學術動態 | 定量城市植被蒸散-遮蔭降溫的高時空分辨率的新模型

城市植被降溫主要通過蒸騰和遮蔭作用進行。以往對城市植被降溫的研究主要集中于其單獨的蒸散或遮蔭效應，忽視了對蒸散-遮蔭降溫耦合格局的探索。此外，由于城市景觀的異質性，準確量化蒸散-遮蔭降溫仍然具有挑戰性，這限制了對其高分辨率時空模式的理解。

為了解決當前方法的局限性，研究整合了高分辨率遙感數據（Sentinel-2數據）和土壤-冠層-光合作用與能量通量觀測（soil-canopy-photosynthesis and energy flux model, SCOPE）模型。在Rocha等人（2022年）研究的基礎上，本研究采用了更精確的輸入數據，改進了降溫效應的定量指標，并在不同的城市地表進行了驗證。利用這一增強型模型，本研究以較高的時空分辨率（100m，逐小時）探索了城市植被蒸散-遮蔭降溫作用的潛力。本研究由兩個主要科學問題驅動：（1）如何準確量化城市植被的高分辨率蒸散-遮蔭降溫作用？(2）極端高溫下城市植被蒸散-遮蔭降溫作用的時空特征是什么？通過深入探討這些問題，加深我們對極端高溫下城市植被降溫作用的動態的理解，本研究有助于制定有效的城市降溫和氣候適應性戰略。

SCOPE模型以植物生理學、輻射傳遞和微氣象學為基礎，為模擬植被地表的光合作用、水文和輻射傳遞過程提供了一種綜合方法。該模型結合了多個輻射傳遞模型、葉片生化模型和空氣阻力方案。生物物理參數（如LAI和葉綠素含量）和氣候變量（如氣溫和相對濕度）等高分辨率輸入，以及模型的穩定性和計算效率，確保了本研究模擬的時間和空間精度。

本研究采用了SCOPE模型的時間序列模擬模式，在60多個潛在輸入參數中，根據重要性和可用性選擇了11個，其余的參數保持默認設置。

為了校正SCOPE模型的輸出結果以更好地反映城市環境，主要需要考慮城市不透水表面的擴大和植被表面的減少所導致的能量變化。本研究選擇了建成區指數（Built-Up Area Index, BUAI）。

根據以下公式對模型輸出的潛熱通量（LE）進行校正：

此外，由于存在不透水表面，土壤溫度（Ts）會升高。因此，對模擬的Ts進行了如下修正：

其中，BUAI歸一化為[-1,1]。校正結果使用CLDAS-V2.0數據集中的地表溫度數據進行了驗證。

表1 本研究使用的數據指標、來源和處理方法

定量植被蒸散降溫作用（Evapotranspiration-induced Cooling of Vegetation, ECoV）的計算公式為：

ECoV在0到1之間，數值越大，表明蒸散冷卻效應越強。

定量植被遮蔭降溫作用（Shading-induced Cooling of Vegetation, SCoV）的計算公式為：

SCoV的范圍為-1至1，負值表示植被冠層對地面的增溫效應。SCoV的正值越大，表示遮蔭降溫作用越強。

在2022年8月7日至9日的熱浪期間，利用SCOPE模型定量了上海670204個像素點的每小時蒸散和遮蔭降溫作用。8月8日和9日的平均值用于解讀時空動態變化模式。繪制了每小時蒸散和遮蔭降溫作用分布圖并計算了單變量和雙變量全局莫蘭指數以評估蒸散和遮蔭降溫的空間相關關系。為了進行時間分析，根據土地覆被對像素進行了分類，包括森林、草地、耕地和建筑密集區，計算各個土地覆蓋種類的蒸散-遮蔭降溫作用的逐小時平均值。

圖2 研究的方法流程圖

該模型成功地預測了青浦和徐家匯兩個站點的LE時間變化規律和波動幅度。與實測值相比，模型生成的LE值波動較小，更為平滑。

圖3 （a）青浦站點和（b）徐家匯站點的模擬和測量LE的時間序列比較

圖4模擬Ts與CLDAS-v2.0地表溫度產品一致性評估

極端高溫期間的ECoV呈現出明顯的晝夜空間變化（圖5）。總體而言，ECoV的空間分布在中部和北部的數值相對較高，南部的數值略低。這種分布格局主要受公園、交通綠地、社區區域和農田等綠色植被的存在和類型的影響。由于城市化程度較高，植被覆蓋率有限，該市一半以上的地區都是低蒸散降溫作用區，即使在中午ECoV值最高的時候，ECoV值也低于0.5。

圖5 上海熱浪期間植被蒸散降溫作用（ECoV）在日周期典型時刻的分布模式

圖6 上海熱浪期間逐小時植被蒸散降溫作用（ECoV）大小分段比例變化

圖 7 上海熱浪期間城市植被遮陽降溫（SCoV）在日周期典型時刻的分布模式

表 2 極端高溫下城市植被逐小時蒸散和遮陽降溫空間分布的全球莫蘭指數

ECoV和SCoV在夜間（19:00至次日5:00）具有顯著的正空間自相關性，表明具有相似降溫效果的區域傾向于聚集。然而，這兩者之間存在輕微的負空間相關性，意味著高蒸散降溫的地區不一定與高遮陽降溫的地區重疊，這導致夜間的降溫效應在整個區域內分布更均勻。從早晨7:00到下午14:00，蒸散冷卻的空間集群效應開始減弱，而遮陽降溫則保持較強的空間聚集性，這可能是由于植被的持續遮蔽效應，它較少受到太陽輻射變化的影響。隨著太陽輻射的增加，ECoV和SCoV的空間集群在正午達到峰值，反映了植被降溫效應的增強。這種正午時分的空間聚類增加可能與太陽角度和強度的增大有關，進一步增強了樹木的遮蔭降溫效果。值得注意的是，在日出（6:00）和日落（18:00）時，盡管ECoV和SCoV的整體莫蘭指數較高，但它們的雙變量莫蘭指數較低，可能是氣象因素影響了蒸騰作用和遮蔭降溫效應，導致了空間分布模式的顯著差異。

在極端高溫條件下，城市和郊區的地表通過顯熱通量形式釋放白天吸收的熱量，導致夜間溫度持續偏高。研究表明，從傍晚18:00至次日6:00，不同土地利用類型的ECoV和SCoV變化不大，其中建筑用地由于其非透水表面和稀疏植被，ECoV值相對較低。黎明時分（6:00至7:00），所有土地用途的SCoV值顯著下降，尤其是在城市和郊區建筑用地，表現出顯著的缺乏遮蔭降溫作用。從7:00開始，隨著蒸散作用的增強和遮陽效果的改善，ECoV和SCoV值迅速上升，尤其是在林區和高覆蓋率草地。到了中午13:00，各類型土地利用的SCoV達到峰值，之后ECoV下降更為明顯。特別是在13:00至14:00間，出現了一個短暫的急速下降期，可能是由于氣孔關閉等生物反應。到了下午14:00至17:00，各土地利用類型的ECoV和SCoV值迅速下降，其中疏林地和建設用地的降溫速度更快。到了17:00，所有土地利用類型的SCoV值達到全天最低，尤其是在城市建設用地，甚至出現升溫效應，反映了白天吸收的熱量的集中釋放。與此同時，植被覆蓋地的地表溫度仍顯著低于裸露地表，顯示了遮陽效應的重要性。

圖9 極端高溫下上海不同土地利用類型的ECoV和SCoV的日變化情況