热浪背景下城市树木降温效应的变化研究

佟欣羽 曾令辉

（辽宁师范大学地理科学学院,辽宁 大连 116029）

1 概述

随着全球气候变暖，热浪的发生更加频繁，影响范围不断扩大，严重影响着人类生产生活和生态环境[1]。目前，大多数研究将气温作为定义热浪的唯一变量[1]，但湿度同样直接影响人体对热的感知[2]。因此，近年来学者探究热浪问题时开始同时考虑气温和湿度[3]，但已有研究还主要集中于干、湿热浪的时空变化特征，不同类型热浪对生态环境影响尚不清楚。绿色植被尤其是城市树木，通过光合作用、蒸腾作用以及遮荫作用降低城市温度，形成独特的降温能力[4]，可以有效缓解热浪。因此，学者们开始关注热浪-植被关系[5]。研究表明，当气候条件在植被适应范围内，植被降温效率随气温、湿度的升高而增强，但当气温、湿度过高时，植被气孔闭合，抑制光合及蒸腾作用，降温效率下降[6]。因此，基于气温和湿度划分不同类型热浪，并探究干热浪、湿热浪对植被的影响是很有必要的。本文以北京市、西安市、运城市和襄阳市4 个典型城市为研究区，基于2015～2020 年的气象数据以及遥感数据，筛选研究区的热浪事件并判别其类型，计算树木的降温效率，定量评估干热浪与湿热浪环境时树木降温速率的变化情况，分析树木降温速率对气候条件的响应机制，探讨不同类型热浪对树木的影响。为合理规划城市绿色植被缓解热浪、提高城市气候适应性提供参考。

2 研究区概况

研究区的选择主要考虑了城市规模、气候特征、城市内树木面积等因素，选择4 个典型热浪城市进行研究。其中，北京市（39°56′N，116°20′E）、西安市（34°16'N，108°57'E）属暖温带半湿润大陆性季风气候，运城市（35°1'N，110°59'E）属暖温带大陆性季风气候，襄阳市（32°5'N，112°12'E）属亚热带季风气候，均为夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。但西安市和运城市在7～8 月存在夏伏旱期，此时降雨较少，天气炎热干燥，如图1。

图1 研究区概况及城市树木覆盖度

3 研究方法

3.1 数据来源与预处理

气象数据来自中国气象数据网，选取2015～2020 年夏季7、8 月最高气温和相对湿度的日值数据。结合前人研究[3]和研究区气候特征，本文的热浪识别方法为：当城市内气象站点的日最高气温超过35℃且持续3 天及以上为一次热浪事件，此时，若气象站点相对湿度的均值小于60%为干热浪，反之为湿热浪。遥感数据包括MOD44B 逐年植被覆盖度产品以及MYD11A1 逐日地表温度产品，均来自于美国国家航空航天局。树木覆盖度数据选取MOD44B 的树木覆盖度图层，空间分辨率为250m×250m，为了保证MODIS 影像空间分辨率的一致性，重采样为1km。地表温度数据选取MYD11A1 的白天地表温度和夜间地表温度图层，空间分辨率为1km×1km。以上数据QC 图层进行质量控制，得到高质量影像。

3.2 树木降温效率计算方法

树木降温效率（CE）由树木覆盖度（TC）及地表温度（LST）计算得到。以TC 为自变量，LST 为因变量，采用最小二乘法进行线性拟合，所得斜率的负数即为CE，代表树木覆盖度增加一个单位时地表温度降低的幅度，以此量化城市树木的降温能力[6]。

4 结果分析

4.1 热浪环境下城市CE 的变化

表1 为2015～2020 年各城市热浪基本情况，西安市和运城市为干热浪频发城市，北京市和襄阳市为湿热浪频发城市，西安市、运城市的高温日次数、热浪次数及最长热浪持续时间显著多于北京市、襄阳市，故干热浪的发生频次高、持续时间长。热浪发生时，西安市、运城市日间CE 均值分别上升了0.0589℃/%、0.0703℃/%，而北京市、襄阳市的日间CE 均值分别下降了0.0319℃/%、0.0562℃/%。可见，干热浪对日间CE 具有促进作用，而湿热浪对日间CE 具有抑制作用。从城市角度观察，热浪时期，日间CE 由高到低依次为西安市、运城市、北京市、襄阳市，即干热浪频发城市日间CE 显著高于湿热浪频发城市。而非热浪时期，日间CE 由高到低依次为北京市、西安市、襄阳市、运城市，即湿热浪频发城市日间CE 略高于干热浪频发城市。但总体来看，西安市CE 最高。对于夜间CE，无论是否发生热浪，4 个城市夜间CE 均较为稳定且差异较小，其中西安市夜间CE 略高达到0.09℃/%左右，其他城市均在0.07℃/%上下浮动，都远远小于日间CE。

表1 城市热浪基本情况

4.2 气候条件对城市CE 的影响

由图2 可知，对于干热浪频发城市，当日最高气温（T）增加1℃时，日间CE 上升0.0132℃/%，当相对湿度（RH）增加1%时，日间CE 下降0.0028℃/%，总体呈现出日间CE 随T 的升高而上升、随RH 的升高而下降的趋势。从城市角度观察，西安市、运城市存在理论上的气温阈值，当T 达到阈值时，日间CE 处于最大值。西安市气温阈值在46℃左右，运城市气温阈值在42℃左右，表明西安市、运城市树木均具有一定的耐热性，但西安市树木对高温的适应度更高。RH 对西安市、运城市日间CE的影响一致，均为RH 增加1%时日间CE 下降0.003℃/%。但西安市、运城市夜间CE 与T、RH 均并无明显相关性，受气候条件影响较小。由图3 可知，对于湿热浪频发城市，当T 增加1℃时，日间CE 下降0.0106℃/%，当RH增加1%时，日间CE 下降0.0028℃/%，总体呈现出日间CE 随T、RH 的升高而下降的趋势。从城市角度观察，北京市存在理论气温阈值，但在34℃左右就达到了气温阈值，襄阳市日间CE 随T 升高1℃下降0.014℃/%，因此，北京市与襄阳市对高温的适应性较差。RH 对北京市、襄阳市日间CE 的影响存在差异，当RH 增加1%时，北京市日间CE 降低0.0012℃/%，襄阳市日间CE 降低0.0031℃/%，故襄阳市日间CE 更易受RH 影响。与干热浪频发城市类似，北京市、襄阳市夜间CE 与T、RH 不存在明显相关性，受气候条件影响较小。

图2 干热浪频发城市T、RH 与日间CE 的拟合关系散点图

图3 湿热浪频发T、RH 与日间CE 的拟合关系散点图

5 结论

本文基于气象数据识别了4 个典型城市的热浪事件并判别类型，基于遥感数据计算CE，探究了干热浪和湿热浪环境下CE 的变化，以及气候条件对CE 的影响，得到以下结论：（1）西安市和运城市频发干热浪，北京市和襄阳市频发湿热浪，干热浪的发生频次更高、持续时间更长。（2）干热浪和湿热浪对树木日间CE 都具有显著影响，但影响趋势存在差异。干热浪发生时，日间CE 升高，树木降温能力增强，而湿热浪发生时，日间CE 下降，树木降温能力减弱，这种差异可能是由于不同树种导致的。（3）热浪时期，西安市和运城市日间CE 显著高于北京市和襄阳市，故此时干热浪频发城市树木降温能力更强；而非热浪时期，西安市和运城市日间CE 略低于北京市和襄阳市，故此时湿热浪频发城市树木降温能力更强。（4）不同城市日间CE 对气候条件的响应存在差异。其中，西安市和运城市的日间CE 随T 的升高、RH 的降低而增加，而北京市和襄阳市日间CE 随T 和RH 的升高而减小。故RH 对城市日间CE 的影响趋势相同，但T对日间CE 的影响趋势相反。（5）城市夜间CE 的变化并不显著，且各个城市的差异较小，均远远小于日间CE。因此，夜间CE 受气候条件影响较弱，对热浪环境不敏感，夜间树木降温能力稳定。