都市熱島效應文獻回顧

第三節 都市熱島效應文獻回顧

一、形成原因與機制

Luke Howard 於 1833 年首度提出都市熱島效應的概念(Landsberg, 1981)，都 市環境由於人口過度集中，人工發散熱大，建物密集，蓄熱不易排散，加上綠地 稀少等因素，常造成氣溫較四周郊區為高，這種都市高溫宛如一座發熱島嶼之現 象，在氣象學上稱之為都市熱島(Urban Heat Island)。因此稱都市中心較熱的區域 為「熱島」，所以都市熱島效應即為都市中心區域氣溫較高的現象，如圖 1-1。

圖 1-1 臺北盆地等溫線圖

造成都市熱島效應的氣候因素包括：熱輻射、風、降雨、濕度、空氣微粒、

霧等，人為因素則為大量人工發散熱。其形成原因，主要是都市環境吸收太陽輻 射熱後，在密集的建築環境及多元吸熱建材下，熱輻射會在建物與地面間多次反 射與吸收，造成酷熱環境且熱量不易排散。此外都市每天釋放大量人工發散熱(如 空調、汽機車等)，加上都市空氣污染以致塵沙吸收輻射熱，且都市缺少綠地無法 降溫。以上原因導致都市熱島現象，使都市如一座發熱的島嶼般產生上昇氣流，

再由周圍郊區的冷氣流補充，形成左右對稱氣流循環現象，如圖 1-2（林憲德，

1994）。

單位:^。C

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圖 1-2 都市熱島效應及在其上空形成的塵罩圖(林憲德，1994)

熱島效應之強弱通常以都市熱島強度為評估指標，其定義為市中心最高溫度 與市郊最低溫度之差（△Tu-r）。都市熱島強度有高達 12^。C 者及低至 2^。C 者(Chow

& Roth, 2006)

都市熱島效應會造成環境問題如都市酷熱氣候及增加都市降雨等。根據文獻 研究(林炯明，2000)，都市熱島效應之形成機制及對環境影響經整理簡述如下。

都市熱島效應之形成機制主要有地表粗糙度、大氣反照率、地表輻射特性及 潛熱通量。其中都市上空空氣流場因粗糙度大，大氣層邊界厚度增大導致風速降 低，因而形成塵罩使熱流不易排散。另外大量雲量使大氣地表因吸收短波輻射所 放射的長波輻射熱不易排散，造成溫度上升。加上都市峽谷地形，增加輻射在其 間反射與吸收的次數，進一步提升建築物吸熱的機會；另外水泥、柏油、金屬等 建材比熱相較於綠地水域為小，故容易增溫使都市氣溫大量攀升，故地表材質的 反照率、放射率、比熱等因素亦為熱島效應形成原因之一。相較於都市，鄉村地 區具有較多的植物或天然水體，其藉由蒸散及蒸發作用或化學作用，可將地面可 感熱轉換成潛熱釋放，進而降低地表溫度。都市的擴張會導致向上潛熱通量減少，

地表可感熱增加。

都市熱島效應會對都市環境造成各種影響，如都市酷熱氣候、能源浪費與供 給壓力增加、都市降雨增加、影響空氣品質、造成空氣汙染等。

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二 相關因子與特性

都市熱島強度之大小可藉由研究都市之若干特性預估，這些與都市熱島效應 相關的特性包括地理位置、都市規模大小、土地使用分區、氣候條件、綠覆率及 水域比率等稱為都市熱島效應之相關因子，茲說明如下。

(一) 都市熱島強度隨地理位置不同而有差異：如圖 1-3 所示熱帶地區如新加坡的 都市熱島強度比美國及歐洲低，北歐及日本的都市熱島強度則偏高。

圖 1-3 都市熱島強度與人口密度及緯度之關係圖(Chow & Roth , 2006)

(二) 都市熱島強度與都市規模大小，都市開發程度有正向關係：如 圖 1-3 (Chow & Roth, 2006)及圖 1-4(Gry & Rys, 1995)所示都市熱島強度與都市人 口的對數呈正向關係。

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圖 1-4 都市熱島強度與人口之關係（Gry & Rys, 1995）

(三) 都市熱島強度與土地使用分區有關，如新加坡文獻研究(Stive, 2007)及圖 1-5 所示其全國都市熱島強度隨土地使用分區的不同而變化，在晚上時段溫度由 高至低分佈依序為商業區、住宅區、住商區、公園區、工業區、機場。又依 Oke 於 1981 年提出之文章探討都市熱島強度與都市峽谷(urban canyon)關係，

該文指出△Tmax＝7.45+3.97*Ln(W/H)，其中△Tmax 為都市熱島強度，

Ln(W/H)為街道高寬比之自然對數值，可見都市熱島強度與街道高寬比有極 大關係。

圖 1-5 夜晚帄均環境溫度在七種不同土地用途下之比較圖

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( 四 ) 都 市 熱 島 強 度 與 氣 候 條 件 有 關 ， 故 不 同 季 節 、 不 同 氣 候 條 件 及 不 同 時段其都市熱島強度皆不同(林憲德、孫振義，2006)，如圖 1-6、圖 1-7 所

示，台南地區都市熱島強度與溫度呈現相反現象，亦即當溫度偏低的春、冬 季，都市熱島強度有偏高的趨勢，反之在溫度較高的夏季，其都市熱島強度 卻偏低。

圖 1-6 台南地區 2002 年都市溫度與都市熱島強度比較

圖 1-7 台南溫度與帄均都市熱島強度圖

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(五) 都市熱島強度與綠覆率或水域有關如表 1-1，表 1-2(林憲德等，2001）

文獻指出，增加綠覆率與水域密度將可減少都市熱島強度。

表 1-1 水域密度與溫度之關係

表 1-2 綠覆率與溫度之關係

本研究為瞭解臺北盆地溫度分佈及都市熱島強度，對其相關因子中之都市規 模大小(含人口密度及建蔽率因子)、綠地比率等因子進行解析與比較，將可得到 都市熱島強度與相關因子之關聯性，提出減緩臺北盆地都市熱島效應之改善策 略。

- 9 - 內的地表輻射，再將其用公式轉換為亮溫(brightness temperature)，再將亮溫與數 個地面氣象測站測得之地表溫度或空氣溫度予以迴歸修正，最後再利用迴歸所得

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CFD 即是 Computational Fluid Dynamics，中文稱為「計算流體力學」，是研 究流體在 3D 立體模擬場域中藉著所建立網格的傳導，以物理及能量方程式為理 (Rajagopalan Priyadarsini & Wong Nyuk Hien, 2009)，亦採用 CFD 模擬方法取得新 加坡都市熱島強度的形成原因。其他美加、香港與大陸地區也都有相當多以 CFD

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其次，透過 CFD 模擬溫度分佈圖及相關資料可瞭解都市熱島強度與相關因子 之關係，如東京中央十公里方形區域溫度分佈情形研究文獻中(Ashie et al, 2006) 指出東京濱離宮公園溫度明顯低於鄰近非公園地區，如圖 1-10 所示。同文中東京 中心區域河川沿岸帄行及垂直方向之溫度分佈差異比較，可瞭解都市熱島強度受 到水域因子之影響，如圖 1-11、圖 1-12 所示。

圖 1-10 濱離宮公園區域離地 5m 溫度分佈圖 圖 1-11 東京地區河岸空照圖 2005 年 7 月 31 日 12:00 時 2005 年 7 月 31 日 12:00 時

圖 1-12 東京中心區河川沿岸帄行及垂直方向溫度分佈圖 2005 年 7 月 31 日 12:00 時

最後，依據 CFD 模擬結果及理論基礎作為都市建築立體幾何結構之設計參考，

期能因此減緩都市熱島效應。如東京地區熱島現象透過 CFD 模擬研究及其減緩策 略文獻中(Ashie et al, 2005)即證明摩天大樓加上寬廣高速道路設計能改善都市風 流量及熱環境(圖 1-13)。

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實際建物街道 理想建物街道 圖 1-13 都市風道再造計畫溫度分佈比較圖

2005 年 7 月 31 日 14:00 時

綜上所述本研究歸納 CFD 相關操作流程如下: CFD 軟體被運用到都市熱島效 應上的操作流程，乃是對研究範圍的都市先建立其各種物體的 3D 立體等比例之 幾何模擬結構圖(包括建物、道路、河川、公園、綠地)，再完成各物體間及邊界 之網格聯繫。其次輸入邊界條件、各物件的表面材質熱屬性、場域溫度風速、風 向等，最後賦予各物體人工發熱量，並採取適當的流體力學和能量帄衡方程式，

讓電腦運算模擬場域各處的風速及溫度分佈圖，再與實測場域溫度分佈圖作比較。

最後透過模擬場域瞭解風場及熱能場之變化及其影響因素，藉此改善建物、道路、

河川、綠地之立體幾何結構、材質屬性及適切排散人工熱的方法，作為降低都市 熱島之都市建築設計參考。

本研究將透過 CFD 模擬實驗取得臺北盆地 CFD 模擬溫度分佈圖，並與實測 溫度分佈結果互為驗證，比較兩者異同。

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