都市熱島效應 (Urban Heat Island, UHI) 是指都市地區因其特有的建築結構、地表覆蓋物和人類活動，導致氣溫明顯高於周邊非都市區域的現象。這不僅是氣候學上的特殊現象，更是影響都市永續發展、公共衛生和能源系統的重大挑戰。本文將深入探討熱島效應的物理機制、量測方法、對環境的複合式影響，並介紹最新的緩解策略與國際趨勢。
一、 熱島效應的定義與物理機制
1. 概念定義
熱島效應 (UHI) 是城市環境微氣候改變的結果，通常以城市中心與周邊郊區或鄉村地區的氣溫差來衡量。這個溫差在無雲、風速較低的夜晚往往達到峰值。
2. 能量平衡的破壞 (Disruption of Energy Balance)
城市環境與自然地表的熱力學差異，主要體現在地表能量平衡（Surface Energy Balance, SEB）的變化上。在理想狀態下，地表接收的太陽淨輻射(Rn)等於潛熱(LE)、顯熱(H)和儲熱(G)的總和：Rn = H + LE + G + A
其中 A 代表人為熱（Anthropogenic Heat）的輸入。
- 自然地表 (Rural Area): 大部分的Rn用於潛熱(蒸散作用)，用以冷卻地表；儲熱較小。
- 都市地區 (Urban Area):
🔸潛熱(LE)減少：植被和水體減少，蒸散作用大為降低，使得釋放熱量的通道被堵塞。
🔸儲熱(G)增加： 混凝土、瀝青等材料熱容量高，能高效吸收和儲存熱量。
🔸人為熱(A)輸入： 交通、工業和空調系統持續產生廢熱。
🔸 顯熱(H)增加： 由於 LE 和 G 的變化，更多的能量轉化為顯熱，直接加熱周圍空氣。
這種能量分配的改變，是導致城市核心溫度升高的根本原因。
二、 熱島效應的類型與量測
熱島效應可依據觀測位置和尺度分為兩大類：
1. 地表熱島 (Surface Urban Heat Island, SUHI)
- 量測方式： 使用衛星遙感技術，透過熱紅外線波段感測地表的輻射溫度。
- 特點： 反應地表材質（屋頂、道路）的吸熱和放熱能力。通常在白天陽光最強時溫差最大。
2. 大氣熱島 (Atmospheric Urban Heat Island, AUHI)
- 量測方式： 使用氣象站、氣球或移動式感測器，量測空氣中的氣溫。
- 特點： 反應空氣層面的熱量堆積。通常在夜晚、風速低時溫差最大，因為城市建築物緩慢釋放白天儲存的熱量。
三、 熱島效應的複合式影響
熱島效應的影響已超越單純的溫度升高，形成與其他環境挑戰交互作用的複合危機：
四、 緩解策略與綠色基礎設施
最新的緩解策略強調將灰色基礎設施轉變為綠色和涼爽的基礎設施，以恢復被破壞的能量平衡。
1. 綠色基礎設施 (Green Infrastructure)
2. 涼爽材料技術 (Cool Materials)
- 高反射率屋頂 (Cool Roofs): 使用高太陽反射率（Solar Reflectance Index, SRI 大於等於78）的塗料或材料，能將 70% 以上的太陽輻射反射回太空。
- 涼爽路面 (Cool Pavements): 應用淺色或高反射性材料鋪設道路和人行道，例如使用多孔瀝青或反射性骨料，減少路面吸熱和儲熱。
3. 藍色基礎設施 (Blue Infrastructure)
- 水體應用： 恢復或新增人工水池、運河和噴泉。水的蒸發作用可有效吸收空氣熱量，產生微氣候冷卻。
- 透水鋪面： 允許雨水滲入地下，減少快速逕流，並在蒸發時提供額外的冷卻效果。
五、 結論與前瞻
都市熱島效應是當代城市面臨的關鍵環境議題。其影響與全球氣候變遷（Global Climate Change）相互疊加，使得高溫風險更加難以應對。
從工程和規劃角度來看，緩解熱島效應的關鍵在於恢復都市地區被剝奪的潛熱(LE)通道，並減少儲熱(G)和人為熱(A)。成功的策略需要跨學科的合作，結合氣候科學、城市規劃、材料工程和公共衛生管理。
未來城市將需要依賴遙感數據和數值模擬（如 CFD 模型）進行精準的微氣候評估和干預，以設計出更能抵禦氣候衝擊的海綿城市和韌性城市。
