你所在的城市的形状可以决定夜间的温度

你的城市是水晶还是液体？不，这不是 Facebook 测验。这是一个关于城市设计的严肃科学问题，以及城市布局是否会影响夜间与乡村环境相比的温度——这种现象被称为城市热岛效应。

如果你住在网格状的城市，比如纽约或芝加哥，它们的纳米级设计看起来像晶体中的原子，那么你在晚上会比住在混乱排列的城市（比如伦敦或波士顿，它们的设计看起来像液体或玻璃中无序的原子）更热。

一项新研究表明，城市的几何排列（研究人员称之为“纹理”）可以产生很大的影响。事实上，城市的纹理是影响热岛效应的最大因素，科学家们表示，“结晶”城市的热量积聚程度远高于“液体”或“玻璃状”城市。

“网格状城市的建筑群规模较小，因此其建筑占据了这些区域的较大部分，尽管就整个城市而言，网格状城市的密度可能与非网格状城市相同，”麻省理工学院高级研究员、研究作者之一罗兰·佩伦克 (Roland Pellenq) 表示。“由于网格状城市的局部密度高于非网格状城市，因此它们在白天会吸收更多热量，而在夜间释放热量的效率更高。”这项研究发表在《物理评论快报》上。

城市热岛效应是指城市建筑材料（如混凝土和沥青）在白天吸收热量，并在夜间散发热量，散发的热量远大于植被覆盖的区域。这就是为什么城市晚上总是感觉比附近乡村更热的原因之一。事实上，研究人员表示，这种效应可以使凤凰城等城市的夜间气温升高 10 华氏度。

随着气候变化持续导致气温升高，导致危险的热浪次数增多且持续时间更长，城市居民将越来越多地承受城市热岛效应带来的负担，包括与高温有关的疾病激增、空气污染和能源消耗，因为当地人为了保持凉爽而开空调。研究人员表示，更好地了解加剧热岛效应的原因可以帮助城市规划者和其他官员应对这些日益严重的问题。

“对于新城市，甚至是社区，我们的研究结果可用于设计有助于优化温度的街区布局，”佩伦克说。“如果一座城市位于炎热的气候下，并且希望最大限度地降低温度并减少建筑物的能耗，则应避免采用网格布局。然而，如果一座城市位于寒冷的气候下，那么也许应该利用一些网格状结构的局部建筑群，并在社区中间设置大片绿地，以抵消夏季[城市热岛效应]的负面影响。”

然而，他强调，城市规划是一个复杂的过程，涉及许多受布局影响的因素，例如交通效率。“人类的舒适度和福祉、交通、安全和能源消耗，所有这些都必须考虑在内，”他说。“完美的城市设计并不存在一个方程式。对许多人来说，这是一个反复试验的过程，在某些方面是自然形成的，但在其他方面则是城市化人为形成的。城市规划者面临的挑战是如何优化所有这些参数。我们的研究只揭示了其中一个参数的信息。”

佩伦克说，研究小组利用为分析材料中的原子结构而开发的数学模型——“经典统计物理学的工具”——来计算城市设计如何影响热岛效应。他们采用了最初为分析材料中单个原子如何受到其他原子力的影响而创建的公式，然后将这些关系简化为建筑物之间距离的更简单的统计描述。

然后，他们将这些结果应用于从美国和其他国家 47 个城市的卫星图像中提取的建筑模式，最终为每个城市得出一个指数，范围从零（完全无序）到一（完美的晶体结构）。他们考虑了每个城市的温度数据，包括城市内部和外部，以确定差异。研究人员表示，加热效果的变化似乎是由于建筑物散发热量的方式造成的，而这些热量可以被直接面对它们的其他建筑物重新吸收。

“芝加哥、纽约市和华盛顿特区之间存在非常明显的结构差异，”佩伦克说。“正如我们的数据所显示的那样，华盛顿特区的结构绝对不那么有序，这意味着城市热岛效应较低。夜间最热的城市是芝加哥和纽约市，而最冷的城市是达拉斯或西雅图。”

研究人员对美国每个州进行了单独评估，发现仅在佛罗里达州，城市热岛效应就导致空调额外成本增加约 4 亿美元。“假设佛罗里达州所有城市的城市热岛效应为 2 摄氏度，那么 4 亿美元是仅住宅部门的年平均空调成本，”佩伦克说。“实际上，这个数字会高得多，因为商业部门对人口密集的城市地区的冷却能源负荷做出了巨大贡献。”

佩伦克表示，这项研究的想法源于他们对研究各种建筑材料纳米级结构的兴趣，而不是他们在炎热城市的夜间个人经历，尽管“我们曾在夏天去过纽约，但并不特别喜欢那里的酷热”，他说。

尽管这项研究“始于一个有趣的、短暂的夏季实验”，但科学家们在实验室测试混凝土后意识到“测试材料表面的粗糙度模式与我们在河对岸的建筑物外面看到的波士​​顿天际线很相似，”佩伦克说。“我们开始思考，复杂的建筑和道路网络（我们称之为城市）是否看起来类似于粗糙材料的纳米级表面。”

在建立了纳米物理学与城市规划之间的联系后，他们开始思考更大的问题，其中包括“解决与我们社会的相关性和重要性问题”，佩伦克说。“我们为什么要关心城市是类似于晶体还是液体？[因为]我们都有一个共同的目标，那就是让世界变得更美好。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。