导读 | Introduction
中国科学院空天信息创新研究院城市陆表环境遥感团队提出一种多角度描述局部冷岛和热岛效应的统一方法。该方法将城市内部用地的局部冷岛和热岛效应进行了统一描述，实现了对城市用地的热效应的类间差异和整体影响的定量评估。该成果发表于国际城市研究领域顶刊Sustainable Cities and Society（2024年影响因子：11.7），第一作者为博士研究生高健峰，通讯作者为孟庆岩研究员。
研究背景 | Background
城市用地引起的局部温度变化会改变区域性气候并显著影响城市热岛效应。不同用地类型的社会功能和自然属性产生了不同程度的局部热影响，但目前研究几乎没有考虑这些用地局部降温和升温效应的统一描述。具体而言，以往研究指标全面涵盖并描述了不同类型城市用地导致的降温/升温效应，但这些指标仅针对同类别效应分别进行论证与分析，尚缺乏一个统一的方法框架来对比城市不同类别用地产生的降温/升温效应，这导致研究人员很难对缓解城市热岛效应提出用地类型的规划建议。其次，目前提出的指标大多针对显著且少量的局部降温/升温效应进行分析，这些人工选取的城市用地往往更具有主观性。因此基于这种降温/升温效应提取的降温/升温距离和强度等指标无法验证其能否反映该类型普遍的降温/升温效应，其指标结果同样不能准确描述该地区的降温/升温效应。此外，相邻的同类型用地产生的降温/升温效应会互相作用，这种协同热效应严重影响了研究学者对大规模同类型用地的整体量化与评估。然而，目前尚未提出一种合理的手段来量化用地的协同热效应。
研究方法 | Methodology
为量化城市用地的局部降温/升温效果，构建用地周围地表温度与距离的曲线。以往的研究表明，三次多项式拟合只能优秀的模拟已确定大致范围的降温/升温曲线，对于影响范围模糊的曲线不能很好的拟合。本研究包含了大量小面积的普通城市用地，以往研究选取的显著降温/升温效应范围可能会大于一般城市用地的显著降温/升温效应范围。因此本研究总结了以往对于各种城市用地所得到的降温/升温范围结果，从用地边缘开始以30m为间隔构建缓冲区，每个缓冲区的平均LST与缓冲区半径分别作为因变量与自变量。进行两次三次多项式拟合，第一次拟合旨在确定大致范围，第二次拟合旨在计算后续具体降温/升温曲线指标。
在本研究中，计算了5个不同角度的指标量化局部降温/升温效应，分别是降温/升温距离（C/WD）、降温/升温强度（C/WI）、降温/升温效率(C/WE)、降温/升温梯度(C/WG)和降温/升温积累(C/WA)。首先，基于降温/升温效应与曲线的直观视角，选取C/WD和C/WT，其已被广泛应用于评估城市用地的降温/升温效果。其中，C/WD代表曲线第一个转折点（即，导数第一次为0的点）到用地边缘的距离。C/WI代表与曲线第一个转折点LST（TB）与城市用地边缘LST的差值。基于降温/升温效应影响面积角度，选取C/WE，其被定义为降温/升温效应影响面积（Smax）与用地面积（Ssite）之比)。C/WE已被证实可以优秀地反映用地降温/升温过程是否有效或经济。
此外，本研究为探索降温/升温效应对周围区域的累积LST变化，提出了C/WG，其被定义为降温/升温效应影响范围的LST积累与影响范围的比例。研究假设用地未建成时，原本的降温/升温效应影响范围内的LST与影响范围外的LST相同，其LST的积累为Smax与TB的乘积。T(s)是基于每个缓冲区的平均LST与每个缓冲区面积的三次多项式拟合函数。
代表用地降温/升温效应存在时对周围LST的积累，其数学意义是指第一个缓冲区面积（Sfirst）到最后一个受效应影响的缓冲区面积（Slast）对LST的积分。C/WG反映了用地对周围LST的整体累积的变化效率，绝对值高的C/WG反映用地产生了集中且高效的降温/升温效应，绝对值低的C/WG反映用地产生了广泛且低效的降温/升温效应。
上述指标量化了独立的降温/升温效应，为描述多个用地相近导致的协同降温/升温效应，量化城市内所有同类型用地对周围环境LST积累的总和，研究提出了C/WA。C/WA是在C/WG概念的基础上，进一步考虑了具有协同降温/升温效应的用地，让其缓冲区具有交集的部分仅保留在其中一个效应中。其中S_ind、Sfirst_ind、Slast_ind和Smax_ind分别代表了考虑协同降温/升温效应后的，每个缓冲区面积、第一个缓冲区面积、最后一个受降温/升温效应影响的缓冲区面积和受影响的缓冲区面积之和。C/WA可以反映用地对LST积累变化的普遍影响，其累加反映了一个区域内该类型用地对周围区域LST积累的整体影响。C/WA可以让研究人员从城市角度整体并精细化的评估某类用地类型对周围环境LST的影响。
核心结论 | Results
计算了四个降温/升温指标在不同用地中的表现。所有结果表明，不同用地的降温/升温效应表现出明显的波动。具体而言，水体与独立工厂在C/WD（均值为354.9m和351.5m）、C/WI（均值为-2.9°C和1.8°C）、C/WE（均值为108.2和94.3）和C/WG（均值为-22.8°C和17.6°C）中，均表现出了相似的降温/升温效应，表明两类用地对于周围LST的变化响应是类似的。公园在前三个指标的均值为200.5m, -1.65°C和7.1，说明公园对周围的LST综合影响最小。然而，在四类用地中，绝对值最大的C/WG（均值为-23.4°C）和变化幅度最小的四个指标说明了公园对周围环境的LST变化稳定、集中和高效。工业园区的四个指标均值为444.2m，1.6°C，44.9和11.8°C。由于工业园区复杂的内部属性，通过C/WI和C/WG可以发现小部分的工业园区产生了降温效应。
四类用地的降温/升温距离、降温/升温强度、降温/升温效率、降温/升温梯度的箱线图
计算了四个降温/升温效应指标分别与内部和外部影响因素的偏相关性和逐步线性回归结果。几乎所有具有显著性的结果表明，用地内部水体与植被的组成和生物物理参数与四个指标呈负相关，不透水面属性与四个指标呈正相关。需要注意的是，用地外部的植被、水体和不透水面影响因素与内部的偏相关结果恰恰相反。这一发现表明，内部的植被和水体属性会加剧降温效应并减弱升温效应，内部的不透水面属性会减弱降温效应并加剧升温效应。而外部的植被和水体属性会减弱降温效应并加剧升温效应，外部的不透水面属性会加剧降温效应并减弱升温效应。这可能是由于外部的植被和水体的蒸散和遮阳作用会让用地的降温效应起不到冷却作用从而更不明显，并会使升温效应更加突出。
对于公园和水体来说，内部的影响因素在许多情况下比外部影响因素对降温效应的影响更显著，这可能是由于两类用地的内部组成相对于外部环境更单一。公园和水体内部的植被、水体和不透水面显著影响降温效应，特别是C/WI和C/WG。公园与水体外部的不透水面相比于植被和水体更能影响降温效应。相反，由于工业园区和工厂内部的景观组成和配置复杂，外部的影响因素在许多情况下对升温冷却效应的影响更显著。植被和不透水面与升温效应显著相关，而水体对于升温效应相关性较小。此外，在本节中，用地的几何形状与降温/升温效应相关性较小。结合偏相关分析与逐步线性回归结果发现，不透水面属性是主要影响因素，且用地外部的经济水平会影响降温/升温效应效率。
四类用地的四个降温/升温效应指数分别与内部影响因素（上）和外部影响因素（下）之间的偏相关性和逐步回归的热图
考虑到同类型用地的降温/升温效应间的协同热效应，计算了四个城市内的四类用地对周围LST造成的降温/升温效应的积累。总体而言，公园、水体、工业园区和独立工厂对研究区分别产生了-179.45×106 °Cm2、-2107.07×106 °Cm2、45.96×106 °Cm2和208.03×106 °Cm2的LST积累变化。此外，通过CWA平均值统计可以发现，即便考虑了协同效应，水体的平均LST降温积累（-0.78×106 °Cm2）显著高于公园（-0.24×106 °Cm2）。同时，由于工业园区内的工厂的协同热效应，工业园区的平均LST升温积累（0.87×106 °Cm2）显著高于独立工厂（0.36×106 °Cm2）。此外，ANOVA结果表明四类用地产生的降温/升温效应在不同城市中没有显著差异。
下图展示了四类用地的C/WA在不同城市的空间分布。从工业园区和独立工厂产生的升温效应来看，四个城市的C/WA总和基本持平，北京和保定的工业园区的LST升温积累（25.89×106 °Cm2和17.97×106 °Cm2）略高于天津和廊坊（3.12×106 °Cm2和1.02×106 °Cm2）。这表明四个城市的工业水平一致，北京作为首都已经将工业生产活动分配给了周围城市。然而，从公园和水体产生的降温效应来看，四个城市的C/WA总和有显著的差别，北京的公园产生的LST降温积累（-125.78×106 °Cm2）远高于其他三个城市之和（-53.66×106 °Cm2）。同时北京水体产生的LST降温积累（-854.93×106 °Cm2）也高于其他三个城市。这表明四个城市的降温设施分配严重不均，除北京外的三个城市的降温设施建设仍需加强。
四类用地的降温/升温积累的空间分布
文章引用格式 | Reference：
Gao, J., Meng, Q., Hu, D., Zhang, L., Hu, X., & Qian, J. (2023). A uniform methodology of local cooling and warming effects for different urban site types: multi-perspective assessment based on four northern Chinese cities. Sustainable Cities and Society, 96, 104652. https://doi.org/10.1016/J.SCS.2023.104652
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