不同地表覆蓋物的可見光和熱紅外影像
城市中密集且高聳的建筑對太陽輻射的吸收形成了類似小腸絨毛對營養物質的吸收的效果，這些“褶皺”造成的表面積的大幅擴大導致城市吸收的太陽輻射的顯著增加，狹窄的街谷還會因電磁波的多重反射和滯留而增加對太陽短波輻射和地表長波輻射的吸收。
圖2 植物葉片對于不同波段太陽輻射的吸收、反射和透射率示意圖
從地表的能量平衡過程來看，在有植被覆蓋的情況下，太陽直射輻射大部分被植物葉片吸收和反射，穿過植物冠層的小部分太陽輻射才被土壤吸收。植物吸收太陽輻射后，除掉光合作用所利用的那部分，其余則通過蒸騰作用，以水蒸氣的形式向大氣中釋放，這種釋放不直接改變近地表大氣溫度，稱為潛熱釋放。植被被移除后，進入地表的太陽輻射增加，地表的潛熱釋放比例又因植被的減少而降低，一增一減之間便在城市地區形成了局部高溫區，這種現象被稱為“城市熱島”現象。
圖3 “城市熱島”形成示意圖
“城市熱島”強度的衡量最初是通過對比城市內外不同地點的近地表氣溫來實現的。早在十九世紀初期，英國氣象學者Luke Howard就發現了“城市熱島”現象。兩個世紀后，我們仍然沿用他所使用的方法來衡量“城市熱島”強度。現在雖然有了更多的氣象觀測站，但對于刻畫整個城市的“熱島”強度在空間上的變動仍顯得力不從心。
紅外遙感影像由于其覆蓋面積廣的優勢，成為與“近地表空氣溫度熱島”并駕齊驅的“地表溫度熱島”研究的主要數據來源。需要注意的是，遙感觀測是衛星對地表的俯視，很難拍到城市的全貌，建筑立面就很難出現在遙感影像中。建筑立面是構成城市表面的重要方面，也是吸收太陽輻射的主力軍，這部分紅外信息的缺失對“地表溫度熱島”的評價準確性造成了一定程度的損失。
“城市熱島”現象會對影響當地的天氣條件，造成降水和雷暴等氣象活動的增加。對于城市生態系統，溫度的增加會導致物候的波動，導致動物棲息地減少或者消失、原有物種被入侵物種代替。隨著全球氣候變化，“城市熱島”與不斷出現的“熱浪”相疊加，不僅增加了“熱浪”的溫度，也延長了“熱浪”的持續時間，對于城市居民健康的影響是直接甚至是致命的。
減緩“城市熱島”強度的方法有很多，包括給建筑表面涂抹反射太陽輻射能力更強的白色涂料、增加透水磚的鋪裝面積以增加地表的潛熱通量。最簡單也最具有可持續性的方法是增加植被覆蓋面積，也就是是城市的“再綠化”過程。這個過程主要受限于可用于種植植被的空間有限，可以通過適當進行屋頂和墻壁綠化來拓展植被種植空間。城市綠地的布局一直是“城市熱島”研究的熱門問題，廣大科學工作者針對綠地斑塊的形狀和大小、綠地的結構、綠地斑塊之間的相互作用進行了大量研究。在城市尺度改善熱環境，首先要確定熱環境較差的區域，即“熱島”的核心區，然后進行針對性的熱環境改造的步驟。
城市綠地的面積閾值問題也值得思考。比如北京市近幾十年來總綠地覆蓋面積一直在增加，但同時“熱島”強度也在同步增加，這或許說明城市的快速擴張顯著增加了區域“熱島”強度，而綠地面積雖然有所增加，但仍無法抵消城市擴張所帶來的溫度增幅。因此，在大型城市乃至于城市群的形成過程中，如何布設綠地、以及多高的綠地覆蓋率可以有效緩解“熱島”強度，是需要著重關注的。有學者認為在街區尺度種植最少30%的樹木是合適的，因為在此基礎上新增樹木所提供的對“熱島效應”的減緩作用依然存在但顯著降低。然而，在更大尺度，針對不同氣候背景、不同規模的城市，綠地的比例尚不可知，還需要進一步探索。
參考文獻：
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來源：中國科學院城市環境研究所
