城市化的影响：城市热岛效应——通过安装可同时发电的太阳能屋顶进行预防

城市热岛效应（UHI）是指由于人类活动，城市或都市区的温度显著高于周边农村地区的现象。这种温差通常在夜间比白天更大，在风力较弱时最为明显。城市热岛效应在夏季和冬季尤为显著。城市热岛效应的主要原因是地表变化。一项研究表明，热岛效应会受到不同地表覆盖类型的影响，例如，靠近裸地会导致城市土壤升温，而靠近植被则会使其降温。能源使用产生的废热是另一个影响因素。随着人口中心的增长，其面积增大，平均气温也随之升高。“热岛”一词也常被用来指代任何比周围环境温度更高的区域，但通常特指受人类活动影响的区域。.

城市雨影区的月降雨量较高，部分原因是城市热岛效应。城市中心日益升高的温度延长了作物生长季，并减少了弱龙卷风的发生。城市热岛效应会增加臭氧等污染物的产生，从而恶化空气质量；同时，由于较暖的水流入该地区的河流，水质也随之下降，对河流生态系统造成压力。.

并非所有城市都表现出明显的城市热岛效应，其特征很大程度上取决于城市所在地区的背景气候。城市热岛效应可以通过多种方式缓解，例如建造绿色屋顶、白天利用被动辐射冷却以及在城市地区使用浅色表面，因为浅色表面可以反射更多阳光并减少热量吸收。城市化加剧了气候变化对城市的影响。.

卢克·霍华德 (Luke Howard) 于 19 世纪 10 年代首次研究并描述了这种现象，尽管他并非该现象的命名者。对城市大气的研究一直持续到 19 世纪。20 年代至 40 年代，欧洲、墨西哥、印度、日本和美国的研究人员在新兴的局部气候学或微尺度气象学领域，寻求理解这一现象的新方法。1929 年，阿尔伯特·佩普勒 (Albert Peppler) 使用了“城市热岛”一词，这被认为是城市热岛现象的最初例证。1990 年至 2000 年间，每年约有 30 篇相关研究发表；到 2010 年，这一数字上升到 100 篇；到 2015 年，则超过了 300 篇。.

城市热岛效应的成因有很多。深色表面吸收的太阳辐射量显著高于其他颜色，导致城市街道和建筑物在白天比郊区和农村地区升温更快。城市道路和屋顶常用的材料，例如混凝土和沥青，其体积热特性（包括热容量和导热系数）和表面辐射特性（反照率和发射率）与周边农村地区的材料存在显著差异。这改变了城市地区的能量平衡，通常导致城市气温高于周边农村地区。另一个重要原因是城市地区蒸散作用不足（例如，由于植被稀少）。美国林务局在2018年发现，美国城市每年损失3600万棵树木。随着植被的减少，城市也失去了树木通过蒸发作用带来的遮荫和降温效果。.

城市热岛效应的其他成因还包括几何效应。许多城市地区的高层建筑提供了多个反射和吸收阳光的表面，从而加剧了城市热岛效应。这被称为“城市峡谷效应”。建筑物的另一个影响是阻挡风，这也会阻碍对流冷却和污染物的排出。汽车、空调、工业和其他来源产生的废热也会加剧城市热岛效应。城市地区的高污染水平也会加剧城市热岛效应，因为许多类型的污染会改变大气的辐射特性。城市热岛效应不仅会升高城市温度，还会增加臭氧浓度，因为臭氧是一种温室气体，其生成会随着温度升高而加速。.

在大多数城市，城区与周边乡村地区的温差在夜间最为显著。虽然全年温差都相当可观，但冬季通常更为明显。市中心与周边田野之间的典型温差为几度。天气预报有时会提及市中心与周边郊区的温差，例如市中心20°C，郊区18°C。人口超过100万的城市，其年平均气温可能比周边地区高1.0至3.0°C。夜间，温差甚至可达12°C。.

城市热岛效应（UHI）既可以定义为城市和乡村地区之间的气温差异（冠层热岛效应），也可以定义为地表温度差异（地表热岛效应）。两者在日变化和季节变化方面略有不同，且成因也不同。.

政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，“与非城市地区相比，城市热岛效应会使夜间气温升高幅度大于白天气温升高幅度。”例如，在西班牙巴塞罗那，白天的最高气温比附近乡村地区低0.2摄氏度，最低气温则高2.9摄氏度。卢克·霍华德在19世纪10年代末撰写的第一份城市热岛效应报告中指出，伦敦市中心夜间气温比周边乡村地区高2.1摄氏度。尽管城市热岛效应在夜间气温升高最为明显，但城市热岛效应在白天也表现出显著且略显矛盾的现象。城市热岛效应与周边地区的气温差异在夜间较大，而在白天较小。城市热岛效应内部的地表温度则恰恰相反。.

白天，尤其是在晴朗的天空下，城市地表会吸收太阳辐射而升温。城市地区的地表升温速度往往比周边农村地区更快。由于其高比热容，城市地表就像一个巨大的热能储存库。例如，混凝土储存的热量大约是同等体积空气的2000倍。因此，利用热遥感技术可以很容易地探测到城市热岛（UHI）区域内白天的高温地表。与白天常见的升温现象一样，这种升温也会导致城市边界层内出现对流风。人们认为，由于由此产生的大气混合作用，即使地表温度可能达到极高的水平，城市热岛区域内的气温扰动在白天通常也微乎其微甚至不存在。.

夜间情况则相反。由于缺乏太阳辐射，大气对流减弱，城市边界层趋于稳定。如果这种稳定程度足够高，就会形成逆温层。逆温层将城市空气滞留在近地面，并因城市地表仍然温暖而保持其温度，从而导致城市热岛（UHI）区域夜间气温升高。除了城市地区的蓄热特性外，街道峡谷夜间气温最高也可能是由于冷却过程中天空视线受阻所致：夜间地表主要通过辐射向相对凉爽的天空散失热量，而城市地区的建筑物会阻挡这种辐射。当风速低、天空晴朗时，辐射冷却更为显著，事实上，在这些条件下，夜间城市热岛效应最为强烈。.

政府间气候变化专门委员会（IPCC）——政府间气候变化专门委员会是联合国负责增进我们对人为气候变化认识的政府间机构。它由世界气象组织（WMO）和联合国环境规划署（UNEP）于1988年设立，并随后获得联合国大会的认可。IPCC总部设在瑞士日内瓦，由195个成员国组成。IPCC由其成员国管理，成员国选举科学家委员会，任期为一个评估周期（通常为六至七年）。IPCC由秘书处和各种技术支持部门提供支持，这些技术支持部门由专门工作组和特别工作组组成。.

政府间气候变化专门委员会（IPCC）提供关于人为气候变化的客观、全面的科学信息，包括其自然、政治和经济影响及风险，以及可能的应对措施。IPCC本身并不开展研究或监测气候变化；相反，它定期对所有相关的已发表文献进行系统性审查。数千名科学家和其他专家自愿参与数据审查，并将关键发现汇编成评估报告，供政策制定者和公众参考。.

政府间气候变化专门委员会（IPCC）是国际公认的气候变化权威机构，其工作得到了众多顶尖气候科学家和各国政府的广泛支持。IPCC的报告在《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）中发挥着关键作用，其中第五次评估报告对具有里程碑意义的2015年《巴黎协定》产生了重大影响。IPCC与阿尔·戈尔共同荣获2007年诺贝尔和平奖，以表彰其对人类理解气候变化所做出的贡献。.

2015年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）启动了第六次评估周期，该周期计划于2023年结束。2021年8月，IPCC发布了其第六次评估报告（IPCC AR6）第一工作组关于气候变化物理基础的报告，《卫报》称其为迄今为止对重大、不可避免且不可逆转的气候变化发出的最严厉警告——这一话题随后被世界各地多家报纸报道。2022年2月28日，IPCC发布了其第二工作组关于影响和适应的报告。第三工作组关于气候变化减缓的第六次评估报告于2022年4月4日发布。第六次评估报告计划于2023年3月发布最终的综合报告。.

在第六次评估报告期间，政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了三份特别报告：2018 年的《全球升温 1.5°C 特别报告》、2019 年的《气候变化与陆地特别报告》（SRCCL）和《气候变化下的海洋与冰冻圈特别报告》（SROCC）。IPCC 还在 2019 年更新了其评估方法。因此，第六次评估周期被认为是 IPCC 历史上最雄心勃勃的一次。.

城市热岛效应造成的温差不仅夜间大于白天，冬季也大于夏季。在多雪地区，这种情况尤为明显，因为城市积雪通常比周边农村地区停留时间更短（这是由于城市隔热能力更强，以及诸如铲雪等人为活动的影响）。这降低了城市的反照率（衡量物体亮度的指标），从而加剧了城市热岛效应。农村地区，尤其是在冬季，较高的风速也会导致气温低于城市地区。在干湿季分明的地区，城市热岛效应在旱季更为显著。湿润土壤的热时间常数远高于干燥土壤。因此，农村地区的湿润土壤冷却速度比干燥土壤慢，有助于缩小城乡夜间温差。.

如果一个城市或地区拥有完善的气象监测系统，就可以直接测量城市热岛效应（UHI）。此外，还可以利用复杂的模拟方法计算城市热岛效应，或者采用经验近似法。这些模型使得将城市热岛效应纳入气候变化导致的未来城市气温升高预测中成为可能。.

1969年，伦纳德·O·迈鲁普发表了首个用于预测城市热岛效应的综合数值模型。在他的著作中，他概述了城市热岛效应，并批评了现有理论过于定性。他描述了一个通用的数值能量平衡模型，并将其应用于城市大气。文中给出了几个特殊案例的计算结果以及敏感性分析。结果表明，该模型能够准确预测城市温度盈余的程度。热岛效应是多种相互竞争的物理过程共同作用的结果。总体而言，市中心蒸发量的减少以及城市建筑和路面材料的热性能是主要影响因素。该模型被认为可以应用于工程计算，以改善现有城市和未来城市的气候。.

沥青路面 +
沥青停车场 + 太阳能车棚发电
= 功能扩展与密度提升
= 缓解城市热岛效应

近年来，沥青路面因其耐用性和低廉的价格，在城市道路铺设中越来越受欢迎。然而，沥青也存在一些缺点，尤其是在城市地区大量使用时。.

沥青路面最大的缺点之一是其极强的吸热性。这在夏季城市本就炎热的情况下尤为突出，因为大量的沥青路面会加剧高温。结果，城市居民饱受酷暑之苦，甚至可能引发健康问题。.

城市过热是沥青路面使用造成的一大问题。有多种方法可以缓解这一问题。其中之一是增加城市绿地，因为树木和植物可以吸收热量。使用太阳能车棚或太阳能停车设施也有助于降低城市热岛效应。这些设施配备了光伏组件，可以利用太阳能发电。同时，它们还能提供遮荫，从而降低周围区域的温度。.

因此，太阳能车棚和太阳能停车设施是缓解城市热岛效应的有效途径。它们不仅具有可持续性，因为它们不燃烧化石燃料，因此不会产生二氧化碳排放，而且还有助于降低城市温度，使之更加舒适。.

瑞士DeLorean Power公司的一项发现，员工停车行为与太阳能发电量完美匹配。电动汽车的日常行驶里程几乎不受天气影响，任何剩余能量都可以并入电网。停车场每年的太阳能发电量与车辆的能源需求相匹配。在所有基础设施领域中，太阳能停车场的发电潜力最大。在瑞士，平均每辆注册车辆拥有两个停车位。在合适的地区，这每年可以产生超过10太瓦时的太阳能（相当于目前电力消耗的15%）。“令人惊讶的是，试点项目竟然如此之少，”该研究的作者指出。此外，这种车顶可以保护车辆免受风吹雨淋，并减少夏季车内温度的积聚。

根据瑞士联邦统计局 (FSO) 的分析，瑞士至少有 500 万个地上停车位（占地 6400 公顷），约有 470 万辆注册乘用车停放在这些停车位上。这些停车区域是通过一种仅识别较大相邻区域而非单个停车位的数字化方法记录的。因此，交通专家估计瑞士实际拥有 800 万至 1000 万个停车位，平均每辆车约有两个停车位。.

另一项研究《基础设施和转换区域的太阳能发电》指出，在所有基础设施区域中，地上或露天停车场的光伏发电潜力最大。这些区域每年可提供高达10太瓦时（TWh）的光伏电力。这将使瑞士的总发电量达到65.5太瓦时。.

平均停车面积为12.5平方米（2.5米 x 5米）。这也是太阳能屋顶必须覆盖的面积。光伏系统的发电量取决于多种因素，包括太阳辐照度、组件效率和组件朝向。在图尔高州，每安装1千瓦的光伏系统，每年大约可以产生1000千瓦时的电力（每千瓦峰值功率可产生1000千瓦时的电力）。.

根据所用光伏组件的不同，1千瓦峰值功率（kWp）需要4至8平方米的安装面积。本研究假设每千瓦峰值功率需要5平方米的安装面积。因此，一个12.5平方米的停车位可以安装一套2.5千瓦峰值功率的系统，每年可产生2500千瓦时的太阳能电力。瑞士家庭的平均年用电量约为4500千瓦时（不包括供暖、通风和电动汽车的用电量）。.

车棚系统的模块化设计具有优势，使车棚顶能够适应几乎任何停车位，从而确保停车区域的持续良好利用，并保证可扩展性。.

双面组件能够提高车棚的透光率。这不仅美观，还能提高太阳能发电效率，因为这些光伏组件还可以利用从下方照射进来的光线，从而增加10-20%的能量输出。目前，由于组件价格较高，双面技术的经济效益尚无法保证，因此尚未得到广泛应用。然而，预计这项技术将在未来几年内得到更广泛的应用。.

我们的 4+2+ 模块化可扩展太阳能车棚系统采用半透明双面组件，符合这些要求，并且已经成为一种具有价格竞争力的替代方案：

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• 事实与数据：太阳能车棚、带太阳能屋顶的车棚、屋顶方案对比以及发电量示例停车场

Limitless：适用于轿车和卡车的模块化、可扩展太阳能车棚系统

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优势一览：

• 灵活且模块化（可扩展）的设计
• 轿车净空高度2.66米起（卡车可扩展至4.5米或更高）
• 停车位深度最大可达 6.1 米，对面停车位深度最大可达 12.5 米。
  深度取决于所用太阳能组件的尺寸。
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  透光率为 12%/40% 的半透明太阳能组件进行了优化设计
• 可选配强大的LED照明，可调光并带运动控制功能
• 也适用于倾斜式停车位
• 地基方面无任何隐性费用。
  根据现有土壤条件/沥青情况，可采用点式基础（最经济的选择，无需大规模开挖混凝土板等即可保证结构稳定性）或底板式基础。

更多来源：

• 太阳能车棚地基成本因素
• 太阳能车棚——当标准不再适用时，为开放式停车位提供应对各种挑战的最佳太阳能屋顶解决方案
• 太阳能车棚系统：哪种方案更好、更经济实惠？
• 适用于露天停车位的太阳能车棚策略
• 适用于各种应用和情况的模块化太阳能车棚系统

卡车太阳能车棚系统

由于4+2+ 柱技术为停车位顶棚系统提供了最灵活的解决方案（无论从技术上还是价格上来说），因此，经过适当的修改，它也可以轻松扩展并应用于卡车等更大的车辆。

城市热岛中的蚂蚁群落对热的耐受性增强，而对冷的耐受性并没有因此降低。.

适应能力强的物种可以利用城市热岛效应带来的环境条件，在原本分布范围之外的地区繁衍生息。例如，灰头狐蝠（Pteropus poliocephalus）和家壁虎（Hemidactylus frenatus）。在澳大利亚墨尔本发现的灰头狐蝠，在当地气温升高后，开始在城市栖息地定居。气温升高以及由此导致的冬季气温升高，使得城市气候更接近该物种在野外更北方的栖息地。.

缓解和管理城市热岛效应的措施会减少温度波动，并影响食物和水的供应。在温带气候下，城市热岛效应会延长生长季，从而改变生活在那里的物种的繁殖策略。这一点在城市热岛效应对水温的影响上体现得最为明显。由于附近建筑物的温度有时与地表气温相差超过28摄氏度，降水会迅速升温，导致流入附近溪流、湖泊和河流（或其他水体）的径流遭受过度的热污染。这种热污染的加剧有可能使水温升高11至17摄氏度（20至30华氏度）。由于栖息地温度的快速变化，这种水温升高会给生活在这些水域中的鱼类带来热应激和热休克。.

城市热岛效应改变了自然选择过程。食物、天敌和水等选择压力因时间变化而减弱，使得一系列新的选择力量得以发挥作用。例如，城市栖息地中的昆虫数量比农村地区更多。昆虫是外温动物，这意味着它们依赖环境温度来调节体温，因此温暖的城市气候更有利于它们的生存。一项在北卡罗来纳州罗利市进行的关于栎蚧（Parthenolecanium quercifex）的研究表明，这种昆虫偏好温暖的气候，因此在城市栖息地中的数量比在农村地区的橡树上更多。随着时间的推移，它们已经适应了在温暖而非寒冷的气候中繁衍生息。.

外来物种的出现与人类活动密切相关。一个典型的例子是岩燕，它们在城市地区建筑物的屋檐下筑巢。由于建筑物高层为它们提供了庇护，加上额外的庇护场所和更少的捕食压力，岩燕的数量得以增加。.

除了对气温的影响外，超高温（城市热岛效应）还会对局部气象产生次生影响，包括改变局部风型、云雾形成、湿度和降水。城市热岛效应产生的额外热量会导致更强的上升气流，从而引发更多的阵雨和雷暴活动。此外，城市热岛效应会在白天形成局部低压区，从周边农村地区吸入相对潮湿的空气，从而为云的形成创造更有利的条件。城市雨影区的降水量增加了48%至116%。部分由于这种变暖，城市下风向20英里（32公里）至40英里（64公里）半径范围内的月降水量比上风向高出约28%。在一些城市，总降水量增加了51%。.

在一些地区，研究表明，由于城市热岛效应导致的湍流混合，大都市地区发生弱龙卷风的可能性较低。研究人员利用卫星图像发现，城市气候对距离城市边界10公里（6.2英里）范围内的作物生长季有显著影响。在北美东部的70个城市中，城市地区的作物生长季比城市影响范围之外的农村地区长约15天。.

中国的研究表明，城市热岛效应对全球变暖的贡献约为30%。另一方面，1999年一项对城乡地区的比较研究表明，城市热岛效应对全球平均气温变化的影响甚微。一项研究得出结论，城市改变的气候范围是其自身面积的2到4倍。另一项研究指出，城市热岛效应通过影响急流来影响全球气候。多项研究表明，随着气候变化的加剧，热岛效应的影响日益显著。.

城市热岛效应（UHI）会直接影响城市居民的健康和福祉。仅在美国，每年平均就有1000人死于极端高温。由于城市热岛效应的特征是气温升高，因此可能会加剧城市热浪的强度和持续时间。研究表明，热浪期间的死亡率会随着峰值温度的升高呈指数级增长，而城市热岛效应会放大这种效应。城市热岛效应导致的升温会增加暴露于极端高温下的人数。在热浪期间，城市热岛效应的夜间影响尤其有害，因为它使城市居民无法像农村地区那样享受夜间降温。.

美国的研究表明，极端气温与死亡率之间的关联因地域而异。高温往往会增加北方城市的死亡风险，而南方地区则不然。例如，当芝加哥、丹佛或纽约遭遇异常高温的夏季时，疾病和死亡人数的增加是意料之中的。相反，常年气候温和或炎热的地区，因高温带来的公共健康风险较小。研究表明，迈阿密、坦帕、洛杉矶和凤凰城等南方城市的居民更习惯于炎热的天气，因此不太容易因高温而死亡。然而，总体而言，随着时间的推移，美国人似乎越来越适应高温，但这可能是由于基础设施的改善、建筑的现代化以及公众意识的提高所致。.

据报道，高温会导致中暑、热衰竭、热晕厥和热痉挛。一些研究还探讨了严重中暑如何导致器官系统永久性损伤。这种损伤会增加过早死亡的风险，因为它会导致器官功能严重受损。中暑的其他并发症包括成人呼吸窘迫综合征和弥散性血管内凝血（DIC）。一些研究人员发现，任何损害人体体温调节能力的因素，理论上都会增加死亡风险。这包括可能影响人的活动能力、意识或行为的疾病。研究人员发现，患有认知障碍（例如抑郁症、痴呆症、帕金森病）的人在高温下更容易受到伤害，需要格外小心，因为高温已被证明会对认知功能产生不同程度的影响。患有糖尿病、肥胖症、睡眠不足或心血管/脑血管疾病的人应避免过度暴露于高温环境。一些影响体温调节的常用药物也会增加死亡风险。这些药物包括抗胆碱能药、利尿剂、吩噻嗪类药物和巴比妥类药物。高温不仅会影响健康，还会影响行为。一项美国研究表明，高温会使人更容易烦躁和好斗，并指出气温每升高1摄氏度，每10万人中暴力犯罪率就会增加4.58起。.

研究人员发现，城市热岛效应强度高与空气污染物浓度升高相关，这些污染物在夜间积聚，并可能影响次日的空气质量。这些污染物包括挥发性有机化合物、一氧化碳、氮氧化物和颗粒物。这些污染物的产生，加上城市热岛效应区域较高的温度，会加速臭氧的形成。地表臭氧被认为是一种有害污染物。研究表明，城市热岛效应区域较高的温度会增加污染天数，但也指出其他因素（例如气压、云量、风速）也会影响污染。香港的研究发现，与通风良好的地区相比，城市室外空气通风较差的地区往往更容易受到城市热岛效应的影响，并且总体死亡率显著更高。.

美国疾病控制与预防中心指出，“在不同的气候变化情景下，很难对与高温相关的疾病和死亡做出有效预测”，并且“过去35年高温事件期间总体死亡率的下降表明，与高温相关的死亡是可以预防的”。然而，一些研究表明，城市热岛效应对健康的影响可能存在不成比例的差异，因为其影响会因年龄、种族和社会经济地位的不同而分布不均。这引发了人们对城市热岛效应健康影响是否属于环境正义问题的思考。.