Science Advances：城市热岛的主导因素：地表粗糙度还是不透水面？
撰文丨廖威林（原文共同一作）
编辑丨JinTao.Li
导读
一支由波士顿大学、中山大学、哈佛大学和普林斯顿大学组成的研究队伍，近期在《科学·进展》（Science Advances）发表了题为“Urban heat island: Aerodynamics or imperviousness?”的研究论文。2014年《Nature》一篇文章提出湿润地区日间城市热岛强度更大主要是由于城市与郊区地表粗糙程度差异增大所造成的。这个结论，由于与人们传统认识的情况有所不同，近年来引起了较多的争议。本文通过对已有研究中归因模型的不足进行改进，对该研究结论重新进行论证。结果表明，城市与郊区间蒸发能力的差异变大，才是导致日间城市热岛强度在湿润地区（相比干旱地区）进一步增大的主要原因。研究结论对于确定减缓和改善城市热岛效应对城市热环境的影响具有重要指导意义。
原文信息
标题：Urban heat island: Aerodynamics or imperviousness?
期刊：Science Advances
作者：一作&通讯：Dan Li（李丹）【Department of Earth and Environment, Boston University（波士顿大学地球与环境系）】；共同一作：Weilin Liao（廖威林）【School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University（中山大学地理科学与规划学院）】
时间：2019-04-03
DOI：http://doi.org/10.1126/sciadv.aau4299
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研究背景
随着全球城市化的快速发展，城市扩张使得城市地区下垫面结构发生急剧变化。其中，城市绿化面积不断减少，水泥、沥青等建筑材料的大量使用，以及建筑、交通等能源消耗过程中大量人为热的排放，均会使得城市内部温度明显高于其外围郊区，形成显著的城市热岛效应。城市热岛不仅对城市能源消耗和空气质量具有重要影响，而且会进一步加剧城市地区极端温度的影响，增加对于城市居民健康的威胁。因此，明确城市热岛效应的主要影响因素，对于区域制定减缓和改善未来气候变化条件下城市热环境的有效措施具有重要意义。
研究方法
过去有关城市化对局地气候影响的研究中，大多是通过建立经验模型探讨城市热岛强度与不同影响因素间的相关关系，或者是基于数值模拟实验对不同因素的影响进行敏感性分析。近年来，为定量分析下垫面变化对局地温度的影响，国外学者 Lee et al. (2011) 基于地表能量平衡方程提出了土地利用变化影响气候变化的生物地球物理过程拆分理论机制（以下简称IBM归因模型）。该模型可以将由于下垫面变化导致的地表温度差异分解为辐射过程、空气动力学阻抗（主要受地表粗糙程度影响）以及波文比等不同生物地球物理过程要素的贡献大小，进而直接识别导致地表温度变化的主要控制性因素。与传统研究相比，通过归因模型可以直接量化不同生物地球物理过程要素对地表温度变化的贡献大小，更好地阐明土地利用变化对局地温度的影响过程。
Zhao et al. (2014) 基于IBM模型对北美地区各大城市的热岛强度进行归因分析。该研究提出城市与郊区间地表粗糙程度差异的增大是导致湿润地区日间热岛强度增加的主要控制性因素，而不是传统研究中认为的城市与郊区间蒸发能力差异。该研究结论的提出不仅使得研究者们对于城市热岛的影响机制需要做出重新思考，而且城市决策者对于如何选择有效措施减缓和改善城市热环境也具有重要影响。
但最近有研究(Rigden and Li, 2017) 指出，IBM模型归因变量中的空气动力学阻抗和波文比在一阶项上并不相互独立。这导致IBM模型中空气动力学阻抗项的贡献被高估约10～25%。因此，过去对于城市热岛效应的归因研究有可能会因此而高估了城市与郊区间地表粗糙程度差异的贡献，从而错误估计了城市热岛的主要控制性因素。
针对这一不足，该研究团队通过对已有归因模型进行改进(Liao et al., 2018)，改进后的归因模型可以将由于下垫面变化导致的地表温度差异分解为辐射过程、空气动力学阻抗、地表蒸发阻抗（主要受土壤含水量和植被特性的影响）以及地表热通量的贡献大小（以下简称TRM模型）。在此基础上，利用耦合了最新城市冠层模块的GFDL模式对北美地区陆面过程进行模拟，并基于改进后的TRM模型同样对各大城市的热岛强度进行归因分析。
研究结果
1981-2000年间全年平均降水量与各大城市日间热岛强度的相关关系如图(a)所示。全年平均降水量与各大城市日间热岛强度呈显著的正相关关系，即降水量越大的城市，其热岛强度越大，说明局地气候背景对城市热岛效应具有显著的影响，这一点与Zhao et al. (2014) 一文所得结论相同。而基于原有的IBM归因模型对各因素对于城市热岛强度的贡献大小进行分解，各影响因素与全年平均降水量之间的协方差占比如图(b)所示。IBM模型的归因结果显示，城市与郊区之间空气动力学阻抗的不同是导致空间上全年平均降水量与各大城市日间热岛强度呈正相关关系的主要影响因素，即降水量大的地区，其郊区周围植被的长势也更好，从而导致郊区的地表热量更容易通过湍流的方式被带走，使得郊区的温度比城市地区的更低，形成更为显著的城市热岛效应。
但有意思的是，基于TRM归因模型的计算结果(图c)与IBM模型的计算结论不同。TRM模型的归因结果显示，城市与郊区之间地表蒸发阻抗的不同是导致空间上全年平均降水量与各大城市日间热岛强度呈正相关关系的主要影响因素。即对于降水量大的地区，其郊区的蒸发能力变大，而城市内部由于植被覆盖的稀少，其蒸发能力并不会增加。这样会进一步增大城市与郊区之间蒸发量的差异，从而形成更为显著的城市热岛效应。可见，Zhao et al. (2014) 文章中基于IBM模型的归因结果高估了空气动力学阻抗对城市热岛强度的影响，从而导致城市热岛效应的主要影响因素被错误估计。
研究结论
该研究团队利用改进后的归因模型重新证实了城市与郊区地表蒸发阻抗的不同才是导致日间热岛强度增大的主要影响因素。然而，准确判断影响城市热岛的主要控制性因素，对于选取有效措施减缓和改善城市热环境具有重要指导意义。因此，根据该研究的结论，该团队认为增大城市地区的绿化面积，增加其蒸发能力，依然是减缓热岛强度的最有效途径。
参考文献
Lee, X., et al. (2011). Observed increase in local cooling effect of deforestation at higher latitudes. Nature, 479(7373), 384–387, doi: 10.1038/nature10588
Liao, W., Rigden, A. J., & Li, D. (2018). Attribution of Local Temperature Response to Deforestation. J. Geophys. Res. Biogeosci., 123(5), 1572–1587, doi: 10.1029/ 2018JG004401
Rigden, A. J., & Li, D. (2017). Attribution of surface temperature anomalies induced by land use and land cover changes. Geophys. Res. Lett., 44(13), 6814–6822, doi: 10.1002/ 2017GL073811
Zhao, L., Lee, X., Smith, R. B., & Oleson, K. (2014). Strong contributions of local background climate to urban heat islands. Nature, 511(7508), 216–219, doi: 10.1038/ nature13462
END
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