城市热岛与极端热浪相互作用的全球时空分析

为何城市高温比以往更重要

当热浪来袭时，城市居民通常感受最强。混凝土、沥青与密集建筑会滞留热量，形成城市热岛——使城市比周围地区持续更热。本研究提出了一个关键问题：在极端热浪发生时，它们只是简单地叠加城市高温，还是与城市环境相互作用，使夜间变得尤其危险？通过对近三十年间全球各城市的分析，作者揭示了热浪与城市热岛何时何地共同制造出特别强烈的高温，以及哪些物理过程在其中起主要作用。

研究如何考察城市与高温

研究者没有只聚焦单一城市，而是使用地表-气候模型模拟了1985年至2013年间全球3,648个城市网格单元的城市与附近农村区域的空气温度。他们将热浪定义为农村参考区连续至少三天的日最高气温超过当地夏季第98百分位值。城市热岛强度以城市与农村两米高度空气温度之差来衡量——这是人们实际生活与呼吸的那一层。本研究的关键量是：在热浪日，城市—农村温差相比典型夏日变得有多强（或多弱）。

城市何时何地升温最显著

在全球范围内，团队发现热浪影响城市高温存在明显的日节律。额外的城市增温在日出前达到峰值，此时城市在热浪夜间比非热浪夏夜高出约三分之一摄氏度，而在晚间过渡到次日早上时段会短暂下降，在上午中后段甚至可能略微为负。总体上，夜间比白天表现出更强的协同效应：夜间城市—农村差异在热浪期间平均增加约0.27°C，而日间变化接近零。空间上，日间模式呈斑驳分布——一些农业区和沿海区域在热浪期间城市增温很小甚至变弱——而夜间模式更为一致，在印度北部和中国北部出现特别强烈的热点，额外的夜间城市增温可超过0.8°C。

气候背景如何塑造城市高温

研究者随后按广义气候类型——干旱、大陆性、温带和热带——对城市进行分组，以考察背景气候如何控制这些模式。所有气候带在基本时序上相同：与热浪相关的额外城市增温在夜间最强，在晚间转入上午最弱。但强度与变异性存在差异。具有炎热夏季和强季节摆幅的大陆性气候在热浪期间——尤其是夜间——显示出最大的城市增温幅度。相比之下，热带气候的地域差异最大：部分热带地区（如印度部分地区）出现城市增温的强烈增强，而其他地区（如墨西哥和中美洲部分地区）则表现为减弱或无显著相互作用。这种差异反映了农村地区可用水分的多少以及城市与乡村在地表性质上的差异程度。

是什么驱动城市的额外增温

为了解哪些物理因子最重要，团队使用了基于超过六百万小时观测训练的机器学习模型，并结合一种解释工具来评估每个因子的贡献。热浪期间额外城市增温的最强指示器是城市表面相比农村表面发射的长波辐射（本质上为红外热辐射）的差异。夜间，城市建筑与路面缓慢释放储存的热量，增强了这一向外的辐射，使城市空气比周边乡村更暖。水分在其中也起核心作用，尤其在潮湿地区的白天。当农村地区保持湿润时，植被可将入射能量用于蒸发冷却空气，而铺砌、较干的城市无法如此，这扩大了城市与乡村的湿度差异，并将更多能量引导到加热城市空气上。风速和感热通量——即从地表到空气的直接热量传递——在较干燥的气候中变得更为重要，尤其在低风速条件下，积聚的热量难以扩散。

这对城市居民意味着什么

研究表明，热浪与城市设计并非简单叠加其效应——它们相互作用的方式可显著加剧夜间高温，尤其在特定气候下。在潮湿的农业区或温带地区，最大风险出现在热浪使城市比周边更干燥时，这会加剧湿度对比并削弱自然冷却。大陆性与干旱地区的主要成因则是建筑中储存的热量与静止的空气在街道上滞留。对于城市规划者与公共卫生官员而言，这意味着防护极端高温的对策必须依据当地气候量身定制：在潮湿地区增加遮荫与补水措施，在干燥地区改善夜间降温与通风，并始终特别关注夜间状况——因为此时人体最难从白天热应激中恢复。

引用: Guo, J., Lee, X. & Zhang, K. Global spatiotemporal analysis of interactions between urban heat islands and extreme heat waves. Sci Rep 16, 9012 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37372-7

关键词: 城市热岛, 热浪, 气候适应, 城市气候, 高温风险