基于复杂网络和PLUS模型的城市热环境时空变化与多情景模拟：以成都市中心城区为例
城市热岛效应（UHIE）是指由于城市表面的高热吸收能力和人为热源，城市区域比周围的农村区域更暖和的现象。预计到 22 世纪，地球表面温度将上升 0.3-4.8 °C。全球变暖对健康和生活质量的城市居民，并增加了患热相关疾病的风险。因此，对城市热环境 （UTE） 的研究和缓解策略的制定至关重要。
了解 UTE 内部结构的变化特征并制定有效的缓解措施至关重要。目前对 UTE 的研究主要集中在其形成机制 、时空分布、驱动因素和缓解策略。确定 UTE 内部结构和功能特性的一种有用方法是将其模式描述为网络并检查其连接性。电路理论已被应用于生态学，将生态过程的生物流动视为电流，将景观视为导电表面，从而通过电流和电压反映出生态连通性和源之间的移动路径。
本研究以景观生态学和集成电路理论、复杂网络理论和时空格局分析技术为基础。提出了一种研究方法来分析城市热环境网络（TEN）拓扑特征的变化。此外，马尔可夫模型与 PLUS 模型相结合，以模拟潜在的未来发展并分析 UTE驱动因素。本研究侧重于分析城市 TEN 内部结构内的时空变化、多情景下 UTE 的未来变化、UTE 的主要驱动因素以及“保护城市冷源的边界 （BCUCS）”对 UTE 的影响。
(1) 分辨率为 30 m 的 Landsat 8 数据来自美国地质勘探局数据门户 （https://earthexplorer.usgs.gov/）。
(2) 气象观测数据来源于中国国家地面气象站的基础气象要素数据集。
(3) 每年的 UTE 驱动的数据分为两组：社会经济和物理。社会经济类别包括来自 Suomi 国家极地轨道伙伴关系 （NPP） 卫星上的可见光红外成像辐射计套件 （VIIRS） 的夜间灯光数据、来自 OpenStreetMap 的道路数据、GDP 和来自高德开放数据平台的兴趣点 （POI） 数据。自然地理类别包括高程、坡度、距水的距离、降雨量、风速、归一化差值植被指数 （NDVI）、归一化差值水体指数 （NDWI） 和从遥感影像中提取的归一化差值建筑指数 （NDBI） 数据。降雨数据来自 Zenodo。年风数据是使用 Anuspl 插值软件根据气象站的日常观测生成的。
(3) 数据分析涉及四个主要步骤：①分析 UTE 的整体时空变化，②构建城市 TEN 并检查网络组成部分的变化，③对城市 TEN 进行拓扑抽象并评估其变化，④通过耦合马尔可夫模型和 PLUS 模型对 UTE 变化进行多情景模拟和驱动分析。
(1) 成都市城市热岛强度在部分中心区域有所减弱，但其覆盖范围逐渐向周边郊区扩展，并集中在城市三环路以外区域。2013年和2018年的主要城市热环境区从中温区（MTZ）和高温区（HTZ）转变为2023年的中温区（MTZ）和超高温区（SHTZ）。中温区（MTZ）分布最广且扩展最显著，从2018年到2023年增加了202.65平方公里。然而，中低温区（SMTZ）和低温区（LTZ）的面积分别减少了83.05和12.91平方公里，从2013年到2023年呈下降趋势。
(2) 从2013年到2018年，热源（IS hot sources）数量增加了111个，但其总面积减少了95.08平方公里，表明热源碎片化显著，IIC和PC值下降。到2023年，热源数量减少了1个，但其总面积增加了26.54平方公里，IIC和PC值略有改善，历史热源的碎片化程度有所减轻。从2013年到2018年，冷源（IS cold sources）数量增加了122个，总面积增加了125.39平方公里，尽管其连通性仍然较低。从2018年到2023年，冷源数量减少了47个，总面积略微减少了9.75平方公里，主要是由于较小冷源的消失。过去十年，热网络（HN）持续向外扩展，而冷网络（CN）分布则更加均匀。从2013年到2018年，热网络和冷网络的连通性和稳定性有所增加，但从2018年到2023年有所下降。
(3) PLUS模型在不同情景下的模拟结果显示了UTE结构和空间分布的变化。在自然发展（ND）情景下，所有UTE区域部分转化为中温区（MTZ），导致100平方公里的面积转变，中温区的空间分布更为集中。在高温发展（HD）情景下，特别是超高温区（SHTZ）向高温区（HTZ）的转变，导致56.21平方公里的面积转移。在低温发展（LD）情景下，中温区（MTZ）扩展更为显著，增加了114.50平方公里，主要集中在斑块中。未来归一化植被指数（NDVI）和归一化建成区指数（NDBI）的变化将在新中温区的形成中起关键作用，预计这些区域将分布在沿河建成区或植被区。
(4) “城市冷源保护边界（BCUCS）”的实施有效保护和恢复了城市冷岛，管理并优化了UTE的空间分布，引导了其未来扩展，并改善了当前热岛的碎片化问题。在没有“BCUCS”约束的情况下，中温区（MTZ）在自然发展（ND）和高温发展（HD）情景下分别可能侵占城市冷岛26.70和15.12平方公里。在高温发展（HD）情景下实施“BCUCS”可以显著改善城市热环境，HTZ、SHTZ和MTZ区域将达到141.09平方公里。
该文章题目为“Spatiotemporal variations and multi-scenario simulation of urban thermal environments based on complex networks and the PLUS model: A case study in Chengdu central districts”，于2024年发表在Sustainable Cities and Society》，IF=10.5。
引用：Ling Jian, Xiaojiang Xia, Xiuying Liu, Yue Zhang, Yuanqiao Wang,Spatiotemporal variations and multi-scenario simulation of urban thermal environments based on complex networks and the PLUS model: A case study in Chengdu central districts,Sustainable Cities and Society,Volume 115,2024,105833,
ISSN 2210-6707.
欢迎转载、转发本号发布的内容，可留言或后台联系小编进行授权。未经授权允许的，请勿在其他渠道或平台转载转发。文中部分来源于网络的图片，以及转述他人的内容，如涉及作品版权和其他问题，请留言联系小编处理。
本期编辑：邬欣阳
本期文案：邬欣阳
