学术动态 | 定量城市植被蒸散-遮荫降温的高时空分辨率的新模型

城市植被降温主要通过蒸腾和遮荫作用进行。以往对城市植被降温的研究主要集中于其单独的蒸散或遮荫效应，忽视了对蒸散-遮荫降温耦合格局的探索。此外，由于城市景观的异质性，准确量化蒸散-遮荫降温仍然具有挑战性，这限制了对其高分辨率时空模式的理解。

为了解决当前方法的局限性，研究整合了高分辨率遥感数据（Sentinel-2数据）和土壤-冠层-光合作用与能量通量观测（soil-canopy-photosynthesis and energy flux model, SCOPE）模型。在Rocha等人（2022年）研究的基础上，本研究采用了更精确的输入数据，改进了降温效应的定量指标，并在不同的城市地表进行了验证。利用这一增强型模型，本研究以较高的时空分辨率（100m，逐小时）探索了城市植被蒸散-遮荫降温作用的潜力。本研究由两个主要科学问题驱动：（1）如何准确量化城市植被的高分辨率蒸散-遮荫降温作用？(2）极端高温下城市植被蒸散-遮荫降温作用的时空特征是什么？通过深入探讨这些问题，加深我们对极端高温下城市植被降温作用的动态的理解，本研究有助于制定有效的城市降温和气候适应性战略。

SCOPE模型以植物生理学、辐射传递和微气象学为基础，为模拟植被地表的光合作用、水文和辐射传递过程提供了一种综合方法。该模型结合了多个辐射传递模型、叶片生化模型和空气阻力方案。生物物理参数（如LAI和叶绿素含量）和气候变量（如气温和相对湿度）等高分辨率输入，以及模型的稳定性和计算效率，确保了本研究模拟的时间和空间精度。

本研究采用了SCOPE模型的时间序列模拟模式，在60多个潜在输入参数中，根据重要性和可用性选择了11个，其余的参数保持默认设置。

为了校正SCOPE模型的输出结果以更好地反映城市环境，主要需要考虑城市不透水表面的扩大和植被表面的减少所导致的能量变化。本研究选择了建成区指数（Built-Up Area Index, BUAI）。

根据以下公式对模型输出的潜热通量（LE）进行校正：

此外，由于存在不透水表面，土壤温度（Ts）会升高。因此，对模拟的Ts进行了如下修正：

其中，BUAI归一化为[-1,1]。校正结果使用CLDAS-V2.0数据集中的地表温度数据进行了验证。

表1 本研究使用的数据指标、来源和处理方法

定量植被蒸散降温作用（Evapotranspiration-induced Cooling of Vegetation, ECoV）的计算公式为：

ECoV在0到1之间，数值越大，表明蒸散冷却效应越强。

定量植被遮荫降温作用（Shading-induced Cooling of Vegetation, SCoV）的计算公式为：

SCoV的范围为-1至1，负值表示植被冠层对地面的增温效应。SCoV的正值越大，表示遮荫降温作用越强。

在2022年8月7日至9日的热浪期间，利用SCOPE模型定量了上海670204个像素点的每小时蒸散和遮荫降温作用。8月8日和9日的平均值用于解读时空动态变化模式。绘制了每小时蒸散和遮荫降温作用分布图并计算了单变量和双变量全局莫兰指数以评估蒸散和遮荫降温的空间相关关系。为了进行时间分析，根据土地覆被对像素进行了分类，包括森林、草地、耕地和建筑密集区，计算各个土地覆盖种类的蒸散-遮荫降温作用的逐小时平均值。

图2 研究的方法流程图

该模型成功地预测了青浦和徐家汇两个站点的LE时间变化规律和波动幅度。与实测值相比，模型生成的LE值波动较小，更为平滑。

图3 （a）青浦站点和（b）徐家汇站点的模拟和测量LE的时间序列比较

图4模拟Ts与CLDAS-v2.0地表温度产品一致性评估

极端高温期间的ECoV呈现出明显的昼夜空间变化（图5）。总体而言，ECoV的空间分布在中部和北部的数值相对较高，南部的数值略低。这种分布格局主要受公园、交通绿地、社区区域和农田等绿色植被的存在和类型的影响。由于城市化程度较高，植被覆盖率有限，该市一半以上的地区都是低蒸散降温作用区，即使在中午ECoV值最高的时候，ECoV值也低于0.5。

图5 上海热浪期间植被蒸散降温作用（ECoV）在日周期典型时刻的分布模式

图6 上海热浪期间逐小时植被蒸散降温作用（ECoV）大小分段比例变化

图 7 上海热浪期间城市植被遮阳降温（SCoV）在日周期典型时刻的分布模式

表 2 极端高温下城市植被逐小时蒸散和遮阳降温空间分布的全球莫兰指数

ECoV和SCoV在夜间（19:00至次日5:00）具有显著的正空间自相关性，表明具有相似降温效果的区域倾向于聚集。然而，这两者之间存在轻微的负空间相关性，意味着高蒸散降温的地区不一定与高遮阳降温的地区重叠，这导致夜间的降温效应在整个区域内分布更均匀。从早晨7:00到下午14:00，蒸散冷却的空间集群效应开始减弱，而遮阳降温则保持较强的空间聚集性，这可能是由于植被的持续遮蔽效应，它较少受到太阳辐射变化的影响。随着太阳辐射的增加，ECoV和SCoV的空间集群在正午达到峰值，反映了植被降温效应的增强。这种正午时分的空间聚类增加可能与太阳角度和强度的增大有关，进一步增强了树木的遮荫降温效果。值得注意的是，在日出（6:00）和日落（18:00）时，尽管ECoV和SCoV的整体莫兰指数较高，但它们的双变量莫兰指数较低，可能是气象因素影响了蒸腾作用和遮荫降温效应，导致了空间分布模式的显著差异。

在极端高温条件下，城市和郊区的地表通过显热通量形式释放白天吸收的热量，导致夜间温度持续偏高。研究表明，从傍晚18:00至次日6:00，不同土地利用类型的ECoV和SCoV变化不大，其中建筑用地由于其非透水表面和稀疏植被，ECoV值相对较低。黎明时分（6:00至7:00），所有土地用途的SCoV值显著下降，尤其是在城市和郊区建筑用地，表现出显著的缺乏遮荫降温作用。从7:00开始，随着蒸散作用的增强和遮阳效果的改善，ECoV和SCoV值迅速上升，尤其是在林区和高覆盖率草地。到了中午13:00，各类型土地利用的SCoV达到峰值，之后ECoV下降更为明显。特别是在13:00至14:00间，出现了一个短暂的急速下降期，可能是由于气孔关闭等生物反应。到了下午14:00至17:00，各土地利用类型的ECoV和SCoV值迅速下降，其中疏林地和建设用地的降温速度更快。到了17:00，所有土地利用类型的SCoV值达到全天最低，尤其是在城市建设用地，甚至出现升温效应，反映了白天吸收的热量的集中释放。与此同时，植被覆盖地的地表温度仍显著低于裸露地表，显示了遮阳效应的重要性。

图9 极端高温下上海不同土地利用类型的ECoV和SCoV的日变化情况