城市树木降温效应的空间结构：成熟热带林冠下的径向衰减、方位角不对称性与垂直分层

《Urban Forestry & Urban Greening》：Spatial Structure of urban tree cooling: Radial decay, azimuthal asymmetry, and vertical stratification under a mature tropical canopy

　　

**摘要** 极端高温对城市地区的健康和户外宜居性构成威胁，在湿热气候区尤为严重，因为那里高温、高湿度和强太阳辐射往往同时出现。尽管城市树木能够减少行人热暴露，但冠层效益通常被当作空间均匀的对待，而忽略了随太阳几何位置变化的影响。本研究检验了一个假设，即树木近侧微气候具有空间结构，其降温幅度随距树干距离增加而衰减，方位角随太阳位置而迁移，并在垂直方向上出现分层。在美国迈阿密一棵独立的成年金榕（*Ficus aurea*）冠层周围部署了圆形传感器网络和径向剖面，在行人相关高度测量气温，并利用短波辐射刻画太阳辐射强迫。正午时刻的降温幅度在树干附近最大，在约2至2.5倍树冠半径（16至20米）之外衰减至接近零。对于所监测的金榕树及本次采样的条件，近地面降温幅度约为站立高度降温幅度的三倍（比值2.97，95%置信区间[2.87, 3.08]）。以正午为参照的方位不对称性持续且统计稳定，在早晨最强，并在高太阳辐射载荷（≥500 W m?2）下最为有序。垂直温差在夜间与白天之间发生了符号反转：夜间高空较暖，而白天近地面较暖。在站立高度，约0.8°C的峰值降温随短波强度增强而加大，且在研究期间与超过特定高温及体感温度阈值的天数减少相关联。辐射驱动的计算流体力学（CFD）模拟再现了降温足迹随太阳方位角的一阶相位迁移，支持了以辐射为主要驱动的机制，同时凸显了真实冠层的异质性。这些结果表明，冠层降温强烈依赖于时间和位置，支持了更广泛的解释，即城市树木降温可能更适宜被表征为一种动态资源而非空间均匀的效益。

**引言** 极端高温是对城市公共健康、经济生产力和户外宜居性的日益增长的威胁，当快速城市化与湿热气候重叠时，这些风险被放大。全球评估表明，城市热暴露及其相关健康影响正在增加，老年人、户外工作者和社会经济弱势社区承受着不成比例的重担，且随着气候变暖与城市扩张与城市热岛效应相互作用，相关风险预计将进一步加剧（Dodman等，2022；Romanello等，2021；世界卫生组织，2024）。在迈阿密等沿海热带和湿润热带城市，高温常与高湿度和强太阳辐射相伴，增加了行人尺度的热暴露。这在湿热气候区尤为重要，因为仅凭气温并不能完全表征遮荫的热效应。在新加坡的热带田野研究表明，太阳暴露是户外热感觉最强的决定因素之一，太阳感觉和太阳辐射的影响大于其他几种气象变量（Yang等，2013）。这种效应主要通过平均辐射温度（Tmrt）体现：新加坡的测量显示，正午至下午时段，太阳遮蔽空间的空气温度仅比露天环境低约2°C，而Tmrt约低28°C，由此导致的生理等效温度（PET）差值达到约14°C（Acero等，2022）。来自湿热香港类似证据表明，Tmrt和太阳暴露是户外热感觉的主导控制因素，在高温条件下尤其显著（Li等，2020）。这些发现表明，仅基于气温降低的评估可能无法捕捉冠层遮荫的全部热效应。因此，解析遮荫的空间和时间结构对于刻画局部降温和行人尺度的热暴露均至关重要。

城市树木被广泛用作一种基于自然的策略，通过短波遮荫、蒸散发和近地表气流改变来调节户外微气候（Shashua-Bar等，2011；Bowler等，2010；Toparlar等，2017；Alonzo等，2025）。在评估这些效应时的一个反复出现的挑战是，树木诱导的降温通常以单一的冠层下数值进行概括，尽管树木周围的局部微气候可能随位置和一天中的时间而大幅变化。常用评估方法的一个局限在于，冠层效益通常被表示为空间均匀或方位角平均化的，尽管冠层遮荫和辐射环境随太阳几何位置连续变化。树木周围的微气候受太阳方位角和高度角、冠层架构、地表条件和背景气象的相互作用影响。随着太阳在天空中移动，阴影足迹的位置和形状发生变化，产生了短波暴露和地表加热方面的方向性差异，这可能导致气温和湿度的空间异质性（Meili等，2021）。这些方向性差异可能还受到叶密度不均、冠层形状不对称、树干位置与冠层质心的偏差以及风驱动混合的影响。因此，解析这种方向性结构对于刻画冠层诱导的微气候改变如何随位置和一天中的时间而变化至关重要。

大多数田野研究通过在单个遮荫点与附近阳光暴露对照点之间进行配对测量来估算冠层降温（Shashua-Bar等，2009；Armson等，2012）。虽然这种方法对于量化平均降温幅度很有用，但无法直接解析径向降温衰减、方位角梯度，以及降温和湿度调节区域随太阳位置变化的迁移。使用CFD和耦合能量平衡方法的数值研究表明，植被-辐射相互作用和冠层几何结构可以产生空间异质的微气候响应（Toparlar等，2017）。然而，能够评估方位角结构且足够密集的方向解析田野数据集仍然有限，特别是在湿热沿海环境中的情况：现有的方向性研究通常局限于少数固定测点或单次短期监测（Shashua-Bar等，2009；Armson等，2012）。据我们所知，很少有田野研究在行人相关高度上，围绕单棵独立树木，结合方位角解析的圆形传感器网络与径向剖面进行长期监测。

由于所获得的数据集在距离、方向和高度上同时解析了降温，因此可以定量分析树木近侧降温的空间和时间结构，而非以单一冠层下数值表示。这为研究降温的位置和幅度如何随太阳几何变化，以及评估这些模式与微气候模型中使用的简化冠层表征之间的关系提供了基础。

因此，本研究检验了一个假设：树木近侧微气候效益具有空间结构而非均匀分布。具体而言，我们假设冠层降温具有可重复的三维结构：其幅度随距树干距离径向衰减，其方位角相位随太阳位置迁移，其垂直结构在近地面与站立高度暴露之间随地表加热和日间混合过程而变化。我们进一步假设，方向性组织在高短波载荷下增强。我们提出三个研究问题：（RQ1）围绕一棵孤立城市树木的气温降温幅度、径向衰减、日变化时序和方位角结构是什么？（RQ2）这些降温模式如何随高度（近地面与成人高度）和气象强迫，特别是短波强度和风驱动混合而变化？（RQ3）简化的辐射驱动CFD冠层表征能否再现观测到的相位迁移，并阐明因真实冠层异质性而产生的预期差异？为回答这些问题，我们的具体目标是：（i）利用径向剖面和圆形传感器网络，量化气温调节的径向衰减及方位角和时间依赖模式；（ii）利用以每日正午为参照的逐日不确定性框架，评估垂直对比和方向不对称性的稳健性；（iii）将观测到的方向模式与辐射驱动CFD模拟进行比较，以支持机理解释并改进辐射感知的微气候模型。

总体而言，本研究的贡献包括：（i）在热带沿海环境中对径向降温衰减和时间演化的方位角依赖冠层降温进行了田野量化；（ii）刻画了降温幅度、方向不对称性和分层的垂直对比；（iii）提出了一个评估方向模式时间稳健性的逐日框架；以及（iv）进行了一场CFD比较，以评估辐射驱动的冠层表征能否再现田野中观测到的一阶相位迁移。这些分析评估了冠层下降温偏离空间均匀表征的程度，并为与辐射感知微气候模型进行对比提供了数据。

更广泛地说，本研究将城市树木降温视为一种时间解析的空间过程，而非冠层下的静态属性。在这一框架中，降温的位置、幅度和垂直结构被评估为太阳几何和气象强迫的函数，而非以单一空间平均值表示。

**研究点描述** 田野研究在美国佛罗里达州迈阿密的佛罗里达国际大学（FIU）比斯坎湾校区（BBC）进行，该校区为沿海热带环境（柯本Am，热带季风气候；尽管该地位于北回归线以南不远，但每个月气温均高于18°C）（Peel等，2007），全年大部分时间以高温、高湿度和强太阳辐射为特征。测量在一棵位于开阔环境中的独立成年城市树木（*Ficus aurea*）周围进行。

**结果与讨论** 本研究的主要方法论优势在于围绕单棵独立树木的结合了互补的空间和时间测量。径向剖面解析了冠层影响随距离的衰减，而圆形传感器网络捕捉了传统树木-对照测量无法解析的方位角变异性。在近地面和站立高度均进行测量，进一步允许检查降温的垂直结构。多日监测……

**结论** 本研究表明，热带沿海城市中一棵孤立城市树木所提供的微气候效益并非一个固定、对称的足迹，而是一个随距离衰减、随太阳方位角迁移并随高度分层的三维场。将其简化为单一平均降温值，如常见做法，因此遮蔽了效益最大在哪里以及何时可用——这些信息对行人尺度的热缓解具有直接可操作的意义。

**CRediT作者贡献声明** Harshin K. Asok：撰写—初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、数据管理、概念化。Jason R. Kostrna：撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、形式分析。Ali Ebrahimian：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、调查、资助获取、形式分析、概念化。Arturo S. Leon：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资助。

本研究由美国环境保护署（EPA）资助，资助编号为02D42423。

**利益冲突声明** 作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能对本论文所报告的工作产生影响。

Harshin K. Asok | Jason R. Kostrna | Ali Ebrahimian | Arturo S. Leon