单株植物可以通过蒸腾、呼吸等生理机制控制机体的温度变化，植物聚集在一起又可以在冠层下形成相对稳定的小气候。植物就像覆盖在土地上的衣服，将近地表温湿度控制在适度的范围内，保护着自己也保护着整个生态系统。
人类也可以改造小气候。人类通过建造房屋营造良好的居住环境，抵御外界天气变化。房屋逐渐增加形成村落并进一步发展成为不同规模的城市，这个过程伴随着原有植被的移除。人们获得了自己所需的居住条件，也让植被失去了对当地小气候的控制。
植被被移除后，土地失去了保护和缓冲，直接暴露在太阳辐射下。水泥、沥青等材料可以快速吸收太阳辐射并增温，吸收的能量又以长波辐射的形式向近地表大气中释放，释放过程可以持续到夜间，直到这些材料的温度降至环境温度附近。
图1 不同地表覆盖物的可见光和热红外影像
城市中密集且高耸的建筑对太阳辐射的吸收形成了类似小肠绒毛对营养物质的吸收的效果，这些“褶皱”造成的表面积的大幅扩大导致城市吸收的太阳辐射的显著增加，狭窄的街谷还会因电磁波的多重反射和滞留而增加对太阳短波辐射和地表长波辐射的吸收。
图2 植物叶片对于不同波段太阳辐射的吸收、反射和透射率示意图
从地表的能量平衡过程来看，在有植被覆盖的情况下，太阳直射辐射大部分被植物叶片吸收和反射，穿过植物冠层的小部分太阳辐射才被土壤吸收。植物吸收太阳辐射后，除掉光合作用所利用的那部分，其余则通过蒸腾作用，以水蒸气的形式向大气中释放，这种释放不直接改变近地表大气温度，称为潜热释放。植被被移除后，进入地表的太阳辐射增加，地表的潜热释放比例又因植被的减少而降低，一增一减之间便在城市地区形成了局部高温区，这种现象被称为“城市热岛”现象。
图3 “城市热岛”形成示意图
“城市热岛”强度的衡量最初是通过对比城市内外不同地点的近地表气温来实现的。早在十九世纪初期，英国气象学者Luke Howard就发现了“城市热岛”现象。两个世纪后，我们仍然沿用他所使用的方法来衡量“城市热岛”强度。现在虽然有了更多的气象观测站，但对于刻画整个城市的“热岛”强度在空间上的变动仍显得力不从心。
红外遥感影像由于其覆盖面积广的优势，成为与“近地表空气温度热岛”并驾齐驱的“地表温度热岛”研究的主要数据来源。需要注意的是，遥感观测是卫星对地表的俯视，很难拍到城市的全貌，建筑立面就很难出现在遥感影像中。建筑立面是构成城市表面的重要方面，也是吸收太阳辐射的主力军，这部分红外信息的缺失对“地表温度热岛”的评价准确性造成了一定程度的损失。
“城市热岛”现象会对影响当地的天气条件，造成降水和雷暴等气象活动的增加。对于城市生态系统，温度的增加会导致物候的波动，导致动物栖息地减少或者消失、原有物种被入侵物种代替。随着全球气候变化，“城市热岛”与不断出现的“热浪”相叠加，不仅增加了“热浪”的温度，也延长了“热浪”的持续时间，对于城市居民健康的影响是直接甚至是致命的。
减缓“城市热岛”强度的方法有很多，包括给建筑表面涂抹反射太阳辐射能力更强的白色涂料、增加透水砖的铺装面积以增加地表的潜热通量。最简单也最具有可持续性的方法是增加植被覆盖面积，也就是是城市的“再绿化”过程。这个过程主要受限于可用于种植植被的空间有限，可以通过适当进行屋顶和墙壁绿化来拓展植被种植空间。城市绿地的布局一直是“城市热岛”研究的热门问题，广大科学工作者针对绿地斑块的形状和大小、绿地的结构、绿地斑块之间的相互作用进行了大量研究。在城市尺度改善热环境，首先要确定热环境较差的区域，即“热岛”的核心区，然后进行针对性的热环境改造的步骤。
城市绿地的面积阈值问题也值得思考。比如北京市近几十年来总绿地覆盖面积一直在增加，但同时“热岛”强度也在同步增加，这或许说明城市的快速扩张显著增加了区域“热岛”强度，而绿地面积虽然有所增加，但仍无法抵消城市扩张所带来的温度增幅。因此，在大型城市乃至于城市群的形成过程中，如何布设绿地、以及多高的绿地覆盖率可以有效缓解“热岛”强度，是需要着重关注的。有学者认为在街区尺度种植最少30%的树木是合适的，因为在此基础上新增树木所提供的对“热岛效应”的减缓作用依然存在但显著降低。然而，在更大尺度，针对不同气候背景、不同规模的城市，绿地的比例尚不可知，还需要进一步探索。
参考文献：
1. 葛凤荣等, 2016. 城市热岛效应的多尺度变化特征及其周期分析. 北京师范大学学报(自然科学版). 52:210-215.
2. Abbas Mohajerani et al., 2017. The urban heat island effect, its causes, and mitigation, with reference to the thermal properties of asphalt concrete. Journal of Environmental Management. 197:522-538.
3. Luke Howard et al., 1818. The Climate of London: Deduced from Meteorological Observations, Made at Different Places in the Neighbourhood of the Metropolis Volume 1.
4. Nyuk Hien Wong., 2021. Greenery as a mitigation and adaptation strategy to urban heat. Nature Reviews Earth & Environment. 2:166-181.
5. Zhifeng Wu et al., 2019. Comparative and combinative cooling effects of different spatial arrangements of buildings and trees on microclimate. Sustainable Cities and Society. 51:101711.
来源：中国科学院城市环境研究所
