中国武汉亚热带湿地城市能量和CO?收支的季节性和日变化规律

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Seasonal and diurnal patterns of energy and CO 2 budgets in a subtropical wetland city, Wuhan, China

　　

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  地表能量分配的季相变化揭示了雨热同期的特征。
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  梅雨抑制了辐射和热储存，维持了闷热的微气候。
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  夏季降温需求下，人为热峰值不可忽视。
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  日CO₂动态表现为湿地植被驱动的日间碳汇。
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  基于SHAP的可解释机器学习揭示了昼夜CO₂通量控制的差异性。

引言

根据IPCC第六次评估报告，全球城市人口占比从1950年的约30%上升至2021年的57%，预计到2050年将达到68%，其中城市和的增长最快的地区为亚洲和非洲[1]。城市集中了人口、基础设施、工业和交通，也集中了最强烈的人为干扰。城市承担了超过70%的人为CO₂排放，并从根本上改变了局地微气候[2]。通过改变地表粗糙度、不透水覆盖、人为热释放和水文路径，城市化加剧了热岛效应，扰乱了湿度和降水格局，重塑了城市碳收支[3,4]。因此，对城市地表与大气之间耦合的能量、水和碳交换过程进行基于过程的深入理解，对于评估快速发展的城市气候反馈、支持碳中和与气候韧性城市规划至关重要。在现有方法中，涡动协方差（EC）技术已成为直接测量城市冠层上方湍流显热（Q_H）、潜热（Q_E）和CO₂通量（F_C）的核心方法。

在过去二十年中，得益于INFLUX、ICOS城市和IAUC城市通量网络等国际计划的支持，城市EC观测已扩展为全球分布的监测站网络。表1和图1中汇编的最新综合资料涵盖46个城市，横跨12个柯本气候区，记录了通量源区内局地气候区（LCZ）、站点功能、观测高度、植被覆盖、水体占比和人口密度的显著对比。这些差异表明，城市水、热和碳交换随气候背景、城市形态、土地利用组合和人为活动的不同而强烈变化。在中国，长期城市通量观测的空间分布极不均衡，大多数站点集中在经济发达的城市群（UA）中，包括京津冀地区[[5], [6], [7], [8], [9]]、粤港澳大湾区[[10], [11], [12]]和长三角地区[[13], [14], [15], [16]]。相比之下，长江中游城市群（MRYRUA）在当前城市通量图中基本处于空白。该城市群面积约326,100平方公里，承载约1.25亿人口，GDP达7.90万亿元，贡献了全国经济总量的9.6%。作为中部重要的增长极，MRYRUA对中国碳中和战略至关重要，但长期水、热、碳通量的城市观测仍然缺失。

武汉是MRYRUA的核心城市，也是中部地区主要的大都市中心，是弥补这一缺口的战略选址。2024年8月，我们在武汉建立了首座城市EC塔，对城市地表与大气之间的水、热和碳交换进行连续观测。武汉素有"百湖之城"的美誉，是全球首个常住人口超千万的"国际湿地城市"。地表水体约占全市面积的四分之一，建成区主要围绕湖泊系统发展。该塔位于东湖附近，东湖是世界上最大的城市湖泊之一，位于武汉湖泊镶嵌景观特征下的密集建成环境中。与全球大多数报道的城市EC站点相比——其通量源区内开阔水体有限或不存在——该塔源区包含16.73%的开阔水体（表1）。这种独特的湖城格局为研究嵌入城市基质中的水体如何影响能量分配、蒸散发和碳交换提供了难得的机会。

为阐明这一亚热带湿地特大城市的 thermodynamic 和代谢特征，并为城市气候模型和低低碳规划提供精细化的微气象学洞察，我们分析了武汉首座城市EC塔的首个完整日历年度（2025年）观测数据。具体目标为：(1)刻画净辐射（Q*）、显热（Q_H）、潜热（Q_E）和CO₂通量（F_C）的季相和昼夜动态，特别关注梅雨期等季风相关条件；(2)估算储存热通量（Q_S）和人为热通量（Q_F）以完成城市能量平衡并评估闭合性能；(3)构建堆叠集成机器学习框架，区分昼间和夜间条件下F_C的主导控制因子并量化其相对贡献。本研究为理解快速城市化中的中部地区城市能量平衡、碳源汇特征和区域气候反馈提供了新建立的城市通量塔的基础数据。

章节摘要

研究区域与数据收集

武汉是中国中部最大的都市，属湿润亚热带季风气候（柯本Cfa），素有"百湖之城"之称。水域占全市总面积近四分之一，该城市是全球首个被认定为国际湿地城市的千万级人口特大城市。其许多建成区围绕湖泊布局，在水城界面形成了特征性的湖泊镶嵌景观。我们选取了这样一个湖滨建成区

气象驱动因子的季相和昼夜变化

武汉局地微气象环境从根本上受东亚亚热带季风（柯本Cfa）主导，以四季分明、雨热同期为特征。如图5所示，湿热环境表现出深刻的季相对比。夏季尤为闷热，具有极端高温（T_a接近35°C）和较大的水汽负荷（RH超过70%）。尽管太阳辐射强烈，夏季平均饱和水汽压差（VPD）仍然

梅雨季风事件的影响

武汉的夏季微气候受东亚季风深刻调制。在气候学上，随着西太平洋副热带高压（WPSH）在6月初北抬，遭遇南下的冷空气团，形成持久的热力对峙。这一强烈相互作用并未快速通过，而是形成了一个准静止的梅雨锋，顽固地滞留在长江中下游地区[105,106]。作为东亚特有的

结论

本研究系统考察了武汉能量分配和CO₂收支的季相与昼夜动态，为该代表性亚热带湿地特大城市提供了全面的微气象基准。为解析这一高度异质的人地系统中复杂的地气交换过程，我们将一整年的高频涡动协方差测量数据与大尺度城市能源消耗（LUCY）模型及客观滞后

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Zhangchi Zhou：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理。Jiyun Song：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，指导，资源提供，项目管理，经费获取，概念构思。

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