近日，中國氣象局氣候中心發(fā)布預測，2025年三伏天時間比2024年多出10天，夏季全國平均氣溫偏高概率達80%。這意味著，剛剛經(jīng)歷兩個“最暖”年份后，我們有可能迎來又一個“火爐模式”。
隨著城市化進程加速，熱島效應也成為極端高溫事件的重要推手，不斷威脅居民健康與城市可持續(xù)發(fā)展。為此，復旦大學環(huán)境科學與工程系研究員余兆武與合作者一起，通過多尺度數(shù)據(jù)與機器學習模型，對全球范圍內(nèi)4個氣候帶，229座城市的晝夜降溫數(shù)據(jù)進行分析，揭示了不同氣候區(qū)城市樹木降溫效率的時空差異規(guī)律，并提出優(yōu)化非氣候因素以提升降溫效益的新路徑，為全球城市綠地規(guī)劃提供了科學依據(jù)。
5月2日，相關(guān)研究在《環(huán)境科學與技術(shù)》上線。
余兆武（右）和學生在室外采集數(shù)據(jù)。受訪者供圖
樹木降溫作用明顯，機制不明
“樹木覆蓋率、樹冠高度、種植結(jié)構(gòu)等因素會影響城市樹木降溫效率（CE，樹木覆蓋率每增加1%時地表的降溫幅度）?！痹撜撐牡谝蛔髡吆屯ㄓ嵶髡哂嗾孜涓嬖V《中國科學報》，“我們的研究表明，通過優(yōu)化樹木覆蓋率和種植結(jié)構(gòu)，能顯著降低城市夏季溫度?！?/p>
城市形態(tài)，特別是樹木覆蓋率等因素對改善城市熱環(huán)境方面作用明顯，可作為緩解城市熱島效應的自然解決方案。余兆武補充說，但城市樹木的降溫能力并非一成不變，而是與氣候帶、晝夜變化等因素緊密相關(guān)。以往的研究發(fā)現(xiàn)，不同氣候帶的城市之間，樹木降溫效率有顯著差異。即使同一座城市內(nèi)部，也會因不同的植被情況出現(xiàn)局部溫差。
“樹木降溫效率受氣候和非氣候等多種因素影響，以往的研究只關(guān)注氣候條件的影響，忽略了對樹木特征和城市結(jié)構(gòu)的影響，導致在全球尺度上城市樹木降溫作用機制、降溫效率的格局并不清楚。”余兆武說。
覆蓋率達30%，樹冠9米降溫效果理想
為找到城市樹木降溫效率的全球分布特征，弄清這種分布特征是否存在氣候帶間的差異，明確不同氣候帶影響城市樹木降溫效率的主導因素及作用機制。余兆武團隊和中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心、美國密歇根州立大學、香港理工大學等機構(gòu)的學者合作，利用全球瞬時植被數(shù)據(jù)集（ECOSTRESS）監(jiān)測的地表溫度數(shù)據(jù)，記錄并分析了2020年至2022年夏季（北半球6月至8月，南半球12月至2月，觀測時段為當?shù)貢r間10點至14點和20點至24點），全球4個氣候帶（干旱、半干旱、濕潤、半濕潤）內(nèi)229座大型城市的樹木晝夜降溫效率。
研究人員將目標城市劃分為2100米×2100米的網(wǎng)格單元，在每個單元中，選取16個對城市溫度相關(guān)的影響因素。通過分析篩選，最終確定兩米高度氣溫、十米高度風速、飽和水汽壓差、土壤濕度、建筑高度、地表反照率、不透水面占比、葉面積指數(shù)、樹冠高度9個變量，用機器學習模型評估各種變量對降溫效率的影響，同時以模型量化不同變量對晝夜降溫效率的貢獻差異，揭示了關(guān)鍵變量的非線性閾值效應。
研究發(fā)現(xiàn)，城市樹木的降溫效率受氣候帶差異的影響顯著。即處于濕潤、半濕潤、干旱、半干旱等不同氣候帶的城市，相同的樹木覆蓋率和種植結(jié)構(gòu)的樹木降溫效率不同，且氣象變量對樹木降溫效率的影響高于非氣象變量，其中土壤濕度、氣溫、飽和水汽壓差和風速影響較大，特別是在濕潤區(qū)和干旱區(qū)之間差異最明顯。研究認為，其主要原因是“濕潤地區(qū)白天樹木的蒸騰作用對氣象變量更敏感”。
“分析表明，最低覆蓋率達到30%，樹冠平均高度達到9米左右時，樹木的降溫效率最高。”余兆武解釋說，“城市降溫效率受建筑材料、地表覆蓋率等因素影響。即使在同座城市的不同區(qū)域，也會因局部樹木配置方式不同出現(xiàn)局部溫差。比如在合理配置數(shù)種、樹木覆蓋率，樹冠高度條件下，西北干旱區(qū)可將地表溫度降低八九度。像北京、上海這樣的城市，也能降溫5度左右?！?/p>
為城市規(guī)劃建設提供依據(jù)
“該研究將加深對城市樹木降溫效率的理解，為不同氣候帶城市的綠化和規(guī)劃管理提供科學依據(jù)?！庇嗾孜溲a充說，“即通過樹木的合理配置和人為干預來提高城市氣候韌性。”
研究表明，我國常見樹種槐樹、柏樹、香樟樹等，樹冠均在9米左右，是緩解城市熱島效應的理想選擇。目前，余兆武團隊已將研究成果提交上海市城市規(guī)劃管理部門，為城市景觀設計和規(guī)劃管理提供決策參考。
盡管植被在緩解城市熱島效應方面效果顯著，但余兆武坦言該研究仍須進一步完善。
“首先，我們所研究的數(shù)據(jù)是地表溫度，它與空氣溫度差異較大，不能完全反映高溫對人類健康、能源使用和基礎設施的影響，甚至可能會高估相關(guān)影響。”余兆武說，“其次，該研究使用的樹木覆蓋數(shù)據(jù)僅有1年，沒有考慮到植被的年際變化。再加上城市樣本量有限，限制了對城市內(nèi)部異質(zhì)性的評估，這可能會帶來研究結(jié)果的偏差。”
余兆武表示，未來將通過基于無人機的熱成像遙感等方法，結(jié)合空氣溫度測量，更好地捕捉城市熱島效應對健康的影響。同時，利用更高時空分辨率樹木覆蓋數(shù)據(jù)和相同時空分辨率的影響因素數(shù)據(jù)，結(jié)合實地觀測結(jié)果進行校正，減少潛在偏差，為設計氣候適應性強、以自然為基礎的城市發(fā)展規(guī)劃提供指導。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c14275
作者：張雙虎 來源：中國科學報
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