在炎热干旱的城市环境中，针对高温胁迫条件下的新型植被降温效果指数开发

《Sustainable Cities and Society》：Development of a Novel Vegetation Cooling Effectiveness Index under Peak Thermal Stress in Hot-Arid Urban Environments

　　阿伊曼·拉加布（Ayman Ragab）| 杰克琳·纳比尔（Jackline Nabil）| 阿姆尔·赛义德·哈桑·阿卜杜拉（Amr Sayed Hassan Abdallah）| 穆罕默德·贝希尔·本·哈米达（Mohamed Bechir Ben Hamida）| 穆罕默德·M·戈马（Mohammed M. Gomaa）
埃塞俄比亚阿斯旺大学工程学院建筑系，阿斯旺81542

**摘要**
在炎热干旱的城市中，极端高温加剧了户外热应力，而社区层面的条件受城市形态的影响非常大。尽管城市植被被广泛认为是缓解这一问题的策略，但其冷却效果在极端热应力下的量化尚不充分，也很少被整合到一个统一的、以决策为导向的指标体系中。本研究引入了植被冷却效果指数（Vegetation Cooling Effectiveness Index, VCEI），作为衡量极端热条件下植被冷却性能的统一框架。研究人员运用实地测量和微气候模拟方法，调查了埃塞俄比亚阿斯旺的两个住宅区，分别代表低密度和高密度的城市形态。连续的夏季监测显示，白天的空气温度（Ta）超过了44-45°C，夜间最低温度仍保持在28-30°C以上；高密度区域的夜间温度持续较高，高出1.0-1.5°C，表明其热量保持能力更强。这些观察结果用于验证四种植被情景下的ENVI-met模拟结果。在代表最大日间热应力的时段（12:00-16:00）分析中，高密度区域的温度降低幅度有限（<1.0°C），而低密度区域为<2.6°C）。同时，平均辐射温度（Tmrt）的降低幅度较大，分别达到11.4°C和15.9°C。相应的生理等效温度（PET）降低幅度分别为2.1°C至6.8°C和2.7°C至9.7°C。通过提出的VCEI进行综合评估后，在紧凑形态下的空间平均冷却效果最高为0.57，而在开放形态下为0.76，显示出明显的密度依赖性饱和效应。研究结果表明，在极端高温下，植被的冷却作用主要是通过辐射作用的，因此最佳绿化策略应根据城市密度进行定制，VCEI为评估炎热干旱城市环境中植被冷却性能提供了一个比较评估框架。

**引言**
快速的城市化进程加上加速的气候变化，加剧了全球城市的热应力，对城市规划系统提出了更高的要求，以提供具有耐热性的环境。这一挑战在炎热干旱和半干旱地区尤为突出，因为气温上升、长时间的热浪以及快速的城市扩张共同加剧了户外热不适和相关公共卫生风险（IPCC 2023, Nations 2022）。因此，减轻城市热岛效应已成为当代气候响应规划和可持续性议程的核心任务。
城市植被被普遍认为是通过遮阳、蒸散作用和调节辐射交换来调节城市微气候的关键自然解决方案。大量文献一致表明，植被表面能够在极端高温条件下降低地表温度、空气温度和人体热应力（Yu et al., 2024, Wei et al., 2025, Binabid and Anteet, 2024）。这些发现将城市绿化定位为多尺度气候适应策略的基石。
除了局部影响外，近期的大规模分析还强调了温度动态的更广泛的气候和生态影响。例如，全球地表温度（LST）趋势的评估显示，温度变化不仅塑造了城市热环境，还通过复杂的非线性相互作用影响了植被生产力（Wang et al., 2024）。这些证据表明，需要将城市热缓解策略置于一个综合的土地-气候-植被框架内，而不能将植被效应视为孤立的微气候干预措施。
然而，尽管现有研究范围广泛，但仍存在一个关键局限性：城市植被的冷却效果高度依赖于具体情境，不能仅凭植被覆盖度来可靠推断。越来越多的研究表明，城市形态（尤其是建筑密度、天际线视野和空间开放度）在决定植被冷却的幅度和空间分布方面起着决定性作用（Wei et al., 2025, Li et al., 2024, Sun et al., 2025, Mahmoud and Ragab, 2020）。这意味着相同的绿化策略在不同城市形态下可能会产生截然不同的热效应，从而质疑了全市统一绿化目标的有效性。
最近的实证和数据驱动的研究进一步证实，植被冷却性能因城市形态和景观配置的不同而显著变化（Lu et al., 2017, Rao et al., 2025）。王等人（Wang et al., 2025）利用高分辨率遥感和机器学习技术发现，中心城区和边缘城区的冷却强度存在系统差异，紧凑型城市核心区域的冷却效果通常较弱。这些发现强调了将植被性能评估置于其特定形态背景中的必要性。
比较紧凑型和开放型城市形态的研究揭示了另一个限制：在密集的城市环境中，增加植被覆盖度的边际效益可能因太阳辐射减少、长波辐射交换受限和气流受限而减弱（Wei et al., 2025, Luo et al., 2024）。这往往导致饱和效应，即额外的植被并不能带来相应的热改善。相比之下，低密度城市形态通常能维持更强且更稳定的冷却效果，这突出了需要基于形态特征的绿化策略，而不是规定性的绿化措施。
从方法论角度来看，另一个主要限制是许多以规划为导向的研究仍依赖于单一变量指标，最常用的是基于相等或主观权重的空气温度复合指数。这样的方法未能充分反映炎热干旱气候下的户外热感知，因为辐射负荷和生理压力是人类热暴露的主要因素（Ma et al., 2025, Sheng et al., 2025）。相反，Tmrt和PET已被证明可以解释大部分户外热不适（Gomaa et al., 2025, Liu and Zheng, 2024）。尽管如此，这些变量仍未能充分融入操作性规划指标中。
为应对这一问题，近期研究越来越多地呼吁采用综合的、基于性能的评估框架，明确将植被引起的微气候变化与人体热反应联系起来（Nie et al., 2024, Abdelhafez et al., 2026, Shashua-Bar and Hoffman, 2000）。同时，城市生态学的进展表明，植被结构和 composition 对冷却性能有重要影响，在炎热干旱环境中，混合草地-树木系统通常比单层配置表现更好（Gomaa et al., 2024, Gomaa et al., 2024）。
最新的证据进一步挑战了关于植被冷却的简化假设。植被效应既不均匀也不总是有益的，而是受到植被结构、气候条件和城市形态的强烈调节。以树木为主的配置可以同时降低空气温度和整体热应力，而灌木和草地系统可能在降低空气温度的同时增加湿润热（Liao et al., 2025）。在微观尺度上，结构复杂的植被可将PET降低多达16°C，其中树冠高度和遮阳被确定为热缓冲的主要驱动因素（Arzberger et al., 2026）。其他研究证实，植被冷却效果对城市形态和表面配置非常敏感，这强调了需要采用综合考虑形态的评估方法（Salehi and Nasrollahi, 2024, Aboelata and Sodoudi, 2020, Aboelata and Sodoudi, 2019）。

**研究方法**
本研究提出了一种新的复合指标VCEI，用于量化炎热干旱气候下城市植被策略改善户外热条件的效果。图1展示了评估炎热干旱条件下城市植被冷却效果的整体研究框架。该方法采用结构化、循序渐进的工作流程，整合了实地观测、数值建模、基于情景的模拟和综合性能评估。

**数据收集**
为了建立评估极端高温下社区尺度微气候行为的稳健实证基础，研究人员在艾尔-卡赞（El-Khazzan，低密度）和艾尔-阿卡德（El-Akkad，高密度）住宅区进行了连续的近地面空气温度和相对湿度测量，时间跨度为2023年8月10日至17日，这段时间正是阿斯旺一年中最炎热的时期之一。

**讨论**
研究结果表明，在炎热干旱的城市中，植被引起的冷却效果受到城市形态的强烈控制，这挑战了“增加树木密度总会改善热条件”的假设。冷却效果的差异具有非线性和空间异质性，受植被结构、辐射交换和城市形态之间的相互作用影响，表明在开放区域有效的策略在紧凑环境中可能效果不佳（Gomaa et al., 2025）。

**结论**
城市绿化常被视为应对热应力上升的普遍措施，但其效果实际上取决于城市形态和微气候背景。为此，本研究开发并应用了一种新的植被冷却效果指数（VCEI），用于量化炎热干旱城市在极端热应力下的植被冷却效果。通过结合实地验证的微气候极端数据和形态解析的模拟及生理意义明确的温度指标，该研究提供了一种新的评估方法。

**资助声明**
本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, IMSIU）科研处的支持和资助（国际项目：RP26）。

**作者贡献声明**
阿伊曼·拉加布（Ayman Ragab）：撰写——审查与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论构建、概念化；
杰克琳·纳比尔（Jackline Nabil）：撰写——审查与编辑、初稿撰写、可视化设计、验证、数据分析；
阿姆尔·赛义德·哈桑·阿卜杜拉（Amr Sayed Hassan Abdallah）：撰写——审查与编辑、初稿撰写、资金获取；
穆罕默德·贝希尔·本·哈米达（Mohamed Bechir Ben Hamida）：撰写——初稿撰写、监督工作、资金获取；
穆罕默德·M·戈马（Mohammed M. Gomaa）：撰写——审查与编辑、初稿撰写。

**利益声明**
作者声明无利益冲突。