基于叶面积密度辐射传输与蒸散发模型的雨后城市孤植树-地面覆盖组合潜热通量定量研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Quantifying the post-rainfall latent heat flux from urban isolated tree–ground cover combinations using LAD-based radiation transfer and evapotranspiration models

　　

专业术语翻译摘要： 雨后城市孤植树-地面覆盖组合的潜热通量（Latent Heat Flux）定量研究，采用基于叶面积密度（Leaf Area Density, LAD）的辐射传输模型与蒸散发（Evapotranspiration, ET）模型。研究人员评估了不同树-地面覆盖组合在降雨后的潜热通量。结果表明，目标树木使到达地面的太阳辐射减少了38%。树冠遮荫（Crown Shading）延长了各树-地面覆盖组合的降温持续时间。研究人员推荐在热暴露区域采用树木与保水铺装（Water-retaining Pavement）相结合的组合方式。

论文解读文章

一、研究背景与问题

城市化进程加速导致不透水地表面积持续扩张，城市热岛效应日益加剧。降雨后的地表蒸发与植物蒸腾过程是调节城市微气候的重要机制，潜热通量（Latent Heat Flux, LE）作为表征蒸发散耗热的关键物理量，直接影响地表能量平衡与热环境舒适度。然而，城市中孤植树与不同地面覆盖组合（如裸土、透水铺装、不透水铺装）之间的相互作用如何影响雨后潜热通量，此前缺乏系统的定量研究。现有蒸散发模型多针对均质下垫面，难以准确刻画树木冠层对辐射传输的遮蔽效应以及不同地面材料持水能力的差异。因此，亟需发展能够耦合树冠结构参数与地面水文特性的模型框架，以科学评估城市绿化组合的降温增湿潜力。

二、研究内容与结论

研究人员针对上述问题，开展了一项结合实地观测与数值模拟的综合性研究。研究选取城市中典型孤植树及其周边不同地面覆盖类型为对象，构建了基于叶面积密度（Leaf Area Density, LAD）的辐射传输模型，用以精确计算树冠对太阳辐射（尤其是光合有效辐射PAR与近红外辐射NIR）的衰减与再分配；同时耦合蒸散发模型，模拟降雨后不同组合条件下地表水分蒸发与植被蒸腾的时空动态。研究得出以下核心结论：目标孤植树冠层使到达地面的太阳辐射总量减少38%，显著削弱了地表辐射加热；树冠遮荫效应不仅降低了峰值潜热通量，还延长了雨后地表维持较高蒸发散速率的时间，即降温冷却持续时间更长；不同地面覆盖组合中，树木与保水型透水铺装（Permeable Pavement, PP）的组合表现出最优的潜热通量维持能力，而树木与不透水铺装（Impermeable Pavement, IP）的组合因水分快速流失导致蒸发散迅速衰减。研究的重要意义在于，首次将树冠三维结构参数（LAD）与地面水文过程耦合建模，为城市绿地降温功能的定量评估提供了新工具，并为热暴露区域的景观设计提供了基于证据的选型建议。

三、主要技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：其一，利用激光雷达（LiDAR）扫描获取孤植树的三维结构数据，计算各高度层的叶面积密度（LAD）分布；其二，构建基于LAD的辐射传输模型，模拟太阳直接辐射与散射辐射在冠层内的穿透、拦截与吸收过程，输出到达地面的辐射通量；其三，应用改进的蒸散发模型（如Penman-Monteith类模型），结合地面覆盖类型的水力参数（如可用含水量AWC），模拟雨后逐时潜热通量变化；其四，通过对比不同组合（裸土S、透水铺装PP、不透水铺装IP，以及各自与树木的组合）的模拟结果，量化树木与地面覆盖的交互效应。样本数据来源于城市典型街道绿化带的实地观测与气象站同步记录。

四、研究结果

降雨后潜热通量的组合差异：通过模型模拟与观测对比，研究人员发现雨后第一天，树木-裸土组合（S_tree）的日累积潜热通量（LE_sum^Day）显著高于树木-不透水铺装组合（S_tree^IP），而树木-透水铺装组合（S_tree^PP）介于两者之间，但透水铺装的水分储存能力使其在雨后第三天仍维持较高蒸发速率。

树冠遮荫的辐射削减效应：基于LAD的辐射传输模型计算表明，目标树冠使地面接收的太阳辐射总量减少38%，其中PAR波段削减幅度大于NIR波段，这直接降低了可用于地表蒸发与土壤蒸发的辐射能量，从而抑制了潜热通量的峰值。

遮荫对降温持续时间的延长作用：研究结果显示，树冠遮荫不仅降低了午间潜热通量峰值，还使得各组合的潜热通量维持在较高水平的时间延长，即降温冷却持续时间（Cooling Duration）显著增加，这归因于遮荫减缓了地表水分蒸发速率，使水分得以更持久地释放。

保水铺装的推荐结论：综合比较雨后三天内的累积潜热通量（LE_sum^Three），树木与保水型透水铺装组合（S_tree^PP）表现最优，因其兼顾了冠层遮荫与地面水分储存双重机制，适合应用于城市热暴露区域（如广场、人行道）以缓解热应激。

五、讨论与结论

讨论部分指出，树木与地面覆盖组合的潜热通量表现受降雨强度、前期土壤含水量（AWC）及冠层结构共同调控。不透水铺装限制了雨水入渗，导致雨后可用蒸发水量快速耗尽；而透水铺装与裸土则能储存更多水分，配合树冠遮荫可延长蒸发散过程。研究还强调，LAD分布的不均匀性对辐射传输模拟精度有重要影响，高分辨率LiDAR数据是提升模型可靠性的关键。

研究结论翻译如下：本研究量化了雨后城市孤植树与不同地面覆盖组合的潜热通量响应，证实树冠遮荫可减少38%的地面太阳辐射并延长冷却持续时间；树木与保水透水铺装的组合（S_tree^PP）在热暴露区域具有最优的蒸发散降温潜力，建议作为城市热环境缓解的优先配置方案。该研究为城市绿地水文-热耦合设计提供了定量化工具与实证依据。