都市熱島效應不止讓人感覺悶熱，也會讓空汙惡化，尤其入夜之後，空氣品質即因都市熱島效應變糟。
台北市環保局長劉銘龍表示，熱島效應的熱蓄積過程，會增加大氣中汙染物的化學反應速率，提高臭氧、臭氧前驅物和其他衍生性汙染物的發生機率與濃度，所以每當氣溫飆高，台北的臭氧濃度也跟著上升。
中研院環境變遷研究中心研究員林傳堯分析二○一四年七月與二○一五年七、八月期間，台北、台中與高雄三都的空氣品質與氣溫變化，證實天氣炎熱時風速微弱，汙染物因擴散不良容易累積，以致空汙濃度增加。
分析環保署測站資料發現，當高溫日（台北攝氏卅五點二度、台中卅四度、高雄卅三點三度）發生時，台北的ＰＭ2.5濃度比非高溫日高出近四成四，高雄、台中則多出近九成二和一點一五倍，雖然濃度都未超標，但高溫催化空汙危害健康的現象值得關注。
新加坡大學設計與環境學院副院長黃玉賢說，都市熱島效應的特質是夜間無法降溫，會加劇市中心區的空汙濃度；當市區的熱空氣往上升，會往四周擴散到郊區冷卻沉降，再形成一股微風吹往市區，空汙就在市區與郊區之間來回反覆循環，濃度就持續累積；新加坡、台北、美國洛杉磯與中國大陸的北京、天津等主要城市都有相同問題。
不過也有學者持保留態度。中央大學大氣系教授鄭芳怡說，都市設計不良會阻礙風的流動，造成空汙難以擴散，但根據長期分析，都市空汙濃度增加主要與全球暖化有關，都市熱島的效應還要進一步分析。
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