街道树木的降温作用受建成环境调节：来自移动测量的精细尺度证据

《Sustainable Cities and Society》：Street tree cooling is modulated by the built environment: fine-scale evidence from mobile measurements

　　

摘要
增加城市树冠覆盖率是缓解城市热岛效应的一种被广泛采用的策略，但在实践中常常面临如何设计既紧凑又绿色的城市这一挑战。行道树为将树木直接整合到现有的城市肌理中提供了独特的机遇，只需要一小块可渗透的种植空间即可。然而，许多城市在形态上高度异质，例如建筑高度和地表特征各不相同。这种异质性可以通过改变入射辐射量和局部热交换来影响局部微气候条件。由于树木的降温特性直接受局部微气候影响，城市行道树的降温潜力可能因周边城市形态而异。我们使用一套基于自行车的高频移动测量系统，在加拿大蒙特利尔市中心——一个建筑密集且大部分为不透水地表的区域——收集了精细尺度的空气温度和地表温度数据。通过对行人高度处温度进行分层断面调查分析，我们测量了不同城市微气候条件下白天和夜晚温度的变化。我们的分析表明，在高建筑遮挡区域，行道树使白天空气温度降低的幅度约为开阔区域的三倍，而白天地表温度的降温效果则不受周边建成环境的影响。尽管我们的夜间数据集有限，但结果表明在夜间开阔区域，较高的树冠覆盖率会导致空气温度略有升高。总体而言，这些结果支持行道树作为一种有价值的基于自然的解决方案，即使在高度密集的城市环境中也能有效缓解极端高温。

引言
随着城市的建立，自然植被表面被人造材料取代，以提供建筑、道路等基础设施（Rizwan等人，2008；Wu等人，2025）。由于这些材料比自然材料吸收和保留更多的太阳热量（Gartland，2008），这种转变破坏了地表能量平衡，产生了独特的城市气候（Oke，1982；Rizwan等人，2008；Yan等人，2022）。这一气候的一个显著特征是城市热岛效应，即城市地区明显比周边地区更温暖（Oke，1982；Rizwan等人，2008）。城市热岛效应最早在19世纪早期被记录（Oke，1982；Srivastava等人，2024），此后在全球范围内均被观测到。极端城市高温增加了与热相关的发病率（如中暑和热衰竭）以及死亡率（Ebi等人，2021）。此外，它对心理健康也有显著影响，最近的一项荟萃分析发现，气温升高低至1°C即与情绪障碍、精神分裂症和焦虑症发病率升高相关（J. Liu等人，2021）。随着极端高温事件在频率、范围和持续时间上的增加（Meadows等人，2024），加之城市人口的不断扩张，城市热岛效应对城市生活质量的威胁日益增大。

除了农村地区与城市核心之间的热动力学差异外，城市内部也存在显著的温度差异，即"城市内部热岛"。城市气候的变化可以在"微观"尺度（<100米）上被观测到（Jamei等人，2016；Oke，1976, 1982；Ziter等人，2019）。因此，并非所有城市居民都面临相同的高温风险（Gillerot等人，2024；Norton等人，2015），即使在同一社区内也是如此。这种热负担的不平等分布已在众多城市中被记录，有色人种、脆弱年龄群体和低收入人群面临更高的热风险（Hsu等人，2021）。那些最受高温影响的人群也暴露程度最高，这使得城市高温成为一个重要的环境正义问题。为了更好地使城市适应极端高温，有必要在精细的空间分辨率下研究城市内部热状况，从而能够有针对性、有效地实施降温策略（Ettinger等人，2024；Wu等人，2025）。

植树是缓解城市高温的常用策略。树木通过提供遮荫和蒸散发作用来贡献于微气候降温（Rahman等人，2019；Winbourne等人，2020），大量研究表明了其作为基于自然的解决方案的潜力（Alonzo等人，2025；Bowler等人，2010）。例如，一项覆盖全欧洲的研究发现，如果城市实现30%的树冠覆盖率，大约40%的城市热岛相关死亡是可以预防的（Iungman等人，2023）。事实上，世界许多城市已将30%的树冠覆盖率设定为气候适应目标，包括西班牙巴塞罗那（Trees for Life: Barcelona树木总体规划（2017-2037），2017）、美国西雅图（Floberg等人，2013）、澳大利亚堪培拉（堪培拉活态基础设施计划：城市降温，2019）和加拿大蒙特利尔（Plan ARBRE：行动促进韧性、生物多样性和生态恢复，2024）。虽然全市范围的树冠覆盖率目标并不能确保所有居民都能同等受益，但在决策过程中仔细整合社会生态因素有助于培养公平分布的城市森林。

然而，设计既紧凑又绿色的城市是充满挑战的（McDonald等人，2023）。鉴于有限的城市空间，我们必须了解如何通过每一项绿化干预措施实现最大的降温效果（Liao等人，2025；Wu等人，2025）。行道树为将树木直接整合到现有城市肌理中提供了独特机遇，仅需一小块可渗透的种植空间即可（McDonald等人，2023）。然而，由于行道树被整合到城市肌理中，与生长在较大绿地中的树木相比，行道树周围的不透水地表覆盖率要高出许多（如道路、铺装路面和建筑）。这种高不透水覆盖率有可能影响树木的自然功能和随之而来的降温潜力，具体表现在影响其底层的蒸散发特性和遮荫效果。

局部行道树的降温效果也可能取决于周边建筑的配置，因为建筑配置影响着入射和出射的太阳辐射以及局部空气流通模式。白天，建筑提供遮荫，限制了到达地面的太阳辐射量（Gillerot等人，2024）。夜间，建筑可以阻挡出射的长波辐射，有效地将热量困在城市内（Yan等人，2022）。因此，研究通常发现建筑遮挡更多的区域白天更凉爽而夜间更温暖（Gillerot等人，2024；Morakinyo等人，2017, 2020；Yan等人，2022）。因此，行道树所经历的气温和太阳辐射水平取决于周边建筑的几何形状。事实上，蒸散发速率与空气温度和入射太阳辐射（Ma等人，2025）以及风速（Gartland，2008）均相关。此外，建筑投下的阴影效应有可能与树木的遮荫潜力相辅相成或超过树木的遮荫潜力（X. Li等人，2018；Morakinyo等人，2017）。由于树木降温潜力背后的机制直接与场地条件相关（Pattnaik等人，2024），因此考虑周边城市几何形状和一天中的时间如何影响行道树的降温能力是很重要的。

周边建成基础设施的几何形状对城市温度的影响通常用建筑视角系数（BVF）来描述，它是天空视角系数（SVF）的一种变体（图1）。SVF是一个从0到1变化的无量纲点基指标（Morakinyo等人，2020；Yan等人，2022），描述未被建筑和树木遮挡的可见天空比例。因此，SVF是地面水平人体所经历总辐射的代理指标，并且SVF与建筑遮荫产生量之间发现了重要的相关性（Xu等人，2025）。BVF是一个衍生指标（同样从0到1变化），旨在隔离建筑几何形状单独对城市微气候的影响。因此，低BVF区域的特点是建筑遮挡率高，而高BVF区域的建筑遮挡较少，不受树木有无的影响。

相对较少的研究考虑了建筑对树木降温能力的影响。一些研究采用了ENVI-met（一种三维微气候模拟工具），发现树木降低白天空气温度的效果随BVF变化（这两项研究中标记为"SVF"，但实际计算的是BVF）（Morakinyo等人，2020；Tan等人，2016）。Tan等人（2016）发现，在高BVF情景（0.4-0.8）下空气温度降低最大（1.5°C），而中等和低BVF情景下仅约0.3°C。Morakinyo等人（2020）发现日变化降温因周边城市几何形状而异（0.3°C至1°C），大多数树木形态在最深峡谷（BVF为0.1）中空气温度降温最强。然而，最大热舒适度改善出现在高BVF情景（BVF ≥ 0.54）中，低BVF情景下改善极小。其他研究更广泛地考察了城市街道峡谷中的树木，发现其白天降温效果减弱（Coutts等人，2015；Lee等人，2020；Morakinyo等人，2017）。然而，两项近期的模拟研究发现树木和建筑存在协同降温效果，表明在建筑遮挡区域树木提供的降温效果增强（Gai等人，2025；Son等人，2026）。

虽然城市热岛研究通常关注最高（白天）温度，但近期研究强调了评估不断升高的最低（夜间）温度的重要性（He等人，2022）。高夜间温度限制了我们的身体从白天经历的高温中休息和恢复的能力（Laaidi等人，2012）。虽然气候变化导致夜间温度比白天温度上升更快更猛（Karl等人，1993），但树木对夜间温度的影响仍然不清楚。夜间，树木不提供遮荫且蒸散发速率较低（Meili等人，2021）。此外，树木可能减少局部空气流通并在树冠下困住热量（Meili等人，2021）。这与先前研究发现的降温减少（Morakinyo等人，2020；Rahman等人，2019；Ziter等人，2019）或高树冠覆盖率在夜间有轻微增温效果（Morakinyo等人，2017；Wujeska-Klause & Pfautsch，2020）的结果一致，但尚不清楚这种增温效果如何取决于周边城市形态。Morakinyo等人（2017）的一项模拟研究预测树木会导致夜间增温，但增温幅度不随周边建筑几何形状变化。Morakinyo等人（2020）的第二项模拟研究预测树木对夜间温度应无影响或轻微降温，在低BVF和高BVF下降温效果最大，BVF在0.25到0.31之间降温减弱。总体而言，这些矛盾的结果可能是由于各自研究的基础方法论、空间和时间尺度、模型假设以及基准气候不同所致（Morakinyo等人，2020）。因此，关于树木和建筑提供的降温特性之间的相互作用仍存在知识空白，尤其是在高密度区域（Son等人，2026）。

大多数评估树冠覆盖率降温效果是否随周边城市形态变化的研究采用了数值模拟或固定传感器。虽然数值模拟提供了评估多种情景和制定数据驱动策略的机会，但其验证基于有限的实证数据，使其在真实城市环境中的实际应用受到质疑（Crank等人，2018；Yang等人，2021）。此外，虽然固定传感器可以评估温度动态随时间的变化，但需要大面积网络才能捕捉精细尺度的空间温度变异，而且安装仅限于有结构设施（如路灯杆）的区域。对于需要大量连续空间气象数据的研究，移动测量方法越来越被使用（L. Liu, Lin, Liu等人，2017）。该方法是将小型气象站安装在一个单元上，通常是自行车（Locke等人，2023；Rajkovich & Larsen，2016；Ziter等人，2019）或车辆（Alonzo等人，2021）。在运动中采集数据可以实现高采样密度（Alonzo等人，2025），从而实现高空间分辨率（Romero Rodríguez等人，2023）。

此外，移动监测还可以对汽车无法到达或无法安装本地气象站的区域进行测量（Chàfer等人，2022），例如狭窄的巷道。要充分评估绿色基础设施和灰色基础设施的影响（以及两者之间的相互作用），明确感兴趣的背景环境以及最合适的热指标也非常重要。气温只是影响城市居民感知热环境的众多因素之一（Johansson等人，2014）。感知温度受其他因素的显著影响，如太阳辐射入射和来自不透水表面的辐射热（Johansson等人，2014）。在相同气温下，站在树荫下、地面较凉爽处的人可能比站在阳光下、地面较热处的人感觉更凉爽。地面表面温度（即行人层面的表面温度，与遥感获取的土地表面温度明显不同）因此不仅反映了树木和建筑带来的遮荫效果（减少热量储存及随后的对流释放），还反映了人类在树荫下可能感受到的感知温度变化。气温测量可能会低估树荫对行人热舒适度的影响（Jank?等人，2024；Son等人，2026）。事实上，德国的一项研究发现，地面表面温度比气温更能反映感知温度（Rahman等人，2021）。白天较高的地表温度也会导致夜间气温升高，因为表面冷却时会释放储存的热量（Gartland，2008；Heisler & Brazel，2010）。最后，地面表面温度还反映了表面带来的烫伤风险，其中婴儿、幼儿和老年人面临最高风险，因为他们在跌倒后可能难以重新站起，同时无家可归的人群也可能缺乏足够的防护衣物或庇护所。

我们旨在评估建筑天空视角因子（BVF）对城市行道树降温能力的影响，包括对气温和地面表面温度的影响，以及这些关系在白天和夜间是否存在差异。我们的研究使用安装在自行车上的移动传感器装置，由多只研究级传感器组成。这种设计允许高频采样，从而获得高分辨率、精细尺度的近地表测量数据。它可以克服数值模拟中经验数据局限性，以及固定传感器研究中常见的树冠和BVF梯度覆盖范围有限等挑战。值得注意的是，我们包括气温传感器和地面表面温度传感器，以研究建筑和树木对城市热环境的共同影响。

我们假设行道树的降温幅度会随着BVF的变化而变化，无论白天还是夜间。我们预测，在低BVF区域的树木对白天气温和地面表面温度的影响将小于高BVF区域的树木，因为建筑遮荫减少了太阳辐射入射。我们预测，行道树在夜间要么降温效果减弱，要么产生轻微升温效果，因为行道树会阻挡向外发射的长波辐射，尽管它们的分布密度低于茂密森林树冠。我们还预测，在低BVF区域，降温减弱或轻微升温现象会更明显，因为建筑可能加剧树冠造成的热岛效应。

**方法**

我们使用移动数据采集平台，于2024年夏季在蒙特利尔多个空间分层样带上采集实时气温、地表温度和太阳辐射数据。经过数据处理和清洗后，我们将这些数据与本地环境条件的空间解析估计值（树冠覆盖率、建筑天空视角因子和不透水覆盖率）相结合，使用广义可加模型（GAMs；Wood，2017）估计这些协变量对温度的影响。

**结果**

在用于分析的采样日中，参考气象站测量的日最高气温范围为27.8°C至32.3°C（样带所在当日，若为午夜后开始的夜间样带则为样带前一天）。我们数据集中观测到的最高气温为33°C，最高地面表面温度为58°C。

**讨论**

我们探讨了树冠改善局部城市热环境的能力是否因周边城市形态不同而有所差异。为了量化行人所经历的热环境，我们评估了实地测量的气温和地面表面温度。虽然全市范围的树冠覆盖率目标假设树冠覆盖在各空间单元中具有均匀影响，且许多先前研究报告了树木不论位置如何的平均降温效果，但我们发现降温……

**结论**

通过使用精细尺度的地面实测数据，我们证明在密集建设城市中，行道树可以降低白天气温和地表温度，夜间升温的证据有限。这些发现凸显了精细尺度绿化措施作为自然解决方案在缓解白天极端高温方面的价值，并对人类健康具有重要意义。我们的研究结果强调了考虑周边建成环境以最大化行道树降温效果的重要性。

**资金来源**

Johanna Arnet获得了城市林业项目NSERC-CREATE [543300-20]、魁北克研究与创新基金——自然与技术（FRQNT）[371536]下的优秀学生奖学金项目（PBEEE）、Mitacs加速计划 [IT34710]、娱乐区合作伙伴关系以及UQAM理学院提供的资金。本研究得到了加拿大自然科学和工程研究理事会（NSERC）的支持（RGPIN-2019-07010；RGPIN-2025-05098；ALLRP-571966-2022）。我们……

**未引用参考文献**

Zhang和Gou，2021

**CRediT作者贡献声明**

Johanna Arnet：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。Eric J. Pedersen：论文撰写——审阅与编辑、可视化、形式化分析。Pierre-Alexis Herrault：论文撰写——审阅与编辑、资源。Carly D. Ziter：论文撰写——审阅与编辑、可视化、监督、资源、项目管理、方法论、资金筹措。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的与本文所述工作相关的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

我们感谢Tobi Morakinyo和Olivier Caron对这些想法发展的宝贵意见。我们感谢蒙特利尔市的Simon Gignac提供了LiDAR数据集的访问权限。我们还感谢蒙特利尔的开放数据平台，使我们能够获取地表数据集，以及蒙特利尔都会区的开放数据平台，使我们能够获取树冠覆盖率数据集。我们感谢UQAM气象站的Hadleigh Thompson和Julie Mireille Thériault……

Johanna Arnet | Eric J. Pedersen | Pierre-Alexis Herrault | Carly D. Ziter | Alain Paquette
魁北克大学蒙特利尔分校（UQAM）生物科学系，加拿大蒙特利尔