城市化对极端高温事件影响研究进展

目前有关城市热岛效应的时空分布特征及其对气温变化趋势的影响已有大量研究,但对于极端高温—热岛效应相互作用、城市化对高温热胁迫及其健康后果的影响等研究还不够深入,在进行未来气候变化预估时也很少考虑城市的影响。在气候变化、中国城市化快速发展和人口老龄化的背景下,这将严重低估城市未来的变暖幅度以及城市极端高温的健康风险。随着近年来气候变暖所导致的高温热浪事件频发,城市化对极端高温事件的影响引起了广泛关注。本文对国内外陆续开展的城市热岛效应影响极端高温及其长期趋势的观测事实、城市极端高温数值模拟、城市高温期间超额死亡率的流行病学研究等方面所取得的成果进行了系统性的总结和评述。大部分观测和数值模拟研究都发现,城市热岛效应加剧了城市极端高温发生的范围和强度,增加了城市居民的高温健康风险,对城市极端高温的长期上升趋势也有重要贡献;流行病学研究表明,城市化引起的热岛效应对极端高温期间的死亡率有着重要影响。最后,对城市化影响极端高温未来的研究方向进行了探讨。     

极端高温胁迫下中国城市脆弱性格局与影响因素

以中国280个城市市辖区为研究对象,从暴露度、敏感性、适应能力3个维度构建城市高温脆弱性评价指标体系,利用气象观测数据、人口普查数据、社会经济统计数据等,量化城市高温脆弱性指数,揭示1990、2000和2010年中国城市高温脆弱性格局,并探讨其影响因素.结果显示:1)在时间维度上,1990-2010年中国城市高温暴露度...     

中国城市高温特征及社会脆弱性评价

极端高温对人类健康与城市社会发展影响显著,如何衡量城市高温特征及其社会后果是地理学人地关系研究的新命题。将社会脆弱性分析工具应用到该命题研究中,以中国296个城市为研究对象,采集各城市日最高气温数据、社会经济统计数据和人口普查数据,建立了高温日数、高温强度、热浪频次、热浪持续时间和热浪强度等表征城市高温特征的量化指标,对1960—2016年中国主要城市高温特征进行了系统分析;基于城市高温社会脆弱性分析框架,从暴露度、敏感性和适应能力3个维度构建中国城市高温社会脆弱性评价指标体系,并开展社会脆弱性评价,划分社会脆弱性等级,分析城市社会脆弱性致脆原因。结果表明：① 中国极端高温和热浪事件的分布主要集中在南方城市,尤其是在华东和华中地区,尽管北方城市高温热浪事件较少,但高温强度较为突出。② 中国城市高温暴露度指数具有明显的空间集聚特征,而各城市的敏感性指数和适应能力指数分布较为分散。③ 中国高社会脆弱性指数城市主要集中在华东和华中大部分地区,以及西南和华北少部分地区;高、中、低社会脆弱性指数城市比例分别为25.3%、46.3%和28.4%。④ 社会敏感致脆型城市数量最多（46.9%）,其次为高温暴露致脆型（44.3%）,适应能力不足致脆型城市数量最少（8.8%）,在高社会脆弱性城市中,暴露度指数贡献度最大,中、低社会脆弱性城市中敏感性指数贡献度最大,适应能力指数对城市高温社会脆弱性的贡献度较小。本研究可在灾害-社会关系研究、城市高温特征的量化表达与高温社会脆弱性评价等方面提供借鉴和启示。     

上海城市热岛与热浪协同作用及其影响因子

在全球变暖的背景下,热浪变得更加频繁。城市地区由于城市热岛效应在热浪事件中承受更大的风险。然而城市热岛与热浪之间的相互作用还少有研究。利用2016-2017年两个夏季（6-8月）上海城、郊气象站逐时气温、风速、相对湿度资料、城区徐家汇和郊区奉贤涡动相关通量观测资料对比分析了热浪和非热浪期间城市热岛强度的差异,并利用一个平流扩散解析模型揭示了城市热岛与热浪相互作用的物理机制。结果表明,热浪期间的城市热岛强度相比非热浪期间明显增强,且白天增强大于夜间,显示出城市热岛与热浪之间的协同效应。热浪期间城、郊相对湿度比值相对非热浪期间明显减小,表明热浪期间城区地表相对郊区变得更干,从而抑制了蒸发作用,加剧了城市热岛强度;平均风速也明显减小,平流降温效应减弱,对城市热岛强度起正反馈效应。热浪期间城区净辐射通量的增加大于郊区,使城区获得更大地表辐射输入;由于城区更少的植被覆盖和更多的不透水下垫面,热浪期间城区潜热通量略有降低,而郊区明显增加;城区感热通量增幅则大于郊区,这种感热和潜热通量分配的改变也加剧了城市热岛强度。本研究对城市如何应对加剧的热风险具有重要的科学指示意义。     

城市空间形态对城市热岛效应的多尺度影响研究进展

随着全球城市化的快速发展和气候变暖及极端高温事件的加剧,城市热岛效应已成为了21世纪影响人类生存发展的重要环境问题。因此,阐明城市热岛强度时空变化特征,揭示多空间尺度下的形成机制是人文地理学和气候学研究的热点和前沿交叉科学问题。从街道峡谷微观尺度、城市街区局部尺度和城市宏观尺度全面总结和系统梳理了城市空间形态对城市热岛效应的多尺度影响和耦合机制,提出了未来通过定量表征城市热岛强度、城市空间形态的空间格局、时间演化特征及规律,构建空间关系分析模型,进而揭示城市空间形态在不同时空尺度对城市热岛强度的作用机制,为城市规划、宜居城市建设以及气候变化的响应与适应研究提供理论指导。     

地表城市热岛效应的概念内涵与定量刻画

明晰城市热岛（UHI）效应相关概念内涵、厘清其定量刻画方法是有效开展UHI效应研究的重要基础。全球城市化进程使UHI效应越发普遍,相关研究数量迅速增长并出现了UHI效应的多样认知,尤其对具有空间异质性表征优势的地表城市热岛（SUHI）效应开发了多样的定量刻画方法,但目前尚缺乏对其定量刻画方法的系统梳理。因此,本文对城市热岛、城市热岛效应、地表温度和城市热环境等易混淆概念进行了辨析,总结了各类UHI典型空间位置和尺度范围。在SUHI效应定量刻画中,将SUHI范围识别方法归结为城乡温度阈值、温度等级阈值、高斯拟合参数、温度衰减突变四大类,指出当前SUHI范围识别研究侧重于对SUHI影响规模的认知。研究同时对各类范围识别方法所对应的SUHI强度表征指标进行了梳理,认为理解指标本质内涵是掌握指标间潜在差异的前提。未来研究应整合多维度数据以突破单一SUHI监测途径,发展大尺度SUHI定量刻画方法以拓展定量研究的广度,认知连通化SUHI空间形态以挖掘范围识别研究的深度。     

Influence of urban expansion on the urban heat island effect in Shanghai

The urban heat island (UHI) effect resulting from rapid urbanization is attracting increasing attention among the global scientific community. This research analyzed the relationship between urban expansion and the UHI effect utilizing an integrated approach, including urban land interpretation and retrieving land surface temperature based on remote sensing, and spatial overlay analysis for revealing the relationship for different time periods between 1984 and 2014 in Shanghai, China. The results show that (1) the spatiotemporal changes in UHI are consistent with the expansion of urban land, and rapid urban expansion leads to an expansion of the UHI, in particular along roadways. (2) The mode of urban expansion is an important factor influencing the UHI effect. Urban sprawl (urban expansion in the edge-expansion way) is a form of typical expansion that leads to the rapid increase in the UHI. When the urban compactness ratio is less than 0.15, a compact design can effectively control the expansion rate of the UHI and mitigate its range of influence and intensity. However, when the urban compactness ratio is greater than 0.15, the urban design has a marked influence on the UHI ratio index: a more compact form produces a stronger UHI effect. So, finding an equilibrium between urban compactness ratio and urban expansion rate is good for effective urban management and planning.     

A historical review and assessment of urban heat island research in Singapore

This historical review of 20 studies since the 1960s examines the influence of urban development on the thermal environment in Singapore, a fast growing tropical island city‐state. Past observations are critically assessed with regard to experimental controls and station metadata. Given the availability of historical climate and developmental data spanning almost 50 years, changes in urban heat island (UHI) intensity and spatial coverage can be traced temporally. Rapid urban expansion in Singapore is clearly reflected in spatially and temporally changing air and surface temperature patterns. The nocturnal canopy‐layer UHI intensity – measured as the difference between the commercial urban core and undeveloped areas close to primary or secondary rainforests for example – doubled in magnitude between 1965 and 2004. At the same time, the spatial extent of the nocturnal UHI has also expanded with the development of new housing and industrial districts. The influence of the growing city is also reflected in surface temperature. Two satellite images dated 13 years apart demonstrate the encroachment of areas with high surface temperatures into previously cooler areas during daytime corresponding with new public housing estates and low‐rise residential areas or facilities being built. The results from our study contribute to the growing body of tropical heat island research. They provide baseline data for future research and urban development in the Singapore context and, more generally, offer important cues for urban planners to make tropical cities more sustainable.     

山地高密度城市热岛效应的多约束因子格局分析与定量探测——重庆都市区案例研究

城市热岛受城市地表多因素影响,山地城市的情况则更为复杂。本文以典型山地城市重庆为例,基于Landsat8 OLI/TIRS影像、高精度矢量建筑等多源空间数据,采用城市地温反演、归一化植被指数、天空开阔度建模等方法,重点针对城市建成区,通过地理探测器分析各因子对城市热岛效应的约束力。研究表明：① 在都市区全域,城市热场空间异质性显著,植被覆盖、城市表面高程和天空开阔度因子具有全局性约束力表现,建筑密度、容积率和路网距离具有局部约束力表现。② 在城市建成区内部,对城市热岛效应约束性排前三位因子分别为：植被覆盖（q=0.782）、城市表面高程（q=0.499）、建筑密度（q=0.496）;局部约束因子建筑密度、容积率和道路距离的约束力均较强,但三者差异小;天空开阔度对城市热岛的全局性影响相对较小（q<0.1）。③ 在城市建成区内部,各约束因子对城市热岛具有叠加约束效应,叠加解释度q（X_i∩X_j）均强于独立解释度,叠加q值介于0.50~0.82之间。     

济南市城市热岛效应的时空分布特征

论文应用区域自动气象站2007～2008年逐时气温观测资料,分析了济南城市热岛的时空分布特征,结果表明,无论春、夏、秋、冬,济南的城市热岛在空间分布上均以泉城广场、市政府为中心呈环状放射发展。热岛强度以冬季最强,秋、春季次之,夏季最弱。对城市热岛进行小波分析发现,济南冬季和夏季城市热岛的主要振荡周期是以准24h为代表的日变化和准270h所代表的旬变化为主。夏季日变化不如冬季明显,夏季旬变化略强于冬季。济南城市热岛以日为周期呈规律性变化,城市热岛强度表现为夜间强,白天弱。     

Area-level risk factors for heat-related illness in rural and urban locations across North Carolina,USA

An improved understanding of heat vulnerable populations and locations is needed, especially in rural communities. The objective of this study was to identify area-level risk factors for heat-related illness (HRI) at the ZIP code level for urban and rural locations. We aggregated ZIP code-level emergency department visits into rural and urban locations based on population density. Area-level risk factors included previously established heat health risk factors (e.g. poverty, minority) and unexamined area-level risk factors common to rural locations (e.g. mobile homes, agriculture). Due to high spatial autocorrelation, a spatial error regression model was applied to identify risk factors with a significant relationship with HRI. Our results suggest that rural locations are also heat vulnerable, with greater rates of HRI compared to urban locations. Previously unexamined heat-health risk factors, including the number of mobile homes, non-citizens, and the labor-intensity of the agriculture, were all associated with increases of HRI in rural locations. In urban locations, previously established risk factors for heat-related mortality, such as decreased vegetation, living in poverty, and low education attainment were associated with increases in HRI.     

高温影响下西安市人口脆弱性评估及其空间分异

高温给城市人口健康和社会发展带来的脆弱性后果愈发严重,如何科学量化与评估城市高温人口脆弱性,为制定更具针对性的高温适应对策提供科学依据成为当前国际研究热点。在城市高温人口脆弱性分析框架基础上,以西安市为例,整合遥感影像、手机信令、POI、社会经济等多源数据,从高温暴露、敏感性、适应能力3个维度构建高温影响下人口脆弱性评估指标体系和脆弱性测度模型,揭示高温人口脆弱性等级分布特征和空间异质性,识别人口脆弱性空间地域及其致脆因子类型。结果表明：① 西安市高温暴露、敏感性和适应能力都表现出显著的空间集聚特征,且总体上均呈现出“中心-边缘”结构,即城市中心地区形成“高暴露、高敏感、高适应”,城市边缘表现为“低暴露、低敏感、低适应”。② 西安市人口脆弱性以低值和较低水平为主,脆弱性也具有显著的空间集聚性,脆弱性较高地区主要集中在城市三环以内,形成断续的“岛状”分布形态,脆弱性低值和较低值地区分布在城市边缘。③ 不同致脆类型的面积占比依次为综合主导型（37.3%）>高温暴露主导型（33.3%）>适应能力不足主导型（23.6%）>人口敏感主导型（5.8%）;高温暴露主导型广泛分布在城市中心、北部和西部等地,人口敏感主导型相对集中在城市中心偏南地区,适应能力不足主导型主要分布在城市边缘,综合主导型主要集中在城市南部,北部也有大量分散式分布。本研究可在城市高温人口脆弱性评估方法,城市高温人口脆弱性的减缓与治理等方面提供借鉴和启示。     

Predicting air temperature simultaneously for multiple locations in an urban environment: A bottom up approach

Cities are characterized by high heterogeneity that results in varied microclimate effects. The current study introduces a new bottom–up approach linking the urban Canyon Air Temperature (CAT) model with spatially distributed inputs extracted from a GIS data-base and remote sensing products to predict intra-urban temperature variability simultaneously for multiple locations in an urban environment. To provide proof of concept, the model was applied for the city of Bat-Yam, Israel. Simulation shows a maximum nighttime urban heat island (UHI) intensity of 2–2.25 °C, relative to a rural reference point, during both summer and winter, with significant spatial variability related to the height-to-width ratio of urban street canyons and to the surface land cover. The CAT simulation also highlighted the important influence of the local wind regime on the development and persistence of the nocturnal UHI. We conclude that linking CAT to a GIS data-base supports simulations at the city scale that reflect the local intra-urban variability. The model can be used to investigate both macro and micro scale spatio-temporal characteristics of the UHI in various urban development scenarios, which may be applied to generate appropriate geographically-explicit mitigation and adaptation measures.     

Policy-relevant indicators for mapping the vulnerability of urban populations to extreme heat events: A case study of Philadelphia

The recent global increase in extreme heat events linked to climate change is projected to continue. The additive effect of urban heat islands from impervious surfaces and urban heat emissions (e.g., from transportation and building cooling) exacerbates extreme heat events in urban areas, exposing dense populations to extreme heat with implications for human health. Ground- and satellite-based data on urban and suburban temperatures and vegetation over a historical period can help identify temporal and geospatial trends in heat exposure. A set of indicators has been developed to map the exposure, social sensitivity, and vulnerability of urban populations to heat wave health impacts. Guided by an Advisory Group of local planners in the pilot city of Philadelphia, localized trends of increasing urban extreme heat events using MODIS Land Surface Temperature (LST) data, confirmed with urban and non-urban temperature monitor data were identified. For the Philadelphia study area, the number of heat-event days in the urban setting has increased from approximately 4 days in 1980 to almost 12 days in 2013, while the non-urban setting has consistently experienced 5 days of heat events per year across the time period. Warmer micro-climates with limited vegetative cooling and elevated LSTs were also identified. The exposure indicator was combined with areas of high social sensitivity (e.g., low-income and elderly) to create a vulnerability indicator, showing significant overlap between highly exposed and highly sensitive populations. As a measure of the adaptive capacity of local governments to reduce the urban heat island, evidence of targeted vegetation increases or reduced localized temperatures linked to urban greening and cooling programs were sought, though none were of a scale to be identified by the 1 km satellite data utilized. The indicators have helped local decision makers to understand patterns of vulnerability, and may be used in the future to target adaptation actions and measure results (LST reduction or vegetation increase) from existing adaptation actions.     

厦门市热岛强度与相关地表因素的空间关系研究

以厦门市为例,基于遥感影像与建筑普查数据,分析了各局部气候区中相关地表因素与热岛强度之间的空间响应规律,以及厦门市各局部气候区中热岛强度与相关地表因素的空间关系。结果表明：研究区热岛强度有显著的空间自相关性,高值区集中于东南部的建设用地及耕地和裸地,低值区聚集于湖泊、河流等水体、湿地以及北部、西北部的林地;普通回归模型不能有效解释空间中相关地表因素与热岛强度之间的关系;空间误差模型的拟合效果优于空间滞后模型,可以更准确分析地表因素与热岛强度之间的空间关系;各局部气候区中可以作为回归模型自变量的地表因素有所不同。作为回归模型的自变量时,植被指数、水体指数、天空视域因子与热岛强度呈负相关关系,建筑密度、不透水面比例与热岛强度呈正相关关系,而建筑体积密度、建筑平均高度、建筑高度差与热岛强度的相关性在各气候区中并不一致。根据研究结论建议保护“补偿区”、分隔“作用区”,综合考虑规划实施策略的可行性,以有效缓解热岛效应。     

中国城市群热岛效应时空演变及其影响因素分析

基于长期不透水面和MODIS地表温度数据,分析2000—2015年中国城市群扩张及热岛效应时空演变,进而综合采用冗余分析(RDA)、线性回归分析和变异分配分析(VPA)等方法,揭示城市群城市热岛效应的驱动机制。结果表明：城市群内建成区面积快速扩张,不透水面比例从2000年2.08%增长到2015年5.33%,且主要集中于珠江三角洲等沿海城市群;2000—2015年,夏季热岛分布较广,且白天强度高于夜晚。东部以及大部分北部城市群如哈长城市群等,降温强度较大,但其夜晚热岛效应在不同程度增强。冬季夜晚比白天热岛分布广、强度高,北方、西北、东部等地区夜晚热岛效应也在增强;自然环境因素显著影响城市群热岛强度,降水对夏季夜晚热岛强度起显著负贡献(22%),纬度越高,冬季夜晚热岛强度也越高。人为因素显著影响夜晚热岛分布和城市群内热岛强度的平衡,城市植被覆盖显著减少夜晚城市群内热岛分布,灯光强度对夏季夜晚热岛强度起显著负贡献(24%),对热岛比例起显著正贡献(27%),人口密度对夏季夜晚热岛强度起显著负贡献(31%);自然环境因素对热岛强度的贡献占主导,而人为干扰因素对热岛比例的贡献占主导。     

北京城市空间形态对热岛分布影响研究

在城市尺度上探究城市空间形态布局对城市热岛（UHI）影响研究,对于城市规划中通风环境改善、生态宜居城市建设具有重要意义。以北京为例,利用2009—2018年高密度自动气象站逐小时气温资料和2018年NPP/VIIRS夜光卫星资料,分析了UHI时空分布特征;利用2017年1∶2000基础地理信息和Landsat8卫星资料,开展了北京主城区建筑高度（BH）、建筑密度（BD）、建筑高度标准差（BSD）、容积率（FAR）、迎风截面积指数（FAI）、粗糙度长度（RL）、天空开阔度（SVF）、城市分数维（FD）等8个空间形态参数和植被覆盖度（VC）、不透水盖度（IC）、反照率（AB）等3个陆表参数的提取,并在城市尺度上开展了这些参数与UHI之间空间相关性及对UHI变化影响研究。结果显示：2009—2018年北京主城区年均、四季以及夜晚02时UHI均存在一个较为固定的形态,年均、春、夏、秋、冬、白天14时和夜晚02时UHI分别为1.81 ℃、1.50 ℃、1.43 ℃、2.16 ℃、2.17 ℃、0.48 ℃和2.77 ℃;8个空间形态参数在一年中大部分时段与UHI存在明显空间相关性,这种相关性在冬季强于其他季节,在夜晚02时强于白天14时,排名前三的分别为SVF、FAR和BD。空间形态参数已超越陆表参数成为UHI变化的重要驱动因子,11种参数对UHI变化的单独贡献为13.7%~63.7%,其中夏季、冬季和全年时段贡献最大的空间形态参数分别是BD（43.7%）、SVF（63.7%）和SVF（45.4%）,贡献最大的陆表参数分别是VC（42.6%）、AB（57.1%）和VC（45.3%）;夏季、冬季和全年时段多个参数对UHI变化的综合贡献分别为51.4%、69.1%和55.3%,主导要素分别为BD、SVF和BD。     

亮温与地表温度表征的城市热岛尺度效应对比研究

利用ASTER数据反演亮温和地表温度,并对二者差异进行对比;利用地统计学界定采样的最大尺度范围,并分别将亮温和地表温度影像以原分辨率为基础进行尺度下推分析,在多尺度分割基础上,构建热岛面积百分比、热岛强度两个指标,用于表征城市热岛尺度效应的差异性。结果表明:亮温和地表温度在数量结构、表征地物温度变异程度上存在很大差异;随着像元尺度增加,用亮温和地表温度表征的城市热岛面积百分比存在明显的尺度效应,且前者明显强于后者,但二者表征的城市热岛强度的尺度效应不明显,且后者稍强于前者;二者表征的城市热岛面积百分比和热岛强度均存在明显差异,表明亮温表征城市热岛的欠合理性。鉴于以上不同,在相关研究中应谨慎选取研究尺度和温度类型。     

地理学视角下城市高温热浪脆弱性评估研究进展

全球气候变化及快速城市化增加了极端天气事件的发生频率,高温热浪作为其中的典型效应,增加了与热相关的健康风险,越来越受到气象学、医学与地理学学者的关注。论文系统梳理了高温热浪的定义,从地理学视角,以空间评估作为切入点,总结分析了高温热浪脆弱性评估中的空间指标、空间制图方法与空间对策等方面的研究进展,指明该领域已从单一视角逐步深入到气象学、医学、地理学等复合学科的交叉研究,地理学作为桥梁将气象学与医学有机结合,为脆弱性评估提供空间指标参数、为制图提供思路与方法,并提供空间对策连接规划和风险预警等实践工作。未来的研究展望包括：空间指标综合各学科研究需要、集成各学科优势进行构建,空间制图在社区小尺度到区域大尺度的耦合机理分析基础上探讨跨区域研究表达方式,空间对策针对不同风险人群采取差异化研究,为城市适应气候变化提供科学依据。     

北京地区城市热岛强度长期变化特征及气候学影响机制

选择北京地区为研究区,基于1967~2016年城市站（北京站）和城郊农村站（密云站）的长期气象观测数据,研究平均气温、最高气温、最低气温对应的城市热岛强度长期变化特征及其气候学影响机制。研究发现,过去50 a平均气温和最低气温对应的城市热岛强度显著增加,增温率分别为0.29℃/10a和0.45℃/10a,而最高气温对应的城市热岛强度则没有明显变化趋势;统计分析显示过去50 a北京地区相对湿度、风速和日照时数显著降低以及气温显著上升有利于城市热岛的形成,强化城市热岛强度;未来全球变暖和快速城市化背景下北京地区城市热岛效应将进一步加剧,形成更频繁和持续时间更长的夏季城市高温热浪,严重危及城市居民生产生活和生命健康。