树木减半全球城市热岛效应但不均等效益仅适度缓解气候变化变暖

《Nature Communications》：Trees halve urban heat island effect globally but unequal benefits only modestly mitigate climate-change warming

　　

尽管树冠覆盖能够减少城市热岛效应，但目前尚无全球尺度的估算能够量化当代或未来树冠覆盖对空气温度的降低作用，无论是在当前还是在气候变化背景下。在此，研究人员对所有8919个大型功能城市区域(FUA)进行了这些降温量的估算。当前的城市树冠覆盖了最大潜在空气温度城市热岛(UHI)效应的41%至49%，该潜在效应是指在没有树冠的情况下会出现的情况。树冠使夏季空气温度(AT)降低了人口加权平均0.15±0.03°C，变化范围较大(0.0–2.7°C)，使9.14亿(8.05–10.4亿，95%置信区间)人口受益超过0.25°C。降温效益在已较凉爽的地区更为显著：即高收入国家和郊区。在中等排放情景下，到本世纪中叶，当前和合理的未来树冠覆盖仅能缓解约10%(分别为6.7–18%和6.3–17%)的中位数的气候变化引起的变暖。研究结果表明，为了公平地缓解城市热岛效应并进行气候适应，有必要在人口密集的低收入城市区域扩大树冠覆盖。

论文解读：全球城市树木覆盖对热岛效应及气候变化的缓解作用

研究背景与意义

热和高空气温度(AT)是重要的公共卫生威胁，2019年全球估计造成35.6万人死亡，且城市地区的城市热岛(UHI)效应加剧了这一问题。UHI效应源于混凝土和沥青等表面吸收太阳辐射并以热辐射形式释放能量。同时，未来气候变化将显著增加全球热应激，预计将使平均AT升高，热浪更加频繁和强烈。城市面临着缓解UHI和为气候变化导致的额外变暖做准备的双重挑战。许多城市通过增加树冠覆盖来实施热行动计划，树木通过蒸散作用和遮荫来冷却环境。然而，现有全球知识存在空白：多数研究关注地表温度(LST)而非与人类健康更相关的空气温度(AT)；缺乏将空间明确的气候变化预测与树木降温估算进行比较的研究；且缺乏使用一致方法对所有主要城市区域进行AT降温的全球评估，限制了对降温效益分布和公平性的研究。为此，研究人员在《Nature Communications》发表研究，旨在通过综合分析填补这些空白。

关键技术方法

研究人员构建了包含所有8919个大型功能城市区域(FUA)的全球评估体系。首先，利用遥感数据汇编了全球FUA的树冠覆盖、LST及网格化AT数据。其次，采用分层统计模型，结合气候带和地理位置变量，预测给定局部树冠和其他土地覆盖下的局部AT异常。第三，辅以基于过程的模型(i-Tree Cool Air)对三个跨越干旱到湿润梯度的案例城市进行模拟，以捕捉树木对湿球黑球温度(WBGT)的影响。最后，估算所有大城市UHI的强度及夏季AT因气候变化产生的增幅，并将这些量与模型和过程模型的输出进行比较。

研究结果

城市树冠与UHI缓解

总体而言，城市树冠抵消了近一半的最大潜在UHI。最大潜在UHI是指没有任何树冠时，城市空气温度与周边农村参考区域相比的估计差值，全球平均为0.31±0.01°C。在有树冠的情况下，观测到的AT UHI在全球范围内平均为0.16±0.1°C（使用简化城市范围SUE算法）。这意味着城市树冠目前缓解了全球FUA最大潜在AT UHI的48.6±1.3%。若使用缓冲算法定义农村参考，则缓解比例为41.3±1.3%。

城市树冠与气候变化适应

全球平均人口加权城市树冠覆盖率为18.3±0.3%。在最大 plausible 增加情景下，全球平均树冠覆盖率增至32.8±0.4%，可使人口加权城市AT降低0.295±0.003°C。相比之下，在SSP2–4.5中等排放情景下，到2050年左右，FUA夏季AT预计将平均上升1.5°C（0.86–2.3°C）。当前树冠仅能缓解这一数值的10%（6.7–18%）。即使在最大 plausible 种植情景下，树木带来的额外降温也仅为预计升温的20%（13–35%）。

树冠覆盖分布

全球城市树冠覆盖率随人口密度增加而下降，低密度郊区和边缘区是高密度市中心的两倍。大多数FUA面积（94%）人口密度较低（<5000人/km²），拥有较高树冠覆盖；但大多数城市居民（54%）生活在剩余6%的高密度区域（>5000人/km²），这些区域树冠较少。湿润气候和高收入国家的FUA通常拥有更高的树冠覆盖率。

树木降温效率(TCE)的变化

TCE定义为树冠覆盖增加10%引起的AT变化。研究发现，LST的TCE是AT的四倍。AT TCE在干旱气候中高于湿润气候。此外，TCE随附近不透水表面覆盖率而变化，在大多数气候下，较高的不透水覆盖率与较高的TCE相关，因为增加的树木取代了不透水表面而非稀疏植被。

树木降温效益的分布

树木带来的总降温量在不同FUA间差异很大，北美和欧洲降温最多，低收入国家的干旱地区最少。在高收入国家，40%的人口获得的AT降幅≥0.25°C，而在低收入国家这一比例仅为8.9%。在最大 plausible 增加情景下，低收入国家将有大幅改善，66%的人口可获得≥0.25°C的降温。

尺度与指标的重要性

使用i-Tree Cool Air模型在30米分辨率下对三个案例城市进行分析，揭示了1公里尺度以下巨大的空间变异性。此外，使用WBGT作为热应激指标时，树木的降温效果（平均是AT降温的3.1倍）远高于AT指标，表明AT可能低估了树木对人类热应激的实际缓解效益。

结论与讨论

研究发现，全球城市森林提供了实质性的降温作用，缓解了近一半的最大潜在UHI。虽然城市扩张可能会增加UHI，但最大 plausible 的城市树冠覆盖几乎可以使城市绿化潜力翻倍。然而，树冠覆盖及其降温效益分布不均，主要受干旱度和经济发展水平影响，低收入国家居民往往最需要降温却获益最少。与未来气候变化引起的升温幅度相比，城市森林的降温作用显得较为温和，即使最大化种植也仅能抵消约五分之一的预计升温。这表明减少化石燃料排放以应对全球变暖对于保护城市居民至关重要，而城市树木增强应被视为社区热行动规划的一部分而非全部。研究建议，未来的植树努力应针对目前树冠覆盖率低的高人口密度区域，特别是低收入国家和干旱地区，以实现降温效益的公平性。