热岛效应显著增加城市能耗(邸苏闯等，2012)、加剧大气污染的危害(徐祥德，2002)，直接或间接严重影响人体健康和城市经济发展(Wichmann et al., 2012; Deschenes, 2014; Amengual et al., 2014; Gao et al., 2015)。随着城市化进程的加快，城市热岛效应在未来几十年内将持续加剧(Seto et al., 2011)，仍将成为城市主要的环境问题。作为城市绿色基础设施，城市森林是缓解热岛效应的关键因素(白杨等，2013；Tong et al., 2017)。

近年来，城市森林降温效应的相关研究主要集中在降温强度的观测及其与结构的关系等表象的研究(高凯等，2012；Ibrahim et al., 2014；张顺谦等，2013; Morakinyo et al., 2016)。而城市复杂生态系统对降温效应的综合影响的相关研究较少，缺乏对城市森林降温影响因素及作用机制的系统阐述(Chow et al., 2011; Fan et al., 2014; Milosevic et al., 2017)。通过在中国知网、万方数据库、Springer和Science Direct等网站检索国内外相关文献，本文梳理总结城市森林降温效应影响因素及其机制，以期为优化城市森林结构，缓解热岛效应提供参考。

1 城市森林降温效应的内部因素 1.1 单木尺度降温效应及其影响因素

城市树木降温主要通过树冠蒸腾作用实现；此外，树冠具有遮挡作用，通过散射、反射太阳辐射，减少到达地面的辐射热，产生降温效果；植物体本身具有较大的热容量，也是热的不良导体，吸收热辐射并阻隔热传导，发挥降温作用。

单木降温效果受诸多树冠结构因素影响，例如叶量影响树木蒸腾降温效果，叶片特征、叶的排列方式、密集程度等决定树木阻挡热辐射的能力(Rahman et al., 2015)。树冠形状和叶的特征因树种不同而表现各异，因此不同树种阻隔太阳辐射的能力不同，具有高叶面积指数(LAI)和宽大树冠的树木有更强降温效应，例如，豆梨(Pyrus calleryana)树冠大，叶子密集，降温能力可达花楸(Sorbus arnoldiana)的3~4倍(Rahman et al., 2015)。此外树冠形状、透光度等都会对树木周围的热环境产生影响(Abreu-Harbich et al., 2015)。

光合仪测定某树种(或藤本、草本植物)的蒸腾速率，计算日蒸腾总量并换算为降温程度计量某一单木蒸腾降温。植被类型显著影响树木蒸腾降温效应(张艳丽等，2013；郭太君等，2014)。不同类型植被蒸腾降温强度表现为藤本(0.48 ℃)＞乔木[(0.44±0.13) ℃]＞高灌木[(0.36±0.14) ℃]＞矮灌木[(0.31±0.09) ℃]＞草本[(0.24±0.10) ℃]。对各类型植被蒸腾降温强度进行方差分析，由于测得蒸腾速率的藤本只有五叶地锦(Parthenocissus quinquefolia)一种，代表性较差，不做进一步分析，各类型植被蒸腾降温强度差异显著(F=4.889，P=0.005)，其中高大乔木(阔叶)蒸腾降温效应最强，所以城市森林营建中要特别注重阔叶乔木树种的使用。蒸腾降温除受植被类型影响外还与树种密切相关，生长速度快的树种蒸腾降温效果显著强于生长缓慢的树种(Rahman, 2013)。

1.2 林分尺度降温效应及其影响因素

林分具有较大比热容，通过吸收热辐射和阻碍辐射热的传播产生降温效应，蒸腾作用依然是林分降温效应的主要推动力。影响林分降温效应的主要内部因素有林分类型、绿量、林分面积、林分形状和林分冠层结构等。

林分类型决定着林分蒸腾降温效果，南京市近郊麻栎(Quercus acutissima)林7月份蒸腾耗热量154. 97 mJ·m^-2，降温高达3.07 ℃(刘鑫等，2015)。目前研究表明阔叶林蒸腾降温效果强于针叶林，复层林强于单层林(冯悦怡等，2014)，如水曲柳(Fraxinus mandschurica)林降温增湿效果强于樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)林(杨芹芹等，2012)，桉树(Eucalyptus sp.)林显著强于银桦(Grevillea robusta)林和柏木(Cupressus funebris)林(Feyisa et al., 2014)，核桃(Juglans regia)林比辐射松(Pinus radiata)林表现出更低的温度(秦耀民等，2006)。此外，林分蒸腾降温还受绿量(单位面积上绿色植物的总质量或总体积)的影响，绿量越大、蒸腾量越大，转化的辐射热越多，降温效果越强。应天玉(2009)研究了哈尔滨城市森林绿量与地表温度的关系，发现绿量小于2 000 m³时，每增加120 m³温度下降1 ℃；绿量大于2 000 m³时，每增加980 m³温度下降1 ℃。

林分面积大小决定城市森林降温效果的稳定程度，大面积的林分成为发挥稳定降温效应的绿岛，从而缓解城市热岛效应(岳文泽等，2006)。北京市内集中连片的公园绿地降温效果强于分散型绿地，6.1万hm²绿地每年夏季吸热可达4.61×10¹⁵J，平均每hm²每天吸热8.4亿J·hm^-2(张彪等，2012)。Ng等(2012)研究发现城市森林占据城区33%的面积，可降低行人高度处的空气温度1 ℃。基于遥感法的大尺度研究普遍认为，规模大于3 hm²的城市森林能形成以林地为中心的低温区域(高美蓉等，2014)。城市森林面积大于5 hm²时，对地表温度的改善能力大大提高，绿地面积与地表亮温呈对数关系，绿地面积增加10%，地表亮温降低2 ℃(应天玉，2010)。地面观测研究表明，62%的空气温度差异是由林分面积引起的(刘海轩等，2015)。林分面积越大对外部环境的影响也越大，城市森林降温效应对林外环境的影响范围可达到50~300 m(Chang et al., 2014；Feyisa et al., 2014)。

林分形状会对林内通风效果产生显著影响，进而通过影响林分及周围环境间的热对流而对降温效应产生影响。林分形状与城市森林对周围的降温作用相关，形状越复杂越有利于能量交换(Kong et al., 2014;)。大尺度研究认为，周长面积比与城市森林降温强度及其影响范围存在非线性关系(任志彬，2014)。带状公园边缘率高于其他类型公园，对环境温度的影响较大，近圆形的公园对环境温度影响较小(岳文泽，2005；Feyisa et al., 2014)。同时林分垂直结构和林下空间的大小通过影响通风效果也对热交换产生影响(刘海轩等，2015)，乔草结构的城市森林利于冷热气流交换，降温效果较好(肖湘东等，2014)。

不同冠层结构影响冠层阻隔和吸收辐射热的能力以及林分的蒸腾能力和通风效果，对林分的降温效应起决定作用。影响城市森林降温效应的最具代表性的结构指标为LAI(Qin et al., 2014)，林分尺度上，城市森林降温强度与LAI存在线性关系，58.98%的空气温度差异是由LAI引起的(刘海轩等，2015)。

1.3 景观和区域尺度城市森林降温效应

景观或区域尺度上，常用的冠层结构热效应指标有归一化植被指数(NDVI)、叶面积指数(LAI)、景观组成百分比和斑块密度等。

NDVI在大、中尺度上表征单位面积地表被树冠垂直覆盖的面积(韩晶等，2012；姚玉龙等，2013；Kong et al., 2014)。NDVI高、斑块体大的城市森林对热岛有明显的减缓作用(薛晓娟等，2012；贾宝全等，2012；高美蓉等，2014)，可使地表亮温降低0.7~9 ℃(Kong et al., 2014；Feyisa et al., 2014)。NDVI与地表亮温间通常有较好的线性关系(表 1)，NDVI每升高0.1，地表亮温会降低0.44~9.9 ℃。这一线性关系的决定系数变化较大，且很难超过0.70，也就是说，有超过30%的亮温变化不是由NDVI引起。在小尺度上对树冠覆盖度的作用还研究较少(Qin et al., 2014；肖湘东等，2014；闫伟姣等，2014)。

LAI反映了植物叶片的繁茂程度。大尺度上，叶面积指数与地表亮温温差之间存在非线性关系，51%~62%的地表亮温差异是由LAI引起的(Hardin et al., 2007；任志彬，2014)，LAI每增加1个单位，地表温度会降低1.2 ℃。LAI在热环境调节中存在一定的安全阈值，最大效率区间为0.22~1.8(任志彬，2014)。

此外，林分降温效应还受景观格局、空间绿量等诸多因素影响。目前景观格局对城市森林降温效应的作用研究尚处在探索阶段。对热环境影响较大的景观格局指数有景观组成百分比、斑块密度、最大斑块指数、欧氏距离变异系数和分离度等(陈爱莲等，2012)。在城市森林景观格局指数中，斑块密度、斑块景观指数、破碎度与地表温度呈正相关，最大斑块指数、聚集度、链接度与地表温度呈负相关(任志彬，2014)。另外，为了研究城市森林对周围环境的影响，郄光发等(2011)提出绿化空间辐射占有量的概念，绿化空间辐射占有量更能直观反映城市森林降温效应的空间范围。因此，用传统的三维绿量与绿化空间辐射占有量共同解释城市森林降温效应，将更准确全面。但绿化空间辐射占有量与城市森林降温效应间的量化关系还有待进一步研究。

2 城市森林降温效应的外部因素

城市森林降温效应受到区域气候(Alexandri et al., 2008)、下垫面类型、地形、高程(闫伟娇等，2014)、经营措施等诸多外部因素影响。高度城市化导致下垫面严重改变，对城市地表温度产生影响(王芳等，2012；李国栋等，2012；薛晓娟等，2012)。全球气候变化下，极端高温出现频率增高(Seto et al., 2011)，对人体健康产生威胁，改善环境温度迫在眉睫，城市森林的降温作用显得至关重要(黄良美等，2011)，城市森林应对极端高温的能力还有待研究。

2.1 不透水地面

不透水地面增加是城市热岛效应增强的关键因素之一，非渗透性表面蒸散能力低，热容量小，热传导率、热扩散率大，接受太阳辐射后导致周围的大气扩散，致使地表气温相对较高(姚玉龙等，2013)。研究表明，无论冬夏，不透水地面的比例与地温呈明显正相关，不透水地表分布格局和密度大小对城市温度会产生决定性的作用(魏锦宏等，2014；曾胜兰，2014)，不透水地面每增加1%，地表亮温增加0.32 ℃(Connors et al., 2013)。

不透水地面的增温作用会影响城市森林降温强度。研究表明，道路的边缘效应对林缘冠层结构和温度都有显著影响，且不同材质的道路影响程度不同(Delgado et al., 2007；陈明玲等，2013)。还有研究认为不透水地面超过50%的公园将失去降温效应(Chang et al., 2014)。因此，城市中不透水地面和城市森林的比例关系将成为缓解热岛效应的关键问题。

2.2 建筑物密度与高度

建筑对城市森林降温存在促进和抑制两方面的影响。一方面，在高密度建筑区，不利于空气流通，墙和地面在日间反复吸收并反射大量辐射热，夜晚阻止地面长波辐射散发，往往加剧热岛效应(姚玉龙等，2013；彭保发等，2013)。建筑物比例越大，越不利于城市森林降温，因为归一化建筑指数(NDBI)与地表亮温显著正相关(薛晓娟等，2012)；建筑物过于密集或过高都不利于城市森林降温，可由建筑容积率与地表亮温的指数关系证明，一般情况下，地表亮温随容积率的增加而增大(应天玉等，2010)。另外，使用空调也会促进升温，抵消城市森林降温效应。

另一方面，合理的建筑格局能促进城市森林降温(Taleghani et al., 2014)，如来自高建筑物的遮荫作用可加强降温效应(Perini et al., 2014；(Oliveira et al., 2011；Huang et al., 2008)。高密度建筑物间存在狭道效应，可使风速急剧增加而产生强烈的降温效应(余先锋等，2015)。因此，如何合理布局建筑物和城市森林，发挥稳定的降温效应，将是未来的研究重点。

2.3 水体

水体热容量大，升温慢，易形成低温区域(彭保发等，2013)。面状水体对热环境的影响大于线状水体(岳文泽，2005)。水体和城市森林搭配建设，既美化环境又能加强降温效应。但同时考虑美观和降温效应，如何合理搭配水体和城市森林尚无相关研究。

2.4 经营措施

人类对城市森林的营建及管护措施能对城市森林降温效应产生显著影响，例如城市公园中的浇水措施在一定程度上加强降温效应，但如何影响城市森林降温效应还需进一步研究；修枝、疏伐等营林措施，改善林分通风透光效果，可有效促进森林降温(肖湘东等，2014)。北京市于2012—2014年间实施的百万亩造林工程已初见成效，森林降温效益显著提高(贾宝全等，2017)。全国多省市开展的森林城市建设，对街道绿地、城市公园及城市森林公园的林分进行结构优化，可显著增强城市森林的降温效益(刘宏明，2017)。可见，科学的经营和对城市森林结构优化是促进城市森林降温效应的最有效手段。

3 研究展望

目前对城市森林降温效应的研究，不论在大尺度上的数值模拟和遥感试验，还是小尺度上的地面试验，主要局限在城市森林温湿效应现象的阐述，城市森林结构或周围环境与城市森林降温效应的关系研究相对较少。未来对城市森林降温效应的研究，需重点从以下几个方面出发：1)依据生态场理论加强对环境因素与城市森林降温效应关系的研究。2)多领域多学科方法的交叉应用城市森林降温效应涉及森林生态学、景观生态学、气象学、城市规划等多学科，集成各学科的研究方法有助于城市森林降温效应研究领域的突破。3)城市森林降温效应量化模型建立应用数值模拟法量化城市森林降温效应，为城市森林规划和建设提供参考。目前的研究中，应用城市微气象模拟工具ENVI-met从微、小尺度上模拟城市森林降温效应已有初步成效(Taleghani et al., 2014)，但模拟精度受相关参数影响较大，仍需开展大量工作。

4 结论

1) 不论在何种尺度，林分结构始终是城市森林降温效应的决定因素，作用机制是影响能量传输。加强城市森林的经营管理，从促进热量交换的角度优化林分结构，有利于缓解城市热岛效应。

2) 影响城市森林降温效应的外部因素主要有气候、地面类型以及城市空间布局等。其中不透水地面有升温作用，一定程度上抵消城市森林的降温效应；水体能加强城市森林降温效应；建筑物对城市森林降温效果的影响根据材料和空间布局的不同而异。合理搭配绿色、灰色及蓝色基础设施，可促进降温效应最大化，从而缓解热岛。

3) 深化研究城市森林降温效应，需重视温度场理论，深入结合地面观测与遥感解译，研究城市森林和环境之间的能量传输过程，挖掘城市森林降温机理。提出城市森林的合理面积、布局、结构、经营措施等是缓解热岛效应的关键。