熱浪背景下城市樹木降溫效應的變化研究

佟欣羽 曾令輝

（遼寧師范大學地理科學學院,遼寧 大連 116029）

1 概述

隨著全球氣候變暖，熱浪的發生更加頻繁，影響范圍不斷擴大，嚴重影響著人類生產生活和生態環境[1]。目前，大多數研究將氣溫作為定義熱浪的唯一變量[1]，但濕度同樣直接影響人體對熱的感知[2]。因此，近年來學者探究熱浪問題時開始同時考慮氣溫和濕度[3]，但已有研究還主要集中于干、濕熱浪的時空變化特征，不同類型熱浪對生態環境影響尚不清楚。綠色植被尤其是城市樹木，通過光合作用、蒸騰作用以及遮蔭作用降低城市溫度，形成獨特的降溫能力[4]，可以有效緩解熱浪。因此，學者們開始關注熱浪-植被關系[5]。研究表明，當氣候條件在植被適應范圍內，植被降溫效率隨氣溫、濕度的升高而增強，但當氣溫、濕度過高時，植被氣孔閉合，抑制光合及蒸騰作用，降溫效率下降[6]。因此，基于氣溫和濕度劃分不同類型熱浪，并探究干熱浪、濕熱浪對植被的影響是很有必要的。本文以北京市、西安市、運城市和襄陽市4 個典型城市為研究區，基于2015～2020 年的氣象數據以及遙感數據，篩選研究區的熱浪事件并判別其類型，計算樹木的降溫效率，定量評估干熱浪與濕熱浪環境時樹木降溫速率的變化情況，分析樹木降溫速率對氣候條件的響應機制，探討不同類型熱浪對樹木的影響。為合理規劃城市綠色植被緩解熱浪、提高城市氣候適應性提供參考。

2 研究區概況

研究區的選擇主要考慮了城市規模、氣候特征、城市內樹木面積等因素，選擇4 個典型熱浪城市進行研究。其中，北京市（39°56′N，116°20′E）、西安市（34°16'N，108°57'E）屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，運城市（35°1'N，110°59'E）屬暖溫帶大陸性季風氣候，襄陽市（32°5'N，112°12'E）屬亞熱帶季風氣候，均為夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。但西安市和運城市在7～8 月存在夏伏旱期，此時降雨較少，天氣炎熱干燥，如圖1。

圖1 研究區概況及城市樹木覆蓋度

3 研究方法

3.1 數據來源與預處理

氣象數據來自中國氣象數據網，選取2015～2020 年夏季7、8 月最高氣溫和相對濕度的日值數據。結合前人研究[3]和研究區氣候特征，本文的熱浪識別方法為：當城市內氣象站點的日最高氣溫超過35℃且持續3 天及以上為一次熱浪事件，此時，若氣象站點相對濕度的均值小于60%為干熱浪，反之為濕熱浪。遙感數據包括MOD44B 逐年植被覆蓋度產品以及MYD11A1 逐日地表溫度產品，均來自于美國國家航空航天局。樹木覆蓋度數據選取MOD44B 的樹木覆蓋度圖層，空間分辨率為250m×250m，為了保證MODIS 影像空間分辨率的一致性，重采樣為1km。地表溫度數據選取MYD11A1 的白天地表溫度和夜間地表溫度圖層，空間分辨率為1km×1km。以上數據QC 圖層進行質量控制，得到高質量影像。

3.2 樹木降溫效率計算方法

樹木降溫效率（CE）由樹木覆蓋度（TC）及地表溫度（LST）計算得到。以TC 為自變量，LST 為因變量，采用最小二乘法進行線性擬合，所得斜率的負數即為CE，代表樹木覆蓋度增加一個單位時地表溫度降低的幅度，以此量化城市樹木的降溫能力[6]。

4 結果分析

4.1 熱浪環境下城市CE 的變化

表1 為2015～2020 年各城市熱浪基本情況，西安市和運城市為干熱浪頻發城市，北京市和襄陽市為濕熱浪頻發城市，西安市、運城市的高溫日次數、熱浪次數及最長熱浪持續時間顯著多于北京市、襄陽市，故干熱浪的發生頻次高、持續時間長。熱浪發生時，西安市、運城市日間CE 均值分別上升了0.0589℃/%、0.0703℃/%，而北京市、襄陽市的日間CE 均值分別下降了0.0319℃/%、0.0562℃/%。可見，干熱浪對日間CE 具有促進作用，而濕熱浪對日間CE 具有抑制作用。從城市角度觀察，熱浪時期，日間CE 由高到低依次為西安市、運城市、北京市、襄陽市，即干熱浪頻發城市日間CE 顯著高于濕熱浪頻發城市。而非熱浪時期，日間CE 由高到低依次為北京市、西安市、襄陽市、運城市，即濕熱浪頻發城市日間CE 略高于干熱浪頻發城市。但總體來看，西安市CE 最高。對于夜間CE，無論是否發生熱浪，4 個城市夜間CE 均較為穩定且差異較小，其中西安市夜間CE 略高達到0.09℃/%左右，其他城市均在0.07℃/%上下浮動，都遠遠小于日間CE。

表1 城市熱浪基本情況

4.2 氣候條件對城市CE 的影響

由圖2 可知，對于干熱浪頻發城市，當日最高氣溫（T）增加1℃時，日間CE 上升0.0132℃/%，當相對濕度（RH）增加1%時，日間CE 下降0.0028℃/%，總體呈現出日間CE 隨T 的升高而上升、隨RH 的升高而下降的趨勢。從城市角度觀察，西安市、運城市存在理論上的氣溫閾值，當T 達到閾值時，日間CE 處于最大值。西安市氣溫閾值在46℃左右，運城市氣溫閾值在42℃左右，表明西安市、運城市樹木均具有一定的耐熱性，但西安市樹木對高溫的適應度更高。RH 對西安市、運城市日間CE的影響一致，均為RH 增加1%時日間CE 下降0.003℃/%。但西安市、運城市夜間CE 與T、RH 均并無明顯相關性，受氣候條件影響較小。由圖3 可知，對于濕熱浪頻發城市，當T 增加1℃時，日間CE 下降0.0106℃/%，當RH增加1%時，日間CE 下降0.0028℃/%，總體呈現出日間CE 隨T、RH 的升高而下降的趨勢。從城市角度觀察，北京市存在理論氣溫閾值，但在34℃左右就達到了氣溫閾值，襄陽市日間CE 隨T 升高1℃下降0.014℃/%，因此，北京市與襄陽市對高溫的適應性較差。RH 對北京市、襄陽市日間CE 的影響存在差異，當RH 增加1%時，北京市日間CE 降低0.0012℃/%，襄陽市日間CE 降低0.0031℃/%，故襄陽市日間CE 更易受RH 影響。與干熱浪頻發城市類似，北京市、襄陽市夜間CE 與T、RH 不存在明顯相關性，受氣候條件影響較小。

圖2 干熱浪頻發城市T、RH 與日間CE 的擬合關系散點圖

圖3 濕熱浪頻發T、RH 與日間CE 的擬合關系散點圖

5 結論

本文基于氣象數據識別了4 個典型城市的熱浪事件并判別類型，基于遙感數據計算CE，探究了干熱浪和濕熱浪環境下CE 的變化，以及氣候條件對CE 的影響，得到以下結論：（1）西安市和運城市頻發干熱浪，北京市和襄陽市頻發濕熱浪，干熱浪的發生頻次更高、持續時間更長。（2）干熱浪和濕熱浪對樹木日間CE 都具有顯著影響，但影響趨勢存在差異。干熱浪發生時，日間CE 升高，樹木降溫能力增強，而濕熱浪發生時，日間CE 下降，樹木降溫能力減弱，這種差異可能是由于不同樹種導致的。（3）熱浪時期，西安市和運城市日間CE 顯著高于北京市和襄陽市，故此時干熱浪頻發城市樹木降溫能力更強；而非熱浪時期，西安市和運城市日間CE 略低于北京市和襄陽市，故此時濕熱浪頻發城市樹木降溫能力更強。（4）不同城市日間CE 對氣候條件的響應存在差異。其中，西安市和運城市的日間CE 隨T 的升高、RH 的降低而增加，而北京市和襄陽市日間CE 隨T 和RH 的升高而減小。故RH 對城市日間CE 的影響趨勢相同，但T對日間CE 的影響趨勢相反。（5）城市夜間CE 的變化并不顯著，且各個城市的差異較小，均遠遠小于日間CE。因此，夜間CE 受氣候條件影響較弱，對熱浪環境不敏感，夜間樹木降溫能力穩定。