2024
08/25
[城市特征对地表温度空间分布的小时影响：对30个城市的研究]
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PART.01
研究背景
全球变暖和城市扩张加剧了 UHI 现象，使越来越多的人面临可能危及生命的高温条件。城市热环境数据主要来自两个来源：来自气象站的地面大气温度测量和遥感技术对地表温度 （LST） 的观测。LST 的空间分布受一系列城市特征的影响。
传统上，探索城市特征与 LST 之间关系的研究采用回归分析，然而，鉴于这些模型中线性假设的固有局限性，最近的研究越来越多地应用机器学习技术。以前的 LST 分析方法主要利用来自极地轨道卫星的数据，但受到其时间分辨率的限制，在一次创新转变中，取得了一定的进步，但数据收集仍局限于离散矩。
本研究试图回答以下问题：“城市特征对地表温度空间变化的影响和相对重要性是什么，这种相关性如何每小时变化？为了实现这一目标，选择了美国东部标准时区 （EST） 内的 30 个城市，并采用非线性统计方法来探索城市特征对夏季 24 小时 LST 的影响。具体来说，该研究的主要目标是：（1） 比较昼夜周期不同时间 LST 的空间模式。（2） 评估 LST 在不同类型的土地覆盖中每小时如何变化。（3） 评估各种城市特征对 24 小时周期内 LST 空间分布的相对重要性。（4） 分析全天最重要的城市特征对 LST 的非线性影响模式。通过进行这种细致的分析，我们并不假定要建立因果关系，而是 t-o 增强了我们对城市热动力学的理解的粒度。收集到的见解不仅有望加深我们对驱动城市供暖机制的了解，还可以为旨在减少热浪影响的策略提供信息。因此，这项研究对城市规划和气候适应工作具有重要意义，使城市能够在气候变化时代更好地抵御和应对气温上升。
PART.02
数据与方法
1.数据来源
本研究的数据来源可以分为逐小时地表温度数据和城市特征数据。
核心LST 数据集来自美国大陆 （CONUS） 的 GOES-16 高级基线成像仪 （ABI） 2 级地表温度产品，以其 2 公里的空间和小时时间分辨率而著称，该数据集是通过分窗技术使用 ABI 光谱波段 14 （11.2 μm） 和 15 （12.3 μm） 生成的。
城市特征数据包括土地覆盖数据、建筑物覆盖区数据、森林冠层高度和种群数据以及地理气候数据集。
2.研究方法
（1）城市特征计算：通过城市特征因素的视角来阐明城市特征。调查包括四类关键因素：景观构成、景观模式、地质气候条件，以及包括社会经济因素和 3D 结构特征在内的其他关键因素。分析使用 NLCD 作为基础土地覆盖地图，采用土地覆盖类型的各种组合来计算每个景观属性的不同指标 。除 P_building 外，景观构图的计算是使用类景观百分比 （PLAND） 指标进行的。为了描述景观模式，应用了三个不同的指标：香农多样性指数 （SHDI）、斑块密度 （PD） 和形状指数 （SI），它们分别衡量景观多样性、斑块碎片化和形状复杂性。这些指标的数学公式如下：
式中，P为i类土地覆盖占比;N为特定土地覆盖类别的斑块数；A为景观总面积(m2)；𝑃𝑗 为patch j的周长(m)， 𝑎𝑗 为patch j的面积(m2)。
（2）样本分析：初步分析侧重于检查 EST 区内 LST 的总体分布，以了解 LST 变化的宏观模式。尽管这种对 LST 分布的大规模视角提供了对一般趋势的见解，但它并不能阐明不同土地覆盖类型的 LST 动态。为了更细致地了解这些动态，选择克利夫兰作为焦点。在该区域内，确定了代表主要土地覆盖类别的六个位置：城市强度高、中、低的发达地区；落叶林;草原，包括耕作作物和干草/牧场；和水域。在 24 小时周期内监测这些地点的 LST 变化为数据提供了一个简洁而翔实的视图，显示了每种土地覆盖类型独有的热特性 。
（3）统计模型：作为非线性机器学习模型，采用梯度提升机 （GBM） 构建了以 LST 为因变量、17 个城市属性为自变量的回归模型。
PART.03
重要图表
PART.04
研究结论
为了帮助城市规划者应对气候变化和 UHI 引起的城市变暖，着眼于确定城市特征与 24 小时周期内 LST 之间的复杂关系。
利用 GBM 模型，证明了某些城市特征对 LST 的重大影响，它们的影响会随着每小时的阳光变化而显着调节。研究结果强调了与阳光直接相互作用的城市特征（例如表面反照率、建筑物覆盖率、城市蓝绿空间和 3D 结构（投射阴影））在塑造城市地区的热景观方面的关键作用，每一种都有助于通过 24 小时周期观察到的热变化。
确定了城市特征如何影响 LST 的两种不同模式：夜间模式，其中城市特征和 LST 之间的关系在夜间保持一致，以及日间模式，这种相关性随阳光强度波动。特别是在温度高峰时段，建筑物覆盖率显著增加了 LST，这表明城市中心更容易受到极端高温的影响。这凸显了城市发展的双重性质：虽然它对于支持不断增长的城市人口至关重要，但它无疑会加剧 UHI 效应，尤其是在阳光强烈期间。
本研究采用的方法和获得的结果对关于可持续城市规划和气候适应力的新兴讨论做出了重大贡献。通过确定城市特征对 LST 影响的昼夜变化，该研究提供了一个批判性的视角，城市规划者和政策制定者可以通过该视角制定旨在减轻 UHI 的干预措施。
PART.05
小编说
该文章题目为“Hourly impact of urban features on the spatial distribution of land surface temperature: A study across 30 cities”，于2024年发表在Sustainable Cities and Society期刊，IF=10.5。
引用：Wang Q ,Wang H ,Ren L , et al.Hourly impact of urban features on the spatial distribution of land surface temperature: A study across 30 cities[J].Sustainable Cities and Society,2024,113105701-105701.
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本期编辑：肖文文
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