综述：蒸散发在绿色屋顶中的作用：建模方法综述

《Frontiers in Environmental Science》：The role of evapotranspiration in green roofs: a review of modelling approaches

　　

基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NBS）通过恢复绿地空间和自然水文循环，减少径流产生，促进入渗、出渗及蒸散发（evapotranspiration, ET）。ET主导着城市NBS的大部分水文和微气候功能，然而其在现有文献中的测量、建模和报告方式仍不一致。本综述批判性地评估了绿色屋顶（green roofs, GR）中ET的测量与建模方法，同时将其置于更广泛的城市NBS背景之下。这篇结构化叙述性综述综合了1948年至2026年间发表的104项研究，这些研究通过数据库检索和补充性参考文献检索确定，旨在批判性地评估城市NBS中的ET建模方法、观测证据、数据需求及不确定性影响。基于此综述，优先的研究需求包括长期多站点观测数据集、标准化的ET测量协议，以及能够在未来气候条件下支持可靠的NBS设计和性能评估的气候适应性建模框架。

1 引言

许多城市历史上建于洪泛区，利用平坦地形、肥沃土壤及邻近河流获取水源、发展工业和交通。快速城市化以不透水面积扩张、人口增长和工业发展为特征，深刻改变了自然水文循环，用灰色基础设施取代透水植被表面，抑制入渗、消除蒸散发（ET），并加速地表径流的产生。气候变化加剧了这些压力，使暴雨频率和强度增加、干旱期延长、热浪事件增多。因此，城市化和气候变化共同增强了洪水风险、降低了水质，并对城市基础设施和生态系统的韧性构成挑战。

作为应对措施，基于自然的解决方案（NBS）是一种生态创新形式，专门利用自然作为提供气候变化缓解与适应、空气质量改善、生物多样性保护及海岸线防护的手段。在城市肌理中，城市NBS已被认可为可持续的替代方案，其利用或模仿自然过程来恢复被破坏的水文路径。这些系统设计用于通过入渗、临时储存和ET从源头控制雨水，同时提供微气候调节、生物多样性增强、地下水补给和城市热岛减缓等协同效益。城市NBS可分为封闭系统和开放系统。封闭系统（如GR和有衬砌种植池）是水力隔离系统，储水容量有限，随着基质水分耗尽，ET迅速变为水分限制型。而开放NBS（包括生物滞留池BRC和植草沟）与周围土壤保持更强的水力连通性，从而维持较长的水分停留时间和稳定的ET速率。

从水文性能角度看，城市NBS通常通过峰值削减和体积削减指标进行评估。ET是城市NBS中长期水量平衡的主导过程，尤其对于GR而言。为了建模和性能评估目的，ET通常通过三个相关但在概念上不同的框架来表达：潜在蒸散发（PET）、参考蒸散发（ET₀）和实际蒸散发（AET）。

尽管ET在控制储存恢复、土壤水分动态和长期径流缓解方面具有核心作用，但在城市NBS研究中，它仍然是一个代表性不足且经常被过度简化的过程。首先，ET已在农业系统和自然生态系统中得到广泛研究，但这些方法可能无法直接转移至城市NBS。其次，常见做法是直接采用附近气象站的PET或ET₀，忽略了浅层基质深度、有限的土壤储水能力、植被胁迫及改变的微气候条件等关键控制因素。第三，AET是最具物理相关性的量，但其准确估算比PET或ET₀困难得多。此外，城市环境表现出强烈的空间异质性，阴影、建筑几何形状和增加的表面粗糙度都会改变能量平衡分量和空气动力学阻力。而且，ET研究具有地点和系统特异性，直接将这些方法应用于城市NBS会引入额外的不确定性来源。最后，ET对大气水分需求高度敏感，而大气水分需求本身正在气候变化下发生变化。

本文献综述有两个目标：第一，综合当前关于GR中ET过程及其对城市水文性能和微气候调节贡献的证据；第二，批判性评估用于测量和建模ET的方法，识别限制其稳健监测和预测的空白。

2 方法论

本研究采用结构化叙述性综述结合批判性综合的方法。使用Scopus和ScienceDirect进行结构化文献检索，辅以向后引文检索。最终语料库包含104篇参考文献，其中约59%明确聚焦于ET。所选研究按三个主题集群组织：ET建模方法与估算方法、以GR为重点案例的实证证据、以及数据需求、不确定性和气候变化影响。语料库包括31项观测和实地研究、33项建模研究、26篇综述和综合文章、12篇方法论和基础性贡献，以及2本书籍或书籍章节。

3 城市NBS中的蒸散发概述

城市NBS中的ET行为与自然生态系统存在根本差异，原因在于工程化基质、有限的水力连通性和异质的城市微气候。降雨后，ET最初可能接近潜在速率，但随着基质水分下降，AET迅速与大气需求脱钩。大气控制因素包括净辐射、气温、饱和差、风速和相对湿度。城市环境通过城市热岛效应、平流效应和复杂的城市几何形状进一步改变了ET的大气驱动因素。GR常用的耐旱物种（如景天属植物）表现出保守的水分利用行为，工程化基质的持水和ET动态也与自然土壤显著不同。

3.1 ET建模方法

应用于城市NBS的ET模型范围广泛，可分为经验性温度基模型、辐射基模型、组合模型、地表能量平衡与遥感方法、数据驱动方法和直接测量技术。温度基模型主要依据气温估算PET，在城市环境中倾向于高估ET，且无法代表城市表面的异质性。辐射基方法假设ET主要由可用能量控制，固定系数无法解释城市屋顶常见的平流条件。组合模型整合了能量平衡和空气动力学传输过程，具有最合理的物理基础，但其基本假设（均匀风区、标准空气动力学、充分供水的参考表面）在城市NBS中常被违反。机器学习方法从气象、土壤和遥感预测因子中学习经验关系，但在城市NBS中训练数据稀缺，且历史统计关系的平稳性假设存在问题。

3.1.2 城市NBS中AET的建模与测量

城市NBS中AET的估算通常遵循一个分层框架，即以ET₀作为大气蒸发需求的度量，随后调整以考虑植被和基质控制。称重式蒸渗仪可直接从质量变化估算ET，精度高，但受边界效应和高成本限制。涡度相关法和波文比法可整合较大区域，但应用于小型城市NBS时受足迹和源区归因要求约束。水量平衡法将AET作为水输入、输出和储存的余项估算，适用于GR等封闭系统。最广泛使用的操作路线是应用作物系数（K_c）和土壤水分胁迫系数（K_s）来缩放ET₀。在基质异质性和非饱和流需要显式表征的情况下，HYDRUS-1D提供了基于过程的替代方案。遥感方法可从地表温度、气象数据和植被指数估算空间分布的AET，但其精度受空间分辨率、混合像元和卫星重访频率的影响。

3.2 以绿色屋顶为重点的NBS案例研究

GR是多层结构，典型构造包括防水膜、排水层、过滤膜和支持植被的生长基质。基质深度是控制ET可用水量的最具影响力的设计参数之一。GR因其相对简单且封闭的水文行为，成为ET研究中研究最为广泛的NBS类型。

3.2.1 不同气候、植被类型和GR系统设计下的ET行为

GR中的ET行为在不同气候环境、植被组合和系统配置间差异显著。综合多项GR水量平衡研究，ET平均占长期总水输入的61%，中位数为64%，显著高于生物滞留池的37%。GR代表了所有其他解决方案中ET主导程度最高的城市NBS类型。