在城市规模日益扩大的亚热带湿润地区，城市气候到底是变得“更湿更热”还是“更干更热”，一直是国际气象学界有争议的热点问题。近日，南京信息工程大学应用气象学院郝璐教授带领的生态水文气象国际合作团队在针对长三角地区的研究中发现，无论是“城市热岛”效应、“城市干岛”效应，还是“小雨大涝”现象，都与这一区域大范围湿地和森林转为城市用地导致蒸散发变化有关。
“因此，在土地资源有限而城市扩张迅速、面临发展与保护的双重压力下，科学判别和界定城市扩张背后的生态用地底线并给予合理保护，建立科学合理的生态空间，对于城市生态系统健康和可持续发展，避免城市发展过程的盲目性具有重要的意义。”郝璐说。
南京新街口比江宁更干更热，需生态系统“空调机”发挥功能
太阳光和人类活动排放大量热量被城市房屋建筑和空气吸收，从而导致城市中的气温明显高于外围郊区的现象称为“城市热岛”效应。类似地，城市空气水分与湿度比周边乡村地区偏低的现象称为“城市干岛”效应。所以，我们会感觉到南京新街口等市中心地区比江宁等外围地区要“更干更热”。
近20年来，我国南方尤其在长三角地区，由于大范围的稻田湿地转为相对较“干”的城市用地，“城市热岛”效应、“城市干岛”效应以及“小雨大涝”等环境问题呈现出来。作为重要的人工湿地生态系统，稻田土壤含水量高，实际蒸散发接近潜在蒸散发，可以通过蒸散起到降低当地气温、调节湿度的作用，因此被称为大自然的“空调机”。
团队研究发现，当大范围水稻田转为城市用地后，水稻田作为“空调机”的功能大大降低。随着湿地、稻田和森林被城市取代，城市化地区变得更加干燥，出现“热岛干化”现象，也就是说，城市气候变得“更干更热”了。
“城市干岛”加重“城市热岛”
研究人员利用植被覆被的卫星遥感数据、33个地面气象站50多年的气象观测数据，以及城市化和水稻种植面积等统计年鉴数据，分析了2001年至2014年期间城市化与饱和水汽压差（空气湿度）之间的关系。
研究表明，在过去的14年间，水汽压，比湿和相对湿度等空气湿度指标在长三角城市群核心区下降， 而饱和水汽压差（VPD）显著升高，且无法用气温变化解释，即“城市热岛”效应可能并非“城市干岛”效应加强的主要原因。
反过来说，由于近地面空气中水汽减少，VPD增高，加重大气水分需求，形成“城市干岛”效应，进而引起一系列环境效应。“例如流域蒸散发减少，导致加热空气的能量（显热）增加，加上空气变干同样会进一步通过增强显热强度，加重城市热岛效应。”国际上其他研究同时表明，空气变干、变热会带来空气臭氧浓度的变化。
秦淮河流域“消化不良”，与“生物排水”功能降低有关
秦淮河流域四周为丘陵山区（80%），腹部为低洼圩区（20%），四周高中间低，出口地形平坦，下游具有长江潮汐顶托影响，导致整个流域排水不畅，对腹部低洼圩区和下游城市构成洪水威胁。加上流域地处北亚热带南部，受梅雨和台风天气系统影响，降水变率大，既是洪涝多发区，也是旱灾多发区。
“学界普遍认为不透水面、河网变迁等地表结构改变是城市化影响洪涝的主要因素。” 郝璐说，“秦淮河流域土地覆被发生了较大变化，稻田湿地面积减小，不透水面大幅增加，带来了‘小雨大涝’等一系列新型的城市环境问题。”
郝璐团队首次从生态水文学的新角度科学地解释了城市“小雨大涝”的现象。通过对秦淮河流域的研究发现，在过去近30年间，该流域城市面积扩张了3倍，且主要来自于水稻田。水稻田面积在过去的10年间减少27%，这导致秦淮河流域蒸散发减少，总径流水量增加将近60%，洪峰流量、河川基流和地下水位均有增加趋势，使该流域洪涝风险增加。洪涝风险并非来自城市管网的排涝硬件能力，而是水稻田的减少，导致河流蒸散发减少，自主调节能力减弱，最终影响城市的健康生态。团队还发现，城市化进程中常规降水也可能导致极端水文效应，这在蓄满产流占主导的湿润地区更为普遍。
环境治理要系统综合全盘考虑
“目前，从系统综合的角度来解决环境或生态问题已逐渐成为学术和资源管理界的共识。”郝璐表示，流域是自然系统中一个具有明显物理边界线且综合性强的独特地理单元。从这个意义上讲，所有的生态环境问题都落入某一流域。因此，郝璐认为要把流域作为一个完整的系统，从流域的角度管理城市，运用生态水文学理论对流域中的主要过程进行科学管理，通过合理设置流域生态用地，有效提高城市生态服务功能和保障城市生态安全，是一条更有效的系统综合解决城市环境问题的途径。
“目前对于我国在城市土地覆被格局演变的生态环境效应研究和认识不断深入，但将所有生态环境效应综合在一起开展研究不多。”郝璐说，现代城市规划需要从生态水文学角度考虑新型城市环境即“城市五岛”（热岛、干岛、湿岛、雨岛和浑浊岛）效应，以减缓城市化对大气环境带来的负面影响。
在全球变暖、极端天气气候事件增多的大背景下，“在蒸散发相对较高的亚热带湿润地区，土地覆被变化的区域水文气象效应更为敏感。”因此郝璐认为，以调节土地覆被、保护湿地、发挥自然生态系统功能为核心的城市流域管理在稳定城市小气候和减缓洪涝等极端水文变化的作用不容忽视。
本报记者 杨频萍 通讯员 林 雯
