气候条件对城市绿地降温效率的影响综述

气候条件对城市绿地降温效率的影响综述

 

摘要：城市绿地是缓解城市热岛效应的有效途径，在有限的城市绿化用地条件下，提高绿地的降温效率已成为提升城市绿地降温能力的关键。学者们将降温效率（CE）定义为单位植被丰富度（如1%绿地覆盖率）所带来的地表温度降低值。现有研究中，学者们对不同地域和不同样本量的城市，如非洲不同气候区的40个城市、美国的118个城市、全球的510个城市等，进行了降温效率的比较，发现研究结果存在差异，并表现出明显的时空分异特征。气候条件被认为是影响降温效率的重要因素，但其影响方向并不一致，既有正向影响也有负向影响。通过系统阅读和整理与城市降温效率及其影响因素相关的文献，总结了不同研究中关于降温效率的结果差异及其时空分异特征，并综述了气候条件对降温效率产生影响的方向。

 

在全球变暖的大背景下，城市发展面临的城市热岛效应日益严峻。城市热岛的不断加剧严重影响了城市居民的生活质量。城市绿地通过蒸腾和遮荫效应能够改善城市热环境[1]。然而，绿地的建设和维护成本较高。现有研究将降温效率（CE）定义为一个单位植被丰富度（如1%绿地覆盖率）所带来的地表温度降低值[2]。由于受到城市背景气候的影响，不同城市间的降温效率结果存在显著差异。此外，气候条件对不同气候背景的城市降温效率的影响也有所不同。因此，综述气候条件对城市间降温效率的影响，对城市绿地的管理和规划具有重要的科学意义。通过整理和总结现有研究成果，可以为城市绿地建设提供更为科学和有效的策略，从而更好地应对全球变暖带来的挑战。

 

1城市绿地降温效率及其时空分异特征研究现状

 

学者们在研究降温效率时发现，不同城市间的降温效率存在显著差异，并在时间和空间2个方面表现出明显的分异特征[3]。这是由于城市空间形态的异质性，以及昼夜、季节之间温度、湿度和光照强度的差异，均会影响植被的蒸腾作用[3-4]。而针对多个城市样本的绿地降温效率研究，其时空分异特征更具代表性。

 

在一项对美国118个不同群落带的城市研究中发现[5]，这些城市降温效率范围为0.04～0.57℃。西部城市的降温效果较为显著，特别是那些位于夏季干燥炎热生物群系的城市，其降温效率更高。在针对非洲不同气候区的40个城市研究中发现[6]，除了2个热带气候城市外，其余城市的平均降温效率范围为0.11～1.26℃。干旱气候区城市的平均降温效率最高（0.454℃），其次是热带城市（0.235℃），而温带城市的平均降温效率最低（0.231℃）。

 

对美国11个城市热浪和寒潮环境下冷却效率的研究发现[5]，每增加1%的绿地覆盖率，冷却效率最高为1.34℃，热浪的地表平均冷却效率为0.20℃，寒潮的地表平均冷却速率为0.02℃，约为热浪期间的1/9。一项针对全球510个城市的研究中发现[7]，在当地时间10：30－13：30，全球城市年平均降温效率为0.06℃。我国西北部、美国西南部和中东地区的城市总体上降温效率较高，位于荒漠生物群系的城市，年平均白天降温效率为0.17℃。夜间的降温效率普遍低于白天，在22：30－01：30，全球城市的年平均降温效率为0.007℃，夜间降温效率较强的城市主要位于热带和亚热带低纬度地区或中东等干旱地区。并且，沙漠生物群系的年平均夜间降温效率最高，其次是热带和亚热带生物群系，地中海生物群系最低。

 

 

2气候条件对降温效率的影响作用

 

影响城市绿地降温效率结果的因素复杂，是多个方面相互作用的结果。在现有研究中，多将降温效率的影响因素聚焦于气候条件方面，同时，选取空气温度、降水以及风速几个气象指标表征背景气候条件。但这3个气象指标在不同气候背景城市的降温效率结果中的表现并不一致。综述并探究气候条件对降温效率的响应规律，便于不同气候背景的城市管理者根据其独特气候条件合理规划建设城市绿地，以达到最佳降温效果。

 

2.1空气温度对降温效率的影响作用

 

在气候条件中，空气温度代表着植被生长的地理环境[8]。一般学者在探究空气温度对降温效率的响应时，会选择6－8月的月平均空气温度作为夏季的代表。

 

研究普遍认为，在炎热干燥的城市环境下，降温效率更高。也有研究结果显示，在美国大陆热带和亚热带草原、热带草原和灌丛群落中，空气温度与降温效率之间存在负线性关系，与多数研究结果相反。而在整个美国大陆尺度上，气温与降温效率之间并不总是呈线性关系[5]。其研究结果表明，气温与降温效率呈现U型非线性关系，拐点在28%的空气温度水平。

 

当气温相对较低或较高时，降温效率值较大。这种影响不一致的原因在于蒸腾作用的增强能有效提高降温效率。在相对干燥的城市环境中，由于降水量有限，植物对高温的耐受性变得更强，其蒸腾能力和降温效果也比潮湿环境下的城市更强。当空气温度在一定范围内升高时，降温效率也会增加，但持续或极端高温不利于植被的蒸腾降温[6]。对热适应性差的植物，在高温下可能会关闭气孔，以避免过多的水分流失，从而导致蒸腾效率降低，最终影响冷却能力。

 

因此，温度升高对不同生物群系有不同的影响。对针叶林和阔叶林这类乔木，温度升高会抑制其降温效率；而对草地和灌木这类植被类型，随着温度的升高，其降温效率会先增加后降低。当气温在一定范围内升高时，城市植被对降温效率的总体响应仍然为正，但在湿度条件较好、森林景观更广泛的城市，降温效率对温度上升表现出负响应。

 

2.2降水对降温效率的影响作用

 

在众多研究降温效率的文章中，降水或空气湿度通常被视为关键的气候条件和气象要素。降水代表着植被所吸收的水分情况[8]。

 

在美国大陆尺度上，绿地降温效率与湿度呈显著的U型非线性关系，随湿度升高，降温效率先下降后增加。在某些生物群系中，湿度的影响显著但不相同。在温带和热带草原、灌丛群落中，随着湿度的增加，降温效率先急剧下降，达到拐点后趋于稳定。但在荒漠和旱生灌丛群落中，降温效率与湿度呈显著的线性负相关关系[5]。非洲不同气候区的40个城市研究中，当湿度降低时，干旱城市的降温效率显著增加，并显著促进了热带季风气候和热带潮湿稀树草原气候城市的降温效率。然而，对整体热带城市而言，湿度对降温效率的影响是正向的，但并不显著，与温带城市的降温效率之间则没有明显关系[6]。

 

降水对不同背景气候条件下城市降温效率的不同影响方向，是由于降水与空气温度和风速共同构成植物群落的生存环境，对绿地降温效率产生交互作用。当湿度较低时，降温效率较大，可能是因为湿度的降低促进了蒸腾速率的增加。然而，湿度降低对蒸腾的促进是有限且非线性的。在潮湿气候下，湿度限制了蒸散发的上限，而在干旱情况下，植物叶片的水分亏缺会导致气孔关闭，进而限制蒸散发的强度，这反过来又限制了植物通过蒸散发对环境的降温能力。

 

空气温度和降水对降温效率的影响相比，在干燥的生物群落中，湿度比空气温度更重要，而在较潮湿的生物群落中，空气温度则更为关键[5]。温度和水分条件共同作用于植被，很大程度上影响树木的蒸腾通量，共同决定植被的降温效率，两者的影响不是线性的。在不同的气候条件下，主导因素也有所不同。

 

2.3风速对降温效率的影响作用

 

在气候条件中，风速作为气象因子之一，反映了城市植被周围的空气环流情况[8]。在对美国118个城市的研究中发现，大陆尺度上风速对降温效率的影响并不显著，随着风速的变化，降温效率变化并不明显。然而，在某些生物群落中，风速对城市降温效率的影响却十分显著且各不相同。例如，风速与降温效率在湿润草原和稀树草原群落中呈显著线性负相关关系，而在荒漠和旱生灌丛群落中则呈显著非线性关系[5]，呈倒U型曲线。

 

在对非洲主要的6个城市的研究中发现，降温效率对风速的响应显著，但这种显著性并不是固定的。在一定的植被覆盖率范围内，降温效率对风速呈正响应，即风速越大，降温效率也随之增大。然而，当植被覆盖超过一定的阈值后，降温效率对风速的响应变为负，即随着风速增大，降温效率逐渐减小[9]。

 

实际上，降温效率对风速的响应并没有一致的结论。对这种不同的响应，有学者总结认为，对流效率是影响城市热岛强度和城市地表温度的重要因素之一。风速的增加会促进对流，提高植被通过感热损失散热的能力。在风速较大的沿海城市，降温效率的反应更为显著。风速的增加直接降低了叶片的温度，有助于将冷却效果传递到周围区域。此外，风速的增加也会促进植被的蒸散，进而提高绿地的降温效率。因此，降温效率对风速的响应在很大程度上受城市背景气候的主导。

 

3总结与讨论

 

现有研究主要聚焦于气候条件对降温效率的各方面响应，发现不管是哪一个关键气象因子，其对降温效率的影响都是复杂而变化的，通常由背景气候主导。这是因为植被活动在很大程度上受气候条件的影响和制约。在这样一个相互作用的环境下，降温效率在大多数情况下与气候变量呈非线性关系。

 

综合研究结果得出，在炎热、干燥和多风的气候下，城市树木通常会具有更强的降温效率[7]。从城市风环境的角度来看，改善街区的通风有助于提高街区绿地的降温效果，风向的变化还可以影响城市绿地最低温度中心的分布。这些发现为城市绿地的建设和管理提供了科学依据。根据以往研究，绿地通过蒸腾和遮荫的方式缓解城市的热岛效应[1]。然而，城市管理者和规划者在面对不同气候背景的城市时，应该充分了解和考虑当地的气象条件，改善和利用城市风环境，综合以上因素，选择适宜的树木类型，以更好地适应城市的气候条件，并应对全球不断变化的背景气候。