Betongen och asfalten som gör stadens somrar brutalt varma kanske inte är en dålig sak under vinterns djupfrysning.

Forskare från Princeton University har funnit att den urbana värmeöseffekten - städerna är varmare på sommaren än deras omgivande områden - också hjälper till att hålla städerna varmare under extrem kyla. Fynden har konsekvenser för stadsplanerare i områden som New York City eller Chicago, som upplever markanta säsongsbetonade temperatursvängningar.

Jiachuan Yang, en postdoktorand forskare, och Elie Bou-Zeid, professor i byggnads- och miljöteknik, analyserade urbana temperaturer i 12 amerikanska städer i nordöstra och mellanvästern under en kall våg 2014. De fann att stadsområdena höll sig varmare än de omgivande förorterna och landet. Skillnaden i temperatur var störst under den kalla vågen, som satte mer än 49 lågtemperaturrekord. Temperaturskillnaderna var också mer uttalade på natten än på dagen.

Resultaten, rapporterade i juninumret av Journal of Applied Meteorology and Climatology , skulle kunna informera om policyer för nordliga städer som försöker mildra extrema temperaturer och stävja energianvändning året runt.

Stadsvärmeöar har studerats utförligt under värmeböljor, med nya analyser som visar att temperaturökningar i staden kan vara så höga som 8 grader Fahrenheit för stora städer som New York City eller Washington. Yang och Bou-Zeids studie är bland de första som undersöker fenomenet under kalla vågor. Yang sa att för vissa områden, kalla extremer kommer att fortsätta att utgöra en utmaning även när klimatet värms upp. "Fler väderrelaterad dödlighet över hela världen hänförs till exponering för överdriven kyla än till överdriven värme, och global uppvärmning kommer sannolikt inte att förändra denna verklighet, " han sa.

Forskarna kombinerade temperatur- och markanvändningsdata med högupplösta vädersimuleringar för att undersöka 2014 års kalla våg i Chicago. Resultaten antydde att värme som frigjordes från byggnader var en nyckelfaktor till den starkare värmeöeffekten som observerades under den kalla vågen.

"När du värmer byggnader, värmen kommer att släppas ut från byggnaderna och gå ut i stadsmiljön, " sa Yang. I staden, skyskrapor skapar gatukajoner som fångar värme, medan på landsbygden värmen från byggnader försvinner snabbare till omgivningen. Under kalla vågor, gatukajoner hjälper städer att minska värmebehovet och göra det mer acceptabelt att vara utomhus, sa Yang.

Under den kalla vågen, Yang och Bou-Zeid fann också en ökad skillnad i mängden värme som frigörs på natten i staden jämfört med landsbygdsområden. Deras simuleringar visade att detta berodde på stadens termiska batterifunktion - betong och andra konstruerade materials förmåga att lagra mer värme än jord, och att släppa ut denna värme när temperaturen sjunker. Kallare nattetemperaturer verkade stimulera värmeväxlingen.

Många städer arbetar på sätt att dämpa sommarvärmen. Dessa inkluderar installation av svala tak, som är täckta med ljusreflekterande material; och gröna tak, som är täckta med växter som sänker temperaturen genom evaporativ kylning när fukt släpps ut i luften. Forskarna modifierade sin simulering för att testa effekterna av svala tak och gröna tak på den urbana värmeön under en kall våg. De fann att svala tak sänkte dagtemperaturerna, medan gröna tak ledde till en liten ökning av dagtemperaturerna och en något större minskning av nattetemperaturerna, på grund av jordens lägre värmelagringskapacitet jämfört med traditionella byggmaterial.

Dan Li, en biträdande professor vid Boston University, sade att arbetet erbjuder lektioner för planerare. "Detta arbete belyser det faktum att vi måste överväga säsongsvariationerna för urbana värmeöar och bedöma de associerade farorna och fördelarna på ett heltäckande sätt, sa Li, som genomförde doktorand- och postdoktoral forskning med Bou-Zeid men inte var involverad i denna studie.

Både Chicago och New York driver ambitiösa klimathandlingsplaner, som inkluderar främjande av svala tak och gröna tak för att minska den urbana värmeöeffekten. Yang sa att det fortfarande är viktigt att bekämpa sommarvärmen, men städer bör inte ignorera riskerna med extrem kyla när de planerar begränsningsinsatser.

Som en potentiell lösning, Bou-Zeids grupp samarbetar med materialexperten Anna Laura Pisello och hennes labb vid universitetet i Perugia i Italien om studier av nya färgskiftande byggmaterial som kan lindra sommarvärmen samtidigt som de håller städerna varmare på vintern. Yang tillämpar också modellerna som utvecklats i denna studie för att utforska de mest effektiva rumsliga arrangemangen för strategier för att minska värmeöar i en stad.