成果速递||城市化对城市热岛的影响

本期为大家推荐的内容为论文《The Impact of Urbanization on Urban Heat Island: Predictive Approach Using Google Earth Engine and CA-Markov Modelling (2005–2050) of Tianjin City, China》（使用 Google Earth Engine 和 CA-Markov 模型（2005-2050）对中国天津市的预测方法），发表在 International Journal of Environmental Research and Public Health 期刊上，为了便于为了便于大家学习交流故将其核心内容推送在此平台。

本研究分析了中国天津市的 城市热岛（UHI） 强度与 土地覆盖特征 之间的关系，研究了 土地利用覆盖变化（LUCC） 对绿地和 地表温度（LST） 的影响。通过对2005 - 2020年的空间图像热波段计算LST，发现建成区增加、农业区减少，研究区域平均地表温度上升，植被覆盖增加为负。预计2020 - 2050年地表温度将上升，高温区域呈空中分布，城市化方向决定其路径。研究指出森林和水对缓解城市热岛效应最佳，城市管理者应避免开发裸地。未来研究应关注快速城市化相关的公共卫生问题。

研究发现，随着天津市的城市化进程加速，土地利用覆盖变化（LUCC）显著影响了地表温度（LST）。从2005年至2020年，建成区增加了5.94%，导致温度上升1.5%。到2050年，地表温度预计将增加9.5℃。建成区的LST显著高于其他类型，成为热岛效应的主要来源。水体和植被具有显著的降温效应，其中森林和水体的作用尤为显著，但城市化导致这些区域减少。裸地和低洼地区的LST显著高于水体和植被区域。通过CA-Markov模型预测到2035年和2050年，城市扩展将继续蚕食植被和水体覆盖。预测表明，2050年建成区温度可能超过44℃。研究指出，植被覆盖的增加可以有效缓解城市热岛效应。通过加强城市绿地建设和保护水体，天津市的环境可持续性有望改善。快速城市化可能对公共健康和气候变化带来更多挑战，需进一步研究土地利用变化对健康的具体影响。

图1： 土地利用土地覆盖 (LUCC) 类别地图

研究揭示了城市化进程对地表温度（LST）和城市热岛效应（UHI）的显著影响，为了解如何缓解由城市扩展引起的局地气候变化提供了科学依据。通过分析不同土地利用类型（如建成区、植被、水体）对热岛效应的影响，为制定具有针对性的降温和气候适应策略提供了数据支持。本研究使用Google Earth Engine和CA-Markov模型，通过遥感数据和空间分析技术模拟和预测土地利用变化与地表温度，展示了这些技术在城市环境研究中的强大应用潜力。研究的方法论可推广到其他城市和地区，支持区域可持续发展战略的制定。

刊物信息：

International Journal of Environmental Research and Public Health (IJERPH)专注于环境健康、公共卫生、环境科学、社会科学与健康、城市与工业环境以及多学科交叉研究。中科院SCI分区中其隶属于环境科学与生态学（Environmental Sciences & Ecology）领域Q2区公共卫生与环境健康（Public, Environmental & Occupational Health）领域Q2区。在SCI“环境科学与公共健康”领域，该期刊处于Q2区。最新影响因子（2022年，来自 Journal Citation Reports）4.614；5年影响因子5.063。IJERPH在环境科学和公共健康领域具有较高的学术认可度，尤其在发展中国家和跨学科研究领域，其文章常被引用作为政策和实践的参考。

期刊卷号： 2023.Int.J. Environ. Res. Public Health 2023, 20,2642. https://doi.org/10.3390/ijerph20032642

作者信息：

1 . Nadeem Ullah： 天津大学建筑学院，风景园林，城市气候智能计算
2. Muhammad Amir Siddique： 天津大学建筑学院，风景园林，城市空间与城市形态分析

3. 丁梦月： 天津大学建筑学院，风景园林，城市公共空间与人群行为

4. 薛云（Sara Grigoryan）： 天津大学建筑学院，风景园林，城市公共空间与人群行为、城市院前急救设施规划

5. Irshad Ahmad Khan： 西班牙巴塞罗那08193贝拉泰拉，加泰罗尼亚自治大学（UAB）校园，农业基因组学研究中心（CRAG）CSIC-IRTA-UAB-UB

6. 康志浩： 天津大学建筑学院，风景园林，社交媒体与空间感知

7. 邹尚恩： 天津大学建筑学院，风景园林，风景园林规划设计与理论、城市公共空间、城市数据科学

8. 张天霖： 天津大学建筑学院，风景园林，研究方向为城乡公共空间与人群行为

9. 胡一可*： 天津大学建筑学院，风景园林，教授，风景园林规划与设计、城乡公共空间与人群行为、风景旅游区规划设计

10. 张雅卓*： 天津大学建筑学院，风景园林，副教授， 景观设计及相关研究。

摘要

城市化带来了诸如地表温度上升等不利的环境影响。本研究分析了天津市城市热岛（UHI）强度与土地覆盖特征之间的关系，并研究了 土地利用覆盖变化（LUCC） 对绿地和 地表温度（LST） 的影响。土地覆盖特征分为五类：建成区、农业用地、裸地、森林和水体。通过分析2005年至2020年间的空间影像热带，计算了地表温度（LST）。研究发现，建成区的增加主要是由于农业用地减少了11.90%。研究区域的平均地表温度从23.50℃上升至36.51℃，建成区的温度上升了1.5%，但植被覆盖增加的效果为负。从2020年到2050年，地表温度预计将增加9.5℃。高温区呈现出分布扩展的趋势，其路径由城市化的方向决定。研究表明，通过增加森林和水体可以有效缓解城市热岛效应，而开发裸地可能导致环境恶化。土地覆盖变化引起的地表温度上升表明该区域的城市化进程加快。本研究为天津及其他地区的城市化发展提供了宝贵的信息。此外，未来研究应关注快速城市化所带来的公共健康问题。

关键词： 地表温度、城市热岛、土地利用覆盖变化、城市规划与发展、生态评估、城市系统

1.研究思路

1.1提出研究问题： 城市化对城市热岛（UHI）强度和土地覆盖特征的关系，以及土地利用覆盖变化（LUCC）对绿地和地表温度（LST）的影响。

1.2 构建研究框架： 以天津为研究区域，将土地覆盖特征分为五类，分析2005 - 2050年期间的变化。

图1:研究方法框架

1.3 研究方法选择： 利用美国地质调查局（USGS）提供的卫星图像数据，采用支持向量机（SVM）分类法、皮尔逊相关分析、CA - Markov模型等方法进行分析。

1.4 数据分析： 计算不同时期的LST、分析LUCC变化、进行精度评估、预测未来趋势等。

1.5 得出结论： 建成区增加、植被覆盖增加为负，LST上升，UHI受土地覆盖变化影响，未来需关注城市化相关公共卫生问题等结论。

3. 研究 结论及讨论

3.1 研究结论： 本研究分析了天津LUCC对地表温度（LST）的影响，发现建成区面积增加5.94%使温度升高1.5%，植被覆盖增加10%呈负相关，LUCC对城市热岛（UHI）有冷却和升温的不同影响。城市发展规划应减少气候变化影响，需进一步研究土地利用变化对区域和城市气候的影响，且要考虑多因素间关系。

3.2 研究的创新性： 采用CA - Markov模型和Pearson相关系数评估景观动态对温度的贡献，综合多种数据与分析方法，对天津LUCC与LST关系进行全面分析，且预测了2035和2050年的LUCC和LST情景。

3.3 研究的不足之处： CA - Markov模型在预测LUCC和LST时存在局限，若之前模式不一致则预测不准，不能对栅格数据集提供准确空间预测，输入参数未按标准加权，难以准确预测受人类活动影响的城市化相关因素。

3.4 研究展望： 可进一步研究基础设施压力、快速城市化相关的公共健康问题。深入探究土地利用变化对不同区域气候影响的具体机制，量化分析相关参数，研究如何制定更有效的城市降温策略，以及如何通过环境教育促进生态资源发展。

3.5 研究意义： 本研究有助于理解天津LUCC对LST的影响，为城市景观规划提供指导，展示了不透水和绿色区域间景观连通性对LST的影响，对改善城市规划、应对热应力、发展生态资源具有重要意义。