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當寒暑成災(四): 仿海綿絕熱島?

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

加拿大多倫多市中心的綠屋頂。增加市區綠覆率、透水鋪面等方式能減緩熱島效應的影響。(圖片來源:flickr用戶Padraic)

加拿大多倫多市中心的綠屋頂。增加市區綠覆率、透水鋪面等方式能減緩熱島效應的影響。(圖片來源:flickr用戶Padraic)

「都市熱島」這個名詞經由媒體的報導,想必大家並不陌生。不過都市熱島真正的成因有哪些?我們如何量測一座都市的熱島強度?都市越來越熱,我們該怎麼辦?為了認識這些問題,我們邀請了台大大氣系柳中明教授為我們解惑,一探究竟是那些因素正在讓我們賴以維生的城市成為火爐!

什麼是都市熱島效應?

都市中存在大量的人工發熱物體,例如冷氣機或是汽機車引擎,這些發熱物體排放出的廢熱導致都市中蓄積了大量的熱能。而鋼筋混泥土構成的建築物與柏油路面則是容易蓄熱的材質,加上綠地稀少、河川遭到覆蓋、高樓建築阻擋風的流動等等,這些複合因素導致都市在周遭較低溫的郊區襯托下,猶如一座發熱的島嶼,氣象學家便把這種現象稱之為「都市熱島」(urban heat island)。

都市的熱島效應會隨時間與氣候條件變化,一年中冬季的熱島強度普遍而言比夏季強,而一日之中熱島強度最強的時間通常出現在傍晚,此時夜晚剛開始,都市白天蓄積的熱能開始釋放。在國內外的研究中,都市熱島的強度從攝氏2度到12度不等,而在臺灣,李魁憲針對台灣四大都會區(台北、高雄、台中、台南)的研究中,發現台灣大都市的熱島強度約在攝氏3至4度間,也就是說市中心的最高溫會比市郊高上3至4度左右。

都市熱島效應除了提高都市的溫度,亦會造成都市地區的局部氣候改變,包含:高溫化、乾燥化、日射量減少、雲量增多、霧日增多、降雨量微增、平均風速降低、加劇空氣污染等等。對於都市生活的舒適與能源的消耗扮演舉足輕重的影響,尤其在全球極端事件頻傳的現代,都市熱島更可能火上加油,讓都市面對天氣災變更為脆弱。

都市熱島與全球暖化?

都市越變越熱,這不禁讓人聯想到同樣在描述氣溫上升的全球暖化現象,與都市熱島有何差異呢?其實,都市熱島與全球暖化為兩個成因完全不同的現象,全球暖化是因為人類排放的溫室氣體,導致大氣層的溫室效應使全球普遍升溫,無論都市、鄉村還是無人的荒野地區都有溫度上升的趨勢。

而都市熱島只存在於都市地區,各地受地形、氣候條件以及季節的影響,在強度上會有所差異。不過,隨著全球暖化帶來的升溫趨勢,都市在熱島效應的加乘作用下,面對極端高溫時會更容易受害。此外,根據台電的統計,台灣都市地區氣溫每上升攝氏一度,冷氣用電量會增加6%,消耗更多能源代表都市將排放更多溫室氣體,故熱島效應可說是間接影響暖化,但並非暖化的主因。

以台北為例,藉由比對基隆外海彭佳嶼以及台北市區的氣象測站,即可發現都市地區同時受到全球暖化以及都市熱島的雙重影響。從1910年至2011年,無論彭佳嶼或台北的測站氣溫都呈上升趨勢,台北市上升1.7度,彭佳嶼則上升1.2度。彭佳嶼測站由於周遭人為影響小,可視為台灣地區氣溫上升幅度的基準值,而台北與彭佳嶼的0.5度差距就可能是台北的熱島效應所造成。

那麼,科學家怎麼觀測熱島效應呢?

目前常見的都市熱島觀測方法有三種:「固定氣象站觀測法」、「遙測法」以及「移動觀測法」。三種方法各有其優缺點,故在都市熱島的研究中科學家通常會綜合使用三者,以獲得較為全面且客觀的觀測結果。

固定氣象站觀測法藉由比對市中心與市郊觀測站的溫度,來獲得都市熱島的觀測數據。不過由於測站數量有限,加上測站地理空間上的分布不均,無法充分表現都市熱島在空間上的分布狀況。

遙測法利用衛星搭載的紅外線感測儀器,進行地表溫度的觀測。遙測法適用於大範圍的都市熱島研究,同時能結合都市的土地利用變遷,進行不同時間的變化分析。但是遙測法的觀測會因為地表放射率(land surface emissivity)的變化、大氣環境不同而影響其精確性,並有解析度不足的問題。

移動觀測法利用架設於汽機車上的溫度感測器,行駛於市區以及市郊的道路上進行觀測,具有自由度較高以及觀測時間較具彈性等優點,而且測得的溫度為地表附近的溫度,因為地表附近是都市中人們活動的主要範圍,觀測結果更貼近人們對於熱島效應的確切感受。不過因為汽機車行駛需要時間,此觀測法有時間不同步的缺點,需要藉由校正與標準化來減少誤差。

都市越來越熱,怎麼辦?

都市熱島導致增溫將影響都市生活的舒適性以及都市能源的使用,但是無論是在台灣或是世界其他地方,人口持續朝都市集中已經成為主要趨勢。面對都市逐漸成為一個發燙的火爐,有什麼方法可以減緩溫度上升的幅度呢?

要減緩熱島效應,就要針對病徵對症下藥。都市熱島的形成原因複雜,主要受到人為活動、密度、交通、建築物量體與建築材質、綠地與水域的分布影響,並且與都市的地理以及氣候條件有關,是以沒有一套舉世皆然的應對策略。不過,基本上提高都市的綠化程度,是減少都市熱島效應最顯著的方法。

在國外的案例中,提高都市綠化的方法主要有鼓勵綠屋頂、多種植樹木、闢建公園綠地等方式,例如芝加哥市政府便於2000年開始推動綠屋頂計畫,除了能幫助都市降溫,這些屋頂上的菜園甚至能種植有機農產品,有助於推廣在地種植、在地消費,更進一步減少因長途運輸導致的能源消耗。

同時,流水對於都市熱島的減緩亦有顯著功效,例如韓國首爾清溪川自2005年完工後,附近地區的氣溫由原本高於首爾平均值攝氏5度,降低為低於平均值3.6度,前後溫度降幅高達8度以上。此外清溪川沿線的平均風速亦提升了50%,提高了鄰近地區的空氣清潔度。

此外,由於都市熱島另一主要成因為建築物與道路的蓄熱能力,故透過鋪面的改善,將道路、停車場改為透水鋪面,或是提高屋頂的反射率,減少建築物蓄熱的能力,亦是國外普遍減緩都市熱島的方法。

不過,在台灣寸土寸金的都市中,想再興建大規模公園綠地幾乎是不可能的任務,而台灣由於有颱風威脅,在屋頂種植樹木會有安全的考量。較可能的實際作法是鼓勵改變道路與屋頂的鋪面材質,並考慮都市先天地理條件的風場與藍綠帶,藉由都市計畫的修訂推動風廊、恢復河川系統等方式改善。另外亦可透過興建大眾運輸設施,減少私有汽機車的使用量,並鼓勵減少冷氣使用,以減少廢熱的排放。

柳中明老師近年亦大力提倡「海綿城市」的觀念,主要便是希望透過鋪面的改善,改變為「高承載、高透水、高透氣鋪面」,兼顧實用性的同時,能讓道路成為蓄水、透氣的「地下濕地生態系統」,提高都市的生態機能。這樣的鋪面除能減緩都市熱島,亦能協助都市應付極端的天氣事件,減少水患威脅。

除了這些大規模的都市熱島改善策略,生活在都市中的小市民亦能如何為減緩都市熱島盡一份力呢?我們可以從少開冷氣、多搭乘大眾運輸做起,減少都市的廢熱排放,並在居家陽台多栽植綠色植物,即便一個人的影響不大,但只要足夠的人願意為減緩都市熱島付諸行動,市民也能成為改善都市熱島,讓周遭的環境更美好!

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年/12月)

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

延伸閱讀:

  • 李魁憲(1999),台灣四大都會區都市熱島之研究,國立成功大學建築研究所博士論文。
  • 《台北市都市熱島強度監測分析及示範區熱島效應改善規劃設計技術服務委託案》
  • 《海綿台灣》

關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。