城市化的影响：城市或城市热岛——在发电时通过太阳能屋顶避免

城市热岛是指由于人类活动而比周围农村地区温度明显升高的城市或大都市区。夜间温差通常比白天大，并且在微风时最为明显。城市热岛效应在夏季和冬季尤其明显。城市热岛效应的主要原因是地表变化。一项研究表明，热岛可能会受到不同类型土地覆盖的接近程度的影响，例如接近贫瘠的土地会导致城市土壤变暖，而接近植被则会使土壤变冷。能源使用产生的废热是另一个因素。随着人口中心的扩大，其面积也会增加，平均温度也会增加。还使用术语“热岛”；它可以用于任何比周围区域相对热的区域，但一般指受人类干扰的区域。

城市背风处的每月降雨量较多，部分原因是城市热岛效应。城市中心热量的增加延长了生长季节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，从而导致空气质量恶化，而且随着温暖的水流入该地区的河流并对生态系统造成压力，水质也会恶化。

并非所有城市都存在明显的城市热岛，热岛的特征在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绿色屋顶、被动白天辐射冷却以及在城市地区使用反射更多阳光和吸收更少热量的浅色表面来减少。城市化加剧了气候变化对城市的影响。

卢克·霍华德 (Luke Howard) 在 1810 年代首次研究并描述了这一现象，但他并不是为该现象命名的人。对城市氛围的研究在十九世纪仍在继续。 20 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地方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的第一个例子。 1990 年至 2000 年间，每年发表约 30 项研究；到2010年这个数字已经上升到100个，到2015年已经超过300个。

城市热岛的形成有多种原因。深色表面吸收更多的太阳辐射，这导致城市地区的街道和建筑物白天比郊区和农村地区升温更多。城市地区路面和屋顶常用的材料，如混凝土和沥青，其热体积特性（包括热容和导热系数）和表面辐射特性（反照率和发射率）与周围农村地区显着不同。这改变了城市地区的能量平衡，通常导致温度高于周围农村地区]。另一个重要原因是城市地区缺乏蒸散发（例如由于缺乏植被）。美国林务局 2018 年发现，美国城市每年损失 3600 万棵树。随着植被减少，城市也会因蒸发而失去树木的遮荫和降温作用。

UHI 的其他原因是几何效应。许多城市地区的高层建筑提供多个表面来反射和吸收阳光，提高城市地区变暖的效率。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去除。汽车、空调、工业和其他来源的废热也导致了热岛效应。城市地区的高污染也会增加城市热岛效应，因为多种形式的污染会改变大气的辐射特性。热岛效应不仅会增加城市温度，还会增加臭氧浓度，因为臭氧是一种温室气体，其形成会随着温度升高而加速。

在大多数城市，城市与周边农村地区的温差在夜间最大。虽然全年温差较大，但一般冬季较大。市中心与周边地区的典型温差为几度。天气预报中有时会提到市中心与周边郊区之间的温差，例如B. 市中心20℃，郊区18℃。人口100万以上的城市，年平均气温可能比周边地区高1.0-3.0°C。晚上温差可达 12 °C。

UHI 可以定义为城乡之间的气温差（Canopy UHI）或地表温差（Surface UHI）。两者的日变化和季节变化略有不同，并且原因也不同。

IPCC 指出，“众所周知，与非城市地区相比，城市热岛夜间温度升高程度高于白天温度。”例如，在西班牙巴塞罗那，每日最高气温比附近乡村站低 0.2 °C，最低气温高 2.9 °C。卢克·霍华德 (Luke Howard) 在 1810 年代末期对第一份城市热岛报告 (UHI) 的描述中指出，伦敦市中心的夜间气温比周边地区高 2.1°C。虽然城市热岛内气温升高通常在夜间最为明显，但城市热岛表现出显着且有些矛盾的昼夜行为。城市热岛与周边地区的温差夜间较大，白天较小。对于城市热岛城市景观的表层温度来说，情况恰恰相反。

白天，尤其是天空晴朗时，城市表面会通过吸收太阳辐射而升温。城市地区的地表变暖速度往往比周边农村地区的地表变暖得更快。由于其高热容量，城市表面就像一个巨大的热能库。例如，混凝土可以储存的热量大约是同等体积空气的 2,000 倍。因此，热遥感可以很容易地检测到热岛白天的高地表温度。与白天变暖的常见情况一样，这种变暖也会导致城市边界层内出现对流风。有人认为，由于由此产生的大气混合，白天对热岛内空气温度的扰动通常很小或不存在，尽管表面温度可能达到极高的值。

到了晚上，情况就相反了。缺乏太阳能加热会导致大气对流减少和城市边界层稳定。如果稳定化足够，就会形成反型层。这将城市空气困在地表附近，并使仍然温暖的城市地区的地表空气保持温暖，从而导致城市热岛内夜间气温升高。除了城市地区的保温特性之外，城市峡谷的夜间最高温度还可能是由于在冷却过程中天空的视野被阻挡：表面在夜间主要通过辐射到相对凉爽的天空而散失热量，而这被一个城区的建筑物所吸收，被封锁。当风速较低且天空晴朗时，辐射冷却更为占主导地位，事实上，在这些条件下，城市热岛在夜间最强。

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的一个政府间机构，负责增进有关人为气候变化的知识。它由世界气象组织（WMO）和联合国环境规划署（UNEP）于1988年成立，后来得到联合国大会的认可。它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，成员国选举一个科学家委员会，其任期为一个评估周期（通常为六到七年）。 IPCC 由秘书处和由专门工作组和工作组组成的各种技术支持单位提供支持。

IPCC 提供有关人为气候变化的客观、全面的科学信息，包括自然、政治和经济影响和风险，以及可能的应对措施。 IPCC 并不进行自己的研究或监测气候变化，而是对所有相关已发表的文献进行定期、系统的审查。数千名科学家和其他专家自愿审查数据，并将重要发现汇编成供政策制定者和公众使用的“评估报告”。

IPCC是国际公认的气候变化权威机构，其工作得到了顶尖气候科学家和政府的广泛支持。其报告在《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）中发挥着关键作用，其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。 2007 年，政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 与阿尔·戈尔 (Al Gore) 分享了诺贝尔和平奖，以表彰其对理解气候变化的贡献。

2015年，IPCC开始第六次评估周期，计划于2023年完成。 2021 年 8 月，IPCC 发布了第一工作组对第六次评估报告（IPCC AR6）关于气候变化物理基础的贡献，《卫报》称其为“对重大不可避免且不可逆转的气候变化”迄今为止最强烈​​的警告。世界各地许多报纸都报道了所讨论的话题。 2022年2月28日，IPCC发布了关于影响和适应的第二工作组报告。 “减缓气候变化”第三工作组对第六次评估报告的贡献于2022年4月4日发布。第六次评估报告预计将于 2023 年 3 月完成并附上综合报告。

在第六次评估报告期间，IPCC发布了三份特别报告：《2018年全球变暖1.5℃特别报告》、《气候变化与土地特别报告》（SRCCL）和《关于海洋与土地的特别报告》。气候变化中的冰冻圈（SROCC），均在 2019 年。它还在 2019 年更新了其方法。因此，第六次评估周期被称为IPCC历史上最雄心勃勃的一次。

城市热岛温差不仅夜间比白天大，而且冬季比夏季大。在多雪的地区尤其如此，因为城市的积雪保存时间往往比周围的农村地区短（这是由于城市的隔热能力更强以及犁耕等人类活动）。这会降低城市的反照率（物体亮度的衡量标准）并增加变暖效应。农村地区的风速较高，尤其是在冬季，也可能导致地区比城市地区凉爽。在雨季和旱季明显的地区，旱季城市热岛效应更大。湿土的热时间常数远高于干土的热时间常数。因此，潮湿的农村土壤比干燥的农村土壤冷却得更慢，有助于最大限度地减少城乡之间的夜间温差。

如果一个城市或直辖市拥有良好的天气观测系统，则可以直接测量城市热岛。另一种方法是使用位置的复杂模拟来计算 UHI 或使用经验近似方法。这些模型使得将城市热岛效应纳入对气候变化导致的城市未来气温升高的估计中成为可能。

Leonard O. Myrup 于 1969 年发表了第一个用于预测城市热岛 (UHI) 影响的综合数值处理方法。在他的著作中，他对城市热岛倡议进行了概述，并批评当时存在的理论过于定性。描述了通用数值能量预算模型并将其应用于城市大气。给出了几种特殊情况的计算以及敏感性分析。该模型可以正确预测城市气温过高的幅度。热岛效应是几个相互竞争的物理过程的最终结果。一般来说，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参数。建议这种模型可以用于工程计算，以改善现有和未来城市的气候。

沥青+
沥青停车场+太阳能车棚发电
=功能扩展&致密化
=应对城市热岛效应

近年来，沥青在城市覆盖中变得越来越流行。这是因为沥青是一种非常耐用且廉价的表面。然而，沥青也有一些缺点，特别是在城市地区大量使用时。

沥青的最大缺点之一是它会导致环境温度升高。这是一个问题，因为夏季的城市已经非常热，而且由于有许多沥青路面，温度甚至进一步升高。这意味着城市居民将遭受酷暑的痛苦，甚至会导致健康问题。

因此，城市过热是沥青使用造成的一个大问题。有多种选择可以解决这个问题。一种可能性是在城市中创造更多的绿色空间，因为树木和植物可以吸收热量。使用太阳能车库或太阳能停车系统也有助于减少城市的热量。这些系统配备了利用太阳能产生电能的光伏模块。同时，它们提供阴凉，从而减少周围区域的热量。

太阳能车库和太阳能停车系统是减少城市过热的好方法。它们不仅具有可持续性，因为它们不燃烧化石燃料，因此不产生二氧化碳排放，而且还有助于使城市的温度更加舒适。

瑞士“De Lorean Power”的一项发现，员工的停车行为在理想情况下与太阳能发电量相对应。电动汽车的每日行驶里程几乎可以满足任何天气条件，多余的里程可以馈入电网。停车场每年的太阳能发电量对应车辆的能源需求。太阳能停车位是所有基础设施领域中发电潜力最大的。在瑞士，每辆注册汽车大约有 2 个停车位。在可用地区，每年可产生超过 10 太瓦时的太阳能（占当前电力消耗的 15%）。该研究的作者表示：“令人惊讶的是，试点工厂的数量如此之少。”此外，这样的车顶可以保护汽车免受恶劣天气的影响，并减少夏季汽车的热量。

根据联邦统计局（FSO）的评估，瑞士至少拥有500万个地上停车位（6,400公顷），登记汽车约470万辆。这些停车区域是使用数字流程记录的，该流程仅识别较大的相邻区域，而不识别单个停车位。因此，交通专家预计将有 8 至 1000 万个停车位。每辆车大约2个。

根据另一项研究“基础设施和转换区域的太阳能发电”，地上或露天停车场在所有基础设施区域中具有最大的光伏潜力。这些地区每年可提供高达 10 太瓦时 (TWh) 的光伏电力。这意味着瑞士的总发电量为65.5太瓦时。

平均停车面积为12.5平方米（2.5米×5米）。这也是太阳能屋顶必须具备的面积。光伏系统的发电量取决于许多因素，包括太阳辐射、组件效率和组件方向。在图尔高，装机容量为 1 kW 的光伏发电，每年可发电约 1000 kWh（每 1 kWp 1000 kWh）。

根据所使用的光伏组件，1kWp需要的装机容量为4至8平方米。在本研究中，计算每千瓦 5 平方米。这意味着可以安装一个12.5平方米、输出功率为2.5千瓦的停车位，每年产生2,500千瓦时的太阳能。瑞士家庭平均用电量约为每年 4,500 千瓦时（不包括供暖、通风和电动汽车）。

车棚系统的模块化结构具有优势，可以使屋顶适应几乎任何停车位，从而确保停车位的持续良好利用并确保可扩展性。

使用双面组件，车棚可以变得透明。这在视觉上非常有趣，并且会带来更高的太阳能产量，因为相应的光伏模块也可以使用来自下方的光，从而提供 10-20% 的额外产量。双面技术目前使用不多，因为组件价格较高，不一定具有成本效益。然而，预计这项技术将在未来几年内成熟。

在我们的 4+2+ 模块化和可扩展太阳能车库系统中，使用部分透明和双面模块，这些要点适用，现在也是一种价格替代方案：

专门用于车辆的太阳能屋顶变体 – 图片：Xpert.Digital

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无限：适用于汽车和卡车的模块化和可扩展太阳能车棚系统

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技术数据：用于汽车和卡车的模块化和可扩展的太阳能车棚系统

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优点一览：

• 灵活的模块化（可扩展）设计
• 汽车净空高度 2.66 m 以上（卡车可扩展至 4.5 m 或更高）
• 汽车停车位深度可达 6.1 m，对面停车位深度可达 12.5 m
  深度取决于所使用的太阳能模块的尺寸
• 太阳能车棚系统针对部分透明太阳能模块进行了优化设计
  12% / 40% 透光率 (!) - 获得高架安装认证
• 可选配强大的 LED 照明、可调光和运动控制
• 也可用于倾斜定位的停车位
• 地基无隐性成本
  使用点基础（最便宜的变体，无需为静力学所需的混凝土板等进行复杂的地面挖掘）或使用楼板安装，具体取决于现有的地面条件/沥青化

更多来源：

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卡车太阳能车棚系统

由于4+2+柱技术是停车位屋顶系统最灵活的解决方案（无论是在技术上还是在价格上），通过适当的修改，它也可以轻松扩展并用于卡车等大型车辆。

城市热岛的蚁群在不影响耐寒性的情况下提高了耐热性。

能够很好地定居的物种可以利用城市热岛所创造的条件在其正常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气温升高后在城市栖息地定居。由于气温升高以及由此带来的冬季变暖，城市的气候更类似于野生物种的北方栖息地。

控制和管理城市热岛的尝试可以减少温度波动以及食物和水的供应。在温带气候下，城市热岛会延长生长季节，从而改变生活在那里的物种的繁殖策略。城市热岛对水温的影响最能体现这一点。由于附近建筑物的温度有时与地表气温相差超过 80°F (28°C)，降水会迅速变暖，导致径流流入附近的溪流、湖泊和河流（或其他水体），从而产生过多的热量负载铅。热污染的增加可能会使水温升高 11 至 17 °C（20 至 30 °F）。这种增加导致生活在水体中的鱼类因其栖息地温度的快速变化而遭受热应激和冲击。

由城市引起的城市热岛改变了自然选择过程。食物、捕食者和水的时间变化等选择压力被放松，从而允许一组新的选择力量发挥作用。例如，城市栖息地的昆虫比农村地区的昆虫多。昆虫是变温动物。这意味着它们依靠环境温度来调节体温，使得城市温暖的气候非常适合它们茁壮成长。在北卡罗来纳州罗利进行的一项对橡树介壳虫（Partheolecanium quercifex）的研究表明，这种特殊的物种喜欢温暖的气候，因此在城市栖息地的数量比在农村地区橡树上的数量要多。随着在城市栖息地度过的时间的推移，它们已经适应了在温暖而不是凉爽的气候中繁衍生息。

非本地物种的出现在很大程度上取决于人类活动。一个例子是在城市栖息地的建筑物屋檐下筑巢的岩马丁鸟种群。它们利用人类在房屋上方提供的庇护所，由于额外的保护和捕食者数量的减少，导致它们的数量增加。

除了对温度的影响外，城市热岛效应还会对当地气象产生二次影响，包括改变当地的风型、云雾发展、湿度和降雨量。城市热岛产生的额外温暖将导致更强的向上运动，这可能会引发额外的阵雨和雷暴活动。此外，城市热岛白天会形成局部低压区，来自乡村环境的相对潮湿的空气在此汇聚，为云的形成提供了更有利的条件。城市背风处的降雨量增加了48%至116%。部分由于气候变暖，城市顺风处 20 英里（32 公里）至 40 英里（64 公里）范围内的月降水量比逆风处高出约 28%。一些城市的总降雨量增加了51%。

在一些地区进行的研究表明，由于城市热岛的温暖引起的湍流混合，大都市地区不太容易发生弱龙卷风。研究人员利用卫星图像发现，城市气候对距城市边缘 10 公里（6.2 英里）以内的生长季节有显着影响。在北美东部的 70 个城市中，城市地区的生长季节比不受城市影响的农村地区长约 15 天。

中国的研究发现，城市热岛效应导致气候变暖约30%。另一方面，1999年的城乡比较表明，城市热岛效应对全球平均气温的演变影响不大。一项研究得出结论，城市正在改变比其自身面积大 2 至 4 倍的区域的气候。另一种说法是，城市热岛通过影响急流来影响全球气候。多项研究表明，随着气候变化的进展，热岛的影响将变得更加严重。

城市热岛可以对城市居民的健康和福祉产生直接影响。仅在美国，平均每年就有 1,000 人因酷热而死亡。由于城市热岛的特点是气温升高，因此可能会增加城市热浪的强度和持续时间。研究表明，热浪期间的死亡率随着最高温度呈指数增加，而热岛效应会加剧这种影响。与城市热岛相关的变暖导致暴露在极端温度下的人数增加。城市热岛效应的夜间影响在热浪期间尤其具有破坏性，使农村地区的城市居民无法享受夜间凉爽。

美国的研究表明，极端气温与死亡率之间的联系因地点而异。与该国南部地区相比，炎热天气增加了该国北部城市的死亡风险。例如，如果芝加哥、丹佛或纽约出现异常炎热的夏季气温，预计疾病和死亡人数将会增加。相比之下，该国全年气温温和至炎热的部分地区，因高温而造成的公共卫生风险较低。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炎热的天气条件，因此不太容易因高温而死亡。然而，总体而言，随着过去的十年，美国人民似乎越来越习惯北方更炎热的气温，尽管这可能是由于更好的基础设施、更现代化的建筑和更高的公众意识。

据报道，高温会导致中暑、热衰竭、热晕厥和热痉挛。一些研究还研究了严重的中暑如何对器官系统造成永久性损害。这种损害会增加早期死亡的风险，因为它会导致器官功能的严重损害。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。一些研究人员发现，人体体温调节能力的任何损害理论上都会增加死亡风险。其中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，“有认知问题（例如抑郁症、痴呆症、帕金森病）的人在高温下面临更大的风险，需要特别小心”，因为认知表现已被证明会受到高温的不同影响。患有糖尿病、肥胖、睡眠不足或心脑血管疾病的人应避免过度受热。一些影响体温调节的常见药物也可能增加死亡风险。这些包括例如抗胆碱能药、利尿剂、吩噻嗪和巴比妥类药物。高温不仅会影响健康，还会影响行为。美国的一项研究表明，高温会使人变得更加烦躁和好斗，发现气温每升高一度，暴力犯罪就会增加每 10 万人中 4.58 起。

研究人员发现，高热岛强度与夜间积累的空气污染物水平增加相关，并可能影响第二天的空气质量。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。这些污染物的产生与城市热岛中较高的温度相结合会加速臭氧的形成。表面臭氧被认为是一种有害污染物。研究表明，城市热岛中较高的气温可能会增加污染天数，但也表明其他因素（例如气压、云量、风速）也可能影响污染。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社区往往会遭受更大的城市热岛影响，并且全因死亡率显着更高。

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的预测”，并且“与高温相关的死亡是可以预防的，正如全因死亡率下降所证明的那样”在过去 35 年的高温事件中。”然而，一些研究表明，城市热岛对健康的影响可能不成比例，因为影响可能因年龄、种族和社会经济地位而分布不均。这提出了城市热岛对健康的影响可能是一个环境正义问题的可能性。