全球南方城市”褐化”加剧热应激：高分辨率评估与干预策略
作者及发表信息
本研究由Huilin Du（南京大学）、Wenfeng Zhan（南京大学/江苏地理信息资源开发与利用协同创新中心/南京大学关键地球物质循环前沿科学中心）领衔，联合来自中国、美国、新加坡等13个机构的21位学者共同完成，于2025年2月发表于《Nature Cities》第2卷（页码157-169），DOI: 10.1038/s44284-024-00184-9。
学术背景
研究领域：城市气候学与可持续发展科学交叉研究。
科学问题：全球南方（Global South）城市面临双重压力——气候变暖加剧与植被持续流失（urban browning，城市褐化），但现有研究存在三大局限：(1) 依赖卫星地表温度（LST）或气象站气温（SAT）数据，忽略湿度对热应激（heat stress）的影响；(2) 植被损失对热应激的净效应尚未量化；(3) 缺乏结合社会经济因素的优先干预城市识别框架。
研究目标：构建首套1公里分辨率热指数（HI, Heat Index）数据集，量化2003-2020年全球南方2,300余城市的热应激趋势，解析植被褐化的贡献，并提出针对性治理策略。
研究流程与方法
1. 数据准备与处理
- 研究对象：筛选2,341个城市（面积>10 km²），按人口密度分为小型（<630人/km²）、中型、大型和超大城市（>4,430人/km²），并依据人均GDP分为低收入（LIC）至高收入（HIC）四组。
- 数据来源：整合多源数据：(a) 地面气象站（HADISD）温湿度数据；(b) MODIS卫星的LST、增强植被指数（EVI, Enhanced Vegetation Index）、反照率；© ERA5-Land再分析数据；(d) 人口、GDP等社会经济数据。
- 创新方法：开发时空随机森林模型（RF），融合13个环境变量（如经纬度、海拔、LST、EVI、人口密度等），生成1公里分辨率夏季HI数据集（日间/夜间）。模型通过交叉验证显示极高精度（HI绝对值的R=0.98，趋势的R=0.82）。
2. 热应激趋势量化
- 核心指标：计算城市核心区与过渡区的HI十年趋势（khi），对比LST与SAT的变暖速率差异。
- 归因分析：采用时空替代法分解背景气候变化（BCC）、城市化（URB）和植被变化（UGC）的贡献，重点计算褐化导致的HI增幅（βhi）。
3. 优先干预城市识别
建立四象限评估框架，综合三项指标：
- 物理维度：植被流失速率（kEVI）与βhi的非线性关系；
- 生理维度：基线HI水平与βhi的协同效应；
- 社会经济维度：GDP增长与βhi的脱钩现象。
主要结果
1. 热应激加速与南北差异
- 全球南方城市夏季HI平均增速为0.41±0.01°C/十年（日间0.43°C，夜间0.39°C），显著高于SAT趋势（0.31°C/十年），但低于LST（0.80°C/十年），凸显湿度调节作用。
- 地理异质性：东亚城市日间khi最高（0.57°C/十年），西非夜间khi最低（0.08°C/十年）；沙特阿拉伯（1.10°C/十年）和埃及（0.97°C/十年）夜间升温最快。
- 经济关联：高收入城市khi达0.48°C/十年，是低收入城市（0.23°C/十年）的2倍，反映经济发展初期植被损失更剧烈。
2. 褐化的加热效应
- 全球南方城市普遍经历褐化（EVI下降5-9%），平均βhi为0.022°C/十年，显著高于北方城市绿化带来的冷却效应（-0.007°C/十年）。
- 热点区域：尼日利亚、博茨瓦纳等国的βhi超0.05°C/十年，而中国因绿化政策呈现降温趋势（图3）。
- 机制解析：植被损失通过减少蒸散发（蒸发冷却效应下降）主导增温，其影响超过湿度降低的缓解作用（补充图10）。
3. 干预优先级评估
- 高风险城市：马来西亚、越南等基线HI>33.6°C且βhi>0.03°C/十年的城市，微小HI上升即可显著增加极端热浪天数；
- 经济困境城市：科特迪瓦、加纳等GDP增长<59%但βhi高的城市，缺乏资源应对热风险；
- 成功案例：中国和印度通过”国家森林城市”等政策，在经济高速增长下维持低βhi（图4）。
结论与价值
科学意义：
1. 首次量化湿度对城市热应激趋势的调节作用，揭示LST/SAT可能高估实际人体感受的变暖；
2. 提出”植被冷却效率”概念，解释相同褐化程度下不同城市的βhi差异；
3. 建立结合物理-生理-社会经济的多维评估框架，为全球南方城市提供精准治理工具。
应用价值：
- 政策建议：经济弱势城市可推广低成本绿化（如社区园艺），富裕城市应加强绿色基础设施法规；
- 南北知识转移：中国”海绵城市”、印度”城市绿化指南”等经验可为非洲国家提供参考。
研究亮点
1. 方法创新：开发首个1公里分辨率HI数据集，解决全球南方城市观测数据稀缺难题；
2. 发现颠覆性：揭示褐化对热应激的净增温效应，挑战”植被损失必然通过减湿缓解热应激”的传统认知；
3. 跨学科融合：将城市气候学与可持续发展目标（SDG11）结合，提出”经济-生态-热安全”协同路径。
其他价值
研究指出卫星LST和气象站SAT在热应激评估中的局限性，呼吁发展包含辐射、风速的多参数指标体系（如UTCI）。数据与代码已开源（GitHub），支持后续研究。