城市区域的阳光照射对人类健康至关重要，但云层覆盖和复杂的三维城市建筑导致的阳光减少常常被忽视。本文提出了一种结合自然日照时间变化、云层覆盖和三维城市结构的框架，用以评估城市中的阳光照射时间。通过将该框架应用于美国的1,353个城市，我们发现2020年可获得的阳光减少了2,896小时（相当于121天），其中云层覆盖导致了2,448小时（102天）的减少，而城市结构则导致了448小时（19天）的损失。随着云层覆盖和城市化趋势的增加，阳光损失很可能会进一步加剧。我们的研究强调了需要跨学科的城市规划策略，以确保人们能够获得充足的自然阳光。
研究背景
阳光是地球上所有生命形式的基本要素，驱动着光合作用和人类健康。植物依赖阳光进行光合作用，形成生物质生产的基础，而物候学中的季节性和周期性生物模式也受光周期信号和温度积累的调控。对人类而言，阳光有助于维生素D的合成，维持骨骼强度和免疫系统功能，同时还促进心理健康的血清素生产。然而，过度的阳光暴露会引发皮肤炎症、免疫系统受损以及皮肤癌等健康问题。世界卫生组织建议通过避免正午阳光和采取防护措施来减少阳光带来的风险。
然而，阳光照射不足已成为重要的公共健康问题，风险甚至与吸烟相当。阳光不足与乳腺癌、心血管疾病、代谢综合症及维生素D缺乏症有关，也会导致心理健康问题如抑郁症和季节性情感障碍。阳光减少的主要原因包括云层覆盖和城市摩天大楼的阻挡。全球观测数据显示，1950年代到1980年代期间，云层覆盖增加导致阳光减少，特别是在紫外线辐射较强的热带地区。城市中的高层建筑显著削弱了阳光的照射，特别是在高密度建筑区域如香港，阳光减少幅度高达90%。这导致城市居民，尤其是儿童和老年人更易出现维生素D缺乏、近视等问题，进而影响人体昼夜节律的调节。为应对这些挑战，各国政府已开始制定建筑法规，以确保城市居民能够获得充足的阳光。
研究工作
然而，现有关于城市阳光的研究大多局限于粗分辨率观测（例如气象卫星）或局部地面测量，云层和城市结构对阳光减少的具体影响尚不明确。在本文中，我们开发了一个概念框架，将自然日照时间、云层覆盖和三维（3D）城市结构整合起来，以模拟城市阳光照射情况。通过将该框架应用于美国1,353个拥有高分辨率光探测和测距（LiDAR）数据的城市，我们绘制了年度日照时长、自然阳光和城市阳光的时空模式，并定量评估了云层覆盖和城市结构对阳光减少的贡献。
研究结果
导致阳光减少的因素
城市环境中的阳光是地理位置（如纬度和经度）、日期、天气状况和城市结构共同作用的结果（图1）。我们估算了2020年美国1,353个城市中，位于城市建筑区域内的年度阳光时数，这些区域包括被建筑物、道路和其他基础设施密集覆盖的人类居住地，通过结合地理编码参考系统（TIGER）城市边界和欧洲空间局（ESA）WorldCover “建筑”土地覆盖层的交集来进行界定（图2）。我们将阳光分为三类：总可能阳光（白昼时长）、没有城市遮挡的实际阳光（自然阳光）以及考虑建筑遮挡效应后城市环境中获得的阳光（城市阳光）。分析结果表明，与常识一致，全球范围内存在显著的纬度和季节性差异。这些城市的平均白昼时长为4,452小时（标准差为±7小时），高纬度城市每年比低纬度城市多出15到40小时的日照（图2a）。
高频静止环境卫星-16（GOES-16）数据突出了天气条件对阳光时数的影响，重新塑造了由于纬度引起的从西南到东北的阳光增加的模式，变为逐渐减少的梯度（图2b，补充图2和图3）。2020年的云层覆盖导致阳光时数减少了55%（2,450小时），大致相当于102天。损失最严重的区域是美国东北部（如缅因州和纽约州）和西北部（如华盛顿州），阳光时数从预计的4,460到4,480小时下降至1,000到1,500小时。城市结构通过其三维形式进一步加剧了阳光时数的减少，阻挡并拦截了阳光（图2c）。尽管其分布模式类似于自然阳光，但穿透城市地区的阳光量有所减少。2020年，城市地区的阳光时数约为1,555小时，相较于未受遮挡的情况下减少了446小时（约19天）。这种减少显示出地理差异，美国东北部和西北部城市的减少较低，而沿海城市的减少则更为显著（图2d）。此外，当将树木等自然景观因素纳入城市区域分析时，阳光时数的空间分布相对一致，但平均阳光时数略微下降至1,504小时，损失延长至497小时（约21天）（补充图4）。
云层和城市结构对阳光损失的具体影响
由于云层覆盖导致的阳光减少范围从20%到60%，其中西南部地区的减少幅度最低，东北部地区的减少幅度最大（补充图5）。寒冷气候（寒冷和极寒）区域的阳光相对减少最大，其次是潮湿地区（热湿、海洋和混合湿润）和干旱地区（热干和混合干燥）（补充图6）。虽然城市结构对阳光时数的影响不如云层覆盖显著，但仍减少了10%到40%的阳光时数（补充图7）。这些减少在城市化区域显示出相似的空间分布。我们观察到，城市的平均建筑高度（代表三维城市结构的指标）与建筑区内阳光时数的减少呈现直接关系（图3；y = 0.011x + 0.156，R² = 0.31，P < 0.05），突显了较高建筑物对阳光可获得性的遮挡效应。
伊利诺伊州芝加哥（87.63°W，41.89°N）中低层建筑群和高层建筑群的3米分辨率每日卫星观测清楚地展示了三维建筑结构通过投射阴影阻挡城市阳光的效果（补充图8）。我们引入了一个新指标，即高度差异分数（即，在特定缓冲距离内，邻近像素高于目标像素的比例，在本研究中为100米），以细化尺度量化三维城市结构的影响。我们将其应用于田纳西州纳什维尔市，通过将这一指标与街道宽度为12米的区域中的阳光减少比例进行比较，揭示了高度差异分数与阳光减少量之间的强正相关关系（补充图9；y = 0.305x + 0.109，R² = 0.88，P < 0.05）。即使在研究不同宽度的街道时，这一关系也得以保持（补充图10），确认了城市结构在减少阳光时数中所起的重要作用。
云层覆盖和城市结构的综合影响导致美国城市每年阳光时数减少了2,896小时，相当于121天的阳光损失。随着城市化进程的推进，更多的摩天大楼和增加的阴影效应预计将使这一损失继续恶化。此外，城市化可能加剧云层的形成，因为城市表面的加热将通过对流抬升湿空气促进水分聚集，并从周围更潮湿的农村地区刺激水分传输。来自Terra MODIS平台的MOD09GA和Aqua MODIS平台的MYD09GA卫星观测数据，以及国际卫星云气候学项目（ISCCP）的H系列像素级网格化（HXG）数据集，证实了云层覆盖总体上升的趋势（图4）。在美国本土地区，除西部地区（如俄勒冈州、加利福尼亚州、内华达州、犹他州、亚利桑那州和新墨西哥州）外，云层覆盖显示出HXG、MOD09GA和MYD09GA的年均增长趋势分别为0.71 × 10⁻³ yr⁻¹、1.59 × 10⁻³ yr⁻¹和1.04 × 10⁻³ yr⁻¹。城市区域的云层覆盖增长趋势相似，但标准差较小。
讨论
快速城市化通过增加高楼数量和高度，改变了居民的阳光暴露模式。现有研究主要集中在云层对自然土地的影响，忽略了城市结构与云层的复杂相互作用，以及城市化对云层模式的影响。为填补这一空白，我们提出了一个框架，区分了云层和三维城市结构对阳光减少的贡献，并应用于美国1,353个城市的研究。结果显示，云层覆盖和城市结构分别导致了相当于102天和19天的阳光减少，且随着云层增加和摩天大楼建设，预计阳光减少趋势将加剧。我们强调需要跨学科合作，确保城市居民公平获取这一自然资源。
研究结果提出了三大政策启示。首先，阳光减少会削弱太阳能利用潜力，阻碍城市清洁能源的转型，尤其是在高楼遮挡邻近建筑时，可能使太阳能利用率下降30%至80%。其次，阳光暴露不足与多种健康问题密切相关，包括维生素D缺乏、近视和心理健康问题，尤其是在快速城市化和云层较多的地区，阳光不足带来的健康风险需要深入研究和量化。此外，社会脆弱性也是关键因素，尤其是对弱势群体的影响。最后，目前少数地区有关于阳光权的法律，阳光获取问题在可持续发展议程中尚未得到充分重视，未来需要通过立法保障居民获得自然阳光的权利。
阳光作为有限的自然资源，应通过系统管理和规划优化利用。城市规划应结合阳光对健康的影响，同时考虑阴影和太阳能潜力的平衡。阴影可以有效应对城市热岛效应，降低城市热负担，但往往被忽视。同时，城市结构对太阳辐射的调节方式复杂，高楼可能阻挡阳光，但倾斜表面会增加辐射捕获。此外，城市三维结构还会影响辐射散射过程，需要进一步研究。
方法
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数据集来源：
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城市结构数据集：TIGER数据库、ESA WorldCover 10米分辨率土地覆盖产品。 -
云层数据集：GOES-16 ABI产品、Terra MODIS（MOD09GA）、Aqua MODIS（MYD09GA）、ISCCP HXG产品。 -
城市结构高程数据：3DEP 2米分辨率数字表面模型（DSM）、PlanetScope 3米分辨率卫星影像、NAIP 1米分辨率数字正射影像。 -
气候数据集：美国能源部建筑美国计划（BAP）气候图、Daymet每日气候数据。 -
研究区域和时间范围：研究覆盖美国1,353个城市，时间跨度为2020年。
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阳光时数建模：
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使用年度阳光时数公式： -
模型分为三种环境设定：总潜在环境（无云无遮挡）、自然环境（有云无遮挡）、城市环境（有云有遮挡）。 -
数据处理：
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使用SVF（天空视野因子）和SCF（阳光覆盖因子）简化阳光时数的计算。 -
GOES-16高频数据用于计算2020年清晰天空天气覆盖率，MODIS和ISCCP数据用于提取云层覆盖长期趋势。 -
贡献分离： 使用公式分别计算云层和城市结构对阳光减少的贡献：
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不确定性分析： 对八个城市进行不确定性分析，探讨简化模型与精确模型之间的差异及季节性不确定性。
编者评述
文章立足于“城市居民的阳光暴露”这一颇具趣味的选题，值得关注。初读题目时，以为研究利用了多年份数据来探讨城市化进程和气候变化下阳光暴露量的趋势变化。然而，深入阅读后发现，研究聚焦于静态年份，通过三种情境（无云无建筑、有云无建筑、有云有建筑）下的阳光暴露量进行探讨。研究巧妙结合了多源数据，论证严谨，得出了云层和城市建筑共同减少了城市居民接触阳光机会的结论。然而，这种阳光减少是否在某种程度上也是居民乐见的呢？毕竟，过多的阳光也可能导致热暴露问题。如何在减少阳光暴露的负面影响与阳光带来的健康益处之间取得平衡，是一个值得进一步思考的问题。