熱島效應的解方

撰文|蘇建翰

又來到讓人好想一直躲在室內的炎炎夏季,如果你覺得今年似乎變得更熱了一些,那麼你並不孤單。歐盟資助的哥白尼氣候變遷服務(Copernicus Climate Change Service)指出,今年六月打破了2016年所創下的歷史紀錄,成為有紀錄以來全球最熱的六月,若僅考慮歐洲地區,更是硬生生的比三十年平均溫度還要高上攝氏兩度,這個盛夏就從破紀錄的六月展開。

●極端氣候與熱島效應

長時間尺度的氣候變遷或許難以察覺和確認,小範圍、短時間的氣候異常相對的就讓人印象深刻,對當地居民造成的傷害更為立即明顯。熱浪便是屬於這類的異常事件的一種,指的是某一段時間內天氣呈現出異常高於當地平均的氣溫,近期內記錄到例子的便有六月底肆虐歐洲的熱浪,期間西歐多地出現超過均溫攝氏五度以上的溫度;七月中則在全球最北端的永久居住地點阿勒特連續兩天測得攝氏20度的高溫,而當地的七月均溫只有攝氏3度左右。

圖一、2019年6/25-6/29期間歐洲的氣溫異常量 (來源: ECMWF, Copernicus Climate Change Service)

經常出現高溫的地點,比如沙漠,共同特徵常有乾燥、崎嶇不平、偏暗色系、無植被的裸露地表,這些特徵恰恰好也接近都市的樣貌。我們城市裡充滿大量利用瀝青、混泥土等等不透水材質打造而成的結構,這些不透水的鋪面白天吸收大量來自太陽的熱,接著在晚間把這些熱釋放出來,讓城市無法在晚間有效的降溫;另外,由於城市裡缺少植被,除了最直接的失去遮蔭,也喪失掉透過植物蒸散作用來降低溫度的功能,不透水鋪面導致地表逕流流速增加,讓城市更難以保留水分,綜合種種因素,整個都市就像是被一個保溫的泡泡包裹著,溫度往往比泡泡外的地區要來得高上一截,這就是所謂的熱島效應(Urban Heat Island, UHI)。

UHI的影響強度會隨城市所在地區而有所不同,以美國為例,巴爾地摩、亞特蘭大等等在大尺度衛星圖下一片綠意盎然的東岸城市們,測得的UHI相對於位處乾燥缺少植被地區的賭城拉斯維加斯就嚴峻許多。當碰上熱浪來臨,在UHI的推波助瀾之下,這些平時周遭氣候較溫和的城市會更為脆弱,居民也更容易適應不良。熱浪來臨與否並非人類能決定的,想要降低傷害,或許可以從城市的規劃、建造的方式去著手。

●綠地和屋頂

讓城市屋頂「變亮」可以幫助減緩UHI的影響,過去有研究就指出,夏季正午的時候,黑色屋頂測到的溫度能比白色的屋頂高上攝氏二十度以上,白色的屋頂相對於灰暗的屋頂能反射更多的太陽輻射回到大氣層中,減少白天儲存在城市中的熱能,也就能減輕UHI影響。自從2009年開始,紐約市推出酷涼屋頂計畫(NYC CoolRoofs)持續為城市中的屋頂漆上反光塗料,截至2018年夏季為止已為920萬平方英尺(大約是一個台大校總區的面積)的屋頂換上新衣,這些地區預計可省下一成到三成的空調費用,降低溫度的同時也減少溫室氣體的排放。

圖二、紐約曼哈頓下城區的空拍圖,可見白色屋頂 (來源: 2019 Google、地圖資料)

另一種也很直覺的做法就是多種樹,增加綠地面積,除了可以提供遮蔭、保水,重建綠地讓蒸散作用幫助城市降溫,此外,讓屋頂覆上植被、提高馬路的反射率等等許多做法都被認為有效,而如何找到最適合工業區、住宅區、商業區等城市中有不同的地景的策略組合,要做到什麼程度最有效益,便是留給城市規畫者的挑戰。

●不同的地景適合不同的策略組合:以波特蘭為例

由於城市中的地景組成相當複雜,或許大致上會遵守政策的土地使用分區,但整體來說並不均勻,因此思考如何降低UHI對整個城市的影響時,或許最好的方式便是因地制宜,各個擊破。一份研究將美國波特蘭市切割成眾多邊長為100公尺的網狀格子,將這些格子分類成六種地景,分別是高綠化住宅區(HCN)、市區(UD)、中綠化住宅區(MCN)、工業區(HI)、綠化市區(VU)、城郊(SR),接著選擇各種地景的一個代表性地點,利用ENVI-met微氣候模擬系統,施以不同的方案,分別是:(A, NoGreen)用瀝青取代所有綠地、(B, AddGreen)添加綠地至所有人行道及停車空間、(C, GreenRoof)所有屋頂覆上一定高度的草皮、(D, RoofAlbedo)提高屋頂反射率、(E, RoadAlbedo)提高路面反射率、(F, Combination)同時使用(B)、(D)、(E),來研究這六種方案在六種地景上所造成的溫度變化。

圖三、(左)研究中的三種地景的模擬模型 (右) 波特蘭的地景分類(依顏色),黑點為各地景的代表性地點 (來源: [5])
表一、六種方案施加在六種地景上造成的溫度差異模擬結果 (來源: [5])

模擬的結果毫不意外的,A方案在六種地景全都幫倒忙,讓地區的溫度升高,反過來也讓我們再一次確認瀝青捕捉熱能的能力;B到F方案在六種地景則對降溫都有正面的效果,這也蠻符合我們的直覺。雖然結果相當直覺,不過再去更細的觀察數據之後便能發現一些地區差異。研究指出,地景本身的綠化程度,或許可以解釋方案的效用高低,觀察市區(UD)以及綠化市區(VU)的數據,可以發現原先綠化程度低的市區(UD)經過各種之後降溫程度比較高;再者,不同方案降溫的潛力或許有天花板的存在,比如說最光禿的工業區(HI),或許是因為建築物所占面積太大,經過綠化之後的降溫效果仍不如市區(UD)。另外,研究也指出,提高屋頂的反照率(RoofAlbedo)幫助降溫的效果更優於在屋頂上覆上草皮(GreenRoof),在考量成本、維護等花費下,前者或許是個更經濟的選擇。

●解方因城而異

即使是在同一個城市之內,不同的地區應對UHI的最佳策略也有所不同,自然的,那些針對波特蘭的研究結果也就只能讓他留在波特蘭,因為其他城市的氣候條件、地景樣貌都與波特蘭有所不同,身體的體質不一樣,也就沒有一體適用的解藥。雖然如此,前述的研究指引出一條路徑讓其他城市的規劃者能夠按圖索驥,依循著這一套研究流程去調配屬於自己城市的解方。

 

參考資料:

[1] Record-breaking temperatures for June
[2] 北極熱浪襲地球最北定居點 攝氏21度破紀錄
[3] In the City, Bright is the New Black
[4]New York City has painted over 9.2 million square feet of rooftops white — and it could be a brilliant heat-fighting plan
[5] Y. Makido, D. Hellman and V. Shandas, ``Nature-Based Designs to Mitigate Urban Heat: The Efficacy of Green Infrastructure Treatments in Portland, Oregon,” Atmosphere, vol. 10, 2019. doi:10.3390/atmos10050282

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作者:蘇建翰,目前就讀於台灣大學電信所碩士班,期待能透過自己的一點心力, 將各領域的有趣發現分享給大家。

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