都市為什麼比較熱？
― 白天差距小，晚上差距大
同一天、同樣的天氣，市中心和郊區的氣溫卻可能差上好幾度。而且差距最大的時候，不是白天，而是晚上。都市之所以熱，並不是「日照特別強」，而是白天累積的熱，到了晚上卻放不掉。
夏天的夜晚走在街上，明明太陽已經下山好幾個小時了，腳下卻還是有股熱氣往上冒。把手靠近柏油路面，還是溫的。
但同一個晚上，走到郊區的公園或稻田旁，卻涼爽許多。就算是同一個城市，不同地點的體感溫度也完全不同。
看氣溫紀錄也能清楚看出這個現象。比起白天最高氣溫的差距，清晨最低氣溫的差距其實更大。
白天熱，哪裡都一樣。都市真正的問題在於「不容易涼下來」。
泥土和植物會靠蒸發水分把熱帶走。但柏油路和水泥地面沒有水可以蒸發。熱沒有出口，就這樣被儲存起來。
晴朗的夜晚，地面會把熱釋放到宇宙中。但被建築物包圍時，能看到的天空範圍變窄，放出去的熱撞到牆壁又被反彈回來。
再加上冷氣和汽車排放的熱。進來的熱多，出去的熱少。這個差距，就是都市的熱。接下來依序來看。
影響最大的是「沒有水」這件事
晴天時，照到地面的太陽能量有兩個去處。一是讓地面和空氣升溫，二是讓水蒸發。
水蒸發的時候，會從周圍奪走大量的熱。這和流汗後感覺涼爽是同一個道理。在泥土和草地上，照射進來的能量有相當一部分會用在蒸發上，所以氣溫不會升得太高。
但柏油路和水泥地面沒有水可以蒸發。就算下雨，水也會流進下水道消失。失去去處的能量，全都用來讓溫度上升。
夏天晴朗的日子，柏油路面有時會超過攝氏60度。之所以熱到不能摸，不只是因為顏色黑，更是因為沒有能幫它降溫的機制。
都市的地面流不了汗。
夜晚熱散不掉的原因
晴朗的夜晚，地面會不斷向宇宙釋放熱能。這就是輻射冷卻，冬天早上結霜也是同樣的原理。
不過這有個條件：必須能看得見天空。放出去的熱如果撞到雲，就會反彈回來（這就是為什麼陰天的夜晚不容易變涼）。撞到建築物時，也會發生同樣的事。
從被大樓包圍的道路上抬頭看天空，看到的只是一條狹長的帶狀範圍。想要放掉的熱，大部分都被周圍的牆壁吸收又反彈回來。而且牆壁白天也被曬熱了，會把熱再送回來。
此外，都市的建築物也會擋住風。能把熱帶走的風進不來。
結果就是，都市到了晚上也涼不下來。熱島效應的差距之所以在夜晚變大，原因就在這裡。
冷氣並不是把熱消滅，而是把房間裡的熱搬到外面去。而且搬運的過程要用電，用掉的電也會變成熱排到外面。室外機排出的熱，一定會比從房間裡取走的熱還多。
如果只有一台，影響很小，但整條街的冷氣同時運轉，就不能忽視了。因為熱所以開冷氣，冷氣的排熱又讓街道更熱，這是一個循環的關係。
不過別誤會，這不是要你忍著不開冷氣。中暑會危及生命。在室內適當使用冷氣是第一優先，整個街區的對策則是另一個層面的問題（增加綠地、改變路面材質、改善排熱方式等）。
到底熱了多少
看長期的氣溫紀錄，都市的升溫幅度非常明顯。
據統計，東京的年平均氣溫每100年大約上升3℃。而挑選都市化影響較小的地點平均計算，則約為1.5℃。
這個差距，被認為就是都市化本身造成的。也就是說，住在都市裡的人，除了承受全球暖化之外，還要多承受一層額外的高溫。
其中變化特別大的，是夜間的最低氣溫。夜間氣溫不低於25℃的日子（熱帶夜）在大都市明顯增加。睡覺時身體無法降溫，會提高中暑的風險。
有效的對策，取決於背後的原理
- 增加綠地 ― 樹木和草坪會讓水分蒸發，也能製造陰影。不只是「遮蔭」，還多了「流汗」的效果，比屋簷或遮陽棚更涼爽
- 把屋頂和牆壁塗成淺色 ― 只要能反射陽光，熱一開始就不會進來。高反射率塗料據說能大幅降低屋頂溫度
- 使用保水性路面 ― 能吸住雨水、慢慢蒸發的路面已經實際應用，就是讓地面也能「流汗」的辦法
- 灑水（打水） ― 利用氣化熱，是最直接的方法。但在大太陽底下的白天灑水，很快就乾了效果短，建議在早晚陰涼處灑水更好
- 保留風的通道 ― 把河邊或寬闊道路當作涼爽空氣流入的通道，這也牽涉到建築物的配置
反過來說，增加建築物、製造陰影，並不一定會變涼快。雖然會有陰影，但夜晚的熱反而更難散逸。白天和夜晚理想的形態不同，這正是這個問題困難的地方。
可以在戶外驗證的事
- 選一個晴朗的午後外出（別忘了帽子和水分）
- 把手掌靠近陽光下的柏油路面（注意別直接碰觸，會燙）
- 在旁邊陽光下的泥土或草地上做同樣的事
- 再試試樹蔭下的柏油路面和樹蔭下的泥土，比較這四種情況
- 如果可以的話，在日落後2小時再到同樣的地點試一次
在陽光下，柏油路和草地的差異會讓人吃驚。而夜晚的觀察最令人印象深刻。草地已經完全涼了，柏油路卻還是溫的。因為它正在把白天累積的熱，慢慢在夜裡釋放出來。炎熱天氣下的戶外觀察請盡量縮短時間，並留意身體狀況。如果懷疑中暑，請移動到陰涼處，補充水分和鹽分，症狀嚴重時請不要猶豫，撥打119。
總結
都市之所以熱，是因為①地面無法讓水分蒸發，進來的熱直接變成溫度；②夜晚被建築物包圍，熱無法散逸到天空；③再加上冷氣與汽車的排熱，這三個因素疊加造成的。尤其因為②，差距在夜晚會變得特別大。
都市不是因為白天熱。
而是失去了能涼下來的時間。
在同樣的日照下，鋪面本身究竟會升溫到幾度，在氣溫明明只有32℃，柏油路為什麼會超過60℃？一文中有詳細說明。
想了解更多 ― 用語、數值與教科書的關聯從國中理科到目前仍在研究中的主題，都明確標示程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎」「地學基礎」課程範圍
- 高中＋高中「物理」「地學」，或教科書中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（都市氣候學）的內容
- 研究中連大學也不會當作「定論」教授，是研究者目前正在探究的內容
國中用語：形容都市高溫的詞彙
- 熱島效應（Heat Island）：都市地區氣溫比周邊高的現象。在地圖上畫出等溫線時，都市會像一座島嶼般浮現，因此得名。
- 氣化熱（蒸發熱）：水蒸發時從周圍奪走的熱。這就是灑水和流汗會感覺涼爽的原因。
- 輻射冷卻：地面以紅外線的形式將熱釋放到宇宙而變涼的現象。晴朗的夜晚作用特別強。
- 熱帶夜：夜間最低氣溫不低於25℃的夜晚。都市中明顯增加。
- 反照率（Albedo）：反射多少陽光的比例。顏色越白數值越大，越黑數值越小。
高中用公式驗證：灑1公升的水，能抵消多少分鐘的日照
灑水到底有沒有用，還是只是心理安慰？只要把「效果多大」算成數字，答案就出來了。用到的只有水蒸發時奪走熱量這一項。
奪走的熱 ＝ 蒸發熱 × 水量
| 奪走的熱 | 單位為 J（焦耳） |
| 蒸發熱 | 每 1 g 水約 2260 J |
| 水量 | 單位為 g |
水蒸發時，會從周圍帶走熱。這和「用冷水降溫」是不同的機制。就像流汗後會感覺涼爽，不是溫度下降，而是蒸發這個動作本身把熱帶走了。
2260 J 這個數字，在水的各項性質中算是特別大的。相當於把同樣重量的水升溫1℃所需熱量的500倍以上。
| 灑在1 m²上的水量 | 1 L ＝ 1000 g |
| 奪走的熱 | 2260 × 1000 ＝ 2260000 J |
| 盛夏日照 | 約 1000 W/m²（每秒 1000 J） |
| 可抵消幾秒 | 2260000 ÷ 1000 ＝ 2260 秒 |
| 換算成分鐘 | 2260 ÷ 60 ≒ 38 分鐘 |
在1 m²上灑1公升水，可以抵消盛夏日照大約38分鐘的量。並不是心理安慰。不過也只有38分鐘。沒辦法撐一整天。
所以灑水「傍晚、太陽西斜後再灑」是有道理的。日照較弱的時段，38分鐘的效果能持續得更久。如果在正中午灑，很快就蒸發完了。老一輩的做法，和計算結果吻合。
另一個關鍵因素是地面反射多少日照。黑色表面會吸收，白色表面會反射。
| 一般柏油路的反射率 | 約 0.1 |
| 吸收率 | 1 − 0.1 ＝ 0.9 |
| 吸收的熱 | 1000 × 0.9 ＝ 900 W/m² |
| 淺色路面的反射率 | 約 0.4 |
| 吸收的熱 | 1000 × 0.6 ＝ 600 W/m² |
| 差距 | 900 − 600 ＝ 300 W/m² |
光是改變顏色，每平方公尺就有300 W的差距。相當於日照的三成。而且這個方法不需要持續灑水。
和灑水比較看看：如果要用灑水來抵消300 W/m²，換算成2260000 ÷ 300 ≒ 7533 秒，也就是每2小時就得灑1公升水。
個人能做的（灑水）和整個城市能做的（路面與綠化），規模上的差異就顯現在這裡。灑水有效，但持續時間短。要改變整個都市的高溫，改變地面本身效果大得多。
※ 日照量、反射率會因天候和材質大幅變動，實際上風和建築物陰影也有影響。這裡的計算只是為了抓出數量級。
高中用數字看都市與郊區的差異
| 柏油的反射率 | 約 0.05〜0.1（吸收照射光的九成以上） |
| 水泥的反射率 | 約 0.2〜0.3 |
| 草地的反射率 | 約 0.2〜0.25（但有蒸發降溫的效果） |
| 白色塗裝屋頂 | 約 0.6 以上 |
| 夏季晴天時柏油路面溫度 | 有時會超過60℃ |
灑水的效果也能計算出來。水蒸發時奪走的熱，每公克大約是 2,400 焦耳。
| 奪走的熱 | 2,400 × 1,000 ＝ 240萬 J（2.4 MJ） |
| 盛夏日照（每平方公尺） | 約 1,000 W ＝ 每秒 1,000 J |
| 可抵消的時間 | 2,400,000 ÷ 1,000 ＝ 約 2,400 秒（約40分鐘） |
※ 實際上會受風和濕度影響。這是為了掌握效果規模的概算。
從這個計算可以看出灑水的特性。有效，但無法持久。所以比起正中午在陽光下灑水，在陰涼處或早晚灑水效率更高。因為讓水慢慢蒸發，降溫的時間才能拉長。
高中＋進出熱的收支平衡
地表能量的進出，可以整理成以下關係。
（進來的日照） − （反射的部分） − （以紅外線放出的部分） ＝ （讓空氣升溫的部分） + （讓水蒸發的部分） + （儲存在地面的部分）
在郊區，右邊「讓水蒸發的部分」較大，所以「讓空氣升溫的部分」就能減少。在都市，蒸發幾乎為零，同樣的能量就會分配到「讓空氣升溫」和「儲存」這兩項。
「讓空氣升溫的部分」與「讓水蒸發的部分」的比例，稱為波恩比（Bowen ratio）。都市這個比值較大，郊區則較小。一個數字就能表達都市高溫的本質。
而「儲存的部分」會在夜間釋放出來。柏油和水泥儲熱能力高、也容易傳導熱，所以熱會深入內部，整夜持續散熱。
大學天空看得見多少 ― 天空可視率
在都市氣候學中，從某個地點能看到天空的立體角比例稱為天空可視率（sky view factor），是說明熱島效應強度的重要指標。
在寬闊的草原上，天空可視率接近1，輻射冷卻能充分發揮作用。在大樓夾峙的道路（街道峽谷）上，這個數值有時會低於0.3，放出去的紅外線大部分被牆壁吸收又反彈回來。夜間熱島強度與天空可視率之間，已觀測到明確的關聯。
都市大氣在地表往上數百公尺的區域（都市邊界層）中，有獨特的行為。白天會被劇烈攪動，夜晚則不容易像郊區那樣形成穩定的氣層。郊區夜晚冷空氣會堆積在地表，但都市不容易發生這種情況。
此外，都市與郊區的氣溫差本身也會產生局地風。溫暖的都市會產生上升氣流，把郊區的空氣吸進來。這個環流也和污染物的擴散方式有關。
研究中尚未解決的問題
- 要把都市化的影響和全球暖化的影響完全分開，並不容易。本文提到「東京約上升3℃，都市化影響較小的地點約1.5℃」，但這個「影響較小的地點」該怎麼挑選，本身就帶有判斷成分。觀測站周圍在數十年間也在變化，幾乎沒有完全不受都市化影響的長期紀錄。如何分離兩者影響的討論仍在持續。
- 都市對降雨的影響，也還沒有定論。有人指出都市的上升氣流、排熱和懸浮微粒，可能會增加局部性的強降雨。也有報告指出都市下風處降水增加，但每個城市的條件不同，很難和自然變動區分開來。
- 綠化效果的定量預測，也還在發展中。種樹確實能讓環境變涼，但在哪裡種、種多少、怎麼配置，才能讓氣溫降低多少，會強烈受到周圍建築物和風向的影響。目前有研究在探索用有限預算達到最大效果的配置方式，但還沒有標準答案。
- 高溫對健康的影響，也不是單靠氣溫就能決定。還牽涉到濕度、風、日照，以及人的行為和居住環境。「氣溫到多少度、誰會有危險」的預測精準度，目前還不夠高。夜間氣溫不下降對身體造成的影響，特別需要進一步研究。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應內容 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・狀態變化與熱／氣象／太陽能量 | 氣化熱、輻射冷卻、地面溫度的觀察 |
| 高中 | 物理基礎・熱量與比熱／地學基礎・大氣與能量收支 | 反射率、灑水的計算、儲熱 |
| 高中＋ | 物理・熱輻射／地學・輻射收支 | 能量收支公式、波恩比 |
| 大學 | 都市氣候學・建築環境工學 | 天空可視率、都市邊界層、局地環流 |
| 研究中 | 氣候學・都市計畫（尚未解決） | 影響因素的分離、都市與降水、綠化的最佳配置 |
| ― | 公共衛生 | 熱帶夜與中暑、夜間不降溫的影響 |
- 日本氣象廳（気象庁）「熱島監測報告」（ヒートアイランド監視報告）及都市化影響相關分析。
- Oke, T. R., Boundary Layer Climates 及 Urban Climates（都市氣候學的標準教科書，涵蓋天空可視率與夜間熱島效應）。
- 日本環境省（環境省）熱島對策指南（綠化、高反射塗料、保水性路面）。
- Oke, T. R., City size and the urban heat island, Atmospheric Environment 7, 769–779, 1973。
- 日本厚生勞動省（厚生労働省）及環境省（環境省）中暑預防相關資訊。
※ 升溫幅度、反射率等數值會因地點與條件而有所差異。本文所列為一般常引用的參考值。
※本文為一般大眾科學解說。關於高溫應對方式，請依循環境省・厚生勞動省及地方政府的資訊。戶外觀察請控制在短時間內，若感到身體不適，請立即移動到陰涼處，必要時請就醫或撥打119。文中數值僅供理解原理之參考。