你的城市是水晶还是液体？这并不是一个脸书小测验。这是一个关于城市设计的严肃科学问题，以及城市的布局是否会影响其夜间气温相对于周围乡村地区升高的程度——这种现象被称为城市热岛效应。
如果你住在一个网格状的城市，比如纽约或芝加哥，其微观结构看起来像水晶中的原子，那么与居住在一个布局混乱的城市（例如伦敦或波士顿），其布局更像液体或玻璃中无序的原子相比，你晚上会更热。
根据一项新研究，城市在几何上的排列——研究人员称之为“纹理”——会产生巨大的差异。事实上，城市纹理是影响其热岛效应的最大单一因素，“晶体状”城市的散热积累远高于其“液体状”或“玻璃状”城市，科学家们表示。
“网格状城市的集聚区尺寸较小，因此其建筑物占据了这些区域相对更大的比例，即使——就整个城市而言——网格状城市可能与非网格状城市具有相同的密度，”麻省理工学院高级研究科学家、该研究的作者之一罗兰·佩伦克（Roland Pellenq）表示。“由于网格状城市比非网格状城市的局部密度更高，它们在白天会吸收更多的热量，并在夜间更有效地释放热量。”该研究发表在《物理评论快报》杂志上。
城市热岛效应发生的原因是，城市建筑材料，如混凝土和沥青，白天吸收热量，晚上将其辐射出去，其程度远高于植被覆盖的地区。这是城市夜间总是比附近乡村地区感觉更热的原因之一。研究人员说，这种效应实际上可以让菲尼克斯等城市傍晚的温度升高高达10华氏度。
随着气候变化持续推高气温，导致极端高温和热浪更加频繁和持久，居住在城市中的人们将日益承担城市热岛效应带来的负担，包括与热相关的疾病、空气污染和能源消耗的激增，因为当地居民会调高空调以保持凉爽。研究人员表示，更深入地了解加剧热岛效应的因素，有助于城市规划师和其他官员应对这些日益增长的问题。
“对于新建城市或新社区，我们的研究结果可以用于……设计有助于优化温度的街区布局，”佩伦克说。“如果一个城市位于炎热地区，并且该城市希望将温度降至最低并减少建筑物的能源消耗，则应避免采用网格布局。但是，如果一个城市位于寒冷地区，那么也许应该利用网格状结构的某些局部建筑群，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。”
但他强调，城市规划是一个复杂的过程，涉及到许多受布局影响的因素——例如交通效率。“必须考虑到人类的舒适度和福祉、交通、安全、[以及]能源消耗，”他说。“没有一个完美的城市设计方程。对许多人来说，这是一个自然而然地促进，但在某些方面又通过城市化人为促进的过程，这是一个试错过程。城市规划者面临的挑战是如何优化所有这些参数。我们的研究只提供了一个方面的相关信息。”
佩伦克说，研究小组使用了旨在分析材料原子结构的数学模型——“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。他们改编了最初用于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对建筑物之间距离的更简单的统计描述。
然后，他们将这些公式应用于从美国及其他国家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介于零（完全混乱）和一（完美晶体结构）之间的单一指数。他们考虑了城市内部和外部的温度数据，以确定差异。研究人员表示，加热效应的变化似乎源于建筑物散发的热量会被直接相对的建筑物重新吸收。
佩伦克说：“芝加哥、纽约市或华盛顿特区之间存在非常独特的结构差异。”“正如我们的数据显示，华盛顿特区的结构明显不那么有条理，这导致了较低的城市热岛效应。夜间最热的城市将是芝加哥和纽约市，而最凉爽的城市将是达拉斯或西雅图。”
研究人员评估了美国各州，发现仅在佛罗里达州，城市热岛效应就导致空调成本超支约4亿美元。“4亿美元是平均每年仅住宅部门的空调成本，假设佛罗里达州所有城市的城市热岛效应为2摄氏度，”佩伦克说。“实际上，这个数字会高得多，因为商业部门对人口稠密地区的制冷能源负荷贡献很大。”
佩伦克说，这项研究的想法源于他们对研究各种建筑材料的微观结构感兴趣，而不是源于他们在炎热城市度过夜晚的个人经历，尽管“我们在夏天去过纽约市，而且不太喜欢那里的过热天气，”他说。
尽管这项研究“最初是一个有趣的短期夏季实验”，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建筑物外面、河对岸看到的波士顿天际线相似，”佩伦克说。“我们开始思考，我们所知的城市复杂的建筑和道路网络，是否与粗糙材料的微观表面相似。”
在建立了微观物理学与城市规划之间的联系后，他们开始考虑更大的问题，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否像晶体或液体？[因为]我们都有改变世界变得更美好的共同目标。”
玛琳·西蒙斯为Nexus Media撰稿，该媒体是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻社。
