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本文为小红猪抢稿第86期译文

译者:管一珉

校对:刘亦心

小红花:3.5朵

在全球变暖的大背景下,高新技术和出奇妙招能为我们的城市守住一份清凉么?

【只有了解城市的热量分布,才可以进行开发整改,令居民更为舒适(图片来源:英国天然气公司)】

全世界最冷的首都城市搞起有关降温的地质工程试验?这听起来可不大靠谱。不过,蒙古国首都乌兰巴托尽管有着接近冰点的全年平均温度,却也有着遭受高温和致命空气污染双重折磨的严酷夏天。于是,政府不得不决定尝试一个新奇的怪招。

2011年11月,工程师们开始在城市北部一块30公顷的土地上成片钻洞,并用水填满。冬天的时候,水会在地下结成约2米长的大棒冰,到了夏天则缓慢融化,为当地河流提供补给,滋养植物的生长,同时冷却吹向城市的热风。

尽管这个项目大得令人咋舌,但果真行得通,还是会有一群等待套用的试点,因为乌兰巴托的问题远非个例。世界的多半人口生活在城市中,而这些城市正变得越来越大、越来越热。随着气候变化一再把温度推向新高,能否找到降温方法已不仅仅关系舒适与否,而是正在发展得生死攸关。

美国自然资源保护委员会(Natural Resources Defense Council)最近的一个分析估计,到本世纪末,美国一线大城市的极端热浪每年导致的死亡人数将增加3300人。单纯地打开空调则会使热气涌到街上,结果更加糟糕。怎么才能给大都市降温呢?蒙古那极富创意的"冰盾"真能驱赶热浪吗?

在19世纪早期,英国业余气象学家卢克·霍华德(Luke Howard)观察到伦敦比周围乡村温度要高2摄氏度:卢克首次发现了城市发展对于当地气候变化的影响。这种热效应主要来自砖块、石板等建筑材料,它们白天吸收太阳的热量,夜晚再释放出来。此后,水泥的推广、汽车和空调的普及,使得"城市热岛效应"在近50年变得更为显著。近期有研究指出,密集化发展的城市可以比周边乡村热12摄氏度之多。

火上浇油的是,全球变暖还会带来更为极端的气候,比如长期持续的热浪。当这种热浪席卷过城市热岛,恨天高的温度更加不在话下。自然资源保护委员会预测,到2099年,美国最大的40个城市每年夏天将平均遭受近7周的极端高温天气,是现在的8倍之多。高温会增加身体负担,同时也会加剧空气污染带来的危害,所以死亡率总是随温度上升而激增。2003年热浪席卷欧洲时,死亡人数较常年增加了35000人,且绝大多数均为城市人口(见图表)。而未来更多的极端昼夜高温,带来的将是医院就诊量的大幅上升以及成千万增长的死亡人数,尤其是老年人。

尽管形势严峻,控制城市气候的科学研究却仍在萌芽阶段,详尽探究城市气候的尝试也非常有限。希腊雅典大学的物理学家马特·桑塔瑞斯(Matteos Santamouris)说,对于高温而言,现成的控温手段空调也难辞其咎。我们不能继续依赖空调,它不仅助推了城市热岛效应,还增加了能源消耗。在夏季,当雅典的居民开始用空调之后,能源消耗量通常都会翻番。

要扭转越来越热的势头,一种直接的方式是从源头上让城市少吸收一些热量。马特和他的团队正在研发一些路面和屋顶的材料,让它们反射而不是吸收热量。

马特说,因为路面和屋顶占据了城市地表面积的一多半,减少它们储存的热量也就能够显著降低道路温度。作为欧洲屋顶降温委员会(Cool Roof Council of Europe)主席,马特正努力向这项理论的长期支持者渗透他的想法——加拿大蒙特利尔康考迪亚大学的汉森姆·阿克巴里(Hashem Akbari),他正在建议全球城市降温联盟(Global Cool Cities Alliance)在100个世界大型城市里使用热反射的表面材料。

闪光的城市

这么做值得么?实验表明,热反射材料的屋顶可以减少建筑物内住户空调的使用,从而降低能耗、减少碳足迹。但要证明热反射材料确实能够改善城市微气候还颇有挑战,因为现有的证据大多来自大规模模拟实验。例如,一项2010年的模拟显示,如果在全世界所有城市的建筑屋顶都使用热反射材料,可使城市平均最高温度下降0.6摄氏度。在为数不多的真实案例中有一项,是在西班牙东南部温室的普及过程中,热反射塑料和玻璃取代了原来的灌木丛,令当地温度以每十年0.3摄氏度的速度下降。

马特实现了最大的反射材料表面的城市试验:他在传统建筑材料中加入能反射红外波段热能的无机矿物颗粒。2010年,4500平方米这种经改良的路板被铺设在了雅典Flisvos公园。之后夏天的测量数据表明,改良后的路板比普通的路面要凉快约12摄氏度。马特认为,公园的内部温度可因此下降近2摄氏度。

不过热反射表面本身也并不是万无一失。就在去年,一项研究发现,那些为了控温而设计出的热反射人行道可将热量反弹到临近的建筑,反而增加了室内空调的使用需求。加利福尼亚州斯坦福大学的一个团队进行的另一项独立研究显示,大面积使用这种材料事实上会增高全球温度。另外,尽管热反射材料在炎热、多日照的地方效果良好,但是在大陆性气候的地区,如丹佛或莫斯科,则会造成冬季取暖成本上升。

相对而言,把路板换成绿地会更加有效。植被带来的蒸腾降温作用可以缓解热岛效应,还能提供荫蔽——光是树阴下就可以比外面低7摄氏度。但是在已经过度拥挤的城市中增加绿地的实践性几乎为零,尤其在一些连房地产价格都已飙到天文数字的地方。英国班戈大学循证保护中心(Centre for Evidence-Based Conservation)的安德鲁·普林(Andrew Pullin)说:"在空间有限的城市里,绿色的屋顶、墙面和行道树也许更可行,理论上来讲它们应该可以中和热岛效应。"

尽管如此,普林和他的同事在"城市绿植的气象分析研究"中仍然指出,研究人员尚不清楚哪种植物最有效,也不清楚降温效应可延伸的范围有多大。他说,甚至需要多少绿植才能平衡一定量沥青和水泥所产生的热量也都没有定论。

最要紧的是,城市微气候的调节不仅难度大成本高,而且分析工具仍相对粗糙——比如说,我们仍然缺少测量城市热岛效应的简易模型。马特说,我们需要的不仅仅是白色屋顶和更多的树木,对地形等当地因素的测量考察也十分关键。

在一些城市,市区改造项目给这一想法提供了试验田。这些项目也给跟踪温湿度技术提供了基础,以找出从何入手进行改善。

台湾的台中中央公园就是这样一个项目,这项大规模的计划旨在重新开发旧台北机场周边荒废的区域。台北政府把项目交给了法国环境建筑设计师凯瑟琳·摩斯巴赫(Catherine Mosbach),她提议以"绿肺"计划把居民从他们的空调"蜗居"里吸引出来。她希望,由此产生的连锁效应能够有助于控制温度和湿度。

项目今年开始建设,2.5公里长的公园将被分成不同区域,用不同方法调节微气候。例如有些区域较为凉爽、湿度较低,适于户外运动;另一些有助于清洁空气:利用路面中的吸光催化剂,它们吸收能量并用以分解空气中的污染物。公园的景观建设还使盛行风更为清新。为了降低湿度、增加舒适感,凯瑟琳还设计使用"逆绿洲"(inverse oasis)——一个连接电子除湿器的18米长的带孔平台——来完成。凯瑟琳团队的模拟估计,"绿洲"周围的体感温度可以降低4摄氏度之多。同理,"冻湖"区域会把冷却装置吹出的凉风送到成阶层分布的塑料地板和座椅之间。凯瑟琳说,公园的能源供应来自于一组风力发电机,所以绿洲是可持续运转的。然而对于一个相对湿度长期徘徊在90%左右的城市来说,这些功夫在公园之外恐怕起不到什么作用。

一个更为恢弘的计划则置身于地拉那(阿尔巴尼亚首都)的老城,用来改善微气候。与马特共事的希腊建筑师尼可·芬提克斯(Nikos Fintikakis)就不同的降温策略对温度和风速的影响进行建模,结果振奋人心。于是,他们在2012年重新改造了一片约2平方公里的地块,引入更多植被、遮阳物和另一项马特的发明——热变色铺路材料,它包含的热敏材料会随着温度的变化改变颜色。这种路面冬天呈现深色,可以有效吸收热量;随着温度上升,路面将转而经黄色变成白色,这时反射的热量更多。马特说,这种路面效果显著,他准备开展商业推广。"团队报告中称,这个夏天这里比以前降低了3摄氏度。"尼可说,这符合他们的预期。

这项设计的最后一个部分是一套地空热交换系统,交换器吸收热空气,通过埋于地下3米的管道循环;这里的温度比地表低几度,经此冷却的空气最终通过齐头高的通风管排送到公共区域。尼可希望这套装置能尽快安装。

蓝图

地拉那的改造不会止步于此。建筑设计公司Grimshaw已经成功竞标该市的总体规划权,类似的改造将在约14平方公里的土地上铺开。

根本上讲,再改造项目不应只关注露天区域,也应关注城市的基本构造——建筑。英国雷丁大学城市气象学家珍妮特·巴罗(Janet Barlow)说,商店、房屋和办公大楼的形状、大小和分布可以影响"街道峡谷"里的风速。她的建模显示,街道的宽度是建筑高度的1.5倍时,才足以提供持续的空气流给居民降温并消减和驱散污染。

这一理论即将在一个葡萄牙北部生态城市开发项目"普兰爱提谷"(PlanIT Valley)得以实行,项目计划于2015年完工。它的设计者,Living PlanIT公司开发了一套模拟系统,加入了该地的地形和气象信息。通过观察模型,研究建筑大小和位置对于阴影、温度和风速产生的影响,他们设计出一套方案:在建筑物顶加大风速利于风力涡轮机发电,而在街面高度又要保持舒适的微风。

荷兰埃因霍温科技大学工程师劳尔·鲁尼(Roel Loonen)说:"建筑本身就可以用来调控他们的直接环境。"阿布扎比的米那·扎伊德海滨(Mina Zayed waterfront)项目就是一个例子,圆柱形的建筑被一块巨大的幕帘包裹,幕帘跟随太阳的照射移动,给建筑中间的露天公园提供全天候的遮荫。鲁尼说,更多种类的活动外立面正在开发中,这些热敏材料有的有的会随温度变换颜色(就像马特的热变色铺路材料一样),也有的随着温度变化而"出汗",可以增加空气湿度。

最终,影响最大的还是那些低科技含量的解决之道。"普兰爱提谷"安装的空调用上了太阳能板的剩余电力,这差不多就跟用冰块儿一样朴实。

蒙古清醒空气基金会(Clean Air Foundation)乌兰巴托项目协调官驰慕德·额德妮·巴特尔(Chimed-Erdene Baatar)已经得到了很好的证明。她说,"冰盾"项目实施非常有效,政府正打算在更大范围安装这种自然"空调"她进一步表示,任何一个大陆性气候的城市都能用这种方法将清凉的休闲娱乐区建在城郊或直接将其融入市中心。"能源的节省量将是相当可观的。"

关于本文

凯特·奥斯丁(Kat Austen),《新科学家》(New Scientist)观点编辑。

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4 Responses to “[小红猪]清凉绿洲:驱赶城市热气”

  1. 小蚯说道:

    看的糊里糊涂的,还是有空要查好多资料才能把文章看明白……

  2. 思捷说道:

    好文,重要的资料

  3. 寂寞的老鱼说道:

    由于缺少地理工作者的参与,松鼠会将全球变化简单归结为变暖,不知出于何种目的,又将城市问题带来的一些现象与“全球变暖”关联到一起,实在有损松鼠会的形象。建议:有地理学科栏目再发表相关话题为好。
    顺便提示一句:城市环境通常近似于同维度的沙漠。由此入手会更接近真相。
    祝愿松鼠会为科普做出贡献。

  4. 寂寞的老鱼说道:

    由于缺少地理工作者的参与,松鼠会将全球变化简单归结为变暖,不知出于何种目的,又将城市问题带来的一些现象与“全球变暖”关联到一起,实在有损松鼠会的形象。建议:有地理学科栏目再发表相关话题为好。
    顺便提示一句:城市环境通常近似于同纬度的沙漠。由此入手会更接近真相。
    祝愿松鼠会为科普做出贡献。