在热带季风环境中，人体热应激对卫星反演植被绿度的跨时间尺度差异响应

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Divergent responses of human thermal stress to satellite-derived vegetation greenness across temporal scales in a tropical monsoon environment

　　

# 摘要

植被绿化被广泛认为具有通过增强蒸散作用降温的潜力，然而，在湿热热带环境中，其对人类热应激的影响仍不确定。本研究通过整合中分辨率成像光谱仪（MODIS）反演的植被归一化差异指数（NDVI）数据与印度南部热带季风区Gadanki站（13.45°N, 79.18°E；海拔约375米）的长期地面气象观测数据，探讨了2010—2025年间卫星反演植被绿度与人类热应激之间的关系。采用Pearson相关分析、Mann-Kendall趋势检验和Sen's slope估计量评估了时间变异性及长期趋势。人类热应激通过三个常用指标进行量化：热指数（HI）、湿球黑球温度（WBGT）和通用热气候指数（UTCI）。结果表明，NDVI显著增加（约6.3 × 10?3 yr?1），表明植被绿化持续增强。NDVI与HI呈负相关（r = ?0.38），与WBGT呈负相关（r = ?0.18），与UTCI呈负相关（r = ?0.40），表明植被绿度增加总体上与热应激减轻相关，尽管不同指标间关联强度有所差异。进一步分析显示，NDVI与气温强负相关（r = ?0.58），与相对湿度正相关（r = 0.73），表明植被绿度增加同时伴随着局地环境的冷却和增湿。因此，气温降低并不总是对应人类热应激的同等降低，因为大气湿度也会加剧热不适。季节性分析表明，植被—热应激关系随水热气候条件变化而不同，但年际关系提供了最稳健的长期关联估计。这些发现表明，植被—热应激关系本质上具有指标依赖性，反映了不同热应激指标对气温、湿度、辐射和风等大气变量的不同敏感性。因此，在评估热带季风环境下基于植被的气候适应策略时，多指标、湿度敏感的评估至关重要。

# 引言

植被绿化，定义为近年来陆地植被活动的普遍增加，已成为气候变化和环境条件演变下陆地表面变化的关键指标。卫星观测，特别是MODIS反演的NDVI，已记录了许多地区（包括热带和季风主导环境）的显著绿化趋势。植被绿化通常与增强的蒸散作用、增加的潜热通量和减少的感热通量相关，从而有助于地表降温（Bonan, 2008; Zeng等, 2017; Forzieri等, 2017）。因此，植被扩展日益被视为缓解暖化气候下热应激的基于自然的解决方案，但其有效性可能取决于局地气候条件和所采用的热指标。

与此同时，全球气温上升和热极端事件频率增加加剧了对人类热应激的担忧，特别是在高湿度为气候特征的热带地区尤为如此（IPCC, 2021; Perkins-Kirkpatrick和Lewis, 2020）。人类热应激不仅受气温控制，还受大气湿度、风速和辐射影响（Epstein和Moran, 2006; Havenith和Fiala, 2016）。因此，已开发出多种热指数来量化热应激，包括热指数（HI）、湿球黑球温度（WBGT）和通用热气候指数（UTCI），每种指数对气象变量的整合方式不同。HI主要反映气温和相对湿度的综合效应，而WBGT还通过黑球温度和湿球温度纳入了辐射和空气动力学影响。UTCI采用热生理学框架，整合气温、湿度、风速和辐射以更全面地表征人体能量平衡（Budd, 2008; Br?de等, 2012; Havenith和Fiala, 2016）。因此，植被引起的温度、湿度、辐射和风环境变化可能对各指标产生不同影响，导致在相同环境条件下推断的植被—热应激关系存在系统性差异。

尽管植被的降温效应已得到充分证实，但植被绿化在多大程度上能转化为人类热应激减轻仍不确定。植被通过增强蒸散作用、改变地表能量分配和冠层效应同时改变多种气象变量，降低气温、增加大气湿度、改变局地辐射平衡，并在较小程度上改变近地表风况（Bonan, 2008; Oke等, 2017）。虽然气温降低通常能缓解热应激，但大气湿度的同时增加可能部分抵消这些降温效益，在湿润环境中尤其如此（Sherwood和Huber, 2010; Zhao等, 2018）。因此，植被绿化可能不会在不同热应激指标间产生统一响应，因为温度、湿度、辐射和风对HI、WBGT和UTCI的贡献方式不同。植被绿化是否一致地缓解人类热应激，还是其响应取决于所采用的热指标，仍有待明确。

这一复杂性在热带季风环境中尤为相关，该环境中植被活动与大气湿度紧密耦合。季风期间植被绿度增加常伴随湿度升高，可能改变植被诱导降温的有效性，并在不同热应激指标间导致不同的响应。近期研究强调需要多指标评估以更好地了解此类环境中的植被—热应激相互作用（Raymond等, 2020; Kong等, 2022）。同样，近期调查显示，植被覆盖可以通过遮荫、蒸散和改变局地微气候显著降低热暴露，尽管这些效应的量级取决于气候条件、植被特征和所采用的热指标（Katavoutas等, 2022; Houmsi等, 2023）。Kyaw等（2023）和Naskar和Pattanaik（2023）进一步强调了在热带和季风影响环境中评估热应激风险时使用湿度敏感热指数的重要性。然而，大多数以往研究主要关注气温或单一热应激指标，对植被绿度、大气湿度与不同热指数公式之间差异的综合影响认识不足。

此外，植被—热应激关系可能随时间尺度而变化。本研究中的时间尺度指植被绿度和人类热应激的月度、季节、年度和长期变化。月度尺度上识别的关系可能与季节、年度或长期尺度上观察到的关系不同，因为植被物候、水热气候条件和大气湿度在全年变化显著。因此，从单一时间尺度得出的结论可能不足以代表长期的植被—气候相互作用。尽管对植被—气候相互作用的关注日益增加，但植被绿度对多种热应激指标在这些时间尺度上的影响仍缺乏充分量化，特别是在整合卫星观测与长期地面观测方面。

近期遥感研究进一步强调了卫星反演植被指标在调查多样景观和时间尺度下植被—气候相互作用、陆表动态、环境质量和热环境变异性方面的价值（Anees等, 2025a,b; Mehmood等, 2025）。这些研究表明长期植被观测在评估生态系统对气候变率和环境变化响应方面的日益增长的工具价值。例如，Ghaderpour等（2025）使用长期MODIS土地覆盖数据集结合Mann–Kendall趋势分析，量化了土地覆盖和火灾发生的时空变化，突出了卫星反演指标在探测长期环境变化方面的价值。类似地，Ghaderpour等（2023）通过对NDVI与气候变量之间的相干性和相位延迟分析，识别了时间滞后和耦合的植被—气候响应，表明植被动态并不总是与大气驱动同步。Anees等（2025a）使用多光谱影像和环境预测因子分析了植被覆盖的时空动态，突出了气候控制对植被变率和长期植被动态的重要性。在相关研究中，Anees等（2025b）展示了植被在调节热环境条件中的作用，强调了植被指标在气候和环境评估中的广泛相关性。此外，Sousa和Small（2019）使用MODIS观测表征了季风云量与植被物候的耦合动态，揭示了季节性大气变率与植被生长周期之间的强关联。这些研究共同强调了整合卫星反演植被指标与气候和环境变量的重要性，以更好地理解生态系统对气候变率的环境变化响应。

尽管植被绿化被广泛认为会影响地表能量平衡，但其对人类热应激的影响仍不确定，因为不同热指标对温度、湿度、辐射和风变化的响应方式不同。据我们所知，尚无先前的研究在热带季风环境中综合考察植被绿化在HI、WBGT和UTCI上是否产生一致响应，并同时评估这些关系在月度、季节、年度和长期时间尺度上的差异。为弥补这些知识空白，本研究将MODIS反演NDVI与长期地面气象观测相结合，探讨植被绿度如何影响不同热应激指标（HI、WBGT和UTCI）以及这些关系在不同时间尺度上的变化。本研究的主要目标为：

(i) 量化卫星反演植被绿度与不同热应激指标之间的关系；

(ii) 考察这些关系在月度、季节、年度和长期时间尺度上的变化；以及

(iii) 评估大气湿度在调节植被—热应激相互作用中的作用。

通过提供多指标、多尺度的评估，本研究为热带季风环境中植被塑造人类热应激的复杂且情境依赖性作用提供了新的见解。

# 研究区域与背景条件

本研究获取了印度南部国家大气研究实验室（NARL）Gadanki站（13.45°N, 79.18°E；海拔约375米）近二十年（2010—2025）的连续地面气象观测数据（图1）。该站点位于安得拉邦奇托尔区，地处乡村热带环境，受城市直接影响极小。如图1所示，研究区域地形复杂，由起伏的平原与间歇性的……

# 数据来源

卫星反演植被绿度使用MODIS植被指数产品（MOD13A3, Collection 6.1）在2010—2025年期间的数据表征。该产品提供经大气校正的月度NDVI观测，空间分辨率为1 km。月度NDVI值通过提取Gadanki天文台周围感兴趣区域（AOI; 13–14°N, 78.5–79.5°E）内的所有有效MODIS像元获得。AOI内约有14,000个有效像元，其……

# 不同时间尺度下热指数的变异性

气温和热指数的日变化及季节变异性见图3。所有变量均呈现显著的日变化周期，特征为日出后数值增加，在上午晚些时候至午后早些时候达到峰值，随后在傍晚逐渐下降（图3a–d）。日变化周期幅度在季风前最为显著，这与较强的辐射强迫和增强的边界层发展一致。

季节上，最高的……

# 植被绿化、降温效应与大气湿度影响

植被绿化通常通过增强蒸散作用降低地表和近地表气温，增加潜热通量并减少感热通量（Zeng等, 2020）。NDVI与HI之间观察到的负相关关系（r = ?0.38）与此机制一致，表明植被增加在典型条件下有助于降低平均热应激。

然而，蒸散作用也会增加大气……

# 结论

在Gadanki站，植被绿度与人类热应激减轻相关，尽管这种关系的量级取决于所采用的热应激指标，突出了大气湿度和指标公式在塑造热带季风环境中植被—热应激关系中的重要性。在研究期间（2010—2025年），MODIS反演NDVI呈现显著上升趋势（约6.3 × 10?3 yr?1），表明植被绿化持续增强。

# 未引用参考文献

Anees等, 2025; Gogoi等, 2025; Satheesh Kumar等, 2015; Satheesh Kumar和Rao, 2021; Sousa等, 2019; Zhang等, 2021; Zhao等, 2015。

# 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。

# 数据可用性

本研究使用的地面气象观测数据可通过印度空间局国家大气研究实验室（NARL）在合理请求下获取（https://www.narl.gov.in）。MODIS植被指数（MOD13A3 Version 6.1）和土地利用/土地覆盖（MCD12Q1 Version 6.1）产品可通过NASA Earthdata（https://earthdata.nasa.gov）、LP DAAC（https://lpdaac.usgs.gov）和AppEEARS应用程序公开获取。MATLAB脚本……

# 资助声明

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

# 利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。

# 致谢

作者感谢印度空间局国家大气研究实验室（NARL）提供本研究使用的长期地面气象观测数据。衷心感谢NARL观测设施的持续支持以及全体技术人员的敬业精神。

作者还向 NARL 云和对流系统组主任 T. Narayana Rao 博士表示诚挚的感谢，感谢他的鼓励和支持。
萨提什·库马尔·谢卡塔姆 国家大气研究实验室，印度加丹基，517 112