學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài) | 定量城市植被蒸散-遮蔭降溫的高時(shí)空分辨率的新模型

城市植被降溫主要通過(guò)蒸騰和遮蔭作用進(jìn)行。以往對(duì)城市植被降溫的研究主要集中于其單獨(dú)的蒸散或遮蔭效應(yīng)，忽視了對(duì)蒸散-遮蔭降溫耦合格局的探索。此外，由于城市景觀的異質(zhì)性，準(zhǔn)確量化蒸散-遮蔭降溫仍然具有挑戰(zhàn)性，這限制了對(duì)其高分辨率時(shí)空模式的理解。

為了解決當(dāng)前方法的局限性，研究整合了高分辨率遙感數(shù)據(jù)（Sentinel-2數(shù)據(jù)）和土壤-冠層-光合作用與能量通量觀測(cè)（soil-canopy-photosynthesis and energy flux model, SCOPE）模型。在Rocha等人（2022年）研究的基礎(chǔ)上，本研究采用了更精確的輸入數(shù)據(jù)，改進(jìn)了降溫效應(yīng)的定量指標(biāo)，并在不同的城市地表進(jìn)行了驗(yàn)證。利用這一增強(qiáng)型模型，本研究以較高的時(shí)空分辨率（100m，逐小時(shí)）探索了城市植被蒸散-遮蔭降溫作用的潛力。本研究由兩個(gè)主要科學(xué)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)：（1）如何準(zhǔn)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(shí)空特征是什么？通過(guò)深入探討這些問(wèn)題，加深我們對(duì)極端高溫下城市植被降溫作用的動(dòng)態(tài)的理解，本研究有助于制定有效的城市降溫和氣候適應(yīng)性戰(zhàn)略。

SCOPE模型以植物生理學(xué)、輻射傳遞和微氣象學(xué)為基礎(chǔ)，為模擬植被地表的光合作用、水文和輻射傳遞過(guò)程提供了一種綜合方法。該模型結(jié)合了多個(gè)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(shù)（如LAI和葉綠素含量）和氣候變量（如氣溫和相對(duì)濕度）等高分辨率輸入，以及模型的穩(wěn)定性和計(jì)算效率，確保了本研究模擬的時(shí)間和空間精度。

本研究采用了SCOPE模型的時(shí)間序列模擬模式，在60多個(gè)潛在輸入?yún)?shù)中，根據(jù)重要性和可用性選擇了11個(gè)，其余的參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。

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

根據(jù)以下公式對(duì)模型輸出的潛熱通量（LE）進(jìn)行校正：

此外，由于存在不透水表面，土壤溫度（Ts）會(huì)升高。因此，對(duì)模擬的Ts進(jìn)行了如下修正：

其中，BUAI歸一化為[-1,1]。校正結(jié)果使用CLDAS-V2.0數(shù)據(jù)集中的地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

表1 本研究使用的數(shù)據(jù)指標(biāo)、來(lái)源和處理方法

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

ECoV在0到1之間，數(shù)值越大，表明蒸散冷卻效應(yīng)越強(qiáng)。

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

SCoV的范圍為-1至1，負(fù)值表示植被冠層對(duì)地面的增溫效應(yīng)。SCoV的正值越大，表示遮蔭降溫作用越強(qiáng)。

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(gè)像素點(diǎn)的每小時(shí)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(shí)空動(dòng)態(tài)變化模式。繪制了每小時(shí)蒸散和遮蔭降溫作用分布圖并計(jì)算了單變量和雙變量全局莫蘭指數(shù)以評(píng)估蒸散和遮蔭降溫的空間相關(guān)關(guān)系。為了進(jìn)行時(shí)間分析，根據(jù)土地覆被對(duì)像素進(jìn)行了分類(lèi)，包括森林、草地、耕地和建筑密集區(qū)，計(jì)算各個(gè)土地覆蓋種類(lèi)的蒸散-遮蔭降溫作用的逐小時(shí)平均值。

圖2 研究的方法流程圖

該模型成功地預(yù)測(cè)了青浦和徐家匯兩個(gè)站點(diǎn)的LE時(shí)間變化規(guī)律和波動(dòng)幅度。與實(shí)測(cè)值相比，模型生成的LE值波動(dòng)較小，更為平滑。

圖3 （a）青浦站點(diǎn)和（b）徐家匯站點(diǎn)的模擬和測(cè)量LE的時(shí)間序列比較

圖4模擬Ts與CLDAS-v2.0地表溫度產(chǎn)品一致性評(píng)估

極端高溫期間的ECoV呈現(xiàn)出明顯的晝夜空間變化（圖5）?？傮w而言，ECoV的空間分布在中部和北部的數(shù)值相對(duì)較高，南部的數(shù)值略低。這種分布格局主要受公園、交通綠地、社區(qū)區(qū)域和農(nóng)田等綠色植被的存在和類(lèi)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(qū)都是低蒸散降溫作用區(qū)，即使在中午ECoV值最高的時(shí)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(shí)刻的分布模式

圖6 上海熱浪期間逐小時(shí)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(yáng)降溫（SCoV）在日周期典型時(shí)刻的分布模式

表 2 極端高溫下城市植被逐小時(shí)蒸散和遮陽(yáng)降溫空間分布的全球莫蘭指數(shù)

ECoV和SCoV在夜間（19:00至次日5:00）具有顯著的正空間自相關(guān)性，表明具有相似降溫效果的區(qū)域傾向于聚集。然而，這兩者之間存在輕微的負(fù)空間相關(guān)性，意味著高蒸散降溫的地區(qū)不一定與高遮陽(yáng)降溫的地區(qū)重疊，這導(dǎo)致夜間的降溫效應(yīng)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)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(yīng)開(kāi)始減弱，而遮陽(yáng)降溫則保持較強(qiáng)的空間聚集性，這可能是由于植被的持續(xù)遮蔽效應(yīng)，它較少受到太陽(yáng)輻射變化的影響。隨著太陽(yáng)輻射的增加，ECoV和SCoV的空間集群在正午達(dá)到峰值，反映了植被降溫效應(yīng)的增強(qiáng)。這種正午時(shí)分的空間聚類(lèi)增加可能與太陽(yáng)角度和強(qiáng)度的增大有關(guān)，進(jìn)一步增強(qiáng)了樹(shù)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(shí)，盡管ECoV和SCoV的整體莫蘭指數(shù)較高，但它們的雙變量莫蘭指數(shù)較低，可能是氣象因素影響了蒸騰作用和遮蔭降溫效應(yīng)，導(dǎo)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(qū)的地表通過(guò)顯熱通量形式釋放白天吸收的熱量，導(dǎo)致夜間溫度持續(xù)偏高。研究表明，從傍晚18:00至次日6:00，不同土地利用類(lèi)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(duì)較低。黎明時(shí)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(qū)建筑用地，表現(xiàn)出顯著的缺乏遮蔭降溫作用。從7:00開(kāi)始，隨著蒸散作用的增強(qiáng)和遮陽(yáng)效果的改善，ECoV和SCoV值迅速上升，尤其是在林區(qū)和高覆蓋率草地。到了中午13:00，各類(lèi)型土地利用的SCoV達(dá)到峰值，之后ECoV下降更為明顯。特別是在13:00至14:00間，出現(xiàn)了一個(gè)短暫的急速下降期，可能是由于氣孔關(guān)閉等生物反應(yīng)。到了下午14:00至17:00，各土地利用類(lèi)型的ECoV和SCoV值迅速下降，其中疏林地和建設(shè)用地的降溫速度更快。到了17:00，所有土地利用類(lèi)型的SCoV值達(dá)到全天最低，尤其是在城市建設(shè)用地，甚至出現(xiàn)升溫效應(yīng)，反映了白天吸收的熱量的集中釋放。與此同時(shí)，植被覆蓋地的地表溫度仍顯著低于裸露地表，顯示了遮陽(yáng)效應(yīng)的重要性。

圖9 極端高溫下上海不同土地利用類(lèi)型的ECoV和SCoV的日變化情況