إن اختلاف حرارة المدينة عن المناطق المجاورة يعد من أكثر المواضيع التي أثارت اهتمام الباحثين، فمعظم البحوث التي تناولت مناخ المدينة ركزت على اختلاف حرارتها عن المناطق المجاورة. كما إن مركز المدينة الحراري الجزيرة الحرارية Heat Island قد اكتشف منذ أكثر من 100 سنة.

أن أكبر اختلاف بين حرارة المدينة والمناطق المجاورة يظهر في درجة الحرارة الصغرى. يلاحظ من الشكل إن أعلى حرارة صغرى مسجلة في مركز المدينة، حيث الأبنية المرتفعة والازدحام في الحركة. تبدأ درجة الحرارة بالانخفاض التدريجي كلما ابتعدنا عن مركز المدينة باتجاه الضواحي.

وتزايد الانخفاض بالاتجاه من الضواحي إلى الريف المجاور. وقد قدر اختلاف درجة الحرارة الصغرى كمعدل سنوي ب 202 م في المدينة أعلى من الريف. فقد وجد إن معدل درجة الحرارة الصغرى الفصلي للمدينة يزيد ب 2,2 م عن الريف في مدينة واشنطن الأمريكية. إن الاختلاف الكبير بين درجة الحرارة الصغرى للمدينة والريف عادة يسجل في نهاية الصيف وبداية الخريف.

أما بالنسبة إلى درجة الحرارة العظمى فإنها اقل وضوحاً بين المدينة والريف، بل سجلت أحياناً حرارة عظمى في الريف أعلى من المدينة. سجلت مدينة لندن ارتفاعاً في درجة حرارتها العظمى يزيد بمقدار 0.6 الى 1.1م عن الريف المجاور. وفي مجموعة من المدن الأمريكية في الجنوب سجلت المدينة عظمى أكثر ب 5 م. كما وجد إن معدل درجة الحرارة العظمى لمدن أمريكية وكندية تغطي القارة الأمريكية من الشمال إلى الجنوب يزيد على المناطق المجاورة بمعدل 1.2 م وبانحراف معياري .1م. هذه الزيادة سجلت قرب مركز المدينة وليس في المركز، والسبب يعود إلى أن البنايات المرتفعة في مركز المدينة تحجب كثيراً من الإشعاع الشمسي، بينما المناطق القريبة من المركز غالباً ما تكون مفتوحة على شكل مرائب للسيارات.

الشكل 10-7 يوضح اختلاف درجات الحرارة الصغرى والعظمى بين المدينة والريف المجاور لفصلي الصيف والشتاء لمدينة فيينا وريفها . يبين الشكل إن الفرق كبير بين المدينة والريف بالنسبة للصغرى في كلا الفصلين، والفرق في الصيف اكبر من الشتاء. أما العظمى فان الفرق اقل بكثير، بل أحياناً قد ترتفع العظمى قليلاً عن المدينة. يتضح من الشكل إن هناك فرقاً في المعدل السنوي بين حرارة المدينة والجوار يتراوح بين 1م إلى 1.3م، وبمقارنة الشكل مع أرقام أخرى من مدن أخرى يتبين إن حجم المدينة وكثافتها السكانية تلعب دوراً مهماً. إن ارتفاع درجة حرارة المدينة عن المناطق المجاورة قد يكون له تأثير إلى ارتفاع معين. ففي دراسة عن مدينة نيويورك وسنسناتي الأمريكيتين وباستخدام الهليوكوبتر في القياس، تبين إن درجة حرارة المدينة أعلى من الريف المجاور والى ارتفاع 100 متر، بينما على ارتفاع 122 متر كانت درجة الحرارة فوق المدينة اخفض من درجة الحرارة فوق المناطق المجاورة. وفي اختلاف حرارة المناطق المجاورة للمدينة بين المنطقة التي تقع أعلى الرياح وتلك التي تقع أسفل رياح المدينة، وجد كلارك إن تأثير حرارة المدينة قد تؤثر في منطقة أسفل رياح المدينة والى مسافة مقدارها عدة كيلومترات. كما وجد إن نسبة تكرار الانقلاب الحراري فوق الريف المجاور هو أكثر تكراراً مما هو علية فوق المدينة، وذلك بسبب تأثير تسخين المدينة لهوائها . وقد يكون هذا الانقلاب الحراري هو المسئول عن انخفاض درجة حرارة الهواء على ارتفاع 122 متراً فوق المدينة بينما فوق الريف وعلى نفس الارتفاع يكون الهواء أدفئ.

إن اختلاف درجة حرارة المدينة عن ريفها يختلف بين مدينة وأخرى فدرجة حرارة الجزيرة الحرارية في المدينة يختلف عن الريف المجاور بقدر حجم المدينة وكثافتها السكانية والعلاقة بين هذه العوامل ليست علاقة خطية (طرديه) تماماً . يبين هذه الحقيقة وقد بين لورنس Lawrence انه في الفترة بين 1940 و 1960 حيث توسعت مدينة مانجستر البريطانية ووصلت إلى قرب مطار المدينة، فأن الاختلاف في درجة الحرارة الصغرى بين المدينة والريف المجاور قد شهد ارتفاعاً مقداره 2 م لصالح المدينة. كما بين لاندسبرج Landsberg إن مدينتي لوس انجلوس وسانت دياغو في ولاية كاليفورنيا قد شهدتا ارتفاعاً بدرجة حرارتهما لارتفاع عدد السكان فيهما.

إن شدة الجزيرة الحرارية في المدينة لا يعتمد على حجم المدينة وعدد سكانها فقط، بل انه يتأثر بعناصر المناخ الأخرى. فقد وجد عدد من الباحثين إن عناصر مناخ معينة تؤدي إلى ظهور أو اختفاء الجزيرة الحرارية في المدينة بغض النظر عن حجمها وعدد سكانها . ففي دراسة لساندبورج Sundborg عن مدينة ابسالا في السويد، وجد إن سرعة الرياح ونسبة الغيوم في السماء هي العوامل الأكثر تحديداً لشدة الجزيرة الحرارية في وسط المدينة مساءاً. النتائج نفسها توصل إليها شاندار Chandler عن مدينة لندن، فقد وجد إن هذه العوامل (سرعة الرياح ونسبة الغيوم) ليس لها تأثير في الجزيرة الحرارية نهاراً وذلك لان الجزيرة الحرارية عادة خفيفة الظهور أثناء ساعات النهار إن العلاقة بين هذه العوامل وعدد سكان المدينة واضح كذلك ففي الدراستين السابقتين ومجموعة بحوث أخرى تبين انه بارتفاع عدد سكان المدينة تكون المدينة بحاجة إلى فترة صحو اقل حتى تظهر فيها الجزيرة الحرارية. أما بالنسبة إلى الرياح فكلما زاد عدد سكان المدينة كانت الحاجة إلى سرعة رياح عالية لتبديد الجزيرة الحرارية واختفائها يوضح العلاقة بين سرعة الرياح وعدد السكان واختفاء الجزيرة الحرارية.

إن الظاهرة الأكثر بروزاً في اختلاف درجة الحرارة بين المدينة والمناطق المجاورة لها هو في ارتفاع درجة حرارة وسط المدينة  و هناك مجموعة عوامل تعمل معاً من أجل إيجاد هذا الفرق الحراري. ويمكن القول إن الفرق في فصل الصيف يعود إلى إن بنايات المدينة العالية وتعبيد الطرق في المدينة بالإسفلت عوامل تعمل على اكتساب درجات الحرارة حيث تكون قابلية هذه المواد على اكتساب الحرارة أكبر من قابلية التربة على اكتساب الحرارة. كما إن نسبة قليلة من الطاقة الشمسية الواصلة إلى المدينة تستخدم في التبخر نتيجة تصميم المدينة الذي يساعد على تصريف مياه الأمطار بسرعة، في حين إن تربة الريف وخضرته تساعدان على تبديد جزء كبير من الطاقة الواصلة إليه بالتبخر. ففي المساء وفي الوقت الذي تبدأ الحرارة بالانخفاض عن طريق الإشعاع، فان المدينة تفقد حرارتها أبطأ من الريف وذلك لان الكمية الكبيرة من الطاقة التي اختزنت في الجدران والإسفلت تحتاج إلى وقت أطول حتى تتبدد. وبذلك تبقى هذه المواد ادفاً من التربة مما يساعد على إن إشعاعها مساءاً يساعد على احتفاظ الهواء المجاور بدرجة حرارة أعلى من الهواء الموجود فوق التربة في الريف. أما في فصل الشتاء، فان القصة تختلف فالنسبة العالية من الوقود المستعملة في التدفئة تضيف إلى هواء المدينة طاقة إضافية لذلك يصبح الهواء وسط المدينة أدفأ من هواء المناطق المجاورة. وهذه الطاقة المضافة تعوض عن انخفاض كمية الطاقة الواصلة من الشمس شتاءاً نتيجة ميلان الأشعة في هذا الفصل. وكما بينا سابقاً، فان ما يساوي بين 20-33٪ من الطاقة الواصلة من الشمس تضاف إلى هواء المدينة من الطاقة المستخدمة في التسخين والسيارات والمعامل

إذا كانت هذه الأسباب مسئولة عن تكون الجزيرة الحرارية، ولكنها تساعد على اختلافها بين الصيف والشتاء فان مجموعة عوامل أخرى تعمل طوال العام على رفع درجة حرارة وسط المدينة عن المناطق المجاورة. فالتلوث الموجود في هواء المدينة وكما وضحنا سابقاً يساعد على امتصاص كمية من الإشعاع الأرضي ويعيده إلى ارض المدينة مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة هذا الهواء. فاحتواء الهواء الملوث على نسبة عالية من ثاني اوكسيد الكاربون والمواد الصلبة يساعد على امتصاص الإشعاع الأرضى بنسبة أكبر. كما إن هندسة المدينة وبناياتها والتي تقلل من سرعة الرياح تساعد على عدم تبديد هذه الجزيرة الحرارية إلا إذا ارتفعت سرعة الرياح إلى حد معين فانخفاض سرعة الرياح لا يسمح للهواء البارد من المناطق المجاورة باختراق المدينة، كما لا يساعد على ارتفاع نسبة التبخر.