Sustain Cites Soc.|量化城市热岛的形态演变并评估其在大都市中的热暴露

量化城市热岛的形态演变并评估其在大都市中的热暴露

许多大都市经历了快速的城市化进程，带来了下垫面和景观格局的巨大变化。森林、湖泊、农田和湿地等大片蓝绿色空间转变为不透水表面，改变了地表附近的大气结构和城市土地的热特性。地表和大气之间的能量交换平衡被破坏，导致了城市热岛效应（UHI），即城市地区几乎比周围环境更温暖的现象。

根据地表、地下和空气中不同的升温和降温速率，UHI大致可分为4种类型，即冠层UHI、边界层UHI、地表UHI和地下UHI。这些UHI对应于不同的尺度，由不同的过程引起，并产生各种现象，因此通过不同的方法进行测量。其中，遥感数据反演方法能够从遥感影像中提取地表温度（LST）来识别地表UHI。近年来，由于遥感数据的可访问性、分辨率更高、操作更方便，UHI对整个城市、城市群、省或国家，甚至整个世界可以以非常低的成本进行长时间的序列。因此我们在本文中选择它来研究地表UHI。

研究数据： 本文使用的数据主要包括LST数据和人口数据。LST 数据源自 MYD11A2 Version 6 产品，该产品可以提供平均 8 天的 LST 分布信息，（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/ ）。本研究中使用的人口数据包括 LandScan 全球人口分布数据和人口普查数据。LandScan Global 数据最初由橡树岭国家实验室开发（ https://landscan.ornl.gov/ ），代表 24 小时平均空间环境人口分布，非常适合对环境因素或危害暴露的评估研究。

研究方法：

（1）利用ArcGIS 10.2和MODIS重投影工具（MRT）对LST数据进行预处理，包括联合、投影变换、去异常值、镶嵌等，并对同年所有预处理的LST影像进行平均，得到当年夏季LST影像。

（2）本文选用温度水平阈值法对UHI进行空间分布识别，对UHI强度进行分级。目前，UHI边界识别的方法多种多样，如城乡温度阈值法、温度水平阈值法、高斯拟合参数法和温度下降突变法。其中，温度水平阈值法可以避免温度阈值选择过程中的主观性，获得更准确的UHI边界，并且易于操作。

（3）通过叠加相邻5年的两个UHI边界，基于空间拓扑关系的UHI斑块可以分为重叠、收缩和增长3种类型。重叠类型是指在UHI状态下保持5年的斑块；收缩型是指在5年内从UHI状态演变为非UHI状态的斑块；而生长类型是指在5年内从非UHI状态演变为UHI状态的斑块。

（4）本文首次定义了局部等温线树方法，并将其引入热环境场，推导了UHI的拓扑结构。该方法源自 Wu et al. （2015）和Wu and Lane （2016）提出的基于图论的局部等值线树方法，该方法可以利用连续栅格数据绘制拓扑图树以简化和描述等值线图（补充方法A4）。