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导语
与无树植被相比,城市树木在不同气候背景下缓解城市热岛效应的有效性尚未得到充分认识。本文使用高分辨率卫星地表温度(LST)数据和来自个欧洲城市的土地覆盖数据来推断城市树木降低LST的潜力。结果表明,在夏季和极端炎热期间,大多数欧洲城市的城市树木表现出的温度低于城市结构。无树城市绿地降低LST的效果总体较差,城市树木降温效果约为其降温效果的2-4倍。
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研究进展
城市树木可以缓解城市热岛效应及其对人类健康、能源消耗和城市基础设施的不利影响。树木通过遮荫、蒸腾作用和提高反照率来影响城市气候。遮荫效果主要取决于树木的形态特征,与叶面积指数(LAI)成正相关。蒸腾作用强度取决于树木的生理特征和环境条件,例如太阳辐射、温度和湿度,这些环境条件会影响叶片气孔导度,且随着季节、极端天气事件的发生、不同地理条件和城市化进程的变化而发生变化。
季节对树木和植被的降温潜力有很大影响。在许多地区,夏季植被和城市结构之间的温差比冬季大。然而,在包括南欧部分地区在内的干旱地区,由于土壤水分有限的蒸散,植被提供的夏季冷却效果可能会减少。表面阻力增加(由于土壤水分限制和气孔导度减小)和饱和蒸汽压亏损增加(主要由于温度升高)的两个相反影响,可能导致极端高温期间植被降温效果升高或降低。然而,对树木在不同地理和气候背景下如何响应这些条件的理解仍然有限。
树木通过蒸腾降低温度的潜力受到当地主导气候和微观气候的影响,城市中更高的二氧化碳浓度、更高的养分可用性、更高的温度和更高水平的灌溉将促进蒸腾作用。另一方面,城市的高温会增加水资源压力、土壤体积不足和土壤压实会限制根系生长,而空气污染增加会对树木生长带来危害。
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研究不足
尚无对不同气候条件下城市树木和其他城市植被减少城市热量的幅度进行系统评估;
由于SUHI仅表示城市与其周围农村地区之间的地表温度(LST)差异,因此很难区分不同类型的植被(例如树木与低矮植被)对降低温度的贡献大小。此外,不同的土地利用类型对温度的影响不同,现有研究仅限于特定区域。
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科学问题
(1)欧洲大陆范围内,树木和其他植被降温能力的时空分布格局是什么?
(2)背景气候和季节对该格局的影响有哪些?
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研究区域
图1研究区域代表城市分布和欧洲地理区域划分
人为划定规则网格(50km),取其中的个城市,在采样密度较低的区域手动选择47个,并增加部分大都市圈所包含的12个城市,共个城市,研究范围包括土耳其。
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研究方法
为分离不同土地利用类型和地形对地表温度的影响,本研究采用广义加法模型(GeneralizedAdditiveModels,GAM)分析城市绿地和不透水面之间温差的时空变异性,并利用蒸散量和反照率数据测试它们该变异性的影响。
图2GAM建模示意图
LST部分被抽象成地形变量(例如高程)和空间位置的函数,剩余信号表示为特定位置的土地覆盖的函数。
表1数据集说明
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结论
7.1LST时空差异
如图3所示,在极端高温期间,连续城市结构区域和城市树木覆盖区域之间的LST存在明显差异,中欧城市中尤为明显。
图3极端高温期间%树木覆盖区域和%不透水表面地表温差的区域变化
不同季节城市树木的降温效果呈现出明显的区域格局,夏季降温幅度最大,但部分城市春季的降温效果非常接近甚至高于夏季,秋季最低。
图4%树木覆盖区域和%不透水表面地表温差的季节变化
(橘色代表夏季,绿色代表春季,蓝色代表秋季)
城市树木和城市结构之间的夏季温差中值并不总是与极端高温期间的温差一致,在极端高温期间,观察到最高冷却效果会向北移动。
图5极端高温和一般夏季条件城市树木降温效应差异
乡村森林和连续城市结构之间的地表温差与城市树木和连续城市结构之间的温差非常相似;城市树木和无树绿地与农村森林和牧场之间的温差呈现出不太明显差异的区域分布格局并且彼此不同。
图6城市或乡村植被与城市结构的温度差异
7.2城市树木缓解城市热岛效应
城市树木的局部冷却效果随背景气候而变化,中欧地区的冷却潜力巨大。极端高温期间,城市树木的冷却潜力会降低,干旱将进一步削弱城市树木的降温效果。
7.3降温模式和城乡植被差异相关的生物物理过程
城市树木/乡村森林和连续城市结构之间的温差空间格局与当地森林的蒸散量ET密切相关。在南欧地区观察到最低温差,与有限的土壤水分可用性而增加的表面阻力相关。
反照率在解释城市树木和城市结构之间的城市间温差方面起着次要作用。反照率在干燥地区可能会产生更大的影响。
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讨论
8.1结果解释
农村森林通常表现出较高的表面粗糙度,提高了热对流效率,因此也可能是解释南欧地区农村森林和农村牧场之间显著温差的重要因素;然而,植被区的表面粗糙度通常以复杂的方式与周围的城市结构相互作用。街道峡谷内的树木可以降低粗糙度,从而减少湍流交换,特别是如果树木低于周围的建筑物。
8.2不确定性
时间分辨率受限,较早的观察时间并不一定是极端高温时刻;并不能减少不同LULC类型的空间排列对地表温度的影响;本研究通常不包括单个或分散的城市树木和细长的树木,孤立的行道树与周围环境的相互作用不同;城市形态(城市峡谷高宽比)的影响并未考虑。
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李思恒
复旦大学环境科学与工程系级研究生
靳晓航
晓与晓新媒体顾问合伙人
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