城市绿地的降温效率受热量、湿度和太阳辐射的影响

《Journal of Environmental Management》：Cooling efficiency of urban green spaces affected by heat, humidity and solar radiation

　　Eva Beele、Raf Aerts、Maarten Reyniers、Nicole Van Lipzig、Ben Somers
比利时鲁汶大学地球与环境科学系森林、自然与景观部门，Celestijnenlaan 200E-2411，BE-3001，鲁汶

**摘要**
城市热岛效应对公共卫生构成重大风险，尤其是在长时间的高温事件期间。城市绿地可以通过蒸散作用和遮荫来降低温度，但在极端气象条件下的降温效果仍知之甚少。本研究利用了一组三年（2022-2024年）的质量控制数据，来自125个消费者级别的公民科学气象站，来研究比利时一个紧凑型城市的绿地降温效率。我们量化了日间和夜间的降温效率，作为绿地覆盖率（树木与草地和灌木）与平均温度之间的斜率，并将这些效率与描述热量强度、热量过剩、湿度、辐射和土壤湿度的天气变量相关联。模型分别针对整个生长季节和最热的25%的日子进行了运行。正如预期的那样，树木在白天的降温效果最强，而草地和灌木在夜间降温效果最好。然而，在高湿度大气条件和土壤水分有限的情况下，树木的日间降温效果会减弱；而在高太阳辐射和低热量强度的情况下，草地和灌木的夜间降温效果也会减弱。在最热的几天里，高土壤湿度对于维持降温效果至关重要。这些新发现表明，绿地的降温效率高度依赖于具体环境，并强调了在气候极端条件下进行土壤水分管理的必要性。

**引言**
城市化和城市扩张将景观转变为人为环境，其特征是高建筑密度和不透水表面，这影响了城市的热、辐射和水分特性。因此，城市气候通常比周边农村地区温度更高，这种现象现在被广泛称为城市热岛（UHI）效应（Kim和Brown，2021；Voogt和Oke，2003；Wouters等，2017）。城市中的高温已知有多种不利影响，包括空气质量恶化（Santamouris，2020）、能源和水资源消耗增加（Akbari等，2001；Santamouris等，2015），以及对城市居民健康和福祉的负面影响（Chevance等，2024；Demoury等，2022；Ebi等，2021）。高温事件的持续时间和强度已被证明会显著影响人类健康，长时间和高强度的热浪与死亡率和发病率增加有关（De Troeyer等，2020；Lüthi等，2023；Royé等，2020；Sheridan和Lin，2014；Z. Xu等，2016）。高大气湿度，特别是在全球南方，会通过限制蒸发冷却和降低身体调节温度的能力而进一步放大这些风险（Davis等，2016；Raymond等，2020）。随着气候变化预计将加剧高温和湿度的极端情况，迫切需要有效的热缓解和适应策略（IPCC等，2023）。
城市绿地被广泛认为是缓解城市热岛的有效手段（Y. Li等，2024）。植被拦截入射的太阳辐射，从而减少到达下层表面的辐射。通过蒸散作用，植物将太阳能转化为潜热而不是显热通量。此外，城市植被的热储存能力较低，并且与建成环境相比创造了更多反射表面，这些因素共同减少了热量吸收（Drake等，2018；Ettinger等，2024；Wong等，2021）。这些机制解释了为什么在全球北方，城市绿地估计能提供平均3.6 ± 1.7°C的降温能力（Y. Li等，2024）。

**研究方法**
研究表明，城市绿地的降温潜力取决于多种生物和非生物因素，包括（1）植物功能类型（Bartesaghi-Koc等，2020；Beele等，2024a，Beele等，2024b；Jia等，2025；Rakoto等，2021）和物候（Su等，2020），（2）绿地组成和配置（Beele等，2024a，Beele等，2024b；Y. Li等，2023；C. Xu等，2024），（3）一天中的时间（Beele等，2024a，Beele等，2024b；Logan等，2020），（4）城市形态（Beele等，2024a，Beele等，2024b；H. Li等，2024），以及（5）背景气候（Ibsen等，2021，2024；Su等，2020；Yu等，2018）。然而，关于城市绿地的降温能力如何响应与高温、干旱和湿度极端相关的气象参数知之甚少。高温和干旱会影响植被覆盖的范围、组成和功能（Allen等，2021；Norton等，2015）。在潮湿条件下，由于空气吸收额外水分的能力降低，植物的蒸腾速率会下降。相反，低相对湿度结合高温会增加蒸腾速率，尽管实际蒸腾受到土壤水分的限制。当水分稀缺时，叶片气孔会关闭，从而降低蒸腾效率（Pace等，2021；Winbourne等，2020）。预计增加的太阳辐射和风速会通过打开气孔并使潮湿空气远离叶片表面来增强植被的降温效果，允许更多的水蒸气逸出，并减少叶片的边界层厚度（Pace等，2021）（图1）。短期内，极端潮湿或极端干燥的条件会因蒸腾速率降低而影响植被的降温潜力（Meili等，2021）。从长远来看，如果受压的植被枯萎、落叶、干燥并最终死亡，降温潜力可能会减小（Kraemer和Kabisch，2022）。
大多数现有研究使用遥感产品来研究植被对高温和干旱的响应，通常将植被指数与极端天气期间的地表温度相关联（Allen等，2021；Kucera和Jenerette，2023；Leisenheimer等，2024；Miller等，2022）。这些研究一致表明植被可以缓解高温，但也显示这种关系远非简单。例如，Kucera和Jenerette（2023）报告称1985-2021年间随着地表温度的升高，植被的降温效果增强，而Leisenheimer等（2024）发现植被指数与干旱指标高度相关。其他研究强调了明显的非线性关系：Cheng等（2022）显示非洲树木的降温效果先增加后减少。进一步的证据表明气候背景影响降温效果，但结果并不一致。Ibsen等（2024）使用现场传感器数据报告称，在干旱地区树木的降温效果增强。通过预测模型，他们还表明，在干旱城市中树木在极端高温期间保持了降温效果，而在潮湿城市中结果不明确。相反，Ren等（2024）展示了在潮湿炎热城市中植被的降温能力比干燥炎热城市更高，尤其是在高温极端情况下。大气条件似乎也很重要：Locke等（2024）发现阴天早晨和下午的降温效果明显较小。Wang等（2020）得出结论，包括气温、湿度和风速在内的气候背景强烈影响城市绿地的降温效率，但并不总是线性的。然而，很少有研究探讨降温效率如何随热量强度、热量过剩和湿度变化，或者不同植被类型在这些条件下的表现。尽管全球范围的研究区分了日间和夜间的降温（Du等，2024；Yang等，2022），但跨植被类型和不同气象条件下的日间和夜间降温效率的比较评估仍然很少，潜在的非线性天气影响也尚未充分探索。

**本研究**
我们使用了来自比利时鲁汶125个气象站三年（2022至2024年）的质量控制时间序列数据，分析了整个生长季节中城市绿地的日间和夜间降温效率。我们的具体目标是（1）量化高植被（树木）与低植被（草地和灌木）之间的降温效率差异，以及（2）评估这种效率如何受热量强度、热量过剩（持续时间和强度）和湿度的影响。我们假设长时间、高强度的高温和干旱条件会增加水汽压差，最初会提高城市绿地的蒸散潜力，但最终会超过某个阈值后降低它。具体来说，我们预计在以下条件下植被的降温效率会降低：（1）较高的热量强度，（2）较高的热量过剩，以及（3）非常潮湿或非常干燥的条件。

**研究区域**
该研究在比利时鲁汶（北纬50°52′，东经4°42′）进行。该地区具有温暖的温带气候，夏季温暖且没有干旱季节（Kottek等，2006）。鲁汶的地形大多平坦，海拔范围从14米到107米不等。补充信息（SI）（表S1）包含有关研究区域的详细信息。

**温度数据**
使用Leuven.cool气象站网络的数据来评估微气候（Beele等，2022b）。过去7天内，草地和灌木在较高VPD（β = 0.001，p = 0.000，SE = 0.000）、高降水量（β = 0.001，p = 0.009，SE = 0.000）和较低的最高温度（β = ?0.001，p = 0.020，SE = 0.000）条件下的降温效率较低。对于树木，降温效率在较低VPD（β = ?0.002，p = 0.000，SE = 0.000）、低水分含量（β = ?0.002，p = 0.000）、高辐射（β = 0.002，p = 0.000）和较低的最高温度条件下的降温效率较低。

**主要发现**
一个地点的降温效率不仅取决于存在的绿地数量和类型，还取决于气象条件。热量强度、热量过剩和湿度影响了我们在收集了详细且经过质量检查的温度和绿地数据的城市区域内热量的缓解效果。此外，我们还表明树木、草地和灌木的降温效率可能会受到这些天气条件的增强或限制。

**结论**
城市植被可以缓冲热量，但其降温能力强烈依赖于天气和土壤及空气中的水分。我们的分析表明，在炎热、多云和干燥的天气条件下，当土壤水分充足时，树木提供最大的日间降温效果；而在凉爽、无云且空气干燥的高温事件中，草地和灌木在夜间降温效果最佳。这些效应远非均匀，这表明需要通过土壤水分管理和多样化植被来维持降温效益。

**作者贡献声明**
Eva Beele：写作——审稿与编辑，原始草稿写作，方法论，调查，正式分析，概念化。
Raf Aerts：写作——审稿与编辑，监督，方法论，概念化。
Maarten Reyniers：写作——审稿与编辑，监督，方法论，概念化。
Nicole Van Lipzig：写作——审稿与编辑，监督。
Ben Somers：写作——审稿与编辑，监督，方法论，概念化。

**资金支持**
本研究得到了弗兰德斯研究基金会（FWO；资助编号1SE0621N）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了弗兰德斯研究基金会（FWO；资助编号1SE0621N）的支持。这项研究是Leuven.cool项目的一部分，该项目是鲁汶大学（KU Leuven）、RMI和鲁汶市之间的合作项目。我们感谢鲁汶市的所有市民和私营公司自愿提供他们的花园/场地用于我们的研究。我们还要感谢Tim Guily（鲁汶市）提供的后勤支持，以及Margot Verhulst、Kelly Wittemans、Jordan Rodriguez Milis、Remi Chevalier和Eric的协助。