城市化对摩洛哥能量、碳与水文循环的影响评估——基于SiB2陆面模型的全国尺度模拟

《Sustainability》：Evaluating Urban Impacts on Energy, Carbon, and Hydrological Cycles Across Morocco

　　

城市化是一种普遍的土地利用变化形式，它改变了地表能量、碳和水通量。利用简单生物圈2号（SiB2）陆面模型，研究人员量化了城市土地转化对摩洛哥地表温度（LST）、总初级生产力（GPP）和地表水排放的影响。研究发现，城市对LST的影响表现出强烈的季节性：城市区域在冬季始终比周边农村土地更温暖，而夏季条件可能产生城市热汇效应，农村地表比城市中心温暖达0.4 °C（季节平均值）。研究人员量化了城市化强度与其对LST局部影响之间的关系，表明该关系在一年中大部分时间都很强，但在夏季减弱，此时背景区域气候和地形发挥更大作用。城市化被发现降低了生态系统生产力，最大的城市诱导GPP损失发生在北部城市地区。在符合研究纳入标准（不透水面积≥5%）的气候模拟网格（CMG）单元中，开发了三种反事实的城市化前情景，以量化与城市土地转化相关的GPP损失范围，估计当城市化发生在生产力最高的植被土地覆盖上时，潜在损失可达120 Gg C/年。研究人员还表明，不透水表面系统地增加了地表径流，特别是在北部地中海城市的秋季和冬季，那里较高的降雨可能加剧山洪敏感性。这些结果表明，城市化对摩洛哥的地表能量、水和碳收支产生了可测量且具有政策相关性的影响，强调在未来发展规划中需要考虑这一点。

城市化是替代自然地表为不透水材料的过程，深刻改变地表能量、碳和水通量。摩洛哥位于非洲西北部，气候从北部湿润地中海型过渡到南部超干旱撒哈拉型，地形复杂，但以往研究多关注单一城市或单一要素，缺乏对地表温度（LST，即地表辐射温度）、总初级生产力（GPP，即植被光合作用固定的碳总量）和径流同时受城市化影响的全国尺度评估。因此，本研究利用简单生物圈2号（SiB2）陆面模型，在0.1°×0.1°气候模拟网格（CMG，即模型网格单元）上模拟2010年摩洛哥全域地表过程，量化城市土地转化对LST、GPP和地表径流的影响，并分析背景气候和土地覆盖类型的作用。研究发现，城市化对LST的影响具有强季节性和空间异质性，冬季表现为城市热岛（UHI，即城市温度高于周边农村），夏季在部分地区出现城市热汇（UHS，即城市温度低于周边农村）；城市化总体上降低GPP，损失量取决于被替代土地的生产力；不透水表面系统性地增加地表径流，在北部地中海城市尤为显著。这些结果对摩洛哥的城市规划、水资源管理和气候适应政策具有直接参考价值。

方法上，研究人员采用NASA的SiB2陆面模型，以12类生物物理不同的土地覆盖类型模拟能量、碳和水通量。城市分数基于30 m Landsat观测，其余土地覆盖来自MODIS（MOD12Q1），植被动态参数来自MODIS NDVI（MOD13Q1），气象强迫使用MERRA再分析数据（2010年），模型经5年spin-up后离线运行。所有土地覆盖类型在相同大气强迫下模拟，结果按各CMG内面积分数加权平均。对于GPP损失，研究设置了三种反事实情景：S1按比例将城市分数重新分配到其他土地覆盖；S2分配给月均GPP最高的覆盖；S3分配给最低的覆盖。分析限定于不透水面积（ISA，即不透水表面覆盖率）≥5%的84个CMG，以代表实质性城市化区域。

3.1 城市化对地表温度的影响。通过计算每个CMG中实际LST（所有土地覆盖分数加权平均）与仅植被覆盖的加权平均LST之差，发现冬季所有城市CMG的差值为正（0.0~0.8 °C），即UHI；夏季差值在?0.4~0.4 °C之间，出现UHS。区域上，北部沿海（如拉巴特-塞拉-盖尼特拉、卡萨布兰卡-塞塔特）冬季增温较强，夏季趋于零或负；南部撒哈拉地区全年保持正信号。ISA-LST回归显示冬、春、秋的R²分别为0.86、约0.7、约0.7，夏季总体R²=0.02，但将夏季样本分为正、负两支后，正支R²=0.5，负支R²=0.92，说明UHS在干旱背景和较高ISA的城市中较强，如马拉喀什、丹吉尔等可同时贡献UHI和UHS单元，取决于周边植被水分状态。

3.2 城市化对碳固存和总初级生产力的影响。通过情景分析，S2（假设城市替代生产力最高的覆盖）恢复120 Gg C/年（8.2%），S1恢复51 Gg C/年（3.5%），S3（替代生产力最差的覆盖）则使GPP降低36 Gg C/年（2.4%），表明城市绿色空间的水肥管理可使其生产力超过某些退化自然覆盖。土地覆盖GPP排名显示，Savanna（401.98 gC/m²/年）和草地（385.36 gC/m²/年）最高，城市和建成区最低（9.30 gC/m²/年），约比Savanna低43倍。GPP损失集中在北部植被生产力高的城市。

3.3 城市化对地表径流和降水分配的影响。通过比较城市与周围植被的径流/降水比，城市在所有季节和城市中几乎都录得最高比值。尽管绝对径流比（约2%）低于美国/欧洲高密度城市（可达90%），但北部地中海城市（丹吉尔、得土安、弗尼迪克）在秋季和冬季降水丰沛时，城市径流比显著高于周围森林和草地（如丹吉尔冬季城市2.0% vs 邻近植被<0.2%），增加了山洪暴发脆弱性。内陆城市如非斯、海尼夫拉也显示城市径流比高于农田/灌木数倍。

讨论部分总结：作者指出，热缓解策略应针对当地植被物候和水资源状况定制，在春夏通过保留和灌溉城市绿地可增强冷却对比，但摩洛哥水资源短缺，需采用雨水收集、灰水回用等替代水源。碳损失集中在北部，保护高生产力土地是减少GPP损失的关键。北部地中海城市应优先建设透水铺装、植被缓冲带等以减少径流和洪水风险。未来研究应扩展年份并提高分辨率，以捕捉年际变化和城市内部异质性。

结论翻译：本研究表明，城市化对摩洛哥地表温度、GPP和径流产生可测量且具有政策相关性的影响。热信号从冬季普遍UHI到夏季部分地区UHS呈现季节可逆；碳信号与被替代土地的生产力成正比，在北部植被区损失最大；水文信号虽绝对量小，但机制明确，不透水面积系统性增加径流。即使城市密度不高，地表能量、碳和水分配也会对不透水覆盖的替代产生明显响应。这些发现强调了在城市规划中考虑城市化效应的必要性，并提示可通过保护高生产力土地、优化城市绿地供水、在北方城市加强透水基础设施来缓解负面影响。